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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Bürstenlose Gleichstrommotoren der hier relevanten Bauart werden als Innenläufer bezeichnet und weisen einen Rotor auf, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Motor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt. Die Wicklungen werden üblicherweise dreiphasig gewickelt und werden dementsprechend mit drei elektrischen Anschlüssen versehen, über die die Wicklungen mit einer Steuereinheit (ECU) verbunden werden können. Bei geringen Leistungen können die Stromschienen als Leiterbahnfolien ausgeführt werden. Bei höheren Leistungen, wie sie hier angenommen werden, werden die Wicklungsanschlussdrähte über Sammelschienen aus Kupferblech kontaktiert.
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Die
DE 101 16 831 A1 beschreibt einen Wicklungsaufbau für eine elektrische Maschine mit einer mehrphasigen Wicklung, bei welcher mehrere parallel geschaltete Spulen oder Spulengruppen an einer umlaufenden Stromschiene angeschlossen sind. Dadurch wird ermöglicht, die Spulenenden direkt und ohne Zwischenstücke mit einer elektrischen Stromführung zu verbinden.
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In der
DE 10 2015 200 093 A1 ist eine Verschaltungsplatte eines Stators für eine elektrische Maschine offengelegt. Mit Hilfe der Verschaltungsplatte ist eine elektrische Wicklung eines Stators mit kundenspezifischen VerbindungsSteckern für eine Stromversorgung verbindbar.
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Die
DE 10 2016 123 479 A1 offenbart eine Sammelschieneneinheit für einen Stator eines Elektromotors, welche einen Sammelschienenhalter zur Isolation gegen den Stator und eine an dem Sammelschienenhalter montierte Sammelschiene aufweist, welche mit einer Leistungsquelle und einer Spule des Stators elektrisch verbindbar ist.
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Zum Zwecke der geometrischen Beschreibung des Elektromotors wird zum einen die Drehachse des Motors als Mittelachse und Symmetrieachse angenommen. Der Stator ist konzentrisch mit der Drehachse und dem Rotor angeordnet. Die Drehachse definiert gleichzeitig eine Axialrichtung. Außerdem wird bezüglich der Mittelachse von einer Radialrichtung gesprochen, die den Abstand von der Mittelachse angibt, sowie von einer Umfangsrichtung, die tangential zu einem bestimmten in Radialrichtung angeordneten Radius ausgezeichnet ist. Die Anschlussseite des Stators, an der die Wicklungsdrähte mit der Stromschienenanordnung verbunden werden, wird als Oberseite des Stators beschrieben.
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Bei den hier besprochenen Elektromotoren sind neben den Leistungsdaten und dem Gewicht auch die Abmessungen wesentlich, insbesondere dann, wenn die Motoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden sollen. Der Bauraum in Kraftfahrzeugen ist generell limitiert, und die Vorgaben der Kraftfahrzeughersteller sind zu beachten. Deshalb ist es eine ständige Anforderung an die Konstruktion von Elektromotoren, beispielsweise eine bestimmte axiale Länge in Richtung der Mittelachse nicht zu überschreiten. Dabei bestimmen die Leistungsdaten, die von dem Elektromotor gefordert werden, im Wesentlichen die axiale Länge des Statorpakets sowie des Rotors mit den daran angeordneten Elektromagneten. Die Sammelschieneneinheit, die zur Kontaktierung der Wicklungsanschlussdrähte des Stators erforderlich sind, trägt zu der axialen Länge bei.
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In der
US 2018/0097416 A1 ist eine Sammelschieneneinheit gezeigt, welche drei Phasen elektrischen Stroms für die Wicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine liefert und gleichzeitig so aufgebaut ist, dass sie eine kompakte Grundfläche für den Einbau in das Gehäuse der elektrischen Maschine aufweist.
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Die
DE 10 2018 126 776 A1 zeigt einen Elektromotor mit einer kompakten Sammelschieneneinheit, welche wenigstens drei Sammelschienen aufweist. Eine erste Sammelschiene und eine zweite Sammelschiene sind in Umfangsrichtung um eine Drehachse beabstandet und ihre Basisabschnitte liegen in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zu der Drehachse. Eine dritte Sammelschiene ist in Umfangsrichtung um die Drehachse zwischen den beiden anderen Sammelschienen angeordnet und ihr Basisabschnitt ist in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse zwischen einer Stirnseite des Stators und der von den Basisabschnitten der ersten und zweiten Sammelschiene aufgespannten Ebene angeordnet.
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Aus der
JP 2014-158421 A ist ein Elektromotor bekannt, bei dem eine Sammelschieneneinheit mit drei Stromschienen axial oberhalb des Statorpakets angeordnet und mit den Wicklungsanschlussdrähten verbunden ist. Die Sammelschieneneinheit umfasst eine Anzahl von Sammelschienen, die teilkreisförmig konzentrisch zu der Mittelachse angeordnet sind. Mehrere Sammelschienen sind dabei in Axialrichtung übereinander gestapelt angeordnet. Die mehreren Sammelschienen und die dazwischen erforderliche elektrische Isolation tragen dabei zur axialen Länge des Statorpakets bei, da sie oberhalb der Wicklungspakete auf dem Stator angeordnet sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor so weiterzubilden, dass die axiale Erstreckung des Statorpakets und damit auch die Bauhöhe des Elektromotors in Axialrichtung reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird von einem Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist ein Elektromotor mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und einem den Rotor außen umgebenden Stator, der einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, vorgesehen, wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtendabschnitten gebildet sind und die Wicklungsdrahtendabschnitte zur Ausbildung von Phasen elektrisch mit drei Sammelschienen stirnseitig kontaktiert sind, wobei die drei Sammelschienen jeweils einen Leistungsquellenverbindungsanschluss zur elektrischen Kontaktierung der Sammelschiene mit einer Leistungsquelle und einen ringsegmentartigen Basisabschnitt zur elektrischen Verbindung der Sammelschienen mit den Wicklungsdrahtendabschnitten aufweisen, wobei der Basisabschnitt der ersten Sammelschiene in einer ersten Ebene senkrecht zur Drehachse angeordnet ist und wobei der Basisabschnitt der zweiten Sammelschiene in einer zweiten, zu der ersten Ebene beabstandeten zweiten Ebene senkrecht zur Drehachse angeordnet ist, und wobei sich der Basisabschnitt der ersten Sammelschiene von dem Leistungsquellenverbindungsanschluss der ersten Sammelschiene ausgehend im Uhrzeigersinn erstreckt und der Basisabschnitt der zweiten Sammelschiene von dem Leistungsquellenverbindungsanschluss der zweiten Sammelschiene ausgehend gegen den Uhrzeigersinn erstreckt und die Leistungsquellenverbindungsanschlüsse der ersten und zweiten Sammelschienen zueinander beabstandet sind und wobei der Leistungsquellenverbindungsanschluss der dritten Sammelschiene in Umfangsrichtung zwischen dem ersten und dritten Leistungsquellenverbindungsanschluss liegt. Die dritte Sammelschiene weist einen sich von ihrem Leistungsquellenverbindungsanschluss im Uhrzeigersinn erstreckenden ersten Bereich auf, der in der zweiten Ebene liegt und einen sich von ihrem Leistungsquellenverbindungsanschluss gegen den Uhrzeigersinn erstreckenden zweiten Bereich auf, der in der ersten Ebene angeordnet ist.
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Diese Anordnung der Sammelschienen ist besonders kompakt, da nur zwei Ebenen benötigt werden und somit die axiale Erstreckung des Sammelschienenhalters geringgehalten werden kann.
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Vorzugsweise weisen die Basisabschnitte der ersten, zweiten und dritten Sammelschiene denselben Radius auf und liegen in Axialrichtung übereinander.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Sammelschienen in einem Sammelschienenhalter zumindest teilweise aufgenommen sind, der an der Oberseite des Stators befestigt ist. Eine solche Anordnung vereinfacht die Montage.
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Vorzugsweise ist der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene vollständig von der ersten Sammelschiene und der zweiten Sammelschiene in Draufsicht überdeckt. In anderen Worten die Überdeckung liegt außerhalb des Leistungsquellenverbindungsanschlusses.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich der erste Bereich und der zweite Bereich der dritten Sammelschiene jeweils über etwa 105°.
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Es ist vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Sammelschiene in Draufsicht an ihren leistungsquellenverbindungsanschlussfernen Enden überlappend angeordnet sind.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Sammelschiene jeweils einen Basisabschnitt aufweisen, der sich über etwa 210° erstreckt.
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Vorzugsweise weist die dritte Sammelschiene im Basisabschnitt einen Absatz in Axialrichtung auf. Der Absatz dient zum Wechsel zwischen den Ebenen.
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Der Leistungsquellenverbindungsanschluss der ersten Sammelschiene liegt bevorzugt in der ersten Ebene, der Anschluss für die Leistungsquelle der zweiten Sammelschiene in der zweiten Ebene und der Leistungsquellenverbindungsanschluss der dritten Sammelschiene in Axialrichtung zwischen den beiden Ebenen.
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Der Abstand zwischen den beiden Ebenen bewirkt eine elektrische Isolierung der Sammelschienen untereinander.
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Die beschriebene Ausführung der Sammelschienen ist vorteilhaft, wenn der Stator mit folgendem Schema bewickelt wird:
- • Ausgehend von einem Drahtanfang eines Wicklungsdrahtes, Bewickeln eines ersten Statorzahnes in einer ersten Richtung,
- • Führen des Wicklungsdrahtes zu einem zweiten Statorzahn, der in einer ersten Umfangsrichtung unmittelbar auf den ersten Statorzahn folgt, und
- • Bewickeln des zweiten Statorzahnes in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, und wobei
- • die Wicklungspaare dazu ausgebildet sind, derart mit Strom versorgt zu werden, dass die Richtung des Stromflusses durch sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Wicklungspaare umgekehrt ist, so dass sich im Stator in Umfangsrichtung jeweils ein Nordpol und ein Südpol gegenüberliegen.
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Der Stator weist dabei bevorzugt gleichmäßig beabstandete Statorzähne auf, die ausgehend von einem Statorkern nach innen ragen und einen zylinderförmigen Innenbereich freilassen, und die paarweise mit einem Wicklungsdraht zur Ausbildung eines Wicklungspaares bewickelt werden.
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Die erste Richtung und die entsprechenden Wicklungsrichtungen sind dabei für jedes Wicklungspaar dieselben.
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Durch das Wicklungsschema ergibt sich der Vorteil, dass die Bewicklung jedes Zahnpaares gleich ist und somit unterschiedliche Bauteile vermieden werden können, was wiederum Kosten einspart. Weiterhin wird die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Phasen deutlich reduziert, da eine Überkreuzung der Drähte vermieden wird.
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Es ist bevorzugt, wenn jedes Wicklungspaar mit einem einzelnen Wicklungsdraht bewickelt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Wicklungspaare mit einem einzelnen Wicklungsdraht zur Ausbildung einer Spulenkette bewickelt werden.
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In einer Ausführungsform weist der Stator sechs Wicklungspaare auf.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Stators in Draufsicht,
- 2: eine schematische Darstellung des Stators der 1 mit Sammelschienen,
- 3: eine schematische Darstellung der Leistungsquellenanschlüsse der drei in 2 dargestellten Sammelschienen, sowie
- 4: einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Elektromotor mit Stator und Sammelschienen.
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In der 1 ist ein Stator 1 eines Elektromotors dargestellt. Der Stator 1 des Elektromotors besteht aus einem Eisenkern und weist drei aus mehreren Spulen 2 aufgebaute Phasenwicklungen 3 auf den Polen auf, um einen vierpoligen Motor zu bilden, wobei auf die jeweiligen Pole die Spulen 2 gewickelt werden. Statorzähne erstrecken sich vom Eisenkern nach innen und lassen einen zylinderförmigen Innenbereich frei, innerhalb dessen sich im Betrieb der nicht dargestellte Rotor des Motors dreht. Die drei Phasen U,V,W werden durch verschaltete Wicklungspaare 4 gebildet, so dass in einer Dreiecksschaltung zwei parallel Strompfade entstehen. Eine erste Spule eines jeden Wicklungspaares 4 wird durch Bewicklung eines Zahns gegen den Uhrzeigersinn ausgebildet. Darauf folgt ohne Unterbrechung die Bewicklung eines im Uhrzeigersinn unmittelbar zum ersten Zahn benachbarten zweiten Zahn des Wicklungspaares 4, der im Uhrzeigersinn bewickelt wird. Die Wicklungsdrahtenden 7 der Wicklungspaare 4 werden zur Statormitte hin elektrisch kontaktiert. Die Bewicklung aller sechs Wicklungspaare 4 erfolgt nach dem gleichen Schema. Die notwendige Umkehr des magnetischen Poles innerhalb des Wicklungspaares 4 wird durch einen invertierten elektrischen Anschluss und einer Umkehr der Richtung des Stromflusses erreicht. Die zueinander zu verschaltenden Drahtenden liegen somit bei einem Winkel von annähernd 150°. Die jeweiligen Kontakte einer Phase sind über einen Bereich von etwa 210° verteilt.
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2 zeigt schematische eine Sammelschieneneinheit 8 des in 1 dargestellten Stators 1 in Ansicht von oben. Die Sammelschieneneinheit 8 umfasst einen nicht dargestellten Sammelschienenhalter und drei an dem Sammelschienenhalter montierte Sammelschienen 9,10,11. Die Sammelschienen 9,10,11 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Der Sammelschienenhalter besteht wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass Kurzschlüsse zwischen den Sammelschienen 9,10,11 effektiv verhindert werden können. Der Sammelschienenhalter ist bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt und erstreckt sich über einen Teil der Sammelschienen 9,10,11. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter und den Sammelschienen 9,10,11 bereitgestellt werden. Der Sammelschienenhalter ist dazu eingerichtet, auf einer axialen Seite des Stators (Oberseite) positioniert zu werden.
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Die Sammelschieneneinheit 8 ist dazu eingerichtet, die Spulen 2 des Stators 1 mittels der Sammelschienen 9,10,11 elektrisch zu kontaktieren. Die Spulen 2 sind in den drei Phasengruppen U, V, W gruppiert. Vier Wicklungsdrahtendabschnitte 7 kontaktieren jeweils eine Sammelschiene. Die Sammelschiene einer Phase erstreckt sich über einen Bereich von 210°. Jede der Sammelschienen 3,4,5 weist einen Leistungsquellenverbindungsanschluss 12,13,14 auf, der dazu eingerichtet ist, die Sammelschiene mit einer Leitungsquelle elektrisch zu verbinden.
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Die Sammelschienen 9,10,11 sind jeweils mit einem Basisabschnitt 9',10',11' entlang des Umfangs mit festem Radius angeordnet. Die Basisabschnitte 9',10',11' sind ringsegmentartig ausgeformt.
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In der Darstellung der 2 liegen die Sammelschienen scheinbar auf verschiedenen Radien, um die Anordnung der Sammelschienen auf verschiedenen Ebenen darzustellen. Diese Anordnung der Sammelschienen wird im Folgenden beschrieben.
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Eine erste Sammelschiene 9 erstreckt sich über einen Bereich von etwa 210° mit ihrem Basisabschnitt 9' entlang des Umfangs. Diese erste Sammelschiene liegt in einer ersten Ebene E1. Sie weist an einem Ende des Basisabschnitts 9' den Anschluss 12 für die Leistungsquelle auf. Ausgehend von dem Leistungsquellenverbindungsanschluss 12 erstreckt sich der Basisabschnitt 9' im Uhrzeigersinn. Eine zweite Sammelschiene 10 erstreckt sich mit ihrem Basisabschnitt 10' ebenfalls über einen Bereich von etwa 210° entlang des Umfangs mit demselben Radius, wie die erste Sammelschiene. Die zweite Sammelschiene liegt in einer zweiten Ebene E2. Sie weist an einem Ende des Basisabschnitts 10' den Anschluss 13 für die Leistungsquelle auf. Ausgehend von dem Leistungsquellenverbindungsanschluss 13 erstreckt sich der Basisabschnitt 10' gegen den Uhrzeigersinn. Die beiden Sammelschienen 9,10 sind in Draufsicht an ihren leistungsquellenfernen Enden überlappend angeordnet. Die beiden Ebenen E1 und E2 sind dabei so gewählt, dass die Enden zwar in Axialrichtung übereinander liegen, sich aber nicht berühren und elektrisch zueinander isoliert sind. Die beiden Sammelschienen weisen in Axialrichtung einen Abstand a auf.
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Die dritte Sammelschiene 11 weist einen Leistungsquellenverbindungsanschluss 14 auf, der in Umfangsrichtung zwischen den Anschlüssen 12,13 der ersten und zweiten Sammelschiene 9,10 liegt. Alle drei Anschlüsse 12,13,14 liegen in unmittelbarer Nähe zueinander. Ausgehend von dem dritten Leistungsquellenanschluss 14 erstreckt sich die dritte Sammelschiene 11 in einem ersten Bereich 11'' in Richtung der ersten Sammelschiene 9 auf der zweiten Ebene E2 und in einem zweiten Bereich 11''' in Richtung der zweiten Sammelschiene 10 auf der ersten Ebene E1. Die dritte Sammelschiene 11 ist somit in Draufsicht in dem ersten Bereich 11'' überlappend mit der ersten Sammelschiene 9 und in dem zweiten Bereich 11''' überlappend mit der zweiten Sammelschiene 10 angeordnet. Jeder der Bereiche 11'', 11''' erstreckt sich ringsegmentartig über etwa 105°.
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Die 3 und 4 zeigen die Anordnung der Sammelschienen in Axialrichtung 100. Wie in 3 dargestellt, wechselt die dritte Sammelschiene 11 auf der Hälfte des Basisabschnitts 11' die Ebene. Der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene ist somit auf die beiden Bereiche 11'',11''' aufgeteilt. Die dritte Sammelschiene 11 weist somit im Basisabschnitt 11' einen Absatz 15 auf. Der Leistungsquellenverbindungsanschluss 12 der ersten Sammelschiene 9 liegt in der ersten Ebene E1, der Anschluss 13 für die Leistungsquelle der zweiten Sammelschiene 10 liegt in der zweiten Ebene E2 und der Leistungsquellenverbindungsanschluss 14 der dritten Sammelschiene 11 liegt in Axialrichtung zwischen den beiden Ebenen E1,E2. Die drei Sammelschienen 9,10,11 sind auf lediglich zwei Ebenen E1,E2 verteilt angeordnet. Die axiale Erstreckung des Statorpakets und damit auch die Bauhöhe des Elektromotors in Axialrichtung sind daher minimal gehalten, um Bauraum einzusparen.
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4 zeigt schematisch einen Elektromotor 16 mit Stator 1, der an seiner Stirnseite die Sammelschieneneinheit 8 trägt. Die Sammelschienen 10,11 liegen in zwei unterschiedlichen Ebenen E1,E2. Die dritte Sammelschiene 11 ist mit einem Wicklungsdrahtendabschnitt 7 der zugehörigen Spule kontaktiert.
