DE102010035798A1 - Elektromechanischer Stellantrieb - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Derartige elektromechanische Stellantriebe sind allgemein bekannt. Diese können beispielsweise bei Stabilisatoren zur Verringerung der Wankneigung eines Kraftfahrzeugs bei Kurvenfahrt Verwendung finden. Hierzu offenbart
EP 1 554 139 B1 einen elektromechanischen Stellantrieb als Teil eines Wankstabilisators, der zwei Stabilisatorhälften gegeneinander verdreht, um einem Wanken des Kraftfahrzeugs entgegenzuwirken. Der elektromechanische Stellantrieb weist dazu einen Elektromotor mit Rotor auf, wobei die Verdrehung der Stabilisatorhälften durch den Rotor bewirkt wird. Der Elektromotor wird durch ein reversibel arbeitendes Stellelement unterstützt, das Energiespeicher wie eine Kompensationsfeder aufweist, deren Federenergie dem Wanken zusätzlich entgegenwirkt. Liegt kein Wankmoment an dem Stabilisator an, so befindet sich die Kompensationsfeder des Stellelements in einem gespannten Zustand. Sobald ein Wanken eintritt, gibt die Kompensationsfeder die gespeicherte Energie frei und zusammen mit der Wirkung des Elektromotors wird der Wankbewegung durch ein Verdrehen der Stabilisatorhälften entgegen gesteuert. Dieses Zusammenwirken von reversiblem Stellelement und Elektromotor verringert die erforderliche elektrische Leistung des Motors zur Wankstabilisierung und der elektromechanische Stellantrieb kann mit der herkömmlichen Versorgungsspannung des Kraftfahrzeugbordnetzes, üblicherweise 12 V betrieben werden. - In Situationen, bei denen die Versorgungsspannung an dem Elektromotor des elektromechanischen Stellantriebs ausfällt, kann die vorgespannte Kompensationsfeder des Stellelements ein Drehen des Rotors bewirken, wodurch sich der Elektromotor als Generator verhält und eine Generatorspannung hervorruft. Sobald eine kritische Drehzahl des Rotors erreicht wird, kann die Generatorspannung zu einem Beschädigen damit verbundener elektrischer Bauteile führen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, die Drehzahl des Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors in einem elektromechanischen Stellantrieb bei unterbrochener Versorgungsspannung zu begrenzen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen elektromechanischen Stellantrieb mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Entsprechend wird ein elektromechanischer Stellantrieb mit einem unter der Wirkung einer Versorgungsspannung und durch wenigstens zwei Motorphasen elektrisch betriebenen Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorgeschlagen, wobei durch den Rotor ein gegen die Wirkung eines Energiespeichers reversibel arbeitendes Stellelement betätigbar ist. Die Drehzahl des Rotors ist bei Ausfall der Versorgungsspannung durch Kurzschluss wenigstens zweier Motorphasen begrenzbar. Vorteilhafterweise ist die Drehzahl in beiden Drehrichtungen des Rotors begrenzbar. Bei ausgefallener Versorgungsspannung kann der Gleichstrommotor generatorisch wirken und ein durch das Stellelement auf den Rotor eingeleitetes Drehmoment kann unter bestimmtem Umständen derart groß sein, dass die dabei induzierte Generatorspannung an den Motorphasen des Gleichstrommotors einen kritischen Wert überschreitet. Die über das Stellelement auf den Rotor einwirkende mechanische Energie kann durch den generatorischen Betrieb des Gleichstrommotors in elektrische Energie umgewandelt werden. Werden wenigstens zwei Motorphasen des Gleichstrommotors kurzgeschaltet, so wird die elektrische Energie durch ohmsche Verluste in Wärmeenergie umgewandelt und der Rotor gebremst. Das größte Bremsmoment liegt bei Kurzschluss von allen Motorphasen vor, die den Gleichstrommotor antreiben.
- Der elektromechanische Stellantrieb kann für Kupplungen, beispielsweise zur Betätigung des Kolbens in Trockenkupplungen oder Nasskupplungen oder auch Doppelkupplungen Anwendung finden. Auch ist es denkbar, dass der elektromechanische Stellantrieb für Einrichtungen zur Stabilisierung oder Steuerung der Wankachse eines Kraftfahrzeugs oder als Aktor in einem Getriebe eingesetzt werden kann. Der Gleichstrommotor des elektromechanischen Stellantriebs ist dabei nicht notwendigerweise kontinuierlich drehend, kann insbesondere als Stellmotor wirken.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kurzschluss der Motorphasen in Abhängigkeit von dem Anliegen der Versorgungsspannung an dem Gleichstrommotor steuerbar. Beispielsweise wird der Kurschluss der Motorphasen im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Ausfall der Versorgungsspannung bewirkt und die damit einhergehende Notbremsung des Rotors eingeleitet.
- Vorteilhafterweise sind Schaltelemente in der Kommutatorschaltung zur Ansteuerung der Motorphasen des Gleichstrommotors vorgesehen. Der Gleichstrommotor weist aufgrund seiner elektrischen Kommutierung eine eigene Kommutatorschaltung auf, die die Motorphasen und die Drehrichtung des Rotors elektrisch durch Schaltelemente steuert. Die Momentanstellung des Rotors relativ zu dem Stator kann beispielsweise durch einen Drehstellungsgeber wie ein Hall-Sensor erfasst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente als Transistoren ausgebildet, insbesondere als Leistungstransistoren. Vorteilhafterweise sind die Transistoren wiederum als Feldeffekttransistoren beispielsweise MOSFET's und/oder Bipolartransistoren beispielsweise als IGBT's ausgebildet. Die Transistoren können in p-Kanal oder n-Kanal-Ausführung ausgebildet sein. Idealerweise sind die Transistoren normal sperrend, benötigen also an ihrem Gate-Anschluss eine Schaltspannung um leitend zu wirken.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform können wenigstens zwei Schaltelemente der Kommutatorschaltung durch jeweils eine am Schalteingang anliegende Schaltspannung derart leitend geschaltet werden, dass die Motorphasen kurzgeschlossen sind. Die Ansteuerung der Schaltspannung am Schalteingang der Schaltelemente erfolgt vorteilhafterweise durch Schalter. Insbesondere werden die Schalter derart gesteuert, dass eine Schaltspannung am Schalteingang der Schaltelemente dann anliegt, wenn die Versorgungsspannung des Gleichstrommotors abbricht. Durch die Schaltspannung werden die Schaltelemente leitend und die Motorphasen werden kurzgeschlossen.
- In einer weiteren Ausführungsform ist die Energie der Schaltspannung im Wesentlichen unabhängig von der Energie der Versorgungsspannung. Dadurch kann ein autarker Betrieb der Schaltelemente bewirkt werden, und die Schaltelemente können auch dann noch angesteuert werden, wenn die Versorgungsspannung abgebrochen ist. Vorteilhafterweise wird die Schaltspannung von einem elektrischen Energiespeicher wie einem Kondensator bereit gestellt, der insbesondere mit der Versorgungsspannung aufladbar ist. Die Schaltspannung kann durch die Spannung am elektrischen Energiespeicher versorgt werden. Auch kann die Energie der Schaltspannung durch eine Energiequelle autark bereit gestellt werden, insbesondere durch eine Batterie oder einen Akkumulator. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Kapazität des elektrischen Energiespeichers nicht ausreichen sollte, insbesondere wenn längere Zeiten mit anliegender Schaltspannung erwünscht sind.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Motorphasen über Phasenleitungen an den Gleichstrommotor geleitet, wobei wenigstens zwei Phasenleitungen durch Bremsschaltelemente kurzschließbar sind und die Bremsschaltelemente bei unterbrochener Versorgungsspannung leitend sind. Sobald die Versorgungsspannung abbricht, werden die Bremsschaltelemente leitend und schließen wenigstens zwei oder idealerweise alle Motorphasen kurz, womit die Drehzahl des Rotors verringert werden kann. Der Rotor kann auch Teil eines mechanisch kommutierten Motors sein. Vorteilhafterweise sind die Bremsschaltelemente als Relais ausgebildet oder werden durch normal leitende Transistoren gebildet, beispielsweise durch MOSFET's und/oder IGBT's.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Abbildungen, sowie deren Beschreibungsteile, bei deren Darstellung zugunsten der Übersichtlichkeit auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde. Es zeigen im Einzelnen:
-
1 : Ein schematisches Schaltdiagramm einer Ansteuerschaltung eines Ausführungsbeispiels eines bürstenlosen Gleichstrommotors für einen elektromechanischen Stellantrieb, -
2 : Detaillierte Darstellung einer Bremsschaltung, -
3 : Blockdiagramm einer Transformationsschaltung, -
4 : Ein schematisches Schaltdiagramm einer Ansteuerschaltung eines bürstenlosen Gleichstrommotors für einen elektromechanischen Stellantrieb in einer weiteren Ausführungsform, -
5 : Ein schematisches Schaltdiagramm einer Ansteuerschaltung eines bürstenlosen Gleichstrommotors für einen elektromechanischen Stellantrieb in einer weiteren Ausführungsform. - In
1 ist ein Schaltdiagramm einer Ansteuerschaltung10 eines bürstenlosen Gleichstrommotors12 für einen elektromechanischen Stellantrieb in einer Ausführungsform gezeigt. Die Ansteuerschaltung10 umfasst ein Steuergerät14 , das den bürstenlos ausgeführten Gleichstrommotor12 mit drei Motorphasen U, V, W über die Phasenleitungen16 steuert. Innerhalb des Steuergeräts14 steuert eine Steuereinheit18 eine Kommutatorschaltung20 , die über eine Bremsschaltung22 mit dem Gleichstrommotor12 über die Phasenleitungen16 verbunden ist. Die Kommutatorschaltung20 wird über die Versorgungsleitungen32 ,34 mit einer Versorgungsspannung60 in Form einer Gleichspannung gespeist, die über Schaltelemente24 mit den Motorphasen U, V, W und der Bremsschaltung22 in Verbindung stehen. Die Schaltelemente24 sind als normal sperrende Transistoren26 oder Leistungstransistoren, beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBT's mit zusätzlicher Freilaufdiode28 ausgestaltet. - Für jede Motorphase U, V, W steht eine Halbbrücke mit den jeweiligen Transistoren M1, M2 oder M3, M4 oder M5, M6 zur Verfügung. Soll die Versorgungsspannung
60 beispielsweise zwischen der Motorphase U und der Motorphase W anliegen, so wird der Transistor M1 über eine am Schalteingang30 , also am Gate-Anschluss des Transistors anliegende Schaltspannung leitend, während der Transistor M2 sperrt, womit die Motorphase U auf hohes Potential gesetzt wird. Durch Schalten des Schaltelements M6 auf leitend, während M5 sperrt, liegt an der Motorphase W ein niedriges Potential an, womit zwischen den Motorphasen U und W eine Potentialdifferenz im Wesentlichen in Form der Versorgungsspannung60 anliegt. -
2 zeigt eine Bremsschaltung22 , die in einer Ausführungsform in die Kommutatorschaltung20 integriert ist. Die in der Abbildung dargestellten Transistoren M2, M4 und M6 sind Teil der Kommutatorschaltung20 aus1 . Bei an der Kommutatorschaltung20 anliegender Versorgungsspannung60 , wobei an der Versorgungsleitung34 negatives Potential anliegt, wird der Schalter S2 so gesteuert, dass dieser geschlossen ist und die Schalter S1.2, S1.2 und S1.3 offen sind. An dem Schalteingang36 liegt ein durch die Transformationseinheit38 erzeugtes Notschaltpotential an. Dieses Notschaltpotential lädt zusammen mit dem negativen Versorgungspotential als Notschaltspannung64 einen zwischen dem Schalterausgang und der Versorgungsleitung34 eingebrachten elektrischen Energiespeicher40 , wie einen Kondensator. - Fällt die Versorgungsspannung
60 aus, so kann im Rahmen einer Notbremsung des Rotors des Gleichstrommotors12 der Schalter S2 geöffnet und die Schalter S1.1, S1.2 und S1.3 geschlossen werden. Die Notbremsung ist beispielsweise dann erwünscht, wenn die im reversibel arbeitenden Stellelement des elektromechanischen Stellantriebs gespeicherte Energie eine unkontrollierte Drehung des Rotors des Gleichstrommotors12 bewirkt und dabei eine kritische Drehzahl überschreitet. Die an dem elektrischen Energiespeicher40 anliegende Spannung wirkt dann als Notschaltspannung64 an dem Schalteingang36 der Schaltelemente M2, M4 und M6 und versetzt diese in einen leitenden Zustand. Dadurch sind die Motorphasen U, V, W über diese Schaltelemente kurzgeschlossen und die Drehbewegung des Rotors des sich im generatorischen Betrieb befindlichen Gleichstrommotors12 wird gebremst. - Sobald die Drehzahl des Rotors unkritisch ist, werden die Schalter S1.1, S1.2 und S1.3 wieder geöffnet, der Schalter S2 geschlossen und der elektrische Energiespeicher
40 erneut geladen. Dabei ist die Kapazität des elektrischen Energiespeichers40 derart ausgelegt, um über eine definierte Zeitspanne die zum Kurschluss der Motorphasen U, V, W notwendige Notschaltspannung64 aufbringen zu können. Wird beispielsweise ein Kondensator mit einer Kapazität von 100 μF eingesetzt, so kann der Kondensator die Motorphasen U, V, W durch Anlegen einer Notschaltspannung64 von 24 V am Schalteingang30 der Transistoren26 für 87 s kurzschließen, bis die Notschaltspannung64 auf eine kritische Mindestspannung von 10 V am Schalteingang30 abgesunken ist. Ab dieser Mindestspannung würden die Transistoren26 im ohmschen Bereich betrieben werden, was durch Öffnen der Schalter S1.1, S1.2 und S1.3 vermieden werden kann. - Alternativ oder ergänzend zu dem elektrischen Energiespeicher
40 kann eine weitere, insbesondere aufladbare elektrische Energiequelle44 , wie ein Akkumulator in der Transformationseinheit38 integriert sein, um die zeitliche Wirkung des elektrischen Energiespeichers40 zu verlängern. Dazu zeigt3 eine mit der Versorgungsleitung32 verbundene Ladeschaltung46 , die mit der Energiequelle44 verbunden und in der Lage ist, diese aufzuladen. Das von der Energiequelle44 ausgegebene Potential wird in eine Transformationsschaltung42 eingegeben und dort in das Notschaltpotential überführt, das wiederum an dem Schalteingang36 anliegt. Sobald die Leistung des elektrischen Energiespeichers40 während der Notbremsung zur Aufrechterhaltung des Notschaltpotentials nicht ausreichen sollte, so kann das Notschaltpotential über die Energiequelle44 zur Verfügung gestellt werden. Dadurch verlängert sich die Zeitspanne, in der die Notbremsung aufrechterhalten werden kann, beispielsweise bei einer Leistung des Akkumulators von 1500 mAh mit einer Akkumulatorspannung von 1,5 V und bei einem Wirkungsgrad von 0,7 der Transformationsschaltung auf 2732 Stunden. - Wird beispielsweise eine Batterie als Energiequelle
44 eingesetzt, so kann die Ladeschaltung46 ausgespart werden und der elektrische Energiespeicher40 wird über die Transformationsschaltung42 durch die Batterie versorgt. Auch kann die Energiequelle44 nebst Ladeschaltung46 eingespart werden, beispielsweise wenn die Leistung des elektrischen Energiespeichers40 zur Aufrechterhaltung des Notschaltpotentials ausreicht. In diesem Fall ist die Transformationsschaltung42 mit der Versorgungsleitung32 direkt verbunden. - In
4 ist ein schematisches Schaltdiagramm einer Ansteuerschaltung10 eines bürstenlosen Gleichstrommotors12 für einen elektromechanischen Stellantrieb in einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Die Kommutatorschaltung20 steuert die über die Phasenleitungen16 an dem Gleichstrommotor12 anliegenden Motorphasen U, V, W. Solange die Versorgungsspannung60 an den Versorgungsleitungen32 ,34 anliegt, kann die Drehzahl des Rotors kontrolliert werden. Sobald allerdings die Versorgungsspannung60 ausfällt, kann auf den gegen ein reversibel arbeitendes Stellelement wirkende Rotor des Gleichstrommotors12 ein derartiges Drehmoment einwirken, dass dessen Drehzahl beispielsweise einen kritischen Schwellwert überschreitet. Diese Drehzahl kann im Rahmen einer Notbremsung bei ausfallender Versorgungsspannung60 begrenzt werden, indem die drei Phasenleitungen U, V, W kurzgeschlossen werden, womit eine Bremsung der generatorischen Drehung des Rotors bewirkt wird. - Der Kurzschluss der Phasenleitungen U, V, W erfolgt durch ein Bremsschaltelement
62 wie ein Relais48 , das die Phasenleitungen16 über Relaiskontakte50 miteinander elektrisch verbindet. Damit die Relaiskontakte50 nicht geschlossen sind und dadurch die Phasenleitungen16 überbrücken, wird das Relais48 mit einer Relaisspannung versorgt. Diese wird beispielsweise durch ein Steuersignal54 über eine mit einer Versorgungsspannung56 betriebenen Kontrolleinrichtung52 , wie einem Mikrocontroller insbesondere mit Verstärker gesteuert und geliefert. Sobald die mit der Versorgungsspannung60 der Kommutatorschaltung20 verknüpfte Versorgungsspannung56 an der Kontrolleinrichtung52 abbricht, schließen sich die Relaiskontakte50 , womit die Phasenleitungen16 und damit die Motorphasen U, V, W kurzgeschlossen werden und eine Notbremsung des Rotors des Gleichstrommotors12 eingeleitet wird. -
5 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm einer Ansteuerschaltung10 eines bürstenlosen Gleichstrommotors12 für einen elektromechanischen Stellantrieb in einer weiteren Ausführungsform. Die Phasenleitungen16 des Gleichstrommotors12 sind miteinander durch jeweils zwei Bremsschaltelemente62 wie mit entgegen gesetzter Polarität in Reihe geschaltete, normal leitende Transistoren66 , beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBT's verbunden. Liegt an dem mit einer Kontrolleinrichtung52 verbundenen Schalteingang58 ein Potential an, so befindet sich der Transistor66 in einem Sperrzustand. Sobald die Versorgungsspannung56 an der Kontrolleinrichtung52 und das Potential an dem Schalteingang58 , insbesondere an dem Gate-Anschluss des Transistors66 abbricht, werden insbesondere alle vier Bremsschaltelemente62 leitend und stellen einen Kurzschluss zwischen den Phasenleitungen U, V, W her. Vorteilhafterweise sind die normal leitenden Transistoren66 für den über die Phasenleitungen16 fließenden und durch den generatorischen Betrieb des Gleichstrommotors12 induzierten Generatorstrom ausgelegt. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Ansteuerschaltung
- 12
- Gleichstrommotor
- 14
- Steuergerät
- 16
- Phasenleitung
- 18
- Steuereinheit
- 20
- Kommutatorschaltung
- 22
- Bremsschaltung
- 24
- Schaltelement
- 26
- Transistor
- 28
- Freilaufdiode
- 30
- Schalteingang
- 32
- Versorgungsleitung
- 34
- Versorgungsleitung
- 36
- Schalteingang
- 38
- Transformationseinheit
- 40
- Elektrischer Energiespeicher
- 42
- Transformationsschaltung
- 44
- Energiequelle
- 46
- Ladeschaltung
- 48
- Relais
- 50
- Relaiskontakte
- 52
- Kontrolleinrichtung
- 54
- Steuersignal
- 56
- Versorgungsspannung
- 58
- Schalteingang
- 60
- Versorgungsspannung
- 62
- Bremsschaltelement
- 64
- Notschaltspannung
- 66
- Transistor
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1554139 B1 [0002]
Claims (10)
- Elektromechanischer Stellantrieb mit einem unter der Wirkung einer Versorgungsspannung (
60 ) und durch wenigstens zwei Motorphasen (U, V, W) elektrisch betriebenen Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors (12 ), wobei durch den Rotor ein gegen die Wirkung eines Energiespeichers reversibel arbeitendes Stellelement betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Rotors in dessen beiden Drehrichtungen bei Ausfall der Versorgungsspannung (60 ) durch Kurzschluss wenigstens zweier Motorphasen (U, V, W) begrenzbar ist. - Elektromechanischer Stellantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Rotors in dessen beiden Drehrichtungen begrenzbar ist.
- Elektromechanischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschluss der Motorphasen (U, V, W) in Abhängigkeit von dem Anliegen der Versorgungsspannung (
60 ) an dem Gleichstrommotor (12 ) steuerbar ist. - Elektromechanischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente (
24 ) in der Kommutatorschaltung (20 ) zur Ansteuerung der Motorphasen (U, V, W) des Gleichstrommotors (12 ) vorgesehen sind. - Elektromechanischer Stellantrieb nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Schaltelemente (
24 ) der Kommutatorschaltung (20 ) durch jeweils eine am Schalteingang (30 ) anliegende Schaltspannung derart leitend geschaltet werden, dass die Motorphasen (U, V, W) kurzgeschlossen sind. - Elektromechanischer Stellantrieb nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Schaltspannung im Wesentlichen unabhängig von der Energie der Versorgungsspannung (
60 ) ist. - Elektromechanischer Stellantrieb nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltspannung von einem elektrischen Energiespeicher (
40 ) bereit gestellt wird, der insbesondere mit der Versorgungsspannung (60 ) aufladbar ist. - Elektromechanischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Schaltspannung durch eine Energiequelle (
44 ) autark bereit gestellt wird, insbesondere durch eine Batterie oder einen Akkumulator. - Elektromechanischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltspannung am Schalteingang (
30 ) der Schaltelemente (24 ) durch Schalter (S1.1, S1.2, S1.3, S2) steuerbar ist. - Elektromechanischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Motorphasen (U, V, W) über Phasenleitungen (
16 ) an den Gleichstrommotor (12 ) geleitet werden und wenigstens zwei Phasenleitungen (16 ) durch Bremsschaltelemente (62 ) kurzschließbar sind, wobei die Bremsschaltelemente (62 ) bei unterbrochener Versorgungsspannung (60 ) leitend sind.
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DE102010035798A1 true DE102010035798A1 (de) | 2011-03-24 |
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Legal Events
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R081 | Change of applicant/patentee |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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