DE19526440C2 - Winding for the rotor of electrical machines for coupling two fields with different numbers of poles - Google Patents
Winding for the rotor of electrical machines for coupling two fields with different numbers of polesInfo
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Description
Bei Drehzahlstellantrieben mit einer elektrischen Maschine und einem Stromrichter läßt sich die Stromrichterbauleistung verkleinern, wenn die elektrische Maschine einen Teil der benötigten Leistung direkt vom Netz bezieht.In the case of speed actuators with an electrical machine and a converter, the converter construction can be performed downsize when the electrical machine directly shares some of the power required sourced from the network.
Für solch einen Betrieb kommen doppeltgespeiste Induktionsmaschinen in Betracht.Double-fed induction machines come into consideration for such an operation.
Im Hinblick auf einen einfachen mechanischen Aufbau sollen die Wicklungen so ausgebildet sein, daß auf Schleifringe verzichtet werden kann.In view of a simple mechanical structure, the windings should be designed so that slip rings can be dispensed with.
Für eine solche Kaskadenmaschine ohne Schleifringe ist es notwendig, daß Drehfelder mit unterschiedlichen Polpaarzahlen erzeugt werden, wobei der Läuferwicklung die Aufgabe zukommt, die Drehfelder mit den unterschiedlichen Polpaarzahlen miteinander zu koppeln.For such a cascade machine without slip rings, it is necessary that rotating fields with different Pole pair numbers are generated, the rotor winding has the task of the rotating fields to couple with each other with the different pole pair numbers.
Die Erfindung bezieht sich auf kurzgeschlossene Wicklungen für den Läufer elektrischer Wechselstrommaschinen zur Kopplung zweier Felder unterschiedlicher Polzahl in einem Aktivteil. Solche Wicklungen sind aus dem Buch von Sequenz "Die Wicklungen elektrischer Maschinen, Bd. 3, Springer-Verlag Wien 1954, S. 238-270" bekannt.The invention relates to short-circuited windings for the electrical runner AC machines for coupling two fields with different number of poles in an active part. Such windings are from the book of sequence "The windings electrical machines, Vol. 3, Springer-Verlag Vienna 1954, pp. 238-270 "known.
Bei den bekannten Läuferwicklungen werden zum Teil neben den Grundfeldern weitere Oberfelder mit großer Amplitude erzeugt, die sich in einer starken Streuung und der Entstehung von Parasitäreffekten, wie Geräuschen und Pendelmomenten, bemerkbar machen. Bei den bekannten Wicklungen mit geringem Oberfeldgehalt führen hingegen die dann möglichen Nutzahlen zu starken Geräuschanregungen.In the known rotor windings, in addition to the basic fields, additional top fields are also included large amplitude, which results in a strong scatter and the development of parasitic effects, like noises and pendulum moments. In the known windings with little The upper field content, on the other hand, leads to the possible useful numbers for strong noise excitations.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Läuferwicklung der beschriebenen Art zu entwerfen, die insgesamt optimierte Eigenschaften hat, also einfach aufgebaut ist und einen geringen Oberfeldgehalt hat.The invention has for its object to design a rotor winding of the type described has optimized properties overall, that is to say it is simple in structure and has a low field content Has.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine kurzgeschlossene Wicklung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This problem is solved by a short-circuited winding with the Features of claim 1.
Eine solche Wicklung ist für Drehzahlstellantriebe mit Kaskadenmaschine und Umrichter entsprechend Bild 1 geeignet, deren einer Teil der Ständerwicklung mit der Polpaarzahl pa mit dem Netz und deren anderer Teil der Ständerwicklung mit der Polpaarzahl pb mit dem Umrichter verbunden wird.Such a winding is suitable for speed actuators with a cascade machine and converter according to Figure 1, one part of the stator winding with the number of pole pairs p a is connected to the network and the other part of the stator winding with the number of pole pairs p b is connected to the converter.
Bei der Unterbringung der beiden Ständerwicklungen in einem Blechpaket müssen geeignete Polpaarzahlen pa und pb zur Entkopplung der Wicklungen gewählt werden.When accommodating the two stator windings in a laminated core, suitable numbers of pole pairs p a and p b must be selected to decouple the windings.
Eine andere Form der Anschaltung des Umrichters ist in Bild 2 skizziert. Hierbei ist der Umrichtereingang nicht mit dem speisenden Netz sondern mit Anschlüssen der Ständerwicklung verbunden.Another form of connecting the converter is outlined in Figure 2. Here, the converter input is not connected to the supply network, but to the stator winding connections.
Zur Anwendung der Kaskadenmaschine als Drehmelder können die Ständerwicklung mit einer Auswerteelektronik zur Bestimmung des Läuferwinkels ϕ aus den elektrischen Größen entsprechend Bild 3 verbunden werden. Zur Bestimmung des Drehwinkels ϕ wird das winkelabhängige Übersetzungsverhältnis zwischen den Strängen der Ständerwicklung herangezogen. To use the cascade machine as a resolver, the stator winding can be connected to evaluation electronics for determining the rotor angle ϕ from the electrical quantities as shown in Figure 3. The angle-dependent transmission ratio between the strands of the stator winding is used to determine the angle of rotation ϕ.
Als Beispiel soll eine Kaskadenmaschine mit einer Ständerwicklung mit einem einsträngigen Teil mit der Polpaarzahl pa und einem zweisträngigen Teil mit der Polpaarzahl pb betrachtet werden.As an example, consider a cascade machine with a stator winding with a single-stranded part with the number of pole pairs p a and a double-stranded part with the number of pole pairs p b .
Wird der einsträngige Teil der Ständerwicklung mit einer Wechselspannung gespeist, so werden in dem zweisträngigen Teil der Ständerwicklung mit der Polpaarzahl pb Spannungen induziert, deren Amplituden Ûb1 und Ûb2 cosinus- bzw. sinusförmig vom Drehwinkel ϕ abhängen:If the single-stranded part of the stator winding is supplied with an alternating voltage, voltages are induced in the double-stranded part of the stator winding with the number of pole pairs p b , the amplitudes Û b1 and Û b2 of which are cosine or sinusoidal depending on the angle of rotation ϕ:
Ûb1 = Û · cos ((pa-pb) · ϕ) (1)Û b1 = Û · cos ((p a -p b ) · ϕ) (1)
Ûb2 = Û · sin ((pa-pb) · ϕ) (2)Û b2 = Û · sin ((p a -p b ) · ϕ) (2)
Aus den Spannungen läßt sich dann der Winkel ϕ bestimmen:The angle ϕ can then be determined from the stresses:
Bei einem anderen Verfahren werden die beiden Stränge des Wicklungsteils mit der Polpaarzahl pb so mit Spannungen ub1 und ub2 gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Amplituden Ûb1 und Ûb2 gespeist, daß die resultierend im Strang des Wicklungsteils mit der Polpaarzahl pa induzierte Spannung zu Null wird. Auch hier läßt sich der Drehwinkel aus den Spannungen bestimmen.In another method, the two strands of the winding part with the number of pole pairs p b are fed with voltages u b1 and u b2 of the same frequency but different amplitudes Û b1 and Û b2 , so that the voltage induced in the strand of the winding part with the number of pole pairs p a increases Becomes zero. Here, too, the angle of rotation can be determined from the voltages.
Bekanntermaßen soll die Läuferwicklung die beiden verschiedenen Felder der Polpaarzahlen pa und pb der Ständerwicklung miteinander koppeln. Die Wicklung muß eine Verkopplung der beiden Felder genauso bewirken, wie es getrennte Läuferwicklungen tun. Sie braucht dazu weder eine bestimmte Strangzahl zu besitzen, noch sind die absoluten Werte der ihr indizierten Spannungen von Interesse. Sie ist in sich geschlossen und ähnelt damit einer Käfigwicklung. Ihr Aufbau muß einfacher als der zweier getrennter Wicklungen sein. Die Verluste sollen kleiner als die getrennter Wicklungen sein.As is known, the rotor winding is intended to couple the two different fields of the pole pair numbers p a and p b of the stator winding. The winding must couple the two fields in the same way as separate rotor windings do. It does not need to have a specific number of strands, nor are the absolute values of the voltages indicated to it of interest. It is self-contained and thus resembles a cage winding. Their construction must be simpler than that of two separate windings. The losses should be smaller than the separate windings.
Die beiden Ständerwicklungen mit den Polpaarzahlen pa und pb miteinander zu koppeln bedeutet, daß in der Läuferwicklung fließende Ströme gleichzeitig ein Feld der Polpaarzahl pa und ein Feld der Polpaarzahl pb erzeugen. Dann sind die beiden Ständerwicklungen durch die Läuferströme miteinander gekoppelt.Coupling the two stator windings with the pole pair numbers p a and p b means that currents flowing in the rotor winding simultaneously produce a field of the number of pole pairs p a and a field of the number of pole pairs p b . Then the two stator windings are coupled together by the rotor currents.
Die Läuferwicklung muß also so gestaltet sein, daß in ihr fließendes StromsystemThe rotor winding must therefore be designed so that the current system flowing in it
eine Strombelagskurve nach sich zieht, die die beiden Polpaarzahlen pa und pb enthält. Die Anteile der Strombelagskurve mit diesen Polpaarzahlen ziehen jeweils Drehfelder mit der Läuferkreisfrequenz ωr in Läuferkoordinaten nach sich, so daß für die Anteile der Strombelagskurve gilt:results in a current coating curve that contains the two pole pair numbers p a and p b . The components of the current coating curve with these pole pair numbers each result in rotating fields with the rotor angular frequency ω r in rotor coordinates, so that the following applies to the components of the current coating curve:
Dies ergibt die resultierende StrombelagskurveThis results in the resulting current coating curve
a = aa+ab = Âa · cos(ωrt-pax+ϕa)+Âb · cos(ωrt-pbx+ϕb) (7)a = a a + a b = Â a · cos (ω r tp a x + ϕ a ) + Â b · cos (ω r tp b x + ϕ b ) (7)
in reeller Schreibweise. Die Verwendung der komplexen Terme aus den Gleichungen (5) und (6) ergibtin real spelling. Using the complex terms from equations (5) and (6) results
mitWith
Die komplexe Strombelagskurve a errechnet sich also aus der Summe zweier Kreise, die unterschiedlich schnell durchlaufen werden. Die Ortskurve in der komplexen Ebene ergibt eine bizirkulare Quartik.The complex current curve a is calculated from the sum of two circles that are different be run through quickly. The locus in the complex plane results in a bicircular quartic.
Die mit einer Wicklung mit N Nuten erreichbare Strombelagskurve ergibt sich aus den diskreten Nutdurchflutungen. Somit ergibt sich auch eine diskrete Strombelagsfunktion mit den Werten ak an den Stützstellen xk, die die Winkel der Nuten angeben:The current covering curve that can be achieved with a winding with N slots results from the discrete slot flooding. This also results in a discrete current covering function with the values a k at the support points x k , which indicate the angles of the grooves:
Da Strombelag und Nutdurchflutung einander proportional sind, kann für die Nutdurchflutungen a′k entsprechend Gleichung (10) geschrieben werdenSince current coating and groove flooding are proportional to each other, can be written for the groove flooding a ' k according to equation (10)
mit den Amplituden der Nutdurchflutung Â′a und Â′b.with the amplitudes of the groove flooding  ′ a and  ′ b .
Bei äquidistanter Nutung ergeben sich die Winkel der Nuten zuWith equidistant grooving, the angles of the grooves result
Im folgenden sind immer die kontinuierlichen Ortskurven nach Gleichung (9) angegeben, bei denen die Eckpunkte des Polygons durch Kreuze × markiert sind.The continuous locus curves according to equation (9), in which the Corner points of the polygon are marked by crosses ×.
Die Bilder 4 bis 6 zeigen Ortskurven der komplexen Strombelagskurven für verschiedene Polpaarzahlen. Die Kreuze × kennzeichnen Umfangswinkel xk im Abstand von 10°, also die Eckpunkte einer Strombelagskurve für einen Läufer mit N = 36 Nuten. Figures 4 to 6 show locus curves of the complex current deposit curves for different numbers of pole pairs. The crosses × mark the circumferential angle x k at a distance of 10 °, i.e. the corner points of a current coating curve for a rotor with N = 36 grooves.
Charakteristisch für alle Polpaarzahlkombinationen ist der keulenförmige Verlauf der Ortskurve mit ausgeprägten Minima und Maxima des Betrages mit unterschiedlichen Phasenlagen des Strombelages.The club-shaped course of the locus curve is characteristic of all pole pair number combinations pronounced minima and maxima of the amount with different phase positions of the current coating.
Eine Variation der Amplituden Âa und Âb verändert die Form der Kurven, nicht aber die Anzahl und Phasenlage der Maxima und Minima. Entsprechende Verläufe für verschiedene Amplituden aber gleiche Polpaarzahlen zeigen die Bilder 4, 7 und 8.A variation of the amplitudes a and b changes the shape of the curves, but not the number and phase position of the maxima and minima. Corresponding courses for different amplitudes but the same number of pole pairs are shown in Figures 4, 7 and 8.
Eine Variation der Winkel ϕa und ϕb führt zu einer Verdrehung der Kurve und zu einer Verschiebung der Lage der Nuten auf der Kurve.A variation of the angles ϕ a and ϕ b leads to a twisting of the curve and a shift of the position of the grooves on the curve.
Damit solch eine Strombelagskurve überhaupt entstehen kann, muß die Leiterverteilung der Läuferwicklung ungleichmäßig sein. Im Extremfall bleiben einige Nuten des Läufers unbewickelt. Für den Läufer kommen damit bezüglich der Grundpolpaarzahlen unsymmetrische Wicklungen in Frage. Die Verteilung der Leiter der Wicklung auf die Nuten muß so sein, daß das in der Wicklung fließende StromsystemThe conductor distribution of the rotor winding must be in order for such a current coating curve to arise at all be uneven. In extreme cases, some slots of the rotor remain unwrapped. For the Runners are therefore considered asymmetrical in terms of the number of basic pole pairs. The Distribution of the conductors of the winding on the slots must be such that the flowing in the winding Power system
Nutdurchflutungen nach sich zieht, die eine Strombelagskurve ergeben, deren Eckpunkte den Punkten der Kurve nach Gleichung (10) möglichst nahe kommen.Groove flooding results in a current deposit curve, the corner points of the points come as close as possible to the curve according to equation (10).
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren angegeben, das den Entwurf oberfeldarmer Wicklungen bei aus Geräuschgründen günstigen Nutzahlkombinationen erlaubt:According to the invention, a method is specified which eliminates the design of low-field windings Favorable combinations of numbers allowed for noise reasons:
- 1. Für die N Nuten werden nach Festlegung der Amplituden Â′a und Âb, der Polpaarzahlen pa und pb sowie der Winkel ϕa und ϕb die Nutdurchflutungen a′k nach folgender Gleichung vorgegeben: Das Vorzeichen der einzelnen Polpaarzahlen pa und pb ergibt sich aus dem jeweils zugehörigen Drehsinn des Feldes bezüglich des Läufers.1. For the N slots, after determining the amplitudes  ′ a and  b , the number of pole pairs p a and p b, and the angles ϕ a and ϕ b, the slot floodings a ′ k are specified using the following equation: The sign of the individual pole pair numbers p a and p b results from the associated direction of rotation of the field with respect to the rotor.
- 2. Für die Wicklung wird ein Stromsystem J festgelegt, dessen Stromkomponenten Ji nach Betrag Ii und Phase ϕi vorgegeben werden. Die Komponenten Ji des Stromsystems sind die in den Leitern fließenden Ströme 2. A current system J is defined for the winding, the current components J i of which are specified according to the amount I i and phase ϕ i . The components J i of the power system are the currents flowing in the conductors
- 3. Die vorgegebenen Nutdurchflutungen der Nuten k werden durch Summen von Produkten aus ganzzahligen positiven oder negativen Koeffizienten nik und den Komponenten des Stromsystems angenähert. 3. The predetermined groove flooding of the grooves k are approximated by the sum of products of integer positive or negative coefficients n ik and the components of the power system.
- 4. In den Nuten werden jeweils soviele Leiter untergebracht, in denen eine bestimmte Komponente des Stromsystems fließt, wie es die Beträge |nik| der Koeffizienten zu den einzelnen Nuten und Stromkomponenten angegeben. Das Vorzeichen der Koeffizienten nik gibt die Stromflußrichtung der Stromkomponenten an.4. The slots contain as many conductors in which a specific component of the power system flows as the amounts | n ik | of the coefficients for the individual grooves and current components. The sign of the coefficients n ik indicates the direction of current flow of the current components.
- 5. Die Leiter in den Nuten werden durch Leiter im Stirnraum so verbunden, daß sich das vorgegebene Stromsystem ausbildet. Die Summe aller in einen Knoten fließenden Ströme ergibt sich dabei zu Null.5. The conductors in the grooves are connected by conductors in the front space so that the predetermined Power system trains. The sum of all the currents flowing in a node results in Zero.
Ein Beispiel soll das Vorgehen verdeutlichen. Folgende Parameter werden für den Wicklungsentwurf festgelegt:An example should illustrate the procedure. The following parameters are used for the winding design fixed:
Mit diesen Parametern ergibt sich die in Bild 9 dargestellte Ortskurve des Strombelags.With these parameters, the location curve of the current coating shown in Figure 9 is obtained.
Die Nutdurchflutungen werden nach Gleichung (14) vorgegeben:The groove flooding is specified according to equation (14):
Für den Läufer wird ein symmetrisches Stromsystem folgender Form vorgegeben:A symmetrical current system of the following form is specified for the rotor:
Mit diesem Stromsystem lassen sich die oben angegebenen Durchflutungen annähern:With this current system, the flooding indicated above can be approximated:
Damit befinden sich in den Nuten 1 oder 2 Leiter jeweils einer Stromkomponente. Die Leiter lassen sich leicht im Stirnraum zur vollständigen Wicklung verbinden. Das Resultat zeigt Bild 10.This means that there are 1 or 2 conductors each with a current component in the slots. The conductors can be easily connected in the front space for complete winding. The result is shown in Figure 10.
Bild 11 zeigt eine andere Wicklung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entstanden ist. Figure 11 shows another winding that was created using the method according to the invention.
Zunächst wurden für die Polpaarzahlen pa=2 und pb=-4 die Nutdurchflutungen für N=90 Nuten und Âa=A′, Â′b=1,1668 · A′, ϕa=0, ϕb=0 berechnet.First, for the number of pole pairs p a = 2 and p b = -4, the slot floodings for N = 90 slots and  a = A ′,  ′ b = 1.1668 · A ′, ϕ a = 0, ϕ b = 0 were calculated .
Für das Läuferstromsystem wurden die StromkomponentenThe current components were used for the rotor current system
gewählt. chosen.
Die geforderten Nutdurchflutungen können dadurch angenähert werden, daß in den Nuten 10, 11, 25, 26, 40, 41, 55, 56, 70, 71, 85 und 86 keine Leiter vorhanden sind, in den Nuten 6-9, 12-15, 21-24, 27-30, 36-39, 42-45, 51-54, 57-60, 66-69, 72-75, 81-84 und 87-90 jeweils w Leiter einer Stromkomponente des Läuferstromsystems und in den übrigen Nuten jeweils w Leiter zweier Stromkomponenten sind. Das oben genannte Stromsystem stellt sich ein, wenn die Leiter in sechs Spulengruppen geschaltet werden.The required Nutdurchflutungen can be approximated by the fact that no conductors are present in the grooves 10, 11, 25, 26, 40, 41, 55, 56, 70, 71, 85 and 86, in the grooves 6 - 9, 12-15 , 21 - 24 , 27 - 30 , 36 - 39 , 42 - 45 , 51 - 54 , 57 - 60 , 66 - 69 , 72 - 75 , 81 - 84 and 87 - 90 each w conductor of a current component of the rotor current system and in the remaining grooves are w conductors of two current components. The above-mentioned current system occurs when the conductors are switched in six coil groups.
Eine andere Wicklung zeigt Bild 12. Sie läßt sich entsprechend der oben skizzierten Vorgehensweise
auf folgende Art gewinnen:
Zunächst ergeben sich die geforderten Nutdurchflutungen aus den Werten N=90, Â′a=A′, Â′b=3,022 · A′, ϕa=0, ϕb=0, pa=2, pb=-4.Another winding is shown in Figure 12. It can be obtained according to the procedure outlined above in the following way:
First of all, the required groove flooding results from the values N = 90, Â ′ a = A ′, Â ′ b = 3.022 · A ′, ϕ a = 0, ϕ b = 0, p a = 2, p b = -4.
Das Stromsystem wurde zuThe electricity system was too
gewählt.chosen.
Die Nutdurchflutungen lassen sich durch jeweils eine Stromkomponente des Stromsystems je Nut mit der Leiterzahl 1 annähern. Die Leiter wurden in geeigneter Weise durch Reihenschaltung und Parallelschaltung von Wicklungsteilen sowie Bildung von Sternpunkten zu einer Wicklung verbunden.The groove flooding can be determined by one current component of the current system per groove approximate with the number of conductors 1. The conductors were suitably connected in series and Parallel connection of winding parts and formation of star points connected to a winding.
Claims (10)
- (a) für die Wicklung werden im Läufer am Umfang N Nuten mit den Winkeln xk vorgegeben;
- (b) die Verteilung der Leiter der Wicklung in den Nuten und deren Schaltung im Stirnraum wird
wie folgt vorgenommen:
- i. Für die N Nuten werden nach Festlegung der Amplituden Â′a und Â′b, der Polpaarzahlen pa und pb sowie der Winkel ϕa und ϕb die Nutdurchflutungen a′k nach folgender Gleichung vorgegeben: Das Vorzeichen der einzelnen Polpaarzahlen pa und pb ergibt sich aus dem jeweils zugehörigen Drehsinn des Feldes bezüglich des Läufers;
- ii. Für die Wicklung wird ein Stromsystem J festgelegt, dessen Stromkomponenten Ji nach Betrag Ii und Phase ϕi vorgegeben werden, die Komponenten Ji des Stromsystems sind die in den Leitern fließenden Ströme;
- iii. Die vorgegebenen Nutdurchflutungen der Nuten k werden durch Summen von Produkten aus ganzzahligen positiven oder negativen Koeffizienten nik und den Komponenten des Stromsystems angenähert;
- iv. In den Nuten werden jeweils soviele Leiter untergebracht, in denen eine bestimmte Komponente des Stromsystems fließt, wie es die Beträge |nik| der Koeffizienten zu den einzelnen Nuten und Stromkomponenten angeben, das Vorzeichen der Koeffizienten nik gibt die Stromflußrichtung der Stromkomponente an;
- v. Die Leiter in den Nuten werden durch Leiter im Stirnraum so verbunden, daß sich das vorgegebene Stromsystem ausbildet, die Summe aller in einen Knoten fließenden Ströme ergibt sich dabei zu Null.
- (a) for the winding, N slots with angles x k are specified in the rotor on the circumference;
- (b) The distribution of the conductors of the winding in the slots and their connection in the front space is carried out as follows:
- i. After specifying the amplitudes  ′ a and  ′ b , the number of pole pairs p a and p b and the angles ϕ a and ϕ b, the groove floodings a ′ k are specified for the N slots according to the following equation: The sign of the individual pole pair numbers p a and p b results from the respective direction of rotation of the field with respect to the rotor;
- ii. For the winding system, a current J is set, the current components J i I i according to amount and phase φ i are specified, the components J i of the power system, the current flowing in the conductors streams;
- iii. The predetermined groove flooding of the grooves k are approximated by the sum of products of integer positive or negative coefficients n ik and the components of the power system;
- iv. As many conductors are accommodated in the slots in which a specific component of the power system flows as the amounts | n ik | specify the coefficients for the individual grooves and current components, the sign of the coefficients n ik indicates the direction of current flow of the current component;
- v. The conductors in the grooves are connected by conductors in the front space in such a way that the specified current system is formed, the sum of all the currents flowing into a node is zero.
am Umfang versetzten aber sonst gleichen Leiterverteilungen jeweils für sich kurzgeschlossen sind.9. Winding according to one of claims 1-8, characterized in that m winding parts with each other around
in terms of scope, however, the same distribution of conductors is short-circuited.
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Non-Patent Citations (1)
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: LENZE DRIVE SYSTEMS GMBH, 31855 AERZEN, DE |
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |