DE102010022000A1 - Catcher bearing for magnetic bearing system, has braking device that is provided to decelerate relative rotation of inner ring portion and outer ring portion - Google Patents
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- F16C39/00—Relieving load on bearings
- F16C39/02—Relieving load on bearings using mechanical means
Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Fanglager zur Sicherung eines Magnetlagersystems mit einem Außenringabschnitt, mit einem Innenringabschnitt und mit einer Mehrzahl von Wälzkörpern, über die der Innenringabschnitt und der Außenringabschnitt zueinander abwälzen können. Die Erfindung betrifft auch ein Magnetlagersystem mit diesem Fanglager.The invention relates to a fishing camp for securing a magnetic bearing system with an outer ring portion, with an inner ring portion and with a plurality of rolling elements over which the inner ring portion and the outer ring portion can roll to each other. The invention also relates to a magnetic bearing system with this fishing camp.
Magnetlagersysteme sind üblicherweise kontaktlose Lagerungen, die über magnetische Kräfte, Wellen oder Achsen lagern. Derartige Magnetlagersysteme sind extrem reibungsarm und dadurch besonders interessant für Anwendungen, die einen geringen Energieverbrauch haben sollen. Kritisch sind die Magnetlagersysteme allerdings dann, wenn diese nicht mehr unter optimalen Betriebsbedingungen betrieben werden und so ein Kontakt zwischen den Lagerpartnern des Magnetlagersystems auftreten kann. Derartige unzulässige Betriebsbedingungen können z. B. durch eine Störung oder einem Ausfall des Magnetfeldes oder aber durch eine Überlastung des Magnetlagersystems auftreten.Magnetic bearing systems are usually contactless bearings that support magnetic forces, waves or axes. Such magnetic bearing systems are extremely low friction and therefore particularly interesting for applications that should have low energy consumption. However, the magnetic bearing systems are critical when they are no longer operated under optimum operating conditions and thus contact between the bearing partners of the magnetic bearing system can occur. Such impermissible operating conditions can z. B. by a fault or failure of the magnetic field or by overloading the magnetic bearing system.
Aus diesem Grund ist es durchaus üblich, zur Absicherung eines Magnetlagersystems eine zusätzliche, kinematisch parallel angeordnete Lagerung vorzusehen, die die Lagerfunktion bei unzulässigen Betriebsbedingungen übernimmt. Diese zusätzlichen Lagerungen sind beispielsweise als Fanglager realisiert.For this reason, it is quite common to provide an additional, kinematically arranged parallel storage for securing a magnetic bearing system, which takes over the bearing function in impermissible operating conditions. These additional bearings are realized, for example, as a safety bearing.
Derartige Fanglager sind beispielsweise aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Der wohl nächst kommende Stand der Technik wird durch die Druckschrift
Beschreibungdescription
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Fanglager für ein Magnetlagersystem vorzuschlagen, welches funktionssicher, insbesondere bei mehrmaliger Verwendung, ausgestaltet ist.The invention is based on the object to propose a fishing camp for a magnetic bearing system, which is functionally reliable, especially when used several times, designed.
Diese Aufgabe wird durch ein Fanglager mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Magnetlagersystem mit den Merkmalen des Anspruches 10 ausgelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.This object is triggered by a fishing camp with the features of
im Rahmen der Erfindung wird ein Fanglager zur Sicherung eines Magnetlagersystems vorgestellt. Das Magnetlagersystem ist vorzugsweise als eine Lagerung zwischen einer Welle oder einer Achse und einer Umgebungskonstruktion als Lagerpartner ausgebildet und weist mindestens eine magnetische Lagereinrichtung auf. Das Fanglager ist insbesondere zur Bereitstellung von Notlaufeigenschaften für die Lagerung bei einem vollständigen oder teilweisen Ausfall der mindestens einen magnetischen Lagerung des Magnetlagersystems ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Fanglager so ausgebildet und/oder angeordnet, dass bei einem normalen Betriebszustand die Lagerung durch das Magnetlagersystem und bei einem Ausnahmebetriebszustand oder unzulässigen Betriebszustand, insbesondere einer kurzzeitigen oder dauerhaften Deaktivierung der mindestens einen magnetischen Lagerung z. B. aufgrund von Energieausfall, Überlastung etc., das Fanglager die Lagerfunktion übernimmt. Vorzugsweise ist das Fanglager in der Einbausituation zu einem der Lagerpartner kontaktfrei angeordnet, wobei der Lagerpartner bei einem Ausnahmebetriebszustand in das Fanglager fällt (oder vice versa) und dieses kontaktiert.In the context of the invention, a fishing camp for securing a magnetic bearing system is presented. The magnetic bearing system is preferably designed as a bearing between a shaft or an axle and a surrounding construction as a bearing partner and has at least one magnetic bearing device. The safety bearing is designed in particular for providing emergency running properties for the bearing in the event of complete or partial failure of the at least one magnetic bearing of the magnetic bearing system. Particularly preferably, the fishing camp is designed and / or arranged so that in a normal operating condition, the storage by the magnetic bearing system and in an exceptional operating condition or inadmissible operating condition, in particular a short-term or permanent deactivation of at least one magnetic bearing z. B. due to power failure, overload, etc., the backup bearing takes over the bearing function. Preferably, the backup bearing is arranged without contact in the installation situation to one of the bearing partners, wherein the bearing partner falls in an exceptional operating condition in the fishing camp (or vice versa) and this contacted.
Das Fanglager ist vorzugsweise vergleichbar zu einem Standardwälzlager ausgebildet und weist einen Außenringabschnitt und einen Innenringabschnitt auf, welche konzentrisch und/oder koaxial zueinander geordnet sind. Innenringabschnitt und Außenringabschnitt können als Innenring bzw. Außenring ausgebildet oder Abschnitte einer weiteren Baueinheit sein. Zwischen dem Außenringabschnitt und dem Innenringabschnitt sind eine Mehrzahl von Wälzkörpern, insbesondere Kugeln oder Rollen, wahlweise ein- oder mehrreihig in beliebiger Anordnung (z. B. X-Anordnung, O-Anordnung) angeordnet, so dass der Innenringabschnitt und der Außenringabschnitt bei einer Relativrotation zueinander abwälzen können. Bei einem Ausfall des Magnetlagersystems werden insbesondere radiale Kräfte über das Fanglager von der Welle bzw. Achse auf die Umgebungskonstruktion übertragen.The backup bearing is preferably formed comparable to a standard rolling bearing and has an outer ring portion and an inner ring portion, which are arranged concentrically and / or coaxially to each other. Inner ring portion and outer ring portion may be formed as an inner ring or outer ring or sections of another unit. Between the outer ring portion and the inner ring portion a plurality of rolling elements, in particular balls or rollers, optionally one or more rows arranged in any arrangement (eg. X-arrangement, O-arrangement), so that the inner ring portion and the Outer ring portion can roll in a relative rotation to each other. In the event of a failure of the magnetic bearing system, in particular radial forces are transmitted via the safety bearing from the shaft or axle to the surrounding structure.
Erfindungsgemäß weist das Fanglager eine Bremseinrichtung auf, welche den Außenringabschnitt und den Innenringabschnitt zueinander koppelt, insbesondere in Wirkverbindung bringt, und die zur Abbremsung der Relativrotation von dem Innenringabschnitt und dem Außenringabschnitt ausgebildet ist.According to the invention, the safety bearing on a braking device which couples the outer ring portion and the inner ring portion to each other, in particular brings into operative connection, and which is designed to decelerate the relative rotation of the inner ring portion and the outer ring portion.
Während Wälzlager üblicherweise ausgelegt werden, um den Reibungswiderstand bei einer Relativrotation von Innenring und Außenring zu minimieren, wird bei dem vorliegenden, erfindungsgemäßen Fanglager gezielt der Rotationswiderstand, insbesondere ein Reibungswiderstand, zwischen Innenringabschnitt und Außenringabschnitt erhöht.While rolling bearings are usually designed to minimize the frictional resistance in a relative rotation of the inner ring and outer ring, the rotational resistance, in particular a frictional resistance, between the inner ring portion and outer ring portion is specifically increased in the present invention.
Dieser besonderen konstruktiven Ausgestaltung liegt die folgende Überlegung zugrunde: Im Betrieb kommt das Fanglager zum Einsatz, wenn das Magnetlagersystem versagt. Bei vielen Ausführungsformen ist das Fanglager nur mit einem der Lagerpartner des Magnetlagersystems verbunden, wohingegen im normalen Betriebszustand zwischen dem Fanglager und dem anderen Lagerpartner ein Abstand, insbesondere ein Spalt, vorzugsweise ein Ringspalt, vorgegeben ist. Bei einem Versagen der mindestens einen magnetischen Lagerung und damit des Magnetlagersystems wird der Abstand überbrückt, so dass das Fanglager auch den anderen Lagerpartner als den dann gefangenen Lagerpartner kontaktiert. Durch den meist plötzlichen Kontakt wird der kontaktierende Ringabschnitt mit einer sehr hohen Beschleunigung in der Drehgeschwindigkeit geändert, da sich das Fanglager bei Kontakt auf die Relativgeschwindigkeit der beiden Lagerpartner einstellen muss.This particular design embodiment is based on the following consideration: In operation, the backup bearing is used when the magnetic bearing system fails. In many embodiments, the fishing camp is connected to only one of the bearing partner of the magnetic bearing system, whereas in the normal operating state between the fishing camp and the other bearing partner a distance, in particular a gap, preferably an annular gap, is predetermined. In case of failure of the at least one magnetic bearing and thus of the magnetic bearing system, the distance is bridged, so that the fishing camp contacted also the other bearing partner than the then trapped bearing partner. Due to the mostly sudden contact of the contacting ring portion is changed with a very high acceleration in the rotational speed, since the backup bearing must be set in contact with the relative speed of the two bearing partners.
Es ist nun nicht auszuschließen, dass durch diese hohe Beschleunigung ein Wälzkörperschlupf der Wälzkörper relativ zu dem Außenringabschnitt und/oder dem Innenringabschnitt auftreten kann, welcher die Wälzkörper oder die Ringabschnitte beschädigt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bremseinrichtung wird die Beschleunigung verringert, wobei durch die Verringerung der Beschleunigung sichergestellt wird, dass der resultierende Wälzkörperschlupf ebenfalls vermindert und das Fanglager geschont wird, so dass dieses verschleißfrei, nahezu verschleißfrei oder zumindest verschleißarm eingesetzt werden kann.It can not be ruled out that due to this high acceleration, rolling element slippage of the rolling elements can occur relative to the outer ring section and / or the inner ring section, which damages the rolling elements or the ring sections. By the inventively proposed braking device, the acceleration is reduced, it being ensured by reducing the acceleration that the resulting Wälzkörperschlupf also reduced and the backup bearing is protected so that it can be used wear-free, almost wear-free or at least low-wear.
Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist die Bremseinrichtung mit dem Innenringabschnitt oder dem Außenringabschnitt vorzugsweise unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung der Achse, Welle bzw. Umgebungskonstruktion drehfest verbunden. Besonderes bevorzugt bildet das Fanglager mit integrierter Bremseinrichtung eine einbaufähige und/oder selbsthaltende Baueinheit. Vorzugsweise ist die Bremseinrichtung so ausgeführt, dass diese den anderen Ringabschnitt – solange das Magnetlagersystem in Normalbetriebszustand ist – vorzugsweise reibschlüssig mitführt bzw. hält. Die beiden Ringabschnitte sind somit durch die Bremseinrichtung nicht frei zueinander drehbar angeordnet.In a preferred embodiment of the invention, the braking device with the inner ring portion or the outer ring portion is preferably connected directly rotatable, ie without interposition of the axis, shaft or surrounding construction. Particularly preferably, the safety bearing with integrated braking device forms an installable and / or self-retaining structural unit. Preferably, the braking device is designed so that it carries the other ring portion - as long as the magnetic bearing system is in normal operating state - preferably frictionally entraps or holds. The two ring sections are thus not arranged freely rotatable by the braking device.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Innenringabschnitt oder der Außenringabschnitt drehfest mit einem Gleitlagerabschnitt gekoppelt, der zur Abstützung bzw. Lagerung des Fanglagers gegenüber dem gefangenen Lagerpartner angeordnet und/oder ausgebildet ist. Der Gleitlagerabschnitt kann beispielsweise als eine Materialschicht aus einem weicheren Material als der Innenring- oder Außenringabschnitt gebildet sein. Insbesondere ist das Fanglager als ein Dreiringlager ausgebildet, welches als Ringe den Außenringabschnitt, den Innenringabschnitt und den Gleitlagerabschnitt umfasst. Bei einem Versagen des Magnetlagersystems wird die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetlagersystems bzw. dessen Lagerpartner auf mehrere Relativgeschwindigkeiten aufgeteilt, wobei eine erste Relativgeschwindigkeit zwischen dem gefangenen Lagerpartner und dem Gleitlagerabschnitt und eine zweite Relativgeschwindigkeit zwischen den Ringabschnitten eingestellt wird.In a preferred embodiment of the invention, the inner ring portion or the outer ring portion is rotatably coupled to a sliding bearing portion which is arranged and / or designed for supporting or supporting the backup bearing against the trapped bearing partner. The sliding bearing portion may be formed, for example, as a material layer of a softer material than the inner ring or outer ring portion. In particular, the backup bearing is designed as a three-ring bearing, which comprises as rings the outer ring portion, the inner ring portion and the sliding bearing portion. In case of failure of the magnetic bearing system, the rotational speed of the magnetic bearing system or its bearing partner is divided into several relative speeds, with a first relative speed between the trapped bearing partner and the sliding bearing portion and a second relative speed between the ring sections is set.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Bremseinrichtung, insbesondere die Bremskraft der Bremseinrichtung, so eingestellt, dass zunächst der Geleitlagerabschnitt auf dem gefangenen Lagerpartner gleitet und während des Gleitvorgangs die Relativrotation zwischen Außenringabschnitt und Innenringabschnitt verlangsamt beschleunigt wird. Vorzugsweise ist die Bremseinrichtung so ausgelegt, dass das Reibmoment, welches durch den Gleitlagerabschnitt mit dem Lagerpartner eingebracht wird, größer ist, als das Reibmoment der Bremseinrichtung, um ein gemäßigtes Beschleunigen des Fanglagers zu ermöglichen. Wäre das Bremsmoment resultierend aus dem Haftungskoeffizienten und der Anpresskraft der Bremseinrichtung nämlich größer als das Reibmoment des schlupfenden Gleitlagerabschnitts, würde keine Relativrotation in dem Fanglager zwischen Außenring- und Innenringabschnitt auftreten.In a preferred embodiment of the invention, the braking device, in particular the braking force of the braking device is adjusted so that first the Geleitlagerabschnitt slides on the trapped bearing partner and the relative rotation between the outer ring portion and inner ring portion is accelerated slowed down during the sliding process. Preferably, the braking device is designed so that the friction torque which is introduced by the sliding bearing portion with the bearing partner is greater than the friction torque of the braking device to allow a moderate acceleration of the backup bearing. If the braking torque resulting from the coefficient of adhesion and the contact pressure of the braking device would be greater than the friction torque of the sliding sliding bearing section, no relative rotation would occur in the backup bearing between the outer ring and inner ring sections.
Bei einer sehr robusten Ausführungsform der Erfindung ist die Bremseinrichtung als eine mechanische Bremseinrichtung ausgebildet, welche Reibflächen aufweist, die in einem Reibbereich einen Reibungswiderstand aufbauen, der die Abbremsung der Relativrotation der Lagerpartner begründet.In a very robust embodiment of the invention, the braking device is designed as a mechanical braking device which has friction surfaces which build up a frictional resistance in a friction region, which justifies the deceleration of the relative rotation of the bearing partners.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Reibflächen in einer Radialebene senkrecht zu der Drehachse des Fanglagers. Bei dieser Ausführungsform wird unterstrichen, dass keinerlei Radialkräfte über die Bremseinrichtung übertragen werden sollen, und diese ausschließlich zur Kontrolle der Beschleunigung der Relativrotation eingesetzt werden soll. In a preferred embodiment of the invention, the friction surfaces extend in a radial plane perpendicular to the axis of rotation of the backup bearing. In this embodiment, it is emphasized that no radial forces should be transmitted via the braking device, and this should be used exclusively to control the acceleration of the relative rotation.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung sitzen die Reibflächen auf mindestens einer Bremsscheibe, welche mit einem der Ringabschnitte drehfest und mit dem anderen Ringabschnitt über die Reibflächen reibschlüssig gekoppelt ist.In a preferred structural realization of the invention, the friction surfaces are seated on at least one brake disk, which is non-rotatably coupled to one of the ring sections and frictionally coupled to the other ring section via the friction surfaces.
Bei einer anderen konstruktiven Realisierung der Erfindung sind die Reibflächen auf einer Zylinderfläche angeordnet, die koaxial zu der Drehachse des Fanglagers angeordnet ist, wobei die Reibflächen fest mit dem einen Ringabschnitt und mit dem anderen Ringabschnitt über die Reibflächen gekoppelt sind. Die Reibfläche kann radial nach außen oder radial innen gewandt sein, wobei die Bremseinrichtung in dieser Ausbildung an eine Trommelbremse erinnert. Um keine radialen Kräfte über die Bremseinrichtung zu übertragen, ist es bevorzugt, wenn die Reibflächen und/oder der Reibkontakt kinematisch parallel zu den Wälzkörpern bzw. den Wälzkörperkontakten angeordnet ist bzw. sind.In another constructive realization of the invention, the friction surfaces are arranged on a cylindrical surface, which is arranged coaxially to the axis of rotation of the backup bearing, wherein the friction surfaces are fixedly coupled to one ring portion and with the other ring portion on the friction surfaces. The friction surface may be turned radially outward or radially inward, the braking device being reminiscent in this embodiment of a drum brake. In order to transmit no radial forces via the braking device, it is preferred if the friction surfaces and / or the friction contact is arranged kinematically parallel to the rolling bodies or the Wälzkörperkontakten or are.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Fanglager eine Vorspanneinrichtung auf, die die Reibflächen in dem Reibbereich vorspannen, wobei die Vorspanneinrichtung mit den Reibflächen drehfest gekoppelt ist. Dadurch, dass die Reibflächen vorzugsweise elastisch vorgespannt sind, kann die Bremskraft sehr genau eingestellt werden.In a particularly preferred embodiment of the invention, the fishing camp on a biasing device, which bias the friction surfaces in the friction region, wherein the biasing means is rotatably coupled to the friction surfaces. Characterized in that the friction surfaces are preferably elastically biased, the braking force can be adjusted very accurately.
Während vorliegend nur ein mechanisches System als Bremseinrichtung diskutiert wurde, kann bei anderen Ausführungsformen der Erfindung auch eine pneumatische oder eine hydraulische Bremse als Bremseinrichtung eingesetzt werden.While in the present case only a mechanical system was discussed as a braking device, in other embodiments of the invention, a pneumatic or a hydraulic brake can be used as a braking device.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Magnetlagersystem zur Lagerung einer Achse oder einer Welle gegenüber einer Umgebungskonstruktion, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlagersystem ein Fanglager nach einem der vorhergehenden Ansprüche bzw. wie es zuvor beschrieben wurde, aufweist.Another object of the invention relates to a magnetic bearing system for supporting an axle or a shaft relative to a surrounding structure, characterized in that the magnetic bearing system has a fishing camp according to one of the preceding claims or as described above.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:Further features, advantages and effects of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention. Showing:
Einander entsprechende oder gleiche Teile sind jeweils mit einander entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding or identical parts are each provided with the same or the same reference numerals.
Die
In einem normalen Betriebszustand wird die Lagerung der Welle
Das Fanglager
Bei einem Ausfall des Magnetlagersystems kontaktiert die Welle
Problematisch kann es jedoch werden, wenn der Innenring
Die Bremseinrichtung
Das Reibmoment im Kontaktbereich
Die
Während in den
Die
Die
Die
Vorteilhaft bei den Lösungen gemäß der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fanglagersafety bearing
- 22
- Wellewave
- 33
- Umgebungskonstruktionadjacent construction
- 44
- Ringspaltannular gap
- 55
- Außenringouter ring
- 66
- Innenringinner ring
- 77
- Wälzkörperrolling elements
- 88th
- Gleitlagerabschnittslide bearing section
- 99
- Drehachseaxis of rotation
- 1010
- Bremseinrichtungbraking means
- 1111
- Bremsscheibenbrake discs
- 1212
- Reibbelägefriction linings
- 1313
- TellerfederBelleville spring
- 1414
- leerempty
- 1515
- Mutternnuts
- 1616
- Reibkontaktfrictional
- 1717
- InnenringabschnittInner ring section
- 1818
- Trägercarrier
- 1919
- Muttermother
- 2020
- Gewindethread
- 2121
- AußenringabschnittOuter ring section
- 2222
- InnenringabschnittInner ring section
- 2323
- Ringkammerannular chamber
- 2424
- Trommelbremsedrum brake
- 2525
- Hülsensegmentsleeve segment
- 2626
- Stegweb
- 2727
- Hülsensegmentsleeve segment
- 2828
- Expander-VorrichtungExpander device
- 2929
- Muttermother
- 3030
- Gewindestangethreaded rod
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102006019873 B3 [0005] DE 102006019873 B3 [0005]
- DE 3141841 C2 [0006] DE 3141841 C2 [0006]
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DE201010022000 DE102010022000A1 (en) | 2010-05-29 | 2010-05-29 | Catcher bearing for magnetic bearing system, has braking device that is provided to decelerate relative rotation of inner ring portion and outer ring portion |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120828 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120426 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120828 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120426 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |