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Die Erfindung betrifft ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; ein derartiges U-Boot-Propulsionsantriebssystem ist beispielsweise aus der
WO 2004/068694 A1 bekannt.
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Ein in der
WO 2004/068694 A1 beschriebenes U-Boot-Propulsionsantriebssystem umfasst eine als eine Synchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer und mit einem Ständer, in dem eine Ständerwicklung angeordnet ist, die eine Vielzahl von Wicklungssträngen, beispielsweise 24 Wicklungsstränge, aufweist. Für jeden der Wicklungsstränge ist dabei jeweils ein separater einphasiger Umrichter zur Speisung des Wicklungsstranges mit elektrischem Strome vorhanden. Die Umrichter zur Speisung der Wicklungsstränge befinden sich hierbei in Form von Umrichtermodulen im Inneren der Synchronmaschine und sind in axialer Richtung zwischen einem A-seitigen Lagerschild und einem B-seitigen Lagerschild in einem Umrichterhaltegerüst angeordnet. Die Umrichter ragen dabei in einen Zwischenraum, der durch eine Welle der Synchronmaschine und einer den Läufer tragenden, drehfest auf der Welle befestigte Läufernabe ausgebildet ist. Eine elektrische Maschine ähnlicher Konstruktion für ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem ist auch durch die
WO 2004/112220 A1 bekannt.
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Derartige U-Boot-Propulsionsantriebssysteme erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Kompaktheit, des damit einhergehenden geringen Platzbedarfs und aufgrund der geringen im Betrieb erzeugten Geräusche hoher Beliebtheit und werden beispielsweise von der Anmelderin unter dem Produktnamen „SINAVY Permasyn” vertrieben.
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Zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter die Wicklungsstränge speisen, ist für jeden der Umrichter jeweils eine separate Steuer- und/oder Regeleinheit vorhanden, die zusammen dem davon gesteuerten und/oder geregelten Umrichter in dem Umrichtermodul im Inneren der Synchronmaschine angeordnet ist. Sämtliche Steuer- und/oder Regeleinheiten sind mit einer übergeordneten Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine gekoppelt und erhalten von dieser einen Sollwert für den Strom in den Wicklungssträngen.
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Um für einen Austausch oder eine Reparatur einen Zugriff auf eine derartige Steuer- und/oder Regeleinheit zu ermöglichen, muss das B-seitige Lagerschild entfernt werden, was mit Aufwand verbunden ist.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, mit geringem zusätzlichem Platzbedarf die Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit eines vorstehend erläuterten U-Boot-Propulsionsantriebssystems zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes U-Boot-Propulsionsantriebssystem weist eine erste für die Umrichter gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter die Wicklungsstränge speisen auf. Diese erste gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist dabei außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet.
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Die bisher vielen einzelnen Steuer- und/oder Regelungseinheiten der verschiedenen Umrichter sind somit zu einer einzigen gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zusammengefasst, die sich jedoch nicht im Inneren der elektrischen Maschine, sondern außerhalb der elektrischen Maschine befindet. Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist hierdurch für die Besatzung oder Wartungspersonal des U-Bootes gut zugänglich und für ihren Austausch oder Reparatur muss kein Lagerschild entfernt werden. Durch die Zusammenfügung der vielen einzelnen Regeleinheiten zu einer einzigen gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist zudem das Erfordernis nach geringem Platzbedarf erfüllt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das U-Boot-Propulsionsantriebssystem noch eine zweite für die Umrichter gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes auf, mit dem die Umrichter die Wicklungsstränge speisen. Die zweite Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist dabei ebenfalls außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet. Bei einem Ausfall der ersten gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtung kann dann auf die zweite gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung umgeschaltet und somit ein geräuschoptimierter Betrieb der Maschine aufrechterhalten werden.
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Eine hohe Betriebssicherheit kann hierbei dadurch erzielt werden, dass die gemeinsame(n) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung(en) zur Übertragung von Steuer- und/oder Regelsignalen an die Umrichter über Lichtwellenleiter mit den Umrichtern verbunden ist (sind). Hierbei liegt die Überlegung zugrunde, dass aufgrund der räumlich getrennten Anordnung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung(en) außerhalb der Maschine und den Umrichtern innerhalb der Maschine die Signale zur Steuerung und/oder Regelung der Umrichter von der (den) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung(en) über einen relativ langen Weg zu dem Unrichtern übertragen werden müssen. Auf diesem relativ langem Weg kann es zu elektromagnetischen Störungen der Signale kommen, die von den verhältnismäßig großen elektrischen Strömen erzeugt werden, wie sie in den Umrichtern und den Wicklungssträngen der Propulsionsantriebsmaschine eines U-Bootes fließen. Bei einer Verwendung von Lichtwellenleitern für die Übertragung der Signale über diese relativ große Weglänge können derartige Störungen vermieden werden und dabei auch eine große Geschwindigkeit in der Signalubertragung ermöglicht werden. Hierdurch kann eine hohe Betriebssicherheit erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist (sind) die gemeinsame(en) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung(en) mit zumindest einer übergeordneten Einrichtung zur Steuerung- und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der elektrische Maschine gekoppelt. Diese übergeordnete Einrichtung kann dann wiederum mit einem übergeordneten Antriebssteuerungssystem des U-Bootes in Kommunikationsverbindung stehen.
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Wenn zwei gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen vorhanden sind, kann die übergeordnete Einrichtung (beispielsweise anhand von Betriebsinformationen der Steuerund/oder Regelungseinrichtungen) entscheiden, welche der beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter steuert und/oder regelt. Die erste und die zweite gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung können über die übergeordnete Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung dann auch miteinander in Kommunikationsverbindung stehen.
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Alternativ können bei Vorhandensein von zwei gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen diese Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen über eine gegenseitige Leben-Tod-Abfrage entscheiden, welche der beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter steuert und/oder regelt. Die gegenseitige Leben-Tot-Abfrage kann z. B. durch einen Austausch von Lebenszeichentelegrammen, erfolgen. Bevorzugt werden diese Lebenszeichentelegrammen über eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen den beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen übertragen. Wenn dann beispielsweise die zu einem bestimmten Zeitpunktinaktive Steuer- und/oder Regelungseinrichtung kein Lebenszeichentelegramm von der aktiven Steuer- und/oder Regelungseinrichtung erhält, kann sie über die Kommunikationsverbindung eine Mitteilung an die aktive Steuer- und/oder Regelungseinrichtung senden, dass sie die Steuerung- und/oder Regelung der Umrichter übernimmt und ab sofort die aktive Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist.
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Für eine hochgenaue Steuerung- und/oder Regelung der Wicklungsströme ist (sind) die gemeinsame(en) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung(en) von Vorteil mit Signalgebern zur Erfassung des Drehinkels des Läufers gekoppelt.
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Wenn die elektrische Maschine ein Motorgehäuse aufweist, ist (sind) die gemeinsame(en) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung(en) bevorzugt direkt oder indirekt (z. B. über andere Komponenten) an einer Außenseite des Motorgehäuses befestigt. Die Signalwege zwischen der (den) gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen) und den Umrichtern können hierdurch kurz gehalten werden. Außerdem sind keine besonderen Maßnahmen für eine schockfeste Halterung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung(en) in dem U-Boot notwendig, da die elektrische Maschine üblicherweise bereits für sich schockfest in dem U-Boot gelagert ist.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
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1 einen Teilschnitt einer prinzipiellen Ausführungsform eines U-Boot-Propulsionsantriebssystems mit einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine und innerhalb des Maschinengehäuses angeordneten Umrichtern,
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2 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von Wicklungssträngen und Umrichtern der Maschine von 1,
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3 eine für die Umrichter von 2 erfindungsgemäße gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung,
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4 ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem mit zwei für die Umrichter gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen und
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5 eine Befestigung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen an einem Gehäuse der Synchronmaschine.
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Die 1 zeigt in prinzipieller Form im Teilschnitt ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem 1 mit einer Synchronmaschine 2 mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer 3 und einem Ständer 4 mit einer Ständerwicklung 5. Die Ständerwicklung 5 weist dabei, wie sich insbesondere aus der prinzipiellen Darstellung in 2 ergibt, eine Vielzahl von Wicklungssträngen 6 auf, von denen im Falle der in 2 prinzipiell gezeigten Ständerwicklung 5, 24 Wicklungsstränge 6 vorgesehen sind.
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Die Synchronmaschine 2 umfasst ein Maschinengehäuse 10, das einen Innenraum 19 umschließt, in dem der Läufer 3 und der Ständer 4 angeordnet sind. Das Maschinengehäuse 10 wird in axialer Richtung, d. h. in Richtung der Drehachse des Läufers 3, dabei in Richtung der Maschinenwelle 9 durch ein A-seitiges Lagerschild 11 und ein B-seitiges Lagerschild 12 gebildet.
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Für jeden der Wicklungsstränge 6 ist dabei jeweils ein separater einphasiger Pulsumrichter 7 zur Speisung des jeweiligen Wicklungsstranges 6 mit elektrischem Strom vorhanden. Der Anschluss jedes einzelnen Wicklungsstranges 6 an einen ihm allein zugeordneten Umrichter 7 erfolgt dabei mittels Verbindungsleitungen 8.
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Jeder Wicklungsstrang 6 der als Wellenwicklung ausgebildeten Ständerwicklung 5 der Synchronmaschine 2 wird durch den jeweils einen, nur für diesen Wicklungsstrang 6 vorgesehenen Umrichter 7 gespeist. Die Umrichter 7, die die Ständerwicklung 5 speisen, sind im Inneren der permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine 2 zwischen dem A-seitigen Lagerschild 11 und dem B-seitigen Lagerschild 12 in einem Umrichterhaltegerüst 13 angeordnet und befinden sich in Umrichtermodulen 14. Die Umrichtermodule 14 ragen dabei in einen Zwischenraum 20, der zwischen der Welle 9 der Synchronmaschine 2 und einer daran drehfest befestigten glockenförmig ausgebildeten und den Läufer 3 tragenden Läufernabe 21 ausgebildet ist. Statt einer glockenförmigen Läufernabe 21 kann auch eine T-förmige Läufernabe zum Einsatz kommen, durch die zu beiden Seiten zu der Läuferwelle 9 jeweils ein Zwischenraum 20 ausgebildet ist, in den Umrichtermodule 14 ragen.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei der als Wechselrichter ausgebildeten Umrichter 7, nämlich die Umrichter WR101 und WR102, die Umrichter WR103 und WR104, die Umrichter WR105 und WR106, die Umrichter WR107 und WR108, die Umrichter WR109 und WR110, die Umrichter WR111 und WR112, die Umrichter WR201 und WR202, die Umrichter WR203 und WR204, die Umrichter WR205 und WR206, die Umrichter WR207 und WR208, die Umrichter WR209 und WR210 und die Umrichter WR211 und WR121 zu einem Umrichtermodul 14 zusammengefaßt.
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Jeweils sechs Umrichtermodule 14 sind über eine für sie vorgesehene Anschlussleitung 15 bzw. 16 an jeweils ein Teilnetz 17 bzw. 18 eines DC-Bordnetzes des U-Bootes angeschlossen.
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Anstelle von zwei Umrichtern 7 je Umrichtermodul 14 können auch mehr als zwei Umrichter 7 zu einem Umrichtermodul zusammengefasst sein.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes U-Boot-Propulsionsantriebssystem 1 weist zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter 7 die Wicklungsstränge 6 speisen, für jeden der Umrichter 7 jeweils eine in 1 andeutungsweise dargestellte separate Steuer- und/oder Regeleinheit 22 auf, die zusammen mit dem davon gesteuerten und/oder geregelten Umrichter 7 in dem Umrichtermodul 14 im Inneren der Synchronmaschine 2 angeordnet ist. Sämtliche Steuer- und/oder Regeleinheiten 22 sind mit einer nicht näher dargestellten übergeordneten Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 gekoppelt und erhalten von dieser einen Sollwert für den Strom in den Wicklungssträngen 6.
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Ein erfindungsgemäßes U-Boot-Propulsionsantriebssystem 1 weist dagegen – wie in 3 gezeigt – zur Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter 7 die Wicklungsstränge 6 speisen, eine für sämtliche Umrichter 7 gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 auf. Diese befindet sich im jedoch im Gegensatz zu den Umrichtern 7 und den Wicklungssträngen 6 nicht innerhalb, sondern außerhalb des von dem Maschinengehäuse 10 umschlossenen Innenraums 19 und ist somit im Falle eines Austausches oder einer Reparatur für das Personal des U-Bootes leicht zugänglich. Die Umrichter 7 und die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 bilden somit ein aufeinander abgestimmtes und auf innerhalb und außerhalb der Synchronmaschine 2 verteiltes Umrichtersystem 37.
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Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 ist über eine Kommunikationsverbindung 31 (z. B. einen Profibus) mit einer übergeordneten Einrichtung 32 zur Steuerung- und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 gekoppelt und empfängt hierüber einen Sollwert für den Strom durch die Wicklungsstränge 6. Außerdem ist sie über eine Leitungsverbindung 33 mit einem Signalgebersystem 34 zur Erfassung von Istwerten des Drehwinkels des Läufers 9 der Synchronmaschine 2 gekoppelt. Weiterhin ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 zur Übertragung von Steuer- und/oder Regelsignalen an die Umrichter 7 und zum Empfang von Istwerten für Strom und Spannung durch die Wicklungsstränge 6 über jeweils einen oder mehrere Lichtwellenleiter 35 mit jedem der Umrichter 7 verbunden.
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Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 erzeugt in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Wicklungsströme, der Istwerte für den Drehwinkel des Läufers sowie der Istwerte für Strom und Spannung durch die Wicklungsstränge 6 Steuer- und/oder Regelsignale für die Umrichter 7, die über die Lichtwellenleiter 35 zu den Umrichtern 7 übertragen werden.
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Durch die Verwendung von Lichtwellenleitern zwischen der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 und den Umrichtern 7 kann die Kommunikation zwischen diesen Komponenten trotz der relativ langen Übertragungswege sehr schnell und störungsunempfindlich erfolgen und dadurch eine sehr hohe Betriebssicherheit erzielt werden.
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Wie in 4 gezeigt, kann das U-Boot-Propulsionsantriebssystem 1 auch noch eine weitere für sämtliche Umrichter 7 gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 40 und eine weitere übergeordnete Einrichtung 42 zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 aufweisen. Jede der gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 ist dabei über jeweils einen oder mehrere Lichtwellenleiter 35 mit jeweils jedem der Umrichter 7 gekoppelt und empfängt hierüber Istwerte für Strom und Spannung durch die von dem jeweiligen Umrichter 7 gespeisten Wicklungsstränge und kann an die Umrichter 7 Steuer und/oder Regelsignale zur Steuerung und/oder Regelung der Ströme durch die Wicklungsstränge 6 übermitteln. Beide Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 sind dabei über Leitungsverbindungen 33 mit dem Gebersystem 34 zum Empfang von Istwerten für den Drehwinkel des Läufers und über Kommunikationsverbindungen 31 mit den beiden übergeordneten Einrichtungen 32, 42 zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 gekoppelt.
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Die beiden übergeordneten Einrichtung 32, 42 stehen über eine direkte Leitungsverbindung 36 miteinander in Kommunikationsverbindung. Über diese Kommunikationsverbindung erfolgt eine gegenseitige Leben-Tot-Abfrage der beiden Einrichtungen 32, 42, z. B. durch Austausch von Lebenszeichentelegrammen. Wenn dann beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt die übergeordnete Einrichtung 32 die aktive Einrichtung und die übergeordnete Einrichtung 42 die inaktive übergeordnete Einrichtung ist und die inaktive übergeordnete Einrichtung 42 kein Lebenszeichentelegramm von der aktiven übergeordneten Einrichtung 32 erhält, kann sie sowohl über die Leitungsverbindung 36 eine Mitteilung an die aktive übergeordnete Einrichtung 32 als auch über die Kommunikationsverbindungen 31 eine Mitteilung an die Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 senden, dass sie nun ab sofort die Steuerung- und/oder Regelung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 übernimmt und die aktive übergeordnete Einrichtung ist. Diese Mitteilung wird auf Seite der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 ausgewertet, die auf Basis einer derartigen Mitteilung die aktive übergeordnete Einrichtung erkennen, und danach nur noch von dieser erhaltene Daten für die Steuerung und/oder Regelung der Umrichter 7 benutzt.
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Beide übergeordnete Einrichtungen 32, 42 empfangen über die Kommunikationsverbindungen 31 von den Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 Informationen über deren Betriebszustand. Zu den Informationen über den Betriebszustand gehören vor allem Störungs- oder Warnungsmeldungen und Informationen über die Anzahl der Umrichter 7, mit denen die jeweilige Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 in Kommunikationsverbindung steht. Die jeweils aktive übergeordnete Einrichtung 32, 42 und entscheidet dann anhand der Betriebszustände der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40, welche der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 die aktive sein soll, d. h. die Umrichter 7 steuern und/oder regeln soll, und informiert hierüber die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 über die Kommunikationsverbindungen 31.
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Über die Lichtwellenleiter 35 erfolgt dann eine Mitteilung an die Umrichter 7, welche der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 gerade die aktive ist. Diese Mitteilung wird umrichterseitig von einem Leistungsteiladapter 38 ausgewertet, der auf Basis einer derartigen Mitteilung die aktive Schnittstelle bzw. aktive Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 erkennt, und danach nur noch von dieser erhaltene Daten für die Steuerung und/oder Regelung des Umrichters 7 benutzt.
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Alternativ können die beiden gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 in analoger Weise wie die übergeordneten Einrichtungen 32, 42 auch über eine direkte Leitungsverbindung miteinander in Kommunikationsverbindung stehen, wobei sie über eine gegenseitige Leben-Tod-Abfrage entscheiden, welche der beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter 7 steuert und/oder regelt.
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Für die Kommunikation über die Lichtwellenleiter 35 weisen die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 und die Leistungsteiladapter 38 jeweils optoelektronische Umsetzungsmodule 50 zur Umsetzung der über die Lichtwellenleiter zu versendenden elektrischen Signale in optische Signale und zur Umsetzung der über die Lichtwellenleiter 35 empfangenen optischen Signale in elektrische Signale auf.
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Weiterhin umfassen die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 jeweils eine Rotorlageerfassung 51 und jeweils ein Steuerungs- und/oder Regelungsmodul 52 für die eigentliche Erzeugung der Steuer- und/oder Regelsignale.
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Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 sind dabei – wie in 5 gezeigt – indirekt über die Einrichtungen 32, 42 zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 oben auf einer Umfangsaußenseite des Motorgehäuses 10 befestigt. Hierdurch sind zum einen kurze Übertragungswege für kurze Signallaufzeiten zwischen den Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 und den Umrichtern 7 sowie zwischen den Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 und den Einrichtungen 32, 42 gegeben. Außerdem sind die Steuer und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 über die schockfeste Lagerung der Synchronmaschine 2 in dem U-Boot ebenfalls schockfest gelagert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/068694 A1 [0001, 0002]
- WO 2004/112220 A1 [0002]