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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art.
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Derartige elektrische Maschinen sind aus der
US 6351046 B1 ,
EP 1 335 478 A1 und
EP 1 363 382 A1 bekannt. Die
US 6351046 B1 und
EP 1 335 478 A1 zeigen jeweils einen kleinen, kompakten elektrischen Motor, bei welchem eine Lagerung der Rotorwelle am Gehäuse des Motors und damit an den Wellenenden außerhalb eines aktiven Bereichs des Motors vorgesehen ist. Eine Lagerung des Rotors axial innerhalb eines Rotorbereichs zeigt dahingegen die
EP 1 363 382 A1 auf. Der Rotor ist hierbei zweiteilig ausgeführt und die Lagerung ist zwischen den beiden Rotorteilen angeordnet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchen eine platzsparende Bauweise und ein verbesserter Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Zur Erzielung einer platzsparenden Bauweise und einem verbesserten Wirkungsgrad ist es bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vorgesehen, dass die Lageranordnung zwei Lager umfasst, welche in axialer Richtung innerhalb der axialen Ausdehnung des Stators und/oder des Rotors angeordnet sind. Im Gegensatz zu den in der
US 6351046 B1 und
EP 1 335 478 A1 gezeigten elektrischen Maschinen ist es also gerade erfindungsgemäß vorgesehen, die Lagerung des Rotors gegenüber des Stators derart vorzunehmen, dass die Lager selbst den Stator und/oder den Rotor nicht überragen. Dadurch kann eine besonders kompakte elektrische Maschine bereitgestellt werden. Im Gegensatz zu der in der
EP 1 363 382 A1 gezeigten elektrischen Maschine ist es zudem erfindungsgemäß vorgesehen, eine Lageranordnung mit zwei Lagern vorzusehen, welche vorzugsweise an entgegengesetzten Enden der elektrischen Maschine angeordnet sind, wodurch eine besonders stabile Lagerung des Stators gegenüber dem Rotor und umgekehrt bereitgestellt werden kann. Infolgedessen kann der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor besonders klein ausgebildet werden, wodurch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erheblich verbessert werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Lager jeweils unmittelbar an dem Stator oder dem Rotor angeordnet sind. Dadurch kann eine Reduktion der Toleranzkette erzielt werden, infolgedessen zum einen die Größe bzw. die Abmaße der elektrischen Maschine reduziert und zum anderen aber vor allem der Luftspalt zwischen Rotor und Stator genauer und kleiner dimensioniert werden kann. Der kleine einstellbare Luftspalt führt zu einem höheren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Lager jeweils unmittelbar an einer an dem Rotor angebrachten Welle und an einer der Welle zugewandten Innenfläche des Stators angeordnet sind. Dadurch kann ebenfalls die Toleranzkette verringert werden, da die Maßabweichungen vom Innendurchmesser des Rotors bis zu seinem Außendurchmesser keinen Einfluss mehr auf den Luftspalt haben. Infolgedessen kann der Luftspalt kleiner gewählt werden, wobei der über den Umfang gleichmäßigere Luftspalt zu kleineren Querkräften führt, die nur geringere Lagerreibungen in Form von Verlusten verursachen. Die Lagerung kann daher insgesamt kleiner dimensioniert werden. Zudem führt der kleinere Luftspalt zu höheren Wirkungsgraden der elektrischen Maschine.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Lager jeweils unmittelbar an dem Rotor und an einem Gehäuse angebracht sind, wobei der Stator innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die Abmessungen der Lagerung sind daher nicht mehr für die Gesamtabmessungen der elektrischen Maschine längenbestimmend. Dadurch kann die elektrische Maschine insgesamt kürzer und somit kompakter gestaltet werden. Ferner kann hierdurch ebenfalls die Toleranzkette verringert werden, infolgedessen der Luftspalt zwischen Stator und Rotor kleiner ausgebildet und somit der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass an jeweiligen Stirnseiten des Rotors ein Wellenstummel angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die elektrische Maschine ohne eine durchgehende Rotorwelle ausgeführt. Da dadurch das Wellenmittelteil entfallen kann, kann entsprechendes Gewicht bei der elektrischen Maschine eingespart werden. Zudem wird im Zentrum des Rotors Bauraum frei, der beispielsweise für Rotorkühlungsmaßnahmen genutzt werden kann. Zudem kann der Innendurchmesser des Rotors größer ausgeführt werden, da er keine Welle mehr aufnehmen muss, sodass entsprechendes Gewicht und Bauraum eingespart werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet ist. Je nach Anwendungszweck der elektrischen Maschine kann somit eine entsprechend angepasste Ausführungsform der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Vorzugsweise kann zudem die elektrische Maschine als Synchronmaschine, als permanent erregte Synchronmaschine, als Asynchronmaschine, als Reluktanzmaschine und dergleichen ausgebildet sein.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine wird ein Rotor mittels einer zumindest ein Lager umfassenden Lageranordnung drehbar gegenüber einem Stator gelagert, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch auszeichnet, dass die Lageranordnung zwei Lager umfasst, welche in axialer Richtung innerhalb der axialen Ausdehnung des Stators und/oder des Rotors angeordnet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens anzusehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass eine Welle und der Rotor in ein Druckgusswerkzeug eingelegt und anschließend mittels eines Druckgussverfahrens miteinander verbunden werden. Dadurch können die Welle und der Rotor auf einfache und schnelle Weise aneinander befestigt bzw. montiert werden, da hierbei entgegen beispielsweise einer Presspassung keine bzw. kaum Toleranzen eingehalten werden müssen sowie vorhandene Toleranzen durch den Druckguss erheblich ausgeglichen werden können. Ferner kann eine entsprechende Schwenkung von Rotorpaketen des Rotors ohne einen Zusatzaufwand im Wesentlichen beliebig eingestellt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, welcher unter Vermittlung zweier Lager drehbar an einem Stator gelagert ist, wobei die Lager jeweils unmittelbar an einer an dem Rotor angebrachten Welle und an einer der Welle zugewandten Innenfläche des Stators angeordnet sind;
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2 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der in 1 gezeigten elektrischen Maschine, bei welcher die Lager jeweils unmittelbar an dem Rotor und an einem Gehäuse angebracht sind, wobei der Stator innerhalb des Gehäuses angeordnet ist;
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3 eine Schnittansicht einer weiteren elektrischen Maschine, wobei statt einer durchgängigen Welle an jeweiligen Stirnseiten des Rotors jeweils ein Wellenstummel angeordnet ist; und in
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4 eine Schnittansicht einer weiteren elektrischen Maschine, wobei die Welle und der Rotor mittels eines Druckgussverfahrens miteinander verbunden worden sind.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine elektrische Maschine 10 mit einem Rotor 12, welcher unter Vermittlung einer zwei Lager 14 aufweisenden Lageranordnung um eine Lagerachse 16 drehbar an einem Stator 18 gelagert ist, ist in einer Schnittansicht in 1 gezeigt. Die beiden Lager 14 sind in axialer Richtung z innerhalb der axialen Ausdehnung des Stators 18 angeordnet. Ferner sind die Lager 14 jeweils unmittelbar an einer an dem Rotor 12 angebrachten Welle 20 und an einer der Welle 20 zugewandten Innenfläche 22 des Stators 18 angeordnet. Mit anderen Worten ist also die Welle 20 des Rotors 12 gegenüber dem aktiven Statormaterial und damit gegenüber der radialen Innenfläche 22 des Stators 18 gelagert. Unter aktivem Material wird allgemein vor allem das Material verstanden, in dem der magnetische Feldaufbau stattfindet, auch wenn in den Randbereichen an den Lagerstellen kein Feld mehr aufgebaut werden muss oder vorhanden sein muss.
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Es kann auch ein zusätzliches Material zur Strukturunterstützung im bzw. am Stator 18 bzw. am Rotor 12 angebracht sein. Die Lageranordnung bzw. die Lager 14 greifen also gegen Bereiche des Stators 18 und des Rotors 12, welche aus dem Material des Rotors 12 und des Stators 18 bestehen und materialbündig ausgeführt sind. Zur besseren Verteilung der Lagerkräfte kann noch eine hier nicht dargestellte Unterstützungsstruktur, wie beispielsweise ein zusätzlicher Lagerring am Rotor 12 oder Stator 18 angeordnet sein, der die Lagerkräfte nicht punktuell auf das aktive Material überträgt. Die Unterstützungsstruktur kann allerdings auch Teil der Lager 14 sein, so dass die Lager 14, welche am aktiven Material angreifen, nicht nur aus den üblichen Rollen-, Wälz- oder Gleitlagern bestehen, sondern noch eine Verstärkungsstruktur gegenüber dem Rotor 12 oder dem Stator 18 aufweisen, wodurch eine verbesserte Kraftverteilung der Lager 14 gegenüber dem aktiven Material ermöglicht wird.
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Die Innenfläche 22 und ein hier nicht näher bezeichneter Lagersitz können gegebenenfalls durchgängig bearbeitet sein. Dadurch, dass die Lager 14, wie hier gezeigt, unmittelbar in den Stator 22 eingebaut sind, können entsprechende Lagerschilde und/oder Gehäuseteile entfallen. Durch die hier gezeigte Lagerung des Rotors 12 gegenüber dem Stator 18 kann eine Reduzierung der Toleranzkette erzielt werden, infolgedessen die Größe eines Luftspalts 24 zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 18 verringert werden kann, was sich positiv auf den erzielbaren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 auswirkt.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform der elektrischen Maschine 10 gezeigt. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform der elektrischen Maschine 10 sind im vorliegenden Fall die Lager 14 jeweils unmittelbar an dem Rotor 12 und an einem Gehäuse 26 angebracht, wobei der Stator 18 innerhalb des Gehäuses 26 angeordnet bzw. in diesem aufgenommen ist. Die beiden Lager 14 sind in axialer Richtung z innerhalb der axialen Ausdehnung des Stators 18 und des Rotors 12 angeordnet. Somit sind im vorliegenden Fall die Lager 14 genauso wie in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 10 nicht längenbestimmend für die elektrische Maschine 10.
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Vorliegend sind die Lager 14 also nicht an der Welle 20, sondern direkt am aktiven Rotormaterial gegenüber dem Gehäuse 26 und damit gegenüber dem Stator 18 gelagert, so dass die Welle 20 nur fest mit dem Rotor 12 verbunden bzw. an diesem gelagert ist. Mit anderen Worten erfolgt die Lagerung des Rotors 12 dadurch, dass ein jeweiliger Außenring 30 in den aktiven Bereich des Rotors eingesetzt wird. Ferner schließt im vorliegenden Fall ein zu dem Gehäuse 26 gehörendes Lagerschild 28 den Rotor 12 und Stator 18 in axialer Richtung z ab.
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Infolge der hier gezeigten Lagerung des Rotors 12 gegenüber dem Stator 18 wird zum einen eine besonders kompakte Ausführung der elektrischen Maschine 10 ermöglicht, und zum anderen wird dadurch auch ermöglicht, dass der Luftspalt 24 zwischen Rotor 12 und Stator 18 in radialer Richtung r besonders klein ausgebildet werden kann, was sich positiv auf den erzielbaren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 auswirkt.
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In 3 ist eine weitere elektrische Maschine 32 in einer Schnittansicht gezeigt. Vorliegend sind die Lager 14 zur Lagerung des Rotors 12 gegenüber dem Stator 18 außerhalb der axialen Ausdehnung sowohl von dem Rotor 12 als auch von dem Stator 18 angeordnet. Es ist vorgesehen, dass an jeweiligen Stirnseiten 34 des Rotors ein jeweiliger Wellenstummel 36 angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die elektrische Maschine 32 ohne eine durchgehende Rotorwelle ausgeführt. Zur Lagerung des Rotors 12 werden stattdessen an dessen Stirnseiten 34 zwei hohl gebohrte Wellenstummel 36 angebracht. Diese können beispielsweise angeschraubt, angeschweißt, eingepresst oder einstückig mit dem Rotor 12 ausgeführt sein.
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Da ein entsprechendes Wellenmittelteil entfällt, kann entsprechend Gewicht eingespart werden. Im Zentrum des Rotors 12 wird daher Bauraum frei, der beispielsweise für Rotorkühlungsmaßnahmen genutzt werden kann. Des Weiteren kann ein Innendurchmesser des Rotors 12 größer ausgeführt werden, da er keine Welle mehr aufnehmen muss. Ferner kann auch eine radiale Presspassung innerhalb des Rotors 12 mit den jeweiligen Wellenstummeln 36 vorgesehen sein, wobei hierbei die Eindringtiefe von der Presspassung abhängt und diese eine gesicherte Lagerung und Drehmomentübertragung gewährleisten muss.
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Bei einer entsprechenden Anpassung der elektrischen Maschine 10, wie in den 1 und 2 gezeigt, kann es ebenfalls vorgesehen sein, dass statt der Welle 20 ebensolche Wellenstummel 36 mit den damit einhergehenden Vorteilen eingesetzt werden.
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In 4 ist ein weitere elektrische Maschine 38 in einer Schnittansicht gezeigt. Zur Herstellung der hier gezeigten elektrischen Maschine 38 wird die Welle 20 gemeinsam mit dem Rotor 12 in ein Druckgusswerkzeug eingelegt und anschließend mittels eines Druckgussverfahrens miteinander verbunden. Hierbei fließt ein flüssiger, metallischer Werkstoff in einen zunächst vorhandenen Hohlraum zwischen der Welle 20 und dem Rotor 12, wodurch nach dem Auskühlen des flüssigen, metallischen Werkstoffes eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Rotor 12 und der Welle 20 entsteht. Besondere formschlüssige Geometrien an dem Rotor 12 und der Welle 20, beispielsweise in Form von Längs- und/oder Umfangskerben, Rändelungen, Hinterschnitten und dergleichen können zusätzlich zu einer besseren Drehmomentübertragung beitragen. Statt einer wie hier gezeigten durchgängigen Welle 20 können alternativ auch die in 3 gezeigten Wellenstummel 36 entsprechend verwendet werden.
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Bei einem Rotor für einen Asynchronmotor mit einem Kurzschlusskäfig, der aus Druckguss hergestellt wird, kann beispielsweise die Herstellung des Kurzschlusskäfigs mit Druckguss zusammen in einem Arbeitsschritt mit der Fixierung des Rotors auf der Welle mit Druckguss erfolgen. Beides in einem Schritt mit dem gleichen Material vereinfacht die Herstellung erheblich und reduziert die Kosten durch weniger unterschiedliche Materialien.
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Das erläuterte Herstellverfahren zum Verbinden des Rotors 12 mit der Welle 20 kann ebenfalls bei den in den 1 und 2 gezeigten elektrischen Maschinen 10 Anwendung finden.
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Wesentlich zur Reduktion der Toleranzkette bei der Lagerung des Rotors 12 gegenüber dem Stator 18 ist der Angriffspunkt der Lager 14 am Rotor 12 bzw. am Stator 18. Da die Toleranz des Luftspaltes 24 reduziert werden soll, um damit bei kleinem Luftspalt 24 eine Leistungssteigerung bzw. Wirkungsgradsteigerung zu erreichen, ist es wesentlich, dass die Lager 14 nicht weit entfernt des Luftspaltes 24 angreifen, sondern möglichst luftspaltnah. Bei den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen der elektrischen Maschine 10 bedeutet dies, dass die Lager 14 am Stator 12 möglichst am radialen inneren Ende und am Rotor 18 möglichst am radial äußeren Ende angreifen. Alternativ kann es sich bei der elektrischen Maschine 10 allerdings auch um einen Außenläufer handeln, bei welchem eine möglichst luftspaltnahe Anordnung der Lager 14 bedeutet, dass am Stator 12 die Anordnung möglichst an einem radialen äußeren Ende und am Rotor 18 an einen möglichst radial inneren Ende erfolgt.
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Allgemein können zum aktiven Rotormaterial auch noch zusätzliches Material oder Stützstrukturen kommen, die eine Lagerung an den schmalen radialen Randbereichen unterstützen und damit erst ermöglichen, wenn das normale Rotor- bzw. Statormaterial zu schwach wären, um entsprechende Lagerkräfte abzufangen. Die im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläuterte Lagerung des Rotors 12 gegenüber dem Stator 18 ist im Prinzip für alle Arten von elektrischen Maschinen 10 möglich, beispielsweise bei Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen, Reluktanzmaschinen und dergleichen, wobei typspezifisch spezielle Anpassungen zudem möglich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrische Maschine
- 12
- Rotor
- 14
- Lager
- 16
- Lagerachse
- 18
- Stator
- 20
- Welle
- 22
- Innenfläche
- 24
- Luftspalt
- 26
- Gehäuse
- 28
- Lagerschild
- 30
- Außenring
- 32
- Elektrische Maschine
- 34
- Stirnseite
- 36
- Wellenstummel
- 38
- Elektrische Maschine
- r
- Radiale Richtung
- z
- Axiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6351046 B1 [0002, 0002, 0005]
- EP 1335478 A1 [0002, 0002, 0005]
- EP 1363382 A1 [0002, 0002, 0005]
