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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Stator, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Elektrofahrzeug mit einem solchen elektrischen Maschine.
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Aus der
US 9,985,500 B2 ist eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit einem Gehäuse sowie einem darin angeordneten Rotor und Stator bekannt, wobei der Rotor eine Rotorwelle aufweist, die um eine Rotationsachse bezüglich des Stators drehbar gelagert ist. Zwischen dem Rotor und dem Stator ist dabei ein Luftspalt angeordnet. Ebenfalls vorgesehen ist eine Kühleinrichtung zur Beaufschlagung des Rotors und/oder des Stators mit Kühlmedium.
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Aus der
US 9,054,566 B2 ist ebenfalls eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator bekannt, wobei der Rotor aus einem Gehäuse mit einer Kammer besteht, die ein Kühlmittel enthält. Zudem hat das Gehäuse wärmeableitende Rippen, über welche bei einer Rotation des Rotors eine Kühlung der elektrischen Maschine erfolgt.
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Aus der
EP 1 627 166 B1 ist wiederum eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator sowie einem dazwischenliegenden ölfreien Ringspalt bekannt, der über eine Dichtung abgedichtet ist.
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Aus der
US 10/673,306 B2 ist eine gekühlte elektrische Maschine bekannt.
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In modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, kommen zunehmend leistungsstarke elektrische Maschinen zum Einsatz, die im Betrieb eine nicht unerhebliche Wärmeentwicklung erzeugen. Gerade bei Traktionsmotoren entsteht dabei sehr viel Wärme, die abgeführt werden muss, um eine Überhitzung elektrischer und/oder elektronischer Komponenten der elektrischen Maschine zu verhindern. Durch eine derartige Kühlung der Komponenten kann nicht nur deren Standzeit erheblich verlängert, sondern auch die elektrische Maschine in einem für die Leistung optimierten Temperaturfenster betrieben werden. Eine direkte Kühlung des Elektromotors erlaubt zudem eine hohe kontinuierliche Leistung des Elektromotors im Betrieb bei gleichzeitig sehr kleinem Volumen des Elektromotors.
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Bei bekannten Kühleinrichtungen wird Öl als Kühlmedium verwendet, wobei über derartiges Öl der Stator und/oder der Rotor kühlbar ist. Nachteilig bei bekannten gekühlten elektrischen Maschinen ist jedoch, dass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschinen stark nachlässt, sobald Kühlmedium, beispielsweise Öl, in den zwischen dem Stator und dem Rotor liegenden Spalt, insbesondere Luftspalt, gelangt. Tritt vermehrt Öl in diesen Spalt ein, so tritt hier eine nicht unerhebliche Reibung auf, die insbesondere bei einem hochtourigen Betrieb der elektrischen Maschine zu einem erheblichen Widerstand und zusätzlich auch zu einer zusätzlichen Aufheizung führt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine elektrische Maschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mittels welcher insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwunden werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer fluidgekühlten elektrischen Maschine einen zwischen einem Rotor und einem Stator bestehenden Luftspalt aktiv auszublasen und dadurch nicht nur ein Eindringen von Kühlmedium, beispielsweise Öl, in den Luftspalt zu verhindern, sondern zugleich auch unerwünscht in diesen Luftspalt eingedrungenes Kühlmedium wieder aus diesem zu entfernen und dadurch die elektrische Maschine deutlich reibungsärmer zu betreiben. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine besitzt dabei ein Gehäuse sowie einen darin angeordneten Stator und Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle aufweist, die um eine Rotationsachse bezüglich des Stators drehbar gelagert ist. Zwischen dem Rotor und dem Stator ist dabei ein Spalt, insbesondere ein Luftspalt, angeordnet. Ebenfalls vorgesehen ist eine Kühleinrichtung zur Beaufschlagung des Rotors und/oder des Stators mit Kühlmedium, beispielsweise mit Öl. Erfindungsgemäß ist nun eine Belüftungseinrichtung zur aktiven Belüftung des Spalts und zum Ausblasen von darin vorhandenem Kühlmedium vorgesehen. Gerade bei höheren Drehzahlen würde sich zwischen dem Stator und dem Rotor in dem Spalt sammelndes Kühlmedium zu einem nicht unerheblichen Reibungswiderstand führen, der die Leistung der elektrischen Maschine deutlich reduziert. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Belüftungseinrichtung kann der zwischen dem Stator und dem Rotor vorhandene Luftspalt freigehalten werden, wodurch die elektrische Maschine insgesamt reibungsarm und mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Besonders vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass durch die aktive Belüftung des Spalts dieser freigeblasen werden kann, so dass auch eine ölgekühlte elektrische Maschine reibungsarm betrieben werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist die Belüftungseinrichtung eine elektrische Pumpe sowie eine durch den Stator bis zum Spalt führende Belüftungsleitung auf. Eine derartige elektrische Pumpe kann bauraumoptimiert und kostengünstig bereitgestellt werden und fördert so viel Luft in den Spalt zwischen Rotor und Stator, dass in diesen kein Öl, das heißt generell kein Kühlmedium, eindringen und dort vorhandenes Öl sogar ausgeblasen werden kann. Durch die in den Spalt gepumpte Luft kann zudem ein Luftpolster zwischen Rotor und Stator geschaffen werden, welches die Reibung verringert und durch den zusätzlichen Luftstrom eine Spaltkühlung ermöglicht, durch welche sowohl der Rotor als auch der Stator zusätzlich gekühlt werden können. Hierdurch lässt sich die Leistung der elektrischen Maschine weiter steigern. Ein Abführen von Luft aus dem Gehäuse der elektrischen Maschine kann dabei über Entlüftungsöffnungen erfolgen.
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Zweckmäßig weist die Pumpe eine mit einer Umgebung verbundene Luftansaugleitung auf. Über diese Luftansaugleitung kann Luft aus der Umgebung angesaugt und dem Spalt zwischen Rotor und Stator zugeführt werden. Selbstverständlich kann dabei noch ein Luftfilter der Pumpe vorgeschaltet werden, um insbesondere einen Eintrag von Schmutz in die elektrische Maschine zuverlässig ausschließen zu können. Darüber hinaus ist sogar denkbar, dass dem Spalt über die Pumpe gekühlte Luft zugeführt wird, wodurch ein zum Kühlmedium separater Kühleffekt erzeugt und die Kühlung der elektrischen Maschine weiter verbessert werden kann. Hierzu ist beispielsweise denkbar, dass die Luftansaugleitung mit einer Klimaanlage eines Elektrofahrzeugs verbunden ist und von dort gekühlte Luft ansaugt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist die Rotorwelle zumindest eine mit einem Gehäuseinnenraum kommunizierende Ansaugöffnung auf, über welche Luft oder Kühlmedium-Luft-Gemisch aus dem Gehäuseinnenraum ansaugbar ist. In diesem Fall wird somit Luft nicht aus der Umgebung, sondern aus dem Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine angesaugt. Eine Luftführung erfolgt dabei von der Ansaugöffnung durch die Rotorwelle und weiter durch den Rotor bis zum Spalt zwischen Rotor und Stator.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist dabei die Ansaugöffnung derart ausgebildet, dass sie allein durch die Drehung der Rotorwelle Luft oder ein Kühlmedium-Luft-Gemisch aus dem Gehäuseinnenraum ansaugt. Dies bietet den großen Vorteil, dass keine separate und insbesondere auch separat elektrisch zu betreibende Pumpe vorgesehen werden muss, sondern dass allein durch die Ausgestaltung der Ansaugöffnung, beispielsweise durch Anbringen einer Förderschaufel oder in anderer Weise, beim Drehen der Rotorwelle ein Ansaugen von Luft und ein Ausblasen dieser Luft im Spalt zwischen Rotor und Stator erfolgen kann. Weiter bietet diese Lösung den großen Vorteil, dass abhängig von der Drehzahl des Rotors bedarfsgerecht Luft in den Spalt zwischen Stator und Rotor gefördert wird. Auch ist eine derartig in der Rotorwelle angeordnete bzw. durch die Rotorwelle gebildete Pumpe zur Förderung von Luft in den Spalt zwischen Rotor und Stator äußerst abraumoptimiert und zudem vorzugsweise wartungsfrei und verlangt darüber hinaus keine separate Steuerung bzw. elektrische Verkabelung oder weitere zusätzliche Leitungen, die nicht nur gefertigt, sondern auch montiert werden müssen. Von weiterem großem Vorteil ist darüber hinaus, dass bei der in der Rotorwelle integrierten Pumpe kein Ansaugen von Luft aus der Umgebung erfolgt, wodurch auch eine Verschmutzung nicht befürchtet werden muss.
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Zweckmäßig ist in der Rotorwelle ein Kühlmedium-Abscheider zum Abscheiden von Kühlmedium aus der dem Spalt zuzuführenden Luft angeordnet. Ein derartiger Kühlmedium-Abscheider, welcher beispielsweise als Öl-Abscheider ausgebildet ist, kann insbesondere als Fliehkraft-Abscheider ausgebildet werden und das in dem Kühlmedium-Luft-Gemisch angesaugte Kühlmedium abscheiden/separieren, so dass dem Spalt zwischen Rotor und Stator ausschließlich Luft ohne Kühlmedium, insbesondere ohne Öl, zugeführt wird. Ein derartiger Kühlmedium-Abscheider, welcher beispielsweise als Fliehkraft-Abscheider ausgebildet ist, ist ebenfalls in der Rotorwelle bauraumoptimiert unterbringbar und wartungsfrei zu betreiben.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der elektrischen Maschine ist eine Kühlmediumpumpe zur Förderung des Kühlmediums vorgesehen, die über eine Ansaugleitung mit einem Kühlmediumsumpf und über eine Ausstoßleitung mit einem Gehäuseinneren des Gehäuses der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Ausstoßleitung kann dabei zumindest teilweise in der Rotorwelle verlaufen. Dabei ist selbstverständlich klar, dass vor oder nach der Kühlmediumpumpe noch ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, mittels welchem das Kühlmedium vor einem erneuten Einbringen in das Gehäuseinnere gekühlt wird, wodurch die Leistung der elektrischen Maschine zusätzlich gesteigert werden kann.
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Zweckmäßig ist die elektrische Maschine als Traktionsmotor zum Antreiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, eine derartige elektrische Maschine zumindest reibungsarm und damit mit hohem Wirkungsgrad einzusetzen, was insbesondere bei der Verwendung als Traktionsmotor zum Antreiben eines Elektrofahrzeugs für eine erhöhte Reichweite desselben führt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
- 3 eine Schnittdarstellung durch eine Rotorwelle entsprechend der 2,
- 4 ein Diagramm eines Strömungsverlustes in Abhängigkeit einer Drehzahl für Luft in einem Spalt,
- 5 eine Darstellung wie in 4, jedoch für Öl in dem Spalt.
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Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1, welche beispielsweise als Traktionsmotor in einem Elektrofahrzeug 2 eingesetzt werden kann, ein Gehäuse 3 sowie einen darin drehbar gelagerten Rotor 4 auf. Der Rotor 4 selbst besitzt eine Rotorwelle 5 mit darauf angeordneten Blechpaketen 6, wobei die Rotorwelle 5 über entsprechende Lager 7 drehbar im Gehäuse 3 der elektrischen Maschine 1 gelagert ist. Ebenfalls in dem Gehäuse 3 angeordnet ist ein Stator 8, wobei zwischen dem Stator 8 und den Blechpaketen 6 des Rotors 4 ein Spalt 9, insbesondere ein Luftspalt, angeordnet ist. Um dabei einen möglichst hohen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 1 erhalten zu können, sollte der Spalt 9 so klein als möglich sein.
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Weiter vorgesehen ist eine Kühleinrichtung 10 zur Beaufschlagung des Rotors 4 und/oder des Stators 8 mit Kühlmedium 11, insbesondere mit Öl.
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Dringt während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 Kühlmedium 11 bzw. Öl in den Spalt 9 ein, so steigen die Strömungsverluste (vergleiche 5) im Vergleich zu lediglich Luft in dem Spalt 9 mit zunehmender Drehzahl kubisch an. Liegt beispielsweise ein Strömungsverlust P bei Luft im Spalt 9 für 6000 Umdrehungen pro Minute bei ca. 13 W (vergleiche 4), so liegt dieser Verlust gemäß der 5, sofern Öl in dem Spalt 9 ist, bereits bei ca. 8.500 W. Bei 10.000 Umdrehungen pro Minute und Öl im Spalt 9 liegt der Strömungsverlust P bereits gemäß der 5 bei ca. 35.000 W, während er bei lediglich Luft im Spalt 9 und gleicher Drehzahl, das heißt 10.000 U/min, bei lediglich 50 W liegt.
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Ist somit Öl im Spalt, bedeutet dies bei einer Drehzahl von ca. 10000 U/min bereits einen 700-fachen höheren Strömungsverlust im Vergleich zu Luft im Spalt 9.
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Um deshalb den Spalt 9 möglichst Kühlmedium-frei bzw. Öl-frei halten zu können bzw. dort ein Eindringen von Kühlmedium 11 bzw. Öl zu verhindern oder dort eingedrungenes Kühlmedium 11 bzw. Öl ausblasen zu können, ist erfindungsgemäß eine Belüftungseinrichtung 12 zur aktiven Belüftung des Spalts 9 vorgesehen. Durch den Umstand, dass über die Belüftungseinrichtung 12 der Spalt 9 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 permanent mit Luft beaufschlagt wird, kann ein unerwünschtes Eindringen von Kühlmedium 11 in den Spalt ebenso vermieden werden, wie ein Verbleiben von Kühlmedium 11 im Spalt 9, da dieses durch die Belüftungseinrichtung 12 während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 aus dem Spalt 9 herausgeblasen wird.
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Betrachtet man dabei die 1, so kann man erkennen, dass die dort aufgeführte Ausführungsform der elektrischen Maschine 1 für die Belüftungseinrichtung 12 eine elektrische Pumpe 13 sowie eine durch das Gehäuse 3 und den Stator 8 bis zum Spalt 9 führende Belüftungsleitung 14 aufweist. Die Pumpe 13 ist dabei über eine Luftansaugleitung 15 mit der Umgebung verbunden und bläst somit Umgebungsluft in den Spalt 9 ein. Selbstverständlich weist das Gehäuse 3 eine nicht näher beschriebene Entlüftungsöffnung auf, über welche die eingeblasene Luft auch wieder aus dem Gehäuse 3 entweichen kann.
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Der Pumpe 13 vorgeschaltet sein kann zusätzlich noch eine nicht gezeigte Filtereinrichtung zum Filtern der angesaugten Luft, wodurch vermieden werden kann, dass Schmutzpartikel in die elektrische Maschine 1 eingetragen werden. Rein theoretisch ist auch vorstellbar, dass die Ansaugleitung 15 mit einem Wärmeübertrager verbunden ist, so dass ein Ansaugen von gekühlter Luft erfolgt, wodurch die Kühlwirkung verbessert und dadurch die Leistung der elektrischen Maschine 1 gesteigert werden kann.
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Betrachtet man die elektrische Maschine 1 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass die Rotorwelle 5 zumindest eine mit einem Gehäuseinnenraum 16 kommunizierende Ansaugöffnung 17 aufweist (vergleiche auch 3), über welche Luft oder ein Kühlmedium-Luft-Gemisch aus dem Gehäuseinnenraum 16 ansaugbar ist. Die Ansaugöffnung 17 ist dabei derart ausgebildet, dass sie alleine durch eine Drehung der Rotorwelle 5 Luft oder ein Kühlmedium-Luft-Gemisch aus dem Gehäuseinnenraum ansaugt. Dies bietet den großen Vorteil, dass auf eine separate elektrische Pumpe 13, wie dies gemäß der 1 gezeigt ist, gänzlich verzichtet werden kann, ebenso wie auf einen damit verbundenen Verkabelungs- und Steueraufwand. Zudem kann in diesem Fall die Luftförderung zum Spalt 9 vergleichsweise einfach drehzahlabhängig gestaltet werden. Rein theoretisch ist selbstverständlich zusätzlich oder alternativ auch denkbar, dass im Innenraum der Rotorwelle 5 eine Pumpe 13' angeordnet ist. Um ein verbessertes Ansaugen von Luft bzw. einem Kühlmedium-Luft-Gemisch aus dem Gehäuseinnenraum 16 zu ermöglichen, kann an der Ansaugöffnung 17 auch eine Förderschaufel 18 (vergleiche 3) vorgesehen sein, die bei einer Drehung der Rotorwelle 5 zusätzlich Luft bzw. ein Kühlmedium-Luft-Gemisch aus dem Gehäuseinnenraum 16 ansaugt und dem Spalt 9 zuführt.
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Um dabei ein Zuführen von Kühlmedium 11 bzw. Öl in den Spalt 9 vorzugsweise ausschließen zu können, kann in der Rotorwelle 5 zusätzlich ein Kühlmedium-Abscheider 19 (vergleiche 2) zum Abscheiden von Kühlmedium 11 aus der dem Spalt 9 zuzuführenden Luft angeordnet sein. Ein derartiger Kühlmedium-Abscheider 19 kann beispielsweise als Fliehkraft-Abscheider ausgebildet sein.
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Das Kühlmedium 11 zur Kühlung der elektrischen Maschine 1 kann dabei mittels einer Kühlmediumpumpe 20 gefördert werden, die über eine Ansaugleitung mit einem Kühlmediumsumpf 21 (vergleiche 2) und über eine Ausstoßleitung 22 mit dem Gehäuseinnenraum 16 verbunden ist. Ein Teil dieser Ausstoßleitung 22 kann dabei gemäß der 2 in der Rotorwelle 5 verlaufen.
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Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 lässt sich ein Strömungsverlust in einem Spalt 9 zwischen Stator 8 und Rotor 4 signifikant reduzieren und damit eine Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 1 signifikant steigern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9985500 B2 [0002]
- US 9054566 B2 [0003]
- EP 1627166 B1 [0004]
- US 10673306 B2 [0005]
