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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Da elektrische Maschinen thermisch hoch sensibel sind, ist ein leistungsstarkes Kühlsystem erforderlich. Mit der Temperatur steigt auch der ohmsche Widerstand der Kupferwicklungen, was zu einer höheren Verlustleistung in den Wicklungen führt und den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verschlechtert. Bei permanenterregten elektrischen Maschinen findet mit steigender Temperatur eine Entmagnetisierung der Dauermagnete statt, bis hin zu einem kompletten Verlust des magnetischen Felds, sobald die sogenannte Curie-Temperatur erreicht ist. Aus diesem Grund können die elektrischen Maschinen oft nur bei 60% der Peakleistung dauerhaft betrieben werden. Daher wird ein effizientes Konzept zur Kühlung von elektrischen Antrieben benötigt.
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Konzepte zur Kühlung von elektrischen Maschinen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Im Wesentlichen sind diese in passive und direkte Konzepte zu unterteilen. Luftgekühlte Konzepte beruhen auf Kühlung der Maschine durch die Umgebungsluft. Passiv flüssigkeitsgekühlte Konzepte sehen eine Kühlung der elektrischen Maschine mit einer Flüssigkeit vor, meist Wasser oder Öl, welche aber keinen Kontakt zu den aktiven Komponenten der elektrischen Maschine hat. Direkte flüssigkeitsgekühlte Konzepte sehen vor, dass die Flüssigkeit in direktem Kontakt, mit beispielsweise der Kupferwicklung oder anderen aktiven Komponenten steht. Voraussetzung für die direkte Kühlung ist eine nichtleitende Flüssigkeit.
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Eine Vorrichtung zur direkten Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine über ein thermisch leitfähiges Element, welches zwischen dem Gehäuse und dem Spulenende des Stators eingesetzt wird, ist aus der Druckschrift
DE 10 2016 007 278 A1 bekannt. Nachteilig bei diesem Kühlkonzept ist es, dass die Spulen des Stators nur einseitig gekühlt werden, wodurch es zu einem erhöhten Temperaturgradienten innerhalb des Stators kommt. Außerdem ist die Kühlung durch Konduktion über das leitfähige Element nicht so effizient wie die Kühlung durch Konvektion. Eine direkte Kühlung des Stators durch Konvektion ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 2018/0123409 A1 bekannt, wo einen durch die Wicklungen des Stators verlaufenden Kühlkanal das Kühlmittel durch den Stator transportiert.
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Aus der
EP 3 070 815 A1 ist ein Kühlkonzept bekannt, bei welchem der Stator der elektrischen Maschine über Ausnehmungen, in welchen sich thermisch leitfähige Einlegeteile befinden, gekühlt wird. Nachteilig hier ist der Temperaturgradient, der beim Stator entsteht.
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Bezüglich weiteren Standes der Technik hinsichtlich Kühlkonzepte bei Statoren wird auf die Druckschrift
EP 3 070 815 A1 und auf die Druckschrift
JP 2016 149 900 A2 verwiesen.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlmöglichkeiten ist man heute an Grenzen gestoßen, da die Anforderungen an der Kühlung durch die Weiterentwicklung der elektrischen Maschinen weiter gestiegen sind. Kühlkonzepte für elektrische Maschinen im Bereich der E-Mobilität sollen für eine geringere Temperatur der aktiven Komponenten sorgen. Durch geringe Betriebstemperaturen können höhere Dauerleistungen von der Maschine abverlangt werden. Ein weiter Aspekt eines effektiven Kühlkonzepts ist, dass der ohmsche Widerstand der Wicklungen geringgehalten wird, was der Wirkungsgrad der Maschine, hinsichtlich Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, verbessert. Ein hoher Wirkungsgrad der elektrischen Maschine sorgt für geringe Anforderungen an die Batterie. Des Weiteren können bei permanenterregten Maschinen kostengünstigere Dauermagneten eingesetzt werden, da die Anforderungen an die thermische Stabilität des Magnetfelds sinken und auf den Einsatz von seltenen Erden verzichtet werden kann.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Kühlkonzept anzugeben, das eine hohe und effiziente Wärmeabfuhr aus dem Stator erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem sich drehenden Rotor, einem mit Wicklungen versehenen Stator, einem Kühlkanal und einem im Kühlkanal strömenden Kühlmittel, wobei eine Welle, die als Hohlwelle ausgebildet ist und deren Rotationsachse senkrecht zu der Gravitationskraft verläuft, unmittelbar oder über Zwischenglieder mit dem Rotor verbunden ist, wobei das Kühlmittel durch die Welle strömt und über Öffnungen der Welle auf den Stator geschleudert wird, wobei das Kühlmittel ein Phasenwechselmaterial (PCM) enthält.
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Das Kühlkonzept zur Kühlung von elektrischen Maschinen durch Phasenübergang von PCM beruht auf der Ausnutzung der latenten Wärme des PCMs. Der Phasenwechsel des PCMs vom flüssigen in den gasförmigen Zustand verbraucht dabei Wärmeenergie in Höhe der spezifischen Verdampfungsenthalpie des Fluids. Der Phasenwechsel des PCMs vom festen in den flüssigen Zustand verbraucht dabei Wärmeenergie in Höhe der spezifischen Schmelzenthalpie des Fluids.
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Vorteilhafterweise wird bei der elektrischen Maschine Wärme sowohl über sensible als auch über latente Wärmespeicherung entnommen. Das Kühlmittel wird dem elektrischen Motor über einen Kühlkanal eingeführt, der durch die Rotorwelle verläuft. Das Konzept sieht vor, dass das Kühlmittel durch die Welle strömt und durch geeignete Öffnungen, mittels Zentrifugalkraft, auf die Wickelköpfe der Maschine geschleudert wird und dort verdampft, somit erfolgt beim Stator eine latente Wärmespeicherung des PCMs. Der Rotor wird auch über das Kühlmittel gekühlt, wodurch hier eine sensible Wärmespeicherung stattfindet.
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Wenn das PCM des Kühlmittels die Phasenübergangstemperatur erreicht hat, wird dem Stator Wärme über eine latente Wärmespeicherung im Kühlmittel entzogen, indem das PCM die Phase wechselt.
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Insbesondere durch die latente Wärmespeicherung des PCMs sind höhere Energiespeicherdichten als mit der aus dem Stand der Technik bekannten sensiblen Wärmespeicherung erreichbar, da es für den Phasenübergang des PCMs eine höhere Energiemenge benötigt wird, die aus dem Stator zum Zweck der Kühlung entzogen werden kann. Insbesondere ist das Kühlmittel ein Phasenwechselfluid, das bei einer bestimmten Temperatur seine Phase ändert und dabei je nach Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr Phasenwechselenthalpie aufnimmt oder abgibt.
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Das Kühlmittel zur Kühlung der elektrischen Maschine besteht vorteilhafterweise ausschließlich aus einem PCM oder ausschließlich aus einer Mischung mehrerer PCM. Der Phasenübergang des PCMs kann von einer flüssigen Phase auf einer gasförmigen Phase erfolgen. Dadurch kann man im Kühlkreislauf die gasförmige von der flüssigen Phase des Kühlmittels trennen und den Kühlkreislauf darauf optimieren. Beispielsweise kann man im Bereich des Kühlkreislaufs, bei welchem das Kühlmittel in der gasförmigen Phase strömt, druckresistente Leitungen und Überdruckventile einbauen. Weiter kann man im Bereich des Kühlkreislaufs, bei welchem das Kühlmittel in der flüssigen Phase strömt, Rückschlagventile einbauen, damit das Kühlmittel in die gleiche Richtung fließt. Die Temperatur des Fluids kann nicht über die Siedetemperatur steigen, sodass sämtliche Wärmeenergie über dem Siedetemperaturniveau für den Phasenübergang aufgewendet wird. Weiterhin kann die Siedetemperatur durch den Systemdruck variiert werden.
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Das Konzept sieht einen horizontalen Einbau der elektrischen Maschine vor. Unter horizontalen Einbau wird gemeint, dass die Rotorwelle der elektrischen Maschine senkrecht zu der Richtung der Gravitationskraft eingebaut ist. Beim Betrieb der elektrischen Maschine rotiert die Welle des Rotors, womit eine Schleuderkühlung der Wickelköpfe des Stators durch Zentrifugalkraft ermöglicht wird. Die Effektivität des Konzepts ist dabei an die anteilige Größe des Wickelkopfes im Vergleich zu der Länge der elektromagnetisch aktiven Zone gekoppelt. Zusätzlich kann der Kühlkreis um eine Kühlung der Leistungselektronik erweitert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform besteht das Kühlmittel aus einem PCM und einem flüssigen Kühlmittel. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die latente Wärmespeicherung des PCMs durch den Phasenübergang fest-flüssig, den Phasenübergang flüssig-gasförmig oder beide Phasenübergänge fest-flüssig und flüssig-gasförmig. Das PCM ist mit dem flüssigen Kühlmittel derart zusammengemischt, dass es sowohl zu einer sensiblen als auch zu einer latenten Wärmespeicherung auf den Wickelköpfen des Stators kommt. Außerdem sind hier die Druckanforderungen im System nicht so hoch wie bei einem System, wo das Kühlmittel ausschließlich aus einem PCM besteht, das sich nach dem Phasenübergang in einer gasförmigen Phase befindet.
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Vorteilhafterweise liegt die Phasenübergangstemperatur des PCMs unter der im Betrieb der elektrischen Maschine maximal erreichbaren Temperatur des Stators, in der Regel bis maximal 50°C unter der maximal erreichbaren Temperatur des Stators, bevorzugt 30°C unter dieser Temperatur, besonders bevorzugt 20°C unter dieser Temperatur.
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Im Zuge einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlmittel eine fließfähige nicht elektrisch leitfähige Flüssigkeit ist, beispielsweise eine High-Tech-Flüssigkeit 3M™ Novec™ oder dergleichen.
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Die aus der elektrischen Maschine über das Kühlmittel entzogene Wärme wird durch den Kühlkreislauf bis zu einem Wärmetauscher transportiert. Der Wärmetauscher, beispielsweise ein Kondensator, kühlt das Kühlmittel ab und führt es wieder in die elektrische Maschine ein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungen der Welle des Rotors als Düsen ausgelegt, um eine Zerkleinerung der Tropfen des Kühlfluids zu ermöglichen und eine schnellere Wärmeübertragung der elektrischen Maschine auf das Kühlfluid zu ermöglichen. Die Düsenöffnungen können so klein gewählt werden, dass nur bei ausreichender Zentrifugalkraft das Fluid aus der Rotorwelle geschleudert wird. Somit wird eine Leckage des Kühlmittels über die Öffnungen bei stehender Maschine vermieden.
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Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Öffnungen geneigt. Anders ausgedrückt steht bei dieser Ausführungsform mindestens eine Öffnung unter einem Winkel zur radialen Achse, wodurch der Kühlmittelstrahl gezielter in Richtung Stator gerichtet werden kann.
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Vorteilhafterweise bilden die Wicklungen des Stators Wickelköpfe, die in axialer Richtung aus dem Stator herausragen. Durch diese axiale Erweiterung der Wicklungen im Kühlmittelreservoir wird eine größere Fläche zur direkten Kühlung der Wicklungen zur Verfügung gestellt. Somit wird die Kühlung des Stators verbessert. Zusätzlich kann das Kühlfluid durch die Rotation der Welle des Rotors in Richtung der Wickelköpfe geschleudert werden. Durch das Schleudern wird die Verteilung des Kühlfluids bei den Wickelköpfen und deren Zwischenräumen verbessert.
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Die Kühlung des Stators kann weiter optimiert werden, wenn ein am Stator angeordneten Leitblech den Kühlmittelstrahl zu den Wickelköpfen richtet.
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Vorteilhafterweise kann die Oberfläche des Stators durch Rippen vergrößert werden, um eine erhöhte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel erzielen zu können.
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Die Erfindung soll nun beispielhaft anhand von Figuren veranschaulicht werden. Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine vergrößerte Ansicht der Öffnungen der Welle des Rotors nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 3 eine vergrößerte Ansicht der Öffnungen der Welle des Rotors nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 4 eine elektrische Maschine mit Leitblechen nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 5 eine vergrößerte Ansicht der Öffnungen der Welle des Rotors einer elektrischen Maschine mit Leitblechen nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 6 eine vergrößerte Ansicht der Öffnungen der Welle des Rotors einer elektrischen Maschine mit Leitblechen nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 7 einen Kühlkreislauf mit einer elektrischen Maschine gemäß 1,
- 8 einen alternativen Kühlkreislauf mit einer elektrischen Maschine gemäß 1.
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In 1 ist ein schematischer Aufbau einer elektrischen Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine 1 ist senkrecht zur Gravitationskraft eingebaut. Die elektrische Maschine 1 kann eine Permanentmagnetsynchronmaschine oder eine Elektrosynchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine sein. In 1 stellt eine Rotationsachse 6 auch eine Symmetrieachse der Darstellung dar. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 3, in welchem Wicklungen 8 elektrischer Spulen angeordnet sind. Im Inneren des Stators 3 befindet sich ein Rotor 2, der drehfest mit einer Welle 5 verbunden ist. Die Welle 5 ist als Hohlwelle ausgebildet und unmittelbar mit dem Rotor 2 verbunden, sowie um die Rotationsachse 6 drehbar in dem Stator 3 gelagert. Durch die Bestromung der Statorwicklungen entsteht ein magnetisches Feld in einem Luftspalt 7 zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3.
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Um die Kühlung des Stators 3 zu verbessern, bilden die Wicklungen 8 des Stators 3 Wickelköpfe, die in axialer Richtung aus dem Stator 3 herausragen. In anderen Worten sind die Wicklungen 8 und die Wickelköpfe axial verlängert, um möglichst weit in das Kühlmittelreservoir einzudringen. Durch diese axiale Erweiterung der Wicklungen 8 im Kühlmittelreservoir wird eine größere Fläche zur direkten Kühlung der Wicklungen 8 zur Verfügung gestellt.
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Das Kühlmittel 10 wird durch einen in dieser Figur nicht näher dargestellten Kühlkreislauf 11 über einen Eingang 12 in einen Kühlkanal 9 der Welle 5 eingeführt. Ein Kühlmittel 10 strömt durch die Welle 5 und kühlt den Rotor 2 der elektrischen Maschine 1 über sensible Wärmespeicherung. Zusätzlich erlauben Öffnungen 19 in der Welle 5 die Möglichkeit, den Stator 3 bei dem Betrieb der elektrischen Maschine 1 zu kühlen, indem durch Zentrifugalkraft das Kühlmittel 10 über die Öffnungen 19 auf den Stator 3 geschleudert wird. Ein Bauteil 4 ist mit dem Stator drehfest verbunden und über Dichtungen an die Welle 5 des Rotors 2 angebracht. Durch das Bauteil 4 wird sichergestellt, dass das Kühlmittel 10 nicht in den Luftspalt 7 gelangen kann, sodass der Rotor 2 trocken bleibt. Das Kühlmittel 10 wird dem Kühlkreislauf 11 über Ausgänge 13, 14 zurückgeführt. Bei dem Ausgang 13 der Welle 5 ist das Kühlmittel 10 in einer flüssigen Phase 16, da der Rotor 2 über sensible Wärmespeicherung gekühlt wird. Nach der latenten Wärmespeicherung des Kühlmittels 10 im Bereich des Stators 3 sammelt sich das Kühlmittel 10 in einer gasförmigen Phase 17 im Reservoir 15 auf und wird dem Kühlkreislauf 11 über die Ausgänge 14 zurückgeführt. Auf dieser Figur ist kein Ausgang für die flüssige Phase 16 des Kühlmittels 10 im Bereich des Reservoirs 15 vorgesehen. Jedoch ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine 1 entsprechende Ausgänge 13 für die flüssige Phase 16 des Kühlmittels 10 im Bereich des Reservoirs 15 aufweist, um die Leckage und Kondensation des Kühlmittels 10 dem Kühlkreislauf 11 zurückführen zu können.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Öffnungen 19 der Welle 5 des Rotors 2 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die erste Öffnung 19 unter einem Winkel 20 zur radialen Achse geneigt.
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3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Öffnungen 19 der Welle 5 des Rotors 2 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist sind alle Öffnungen 19 unter einem Winkel 20 zur radialen Achse geneigt.
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4 bis 6 zeigen die elektrischen Maschinen 1 gemäß 1 bis 3 erweitert mit einem Leitblech 21, welches am Stator 3 über die Wicklungen 8 befestigt ist.
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7 zeigt die elektrische Maschine 1 gemäß 1 in einem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf 11. Das Kühlmittel 10 in der gasförmigen Phase 17 wird über Kondensatoren 22 in die flüssige Phase 16 umgewandelt und der elektrischen Maschine 1 zurückgeführt.
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8 zeigt die elektrische Maschine 1 gemäß 1 in einem weiteren erfindungsgemäßen Kühlkreislauf 11. Das Kühlmittel 10 in der gasförmigen Phase 17 wird über Kondensatoren 22 in die flüssige Phase 16 umgewandelt und der elektrischen Maschine 1 zurückgeführt. Zusätzlich wird das Kühlmittel 10, welches von der Welle 5 in der flüssigen Phase 16 austritt, über einen Wärmetauscher gekühlt und ebenfalls der elektrischen Maschine 1 zurückgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Bauteil
- 5
- Welle
- 6
- Rotationsachse
- 7
- Luftspalt
- 8
- Wicklungen des Stators
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Kühlmittel
- 11
- Kühlkreislauf
- 12
- Eingang
- 13
- Ausgang für Flüssigphase
- 14
- Ausgang für Dampfphase
- 15
- Reservoir für Dampfphase
- 16
- flüssige Phase des Kühlmittels
- 17
- gasförmige Phase des Kühlmittels
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Öffnungen
- 20
- Winkel
- 21
- Leitblech
- 22
- Kondensator
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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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- DE 102016007278 A1 [0004]
- US 2018/0123409 A1 [0004]
- EP 3070815 A1 [0005, 0006]
- JP 2016149900 A2 [0006]
