Los vehículos eléctricos (VE) se han vuelto cada vez más populares a medida que la sociedad avanza hacia soluciones de transporte sostenibles. Esto se debe en gran parte a los avances tecnológicos que ofrecen un rendimiento y una eficiencia impresionantes. En el centro de esta revolución se encuentra la tecnología de los imanes de neodimio. Este artículo profundizará en la aplicación de los imanes de neodimio en la industria de los VE.
¿Qué son los imanes de neodimio?
Los imanes de neodimio (o imanes de aleación de neodimio-hierro-boro) son uno de los tipos de imanes permanentes más fuertes. Están hechos de una aleación compuesta por elementos de neodimio, hierro y boro. Se utilizan ampliamente en numerosas aplicaciones, como motores eléctricos, generadores, turbinas eólicas, escáneres de resonancia magnética y altavoces.
Los imanes de neodimio se utilizan popularmente en los motores eléctricos por su capacidad de generar campos magnéticos fuertes sin ser pesados. Por lo tanto, son adecuados para el uso en vehículos eléctricos, que priorizan la economía de combustible.
Los imanes de neodimio también se pueden encontrar en generadores y turbinas eólicas para convertir la energía mecánica en electricidad. En los escáneres de resonancia magnética, los imanes de neodimio crean un campo magnético fuerte que permite a los médicos obtener imágenes del cuerpo humano con mayor precisión.
Los altavoces utilizan imanes de neodimio potentes para producir un campo magnético intenso que interactúa con su bobina y, genera ondas sonoras para la producción de sonido.
Beneficios de los imanes de neodimio
Los imanes de neodimio se encuentran entre los imanes permanentes más fuertes disponibles en la actualidad, hechos de una aleación compuesta de neodimio, hierro y boro (Nd2Fe14B), lo que los hace adecuados para aplicaciones que incluyen motores de vehículos eléctricos.
Los vehículos eléctricos han ganado rápidamente popularidad debido a su menor impacto ambiental y costos operativos, y los imanes de neodimio juegan un papel integral en la conversión de energía eléctrica en energía mecánica que impulsa estos automóviles.
Los imanes de neodimio ofrecen varias ventajas distintas en los motores eléctricos. Debido a que estos imanes fuertes generan un par (fuerza de rotación) significativo, permiten que más energía eléctrica se convierta en energía mecánica y aumenta la eficiencia del motor.
Los imanes de neodimio son ligeros, lo que los hace adecuados para las baterías de vehículos eléctricos que pesan mucho, agregando solo un peso adicional mínimo a sus vehículos. Este factor también debe tenerse en cuenta, ya que el peso de la batería del vehículo eléctrico puede aumentar sustancialmente.
En tercer lugar, los imanes de neodimio son resistentes a la corrosión, lo que significa que no tiene que reemplazarlos con tanta frecuencia. Esto reduce los costos de mantenimiento a la vez que aumenta la confiabilidad del motor eléctrico.
Los vehículos de motor eléctrico dependen de los motores eléctricos accionados por imanes para generar fuerza de rotación. Los imanes de neodimio, entre los imanes permanentes más fuertes disponibles en la actualidad, se emplean con frecuencia en los motores eléctricos para alimentarlos.
Los imanes NdFeB ofrecen muchas ventajas para su uso en motores eléctricos. Su naturaleza liviana los hace más eficientes energéticamente; además, estos imanes pueden soportar temperaturas más altas en comparación con los imanes tradicionales; lo que los hace adecuados para vehículos que generan un calor considerable.
El principal beneficio de los imanes de neodimio radica en su excepcional potencia; esto los hace indispensables en los motores eléctricos que deben generar un par significativo para impulsar los vehículos. Estas fuerzas magnéticas tan fuertes también encuentran usos en entornos industriales como turbinas eólicas y máquinas de resonancia magnética.
Los imanes de neodimio ofrecen muchos beneficios que garantizarán que su motor eléctrico funcione de manera más eficiente, incluidos altos niveles de rendimiento y resistencia duradera. Cuando busque imanes potentes y duraderos para usar en vehículos de motor eléctrico, el neodimio puede ser su combinación perfecta.
En general, los imanes de neodimio son una excelente opción para los motores y ejes de vehículos eléctricos. Su resistencia, peso ligero, propiedades de resistencia a la corrosión y eficiencia los hacen más eficientes y confiables que otras formas de imanes.
Aplicaciones de los imanes de neodimio en vehículos de motor eléctrico
Propulsión del motor
Los imanes de neodimio juegan un papel esencial en los sistemas de propulsión de los vehículos de motor eléctrico (VE). Utilizados dentro de los motores eléctricos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica para fines de conducción, los imanes de neodimio generan campos magnéticos potentes que interactúan con las bobinas de los motores para generar el par y el movimiento de rotación necesarios para impulsar los vehículos hacia adelante; su excepcional fuerza magnética garantiza un funcionamiento eficiente del motor que ha permitido a los VE lograr niveles impresionantes de aceleración y velocidad.
Gestión de la batería
El almacenamiento y la gestión de la energía son de importancia crítica para el éxito de los vehículos eléctricos. El uso de imanes de neodimio en los sistemas de gestión de la batería puede mejorar el rendimiento y prolongar su vida útil, ya que regulan los ciclos de carga/descarga para garantizar un uso óptimo de la energía y también protegen de la sobrecarga/descarga de las baterías de los VE. Al aumentar la eficiencia de la gestión de la batería, los imanes de neodimio contribuyen a distancias de conducción más largas, así como a un rendimiento confiable de los VE.
Dirección asistida
Los imanes de neodimio se utilizan ampliamente en los sistemas de dirección asistida de los vehículos de motor eléctrico. La dirección asistida ayuda a los conductores cuando conducen a velocidades más bajas o cuando estacionan sus vehículos de manera fácil y fluida, especialmente en maniobras de estacionamiento o durante maniobras de estacionamiento. Los fuertes campos magnéticos de los imanes de neodimio permiten un control preciso de los mecanismos de dirección asistida, mejorando la capacidad de respuesta a la vez que mejora la maniobrabilidad en general y crea una experiencia de conducción aún más agradable para los propietarios de VE.
Frenado eléctrico
Los sistemas de frenos de vehículos eléctricos de vanguardia aprovechan el poder de los imanes de neodimio para brindar soluciones de frenado efectivas. Los imanes de neodimio se encuentran comúnmente en los frenos electromagnéticos que utilizan campos magnéticos para crear fricción que ralentiza los vehículos; estos frenos ofrecen un control eficiente, duradero y sensible con capacidades de control precisas tanto para las capacidades de frenado regenerativo.
Los imanes de neodimio mejoran el rendimiento del freno eléctrico a través de distancias de frenado más cortas y tasas de regeneración de energía más altas que, contribuyen a mejorar la eficiencia general al tiempo que amplían el alcance de los VE.
Infraestructura de carga
Los imanes de neodimio juegan un papel integral en el apoyo a la infraestructura de carga de los vehículos de motor eléctrico, desde las estaciones de carga y los conectores que los emplean, a través de conexiones seguras y confiables que aceleran los tiempos de carga al tiempo que fomentan una adopción más amplia de esta forma alternativa de transporte de vehículos.
Sistemas de frenado regenerativo
Los vehículos eléctricos suelen incorporar sistemas de frenado regenerativo, que convierten la energía cinética producida durante el frenado en energía eléctrica. Los imanes de neodimio juegan un papel crucial en estos sistemas al permitir una conversión de energía eficiente. Los imanes ayudan a generar los campos magnéticos necesarios, lo que permite la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, que luego se almacena en la batería del vehículo.
Infraestructura de carga
Los imanes de neodimio se utilizan en la construcción de infraestructura de carga para vehículos eléctricos. Se utilizan en equipos de suministro de vehículos eléctricos (EVSE), como estaciones de carga y conectores, para garantizar conexiones eficientes y seguras entre el vehículo y la infraestructura de carga.
Componentes del tren motriz
Los imanes de neodimio encuentran aplicación en varios componentes del tren motriz de los vehículos eléctricos, como los sistemas de dirección asistida eléctrica, los compresores eléctricos y las bombas de agua eléctricas. Estos imanes permiten diseños compactos y eficientes de estos componentes, lo que mejora el rendimiento general del vehículo.
Los imanes de neodimio han estado durante mucho tiempo en el corazón de la revolución de los vehículos eléctricos, transformando el rendimiento, la eficiencia y la experiencia de conducción general a través de su amplia variedad de usos para alimentar un motor EV o administrar sistemas de batería o brindar un control preciso de la dirección o un frenado eficiente; su papel no se puede subestimar en la conducción hacia adelante de las soluciones de transporte sostenibles y su importancia no se puede exagerar; al aprovechar esta fuerza magnética estamos acelerando nuestra transición hacia redes de transporte más ecológicas que apoyan ecosistemas de movilidad sostenibles.
Puedes hacer un motor solo con imanes
Un motor magnético o motor magnético es un tipo de máquina de movimiento perpetuo, que tiene la intención de generar una rotación por medio de imanes permanentes en el estator y el rotor sin suministro de energía externo. Tal motor no es realizable teórica ni prácticamente. [1] [2] La idea de motores magnéticos que funcionan ha sido promovida por varios aficionados. Se puede considerar como pseudociencia. Hay referencias frecuentes a la energía libre y, a veces, incluso enlaces al esoterismo. [3] Los motores magnéticos no deben confundirse con los motores de imanes permanentes que se utilizan comúnmente, que se alimentan de un suministro de energía eléctrica externo.
Principio de funcionamiento
Un motor magnético hipotético funciona con imanes permanentes en el estator y el rotor. Mediante una disposición especial de los polos que se atraen y repelen, supuestamente se mantiene permanentemente un movimiento de rotación del rotor. Las implementaciones prácticas fallan porque no hay energía sustancial en los imanes que pueda emplearse para la propulsión o para compensar las pérdidas de energía. La fuerza entre los imanes permanentes es conservativa, ya que el campo magnético sigue un potencial, por lo que no se realiza ningún trabajo durante un ciclo cerrado. Después de un corto período de tiempo, dicho motor dejará de moverse y asumirá una posición de equilibrio. [1] [3] Las racionalizaciones de los proponentes sobre la naturaleza de la fuente de energía varían. Algunos argumentan solo con fuerza magnética, dejando a un lado las cuestiones de conservación de la energía. Algunos argumentan que los imanes permanentes contienen energía magnética almacenada, que será consumida por el motor. Dicha energía que existe se limita a la energía gastada durante la producción del imán, que es bastante pequeña. Además, esto conduciría a una rápida reducción de la magnetización con el tiempo, que no se observa. Otras racionalizaciones incluyen referencias a la llamada energía libre y la energía de punto cero, sin explicar cómo se liberan estas energías. Otros afirman que sus motores podrían posiblemente convertir la energía térmica del ambiente en movimiento mecánico (máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo).
Historia
El concepto de un motor magnético que funciona ha existido durante siglos, con numerosos inventores y aficionados que han afirmado haber creado uno. Sin embargo, ninguna de estas afirmaciones ha sido verificada de forma independiente o ha resistido el escrutinio científico. La búsqueda de un motor magnético que funcione sigue siendo un objetivo de algunos aficionados y grupos de investigación, pero la comunidad científica lo considera un esfuerzo vano.
Qué se puede hacer con los imanes de neodimio
Un imán de neodimio (también conocido como imán NdFeB, NIB o Neo) es el tipo de imán de tierras raras más utilizado; [1] es un imán permanente hecho de una aleación de neodimio, hierro y boro, combinados para formar un compuesto que cristaliza en el sistema cristalino tetragonal [2] con la fórmula empírica Nd 2 Fe 14 B. Fue desarrollado en 1982 por General Motors y la división de metales especiales de Sumitomo Metal Industries. Los imanes de neodimio son el tipo de imán permanente más potente hecho por el hombre. [3] [2] Han reemplazado a otros tipos de imanes en muchísimas aplicaciones de la industria moderna que requieren imanes permanentes de gran potencia; aplicaciones tales como la fabricación de motores en herramientas inalámbricas, discos duros y sellos magnéticos.
Descripción
La estructura tetragonal de los cristales de Nd 2 Fe 14 B posee una excepcional anisotropía magnética uniaxial (HA ~ 7 teslas), esto le otorga al compuesto el potencial de poseer una altísima coercividad (resistencia a ser desmagnetizado). El compuesto también posee una alta saturación magnética (J s ~1,6 T o 16 kG) que típicamente es de 1,3 teslas. Por lo tanto, como la máxima densidad de energía es proporcional a J s 2, esta fase magnética posee el potencial de almacenar grandes cantidades de energía magnética (BH max ~ 512 kJ/m³ o 64 MG·Oe), la cual es considerablemente mayor que la de los imanes de samario-cobalto (SmCo), que fueron los primeros tipos de imanes de tierras raras en ser comercializados. En la práctica, las propiedades magnéticas de los imanes de neodimio dependen de la composición de la aleación, la microestructura y la técnica de manufactura empleada.
Historia y técnicas de manufactura
En 1982, General Motors y Sumitomo Special Metals descubrieron el compuesto Nd 2 Fe 14 B. El esfuerzo se hizo principalmente debido al alto costo del material de los imanes permanentes de SmCo, que habían sido desarrollados anteriormente. General Motors se enfocó en el desarrollo de los imanes nanocristalinos de Nd 2 Fe 14 B hilados por fusión (melt spinning), mientras que Sumitomo desarrolló imanes de Nd 2 Fe 14 B sinterizados de densidad completa. La General Motors Corporation comercializó sus inventos de polvo Neo isotrópico, y vinculó los procesos de producción de imanes Neo y procesos de producción relacionados fundando Magnequench en 198Magnequench es ahora parte de la compañía Neo Materials Technology Inc. y provee polvo de Nd 2 Fe 14 B hilado por fusión a los fabricantes de imanes vinculados. La fábrica Sumitomo se ha vuelto parte de la corporación Hitachi y actualmente fabrica y da licencia a otras compañías para producir imanes de Nd 2 Fe 14 B sinterizados. Hitachi tiene más de 600 patentes sobre imanes de neodimio. [4]
El Nd 2 Fe 14 B sinterizado tiende a ser vulnerable a la corrosión. En particular, la corrosión a lo largo de los límites de grano puede causar el deterioro de un imán sinterizado. Este problema se resuelve en muchos productos comerciales añadiendo una cubierta protectora. El plateado de níquel o el plateado de cobre níquel de dos capas se usa como un método estándar, aunque el plateado con otros metales o polímeros y cubiertas de laca protectora también se utilizan. [5]
Producción
Hay dos vías principales para la manufactura de imanes de neodimio:
- La metalurgia clásica de polvos, también llamada proceso de imanes sinterizados.
- La solidificación rápida, también llamada proceso de imanes ligados.
Los imanes de neodimio sinterizados se preparan fundiendo las materias primas en un horno, colando el material fundido en moldes y enfriándolo para formar lingotes. Luego se produce un polvo extremadamente fino a partir de estos lingotes. Este polvo se somete más tarde a un proceso de sinterizado en fase líquida por medio del cual las partículas se alinean magnéticamente y se unen entre sí para formar bloques densos, los cuales se tratan térmicamente, se cortan con la forma deseada, se someten a un tratamiento superficial para prevenir la corrosión, y se magnetizan. Actualmente se producen entre 45 000 y 50 000 toneladas de imanes de neodimio sinterizados cada año. La mayor parte en China y Japón. A partir de 2011 China produce más del 95% de los elementos de tierras raras, y produce el 76% de los imanes de tierras raras del entorno. [4]
Los imanes de neodimio ligados se preparan a partir de una delgada cinta de aleación de Nd-Fe-B obtenida por medio de hilado por fusión. Esta cinta contiene granos de Nd 2 Fe 14 B de escala nanométrica (nanogranos) aleatoriamente orientados. La cinta se pulveriza para producir pequeñas partículas, que se mezclan con un polímero y la mezcla resultante se moldea luego por inyección para formar imanes. [6] Los imanes ligados ofrecen un flujo magnético menor que el de los imanes sinterizados, pero presentan la ventaja de que pueden moldearse en formas muy intrincadas y debido a que no son conductores de la electricidad, no presentan pérdidas significativas debidas a la formación de corrientes de Foucault. Se producen aproximadamente unas 5500 toneladas de imanes de neodimio ligados cada año.
Adicionalmente, es posible utilizar las partículas nanocristalinas obtenidas del hilado por fusión para obtener imanes isotrópicos de alta densidad utilizando altas presiones y temperaturas, y luego aplicar un nuevo tratamiento térmico sobre estos imanes isotrópicos ya sea por forjado o extrusión para obtener imanes anisotrópicos de alta energía.
Propiedades
Propiedades magnéticas
Para comparar imanes permanentes se utilizan algunas propiedades importantes tales como: la remanencia (M r ), que mide la fuerza del campo magnético; la coercividad (H ci ), que mide la resistencia del material a ser desmagnetizado; el producto energético (BH max ), que mide la densidad de la energía magnética, y la temperatura de Curie (T C ), que es la temperatura a la cual un material pierde su magnetismo. Los imanes de neodimio poseen la mayor remanencia, una muy alta coercividad y producto energético, pero en cambio presentan una temperatura de Curie mucho más baja que otros tipos de imanes. Para preservar las propiedades magnéticas de estos imanes a altas temperaturas usualmente se suele alear al neodimio con terbio y disprosio. [7] La tabla que aparece a continuación compara el perfil de comportamiento de los imanes de neodimio con otros tipos de imanes permantes.
Tipo de imán | M r (T) | H ci (kA/m) | BH max (kJ/m³) | T C (°C) |
---|---|---|---|---|
Nd 2 Fe 14 B (sinterizado) | 1,0–1,4 | 750–2000 | 200–440 | 310–400 |
Nd 2 Fe 14 B (ligado) | 0,6–0,7 | 600–1200 | 60–100 | 310–400 |
SmCo 5 (sinterizado) | 0,8–1,1 | 600–2000 | 120–200 | 720 |
Sm(Co, Fe, Cu, Zr) 7 (sinterizado) | 0,9–1,15 | 450–1300 | 150–240 | 800 |
Alnico (sinterizado) | 0,6–1,4 | 275 | 10–88 | 700–860 |
Sr-ferrita (sinterizado) | 0,2–0,4 | 100–300 | 10–40 | 450 |
Propiedades mecánicas y físicas
Los imanes de neodimio son frágiles y se deben manejar con cuidado. Son susceptibles a astillarse o romperse si se dejan caer o se golpean con fuerza. También son susceptibles a la corrosión, por lo que a menudo se recubren con un revestimiento protector. Los imanes de neodimio son buenos conductores del calor y pueden calentarse rápidamente si se exponen a una fuente de calor.
Grados
Los imanes de neodimio se clasifican en una escala que representa su producto de energía máxima (maximum energy product), relacionada con el flujo magnético, pero más comúnmente expresada en número entero y refiriéndose a su Gauss (Gs). Los grados de imanes de NdFeB se representan internacionalmente en números enteros que van desde 28 hasta 5Cuanto mayor sea el número, mayor será la fuerza de atracción de los imanes. Estos números enteros van acompañados de una primera letra N que representa el neodimio. Precediendo al número entero hay letras que representan coercitividad y temperaturas máximas de operación que van desde 80 °C a 230 °C. [9]
Ejemplo de calificaciones en la categoría 80 °C y desglose
Desglose: N-35-N Neodimio-Grado-Temperatura respectivamente:
Rango: Más alto N52N N50N N48N N45N N42N N40N N38N N35N N33N N30N N28N Más bajo [9]
Riesgos
La enorme fuerza ejercida por los imanes de tierras raras ha creado riesgos que no se habían visto para otros tipos de imanes. Incluso imanes de neodimio apenas un poco más grandes que un par de centímetros cúbicos son lo suficientemente poderosos como para causar graves lesiones a cualquier parte del cuerpo que quede pinzada entre dos imanes, o entre un imán y una superficie metálica, pudiendo provocar hasta fracturas. [10] Si accidentalmente una persona queda atrapada entre dos imanes, o entre un imán y una superficie metálica, la reacción natural de esta persona es tratar de liberar el miembro o la parte corporal atrapada. Sin embargo, debido a que esto en general hace que el espacio entre los dos imanes se reduzca, la fuerza de pinzamiento generada entre ellos puede llegar a hacerse peligrosamente grande. De ser posible, la persona debería tratar de soportar el dolor y hacer lo que esté a su alcance para aumentar la distancia entre los imanes (o por lo menos prevenir que se sigan acercando), y después tratar de retirar el miembro atrapado. Los profesionales que trabajan con tales imanes suelen incluir cuñas de bronce como parte habitual de sus herramientas.
Imanes librados a su suerte, pueden chocar unos contra otros con fuerza suficiente como para astillarse y provocar una lluvia de astillas volando a gran velocidad que pueden causar serias lesiones. Ha habido incluso casos de niños que habiéndose tragado varios imanes de neodimio, han sufrido severas lesiones y hasta la muerte al quedar dos o más asas de su tracto gastrointestinal atrapadas entre los imanes. [11] Los fuertes campos magnéticos pueden ser peligrosos para dispositivos mecánicos o electrónicos, como así también pueden provocar la pérdida de datos en dispositivos de almacenamiento magnéticos tales como disquetes y tarjetas de crédito, y magnetizar relojes y otros mecanismos de relojería como así también crear sombras fantasma en monitores TRC a grandes distancias.
Aplicaciones
En tecnología
Los imanes de neodimio han reemplazado a los tradicionales imanes de alnico y ferrita en muchas de los miles de aplicaciones que tienen en la tecnología moderna, allí donde se requiera poderosos imanes permanentes para una determinada aplicación. Esto se debe a que su gran potencia permite el uso de piezas mucho más pequeñas y livianas. Algunos ejemplos:
- Motores eléctricos : Los imanes de neodimio se utilizan en una amplia gama de motores eléctricos, incluidos los que se encuentran en los vehículos eléctricos, las herramientas eléctricas y los dispositivos industriales. Su alta fuerza magnética permite diseños de motores más compactos y eficientes.
- Discos duros : Los imanes de neodimio se utilizan para grabar y leer datos en los discos duros de los ordenadores. Su alta fuerza magnética permite almacenar más datos en un espacio más pequeño.
- Sensores : Los imanes de neodimio se utilizan en una variedad de sensores, como los sensores de posición, los sensores de velocidad y los sensores de flujo. Su alta fuerza magnética permite que los sensores sean más sensibles y precisos.
- Generadores : Los imanes de neodimio se utilizan en generadores para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Su alta fuerza magnética permite que los generadores sean más eficientes y compactos.
- Turbinas eólicas : Los imanes de neodimio se utilizan en las turbinas eólicas para generar energía eléctrica a partir del viento. Su alta fuerza magnética permite que las turbinas eólicas sean más eficientes y compactos.
- Altavoces : Los imanes de neodimio se utilizan en altavoces para mover los conos de los altavoces. Su alta fuerza magnética permite que los altavoces sean más potentes y eficientes.
La demanda para el neodimio en vehículos eléctricos se estima que es cinco veces mayor que en turbinas de viento. [4]
Otras aplicaciones
Además, la mayor fuerza de los imanes de neodimio ha inspirado nuevas aplicaciones en áreas donde los imanes no eran usados anteriormente, tales como broches de joyería magnéticos, conjuntos de construcción magnéticos para niños, al igual que su uso en los cubos de Rubik, suplantando el mecanismo clásico de brazos por uno de varios cubos con imanes para mantener unidas las piezas (y otros juguetes de imanes de neodimio) y como parte del mecanismo de cierre del equipo moderno de paracaidismo deportivo. [12]
La fuerza y la homogeneidad del campo magnético en los imanes de neodimio ha abierto también nuevas aplicaciones en el campo médico con la introducción de escáneres de imagen por resonancia magnética (MRI) usados para visualizar el cuerpo en departamentos de radiología como una alternativa a los imanes superconductores que usan una bobina de alambre superconductor para producir el campo magnético. Como con la mayoría de los imanes basados en sólidos, el gradiente del campo magnético de los imanes de neodimio disminuye hacia los centros de sus superficies, así que hay una fuerza que atrae objetos metálicos a los bordes.
Los imanes de neodimio son un componente esencial de la tecnología de los vehículos eléctricos y juegan un papel vital en su eficiencia, rendimiento y sostenibilidad. Su alta fuerza magnética, peso ligero y resistencia a la corrosión los convierten en la elección perfecta para una variedad de aplicaciones en vehículos eléctricos, desde la propulsión del motor hasta la gestión de la batería y el frenado regenerativo. A medida que la industria de los vehículos eléctricos continúa creciendo, es probable que la demanda de imanes de neodimio siga aumentando, impulsando el desarrollo de nuevas tecnologías y soluciones innovadoras para el futuro del transporte.
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