DE2355769A1

DE2355769A1 - Vorrichtung mit einem schnelldrehenden rotor

Info

Publication number: DE2355769A1
Application number: DE19732355769
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Auer; Heinz Dr Rer Nat Wehde
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1973-11-08
Filing date: 1973-11-08
Publication date: 1975-05-15

Description

TELDIX G m b H

6900 Heidelberg 1
G-renzhöfer Weg 36

Heidelberg, den ?. Nqv. 1972 G/Pt-Sch/Pr E-308

Vorrichtung mit einem schnelldrehendem Rotor

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem schnelldrehenden Rotor mit beliebiger Lage der Rotationsachse.

Prob1eraste1lung

Schnelldrehende Rotore, welche beispielsweise in Offen-End-Spinnmaschinen Drehzahlen von über 80.000 UpM erreichen müssen, werfen eine Reihe von Problemen auf, welche mit bekannten Mitteln nicht oder nur mit erheblichem Aufwand gelost werden können. Außer der Funktionssicherheit der erforderlichen Lagerungen, die auch über lange Zeiträume im harten betriebsmäßigen Einsatz gewährleistet sein muß, ist die. Frage des Energieverbrauchs· von entscheidender Bedeutung, wenn wie bei den genannten Spinnmaschinen eine große Anzahl von derartigen Rotoren verwendet werden. Darüber hinaus ist der für die Herstellung erforderliche Montage- und Materialaufwand ein die Wirtschaftlichkeit derartiger Maschinen sehr wesentlicher bestimmender Faktor.'

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Aufgabe und Lösung

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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine im Aufbau einfache Vorrichtung für schnelldrehende Rotoren zu schaffen, die eine hohe Funktionssicherheit aufweist und nur geringe Verluste verursacht. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Vorteile und Weiterbildungen

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich aus durch einen einfachen Aufbau, geringen Energieverbrauch sowie durch, eine hob.e Funktionssichex'heit, da der Rotor im wesentlichen berührungsfrei gelagert ist und aufwendige Stabilisierungseinrichtungen, insbesondere für die axiale Positionierung des Eotors nicht erforderlich sind. Die axiale Vorspannung wird dabei in der.Weise gewählt, deJ3 die auftretenden axialen Kräfte zumindest näherungsweise kompensiert werden. Die Vorrichtung ist außerdem sehr wartungsfreundlich, denn der Rotor kann ohne besondere Werkzeuge oder Hilfsmittel einfach in axialer Richtung von dem Zapfen heruntergezogen werden, wobei lediglich die Lagervorspannung überwunden werden muß. In umgekehrter Weise ist die Montage des Rotors ohne besondere Einstellarbeiten zu bewerkstelligen. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung wird gemäß des dritten Patentanspruches mit der Verwendung eines hydrostatisch oder hydrodynamisch geschmierten Kalottenlagers geschaffen. Als Schmiermittel seien beispielsweise Luft, Fett oder öl genannt. Die somit erreichte berührungsfreie und pendelnde Lagerung des Eotors ermöglicht insbesondere in Verbindung mit einer elektromagnetischen Anordnung am freien Hülsenende die Lagerkräfte den Betriebsbedingungen anzupassen, so daß beim Hochlaufen des Rotors auch die kritischen Drehzahlbereiche sicher durchlaufen werden.

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Auch, die bevorzugte Weiterbildung gemäß des siebten Patentanspruches ermöglicht durch Variation des Gasdruckes des vorgeschlagenen statischen Gaslagers in einfacher Weise eine Anpassung an die Betriebsbedingungen. Wird gemäß des neunten Patentanspruches am freien Hülsenende eine integrierte elektromagnetische Anordnung zum Lagern und Antreiben des Rotors vorgesehen, so ergibt sich eine einfache und kostensparende Bauweise. Wird darüberhinaus die genannte Anordnung in Scheibenbauart aufgebaut und beispielsweise nach Art eines Hysteresemotores betrieben, so wird durch einen entsprechend hoch bemessenen Anlaufstrom eine große Steifigkeit der Lagerung und ein schnelles sowie sicheres Durchlaufen von kritischen Drehzahlbereichen erreicht, wobei Magnetlagerverluste nicht auftreten. Unerwünschte Kräfte auf die Lagerung werden dabei vermieden.

Besonders günstige Verhältnisse werden gemäß des sechzehnten Patentanspruches erreicht, wenn die Statorwicklung als kontinuierlicher Belag auf dem Statorkörper aufgebracht ist* Diese Wicklungsart, bei welcher die Stromleiter direkt nebeneinander und gegebenenfalls übereinander auf dem Statorkörper angeordnet sind, d.h. nicht in Nuten des Stators eingelegt sind, ermöglicht eine einfache für die Serienfertigung kostengünstige Herstellung und kann vorzugsweise bei bürstenlosen Gleichstrommotoren, Synchronmotoren oder Hysteresemotoren vorgesehen werden. Dabei wird der Statorkörper bevorzugt aus ferromagnetischem, elektrisch nicht leitendem Material oder aus Isolierstoff hergestellt. Wird der Stator gemäß des neunzehnten Anspruches gleichzeitig als Gehäuse für die gesamte Vorrichtung ausgebildet, welches den Rotor in relativ geringem Abstand umschließt, so können in vorteilhafter Weise die Luftreibungsverluste reduziert werden. . ■ '

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Ausführunssbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

Fig. 2 -

Fig. 3 -

Fig. 4 -

Fig. 5 -

eine prinzipielle Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles, enthaltend ein Kalottenlager sowie ein magnetisches Radiallager;

ein zweites Ausfühxungsbeispiel, wobei der Rotor in radialer Richtung hydrostatisch gelagert ist;

ein drittes Ausführungsbeispiel, enthaltend elektromagnetische Mittel zur Lagerung sowie zum Antreiben des Rotors$

ein Ausführungsbeispiel ähnlich Fig. 3* wobei in eine topfförmige Hülse des Stators ein Zapfen des Rotors hineinragt;

ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einein. konstruktiv mit dem Lager integrierten elektrischen Antrieb.

Gemäß Fig. 1 enthält der Rotor 1, welcher um eine Achse mit hohen Drehzahlen laufen soll, eine topfförmige Hülse 3· In diese Hülse ragt ein Zapfen 4· des Stators hinein. Zwischen dem Boden 6 der genannten Hülse und den Zapfen ist eine erste Lagervorrichtung vorgesehen, welche vorzugsweise als ein hydrostatisch geschmiertes Kalottenlager 8 ausgebildet sei. Dieses Lager ist ein an sich bekanntes Spiralrillenlager und enthält eine Kugel 9, durch welche die Drehachse 2 verläuft. Es ist weiterhin mit dem Kalottenlager 8 ein Körper 10 aus elastisch verformbaren Material verbunden, welcher mittels eines Zen-

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trierringes 12 an dem Zapfen 4· angeordnet ist. Die Hülse 3,. welche zumindest an ihrem offenen Ende 11 aus ferromagnetischem Material besteht oder mit einem solchen Material versehen ist, reicht mit diesem Ende in das Magnetfeld einer Magnet anordnung 12. Die Magnetanordnung enthält eine stromdurchflossene Wicklung 13 sowie einen Polring 15» welcher gegenüber dem Hülsenende 11 angeordnet ist. Damit werden zum einen radial gerichtete Magnetkräfte auf den Rotor wirksam, die den Sotor zentrieren, und zum anderen axial gerichtete Magnetkräfte wirksam zur Erzeugung einer axialen La ge !'vorspannung. Anstelle der dargestellten Magnetanordnung kann auch eine solche mit Permanentmagneten vorgesehen sein, die ein entsprechendes rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt oder es können um den Statorumfang verteilt Einzelmagnete angeordnet sein, mit denen zumindest in den beiden zur Drehachse 2 senkrechten Raumrichtungen sowie -in Drehachsenrichtung Kräfte auf den Rotor erzeugt werden. Wesentlich ist, daß durch die genannten Kräfte der Rotor sowohl zentriert wird als auch eine axiale Lageryorspannung erreicht wird. Zum- Antrieb des Rotors ist weiterhin ein bürstenloser Gleichstrommotor vorgesehen, welcher auf dem Rotor angeordnete Permanentmagnete 17 sowie auf dem Stator angeordnete Antriebswicklungen 18 aufweist. Die Antriebswicklungen 16 sind als kontinuierlicher Belag auf dem Statorkörper 19 angeordnet. Der Statorkörper, welcher .als Hülse die Wicklung 18 außen umschließt, besteht aus ferromagnetisehern, elektrisch nicht leitendem Material oder aus Isolierstoff. Die einzelnen Leiter der Wicklung werden in einfacher Weise nebeneinander und gegebenenfalls übereinander auf die Innnenwandung des Statorkörpers aufgelegt, so daß das bei bekannten Wicklungen, erforderliche Einfädeln in Nuten des Stators umgangen wird. Es ist weiterhin zweckmäßig eine hohe Polpaarzahl der Wicklung vorzusehen, so daß die Dicke der Permanentmagnete 17 entsprechend klein ist. Wird, der Antrieb nach Art eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors ausgebildet, so werden als Sensoren für das von der jeweiligen Rotorstellung abhängige Schalten der Antriebs-509820/0919

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ströme bevorzugt permanent-magnetisch vorgespannte · Feldplatten auf der Hinterseite der Statorwicklung angeordnet. Aufgrund der angegebenen Ausbildung wird eine sehr kompakte Bauweise des Motors und der gesamten Vorrichtung erzielt. Im Hinblick auf das dynamische Verhalten des Rotors bei hohen Drehzalileii ist die Dimensionierung des Rotors bevorzugt in der Weise vorgenommen, daß' der Massenschwerpunlcb sich, zuminaestriaherungswej.se im Zentrum des Kalottenlagers 8 befindet.

In dem Ausfiihrungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist der Rotor in radialer Richtung mittels statischen Gaslagern gelagert, welche bei hohen Drehzahlen auch eine dynamische Lagerkoaponente aufweisen. Hierzu weist der Zapfen 4-eine axiale Sackbohrung 20 auf, durch welche das Druckmittel (Luft) zugeführt wird und über radial gerichtete Bohrungen 21 mit Drosselstellen in sogenannte Stautaschen 23 gelangt. In dem engen Spalt zwischen Zapfen und Innenwandung der Hülse bildet sich ein Druckmittelpolster aus» so daß die Hülse Taerührungsfrrei gelagert ist. Das in Richtung des Hülsenbodens 23 ausströmende Druckmittel wird über axiale Längsbohrungen 25 abgeführt. Zur Fixierung des Rotors ist am Ende des Zapfens ein axial magnetisierter Permanentmagnetring (oder Einzelmagnete) vorgesehen, welcher den die Hülse aufgrund der ferroxaagnetischen Ausbildung des Bodens oder des dort angeordneten ferr ojnagnetischen Materials an einen Anschlag zieht. Der genannte Anschlag ist im einfachsten Falle eine Kugel 29, welche auf der Drehachse 2 liegt und mit dem Zapfen drehbar verbunden ist. Ist diese Kugel 29 aus elektrisch leitendem Material, so können über diese die elektrostatischenAufladungen des Rotors vermieden bzw. abgeleitet werden. Anstelle des genannten Anschlages kann in vorteilhafter Weise auch, ein statisches Gaslager zwischen Hülsenboden und Zapfen vorgesehen sein. Zum Antrieb des Rotors beispielsweise nach Art eines bürstenlos en Gleichstrommotores sind auf der Außenfläche der Hülse radial magnetisierte Permanentmagnete 30 mit in

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Umfangsrichtung abwechselnder Polarität und auf dem Stator Wicklungen $1 vorgesehen. Werden die genannten Bohrungen 21 in der Radialebene derart angeordnet, daß sie die Normale der Zapfenoberfläche unter einem Winkel schnei· .den, so kann mittels des ausströmenden Druckmittels der Rotor angetrieben werden.

In Fig. 3. ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung'-dargestellt, wobei zwischen Hülsenboden und Zapfen 4 ein beispielsweise gasgeschmiertes Kalottenlager vorgesehen ist. Die Gaszufuhr erfolgt über eine Längsbohrung 36 des Zapfens 4. Im Bereich des offenen Endes der Hülse 3 ist eine Antriebsvorrichtung 37 in Scheibenbauweise vorgesehen, welche beispielsweise nach Art eines Hysteresenotors den Rotor antreibt und wie nachfolgend beschrieben werden soll, sowohl den Rotor zentriert als auch axiale Vorspannkräfte erzeugt. Hierbei sei auf dem Stator eine hier nicht näher dargestellte Wicklungsanordnung vorgesehen zur Erzeugung eines mit der Frequenz der Antriebswechselspannung; umlaufenden Drehfeldes. Gegenüber den Statorpolen 38 ist auf der Hülse .eine Scheibe 39 aus Hysteresematerial angeordnet, mit rotationssymmetrischen Oberflächen 40. Die genannten Oberflächen 40 der Scheibe 39 sowie die Oberflächen 41 der einzelnen Statorpole 38 sind kugelförmig gewölbt oder als entsprechende Tangentialflachen ausgebildet, wobei die Kugelmittelpunkte im Zentrum des Kalottenlagers 35 liegen. Dadurch kann der Luftspalt zwischen den Polen klein gehalten werden und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Aufgrund der rotationssymmetrischen Ausbildung der Oberflächen der Hysteresescheibe, welcher in der Rotorsollage die einzelnen Statorpole genau gegenüberstehen, wird eine sehr hohe radiale Steifigkeit dieser Anordnung erzielt. Die in axialer Richtung zwischen Stator und Hysteresescheibe auftretenden Kraftkomponenten bewirken die gewünschte

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axiale Vorspannung. Wird die Antriebsvorrichtung beispielsweise nach Art eines bürstenlosen Gleichstrom-

Mnotores aufgebaut, so werden die Oberflächen der Stator— und Rotorpole — wie oben beschrieben ausgebildet. Dabei werden auf dem Rotor anstelle der Hysteresescheibe im wesentlichen axial magnetisierte 'Permanentmagnete angeordnet, die in Umfangsrichtung .abwechselnde Polarität aufweisen und die Statorwicklungen 42 in bekannter Weise drehwinkelabhängig angesteuert, so daß auf den Rotor ein Antriebsmoment und

" eine axiale Vorspannung wirksam wird.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein Zapfen 45 des Rotors 1 in eine topfförniige Hülse 46 des Stators hineinragt, wobei zwischen Hülsenboden und Zapfenende ein Kalottenlager 47 vorgesehen ist, welches vorzugsweise als hydrodynamisches Spiralrillenlager ausgebildet ist. Die eine Lagerhälfte ist mittels eines Eörpers 48 aus elastischem Material mit dem Stator verbunden. Im Bereich des offenen Endes der Hülse ist eine Antriebsvorrichtung 49 vorgesehen, welche einen ähnlichen Aufbau wie die Antriebsvorrichtung von Fig. 3 aufweist. Auf die entsprechenden Ausführungen zu Fig. 3 se.i hier verwiesen. Die Hysteresescheibe 50 ist direkt mit dem trichterförmigen Teil des Rotors verbunden, so daß sich günstige Verhältnisse in Hinblick auf die Luftreibungsverluste bei hohen Drehzahlen ergeben.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zeichnet sich durch einen äußerst kompakten raumsparenden Aufbau aus. Der Rotor ist mittels eines Kalottenlagers 51» welches zwischen dem Boden der Hülse 3 und dem Zapfen 4 des Stators angeordnet ist, gelagert. Das lager 51 ist mittels eines Körpers 53 aus elastischem Material mit dem genannten Zapfen verbunden. Gegenüber dem Ende der Hülse 3 ist ein Polring 54 einer Magnetanordnung 56 auf dem Stator vorgesehen. Der Rotor enthält weiterhin eine zur genannten

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Hülse 3 konzentrische Hülse 57 mit einem größeren Durchmesser, auf deren Innenseite eine große Anzahl von radial magnetisierten Permanentmagneten 58 mit in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität vorgesehen ist. Die Hülse 37 dient als magnetischer Rückschluß der genannten Permanentmagnete. Zv/ischen der Hülse $ und- &en Permanentmagneten 58 befindet sich ein zylindrischer Statorkörper 59? auf dessen Außenfläche die Statorwicklung 60 als kontinuierlicher Belag angeordnet ist. Dieser Statorkörper besteht aus ferromagnetic ehern, elektrisch nicht leitendem Material oder vollständig aus Isolierstoff. Zwischen dem Statorkörper und der Hinterseite der Wicklung sind entsprechend der Ausbildung der Statorwicklung permanentmagnetisch vorgespannte Feldplatten 61 vorgesehen, deren Signale in Abhängigkeit von der jeweiligen Rotorstellung zum Ansteuern der Statorwicklung verwendet werden. Das Statorteil 62 umschließt die gesamte Vorrichtung axs Gehäuse in relativ geringem Abstand. Die Abstände zwischen Rotor und Stator sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel derart gewählt, daß die Luftreibungsverluste möglichst, gering sind.

- Patentansprüche -

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Claims

JO

Patentansprüche

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M.J Vorrichtung mit einem schnelldrehenden Botor mit beliebiger Lage der Eotationsach.se, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor bzw. Stator eine topfförmige Hülse (5) aufweist, in welche ein Zapfen (4) des Stators bzw. Eotors hineinragt, daß in wenigstens einer Radialebene Mittel vorgesehen sind zur berührungsfreien radialen Lagerung c sowie Mittel zur Erzeugung einer vorwählbaren Lagervorspannung in axialer Richtung vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach. Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden der Eülse und dem Zapfenende "ein erstes Lager (8) vorgesehen ist, welches Bewegungen des Eotors um die drei Eaumachsen sowie in der zur Rotoationsachse senkrechten Ebene ermöglicht und daß vorzugsweise im Bereich des freien Endes (11) der genannten Hülse eine magnetische Anordnung zur Zentrierung und zur Erzeugung der axialen Vorspannung vorgesehen ist.

3- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ■daß das erste Lager (8) als ein hydrostatisch oder hydrodynamisch geschmiertes Kalottenlager ausgebildet ist.

4-· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine am Rotor befestigte Kugel (9) in einem elastisch auf dem Zapfen (4·) angeordneten Spiralrillenlager gelagert ist oder umgekehrt.

5· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das offene Ende (11) der Hülse (3) aus ferromagnetische!!! Material be-

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steht oder mit einem solchen Material versehen ist und daß das genannte Ende durch das vorzugsweise rotationssymmetrische Feld einer Magnetanordnung (12) des Stators passiv zentriert und in axialer Richtung angezogen wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Rotors wenigstens näherungsweise im Zentrum des Kalottenlagers (8) sich befindet. · '

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur radialen lagerung an sich bekannte statische Gas3_ager vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß am Zapfenende vorzugsweise ein axial magnetisierter Permanentmagnet 27 vorgesehen ist, welcher die im Bereich 'des Bodens ferromagnetisch ausgebildete Hülse zusammen mit einem Gleitlager in axialer Richtung fixiert. ■-■■--

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Rotors durch einen konstruktiv mit dem Lager integrierten pneumatischen Motor erfolgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des freien Endes der Hülse eine elektromagnetische Anordnung zum Antrieb und zur radialen Lagerung vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Anordnung in Scheibenbauart aufgebaut ist und vorzugsweise nach Art eines Hysteresemotors .wirksam ist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die am freien Hülsenende angeordnete Scheibe (39) aus Hysteresematerial rotationssymmetrische Polflächen (AO) aufweist, welche den Statorpolen (38) in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Scheibe (39) sowie die (41)
der Statorpole (38) kugelförmig gewölbt sind oder a3.s entsprechende Tangential^lachen ausgebildet sind, wobei die Kugelmittelpunkte im Zentrum des Kalottenlagers (35) liegen. ■' '

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 10 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Rotors durch einen konstruktiv mit dem Lager integrierten elektrischen Motor erfolgt.

15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromotor mit hoher Polpaarzahl vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch/15Γ dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung als kontinuierlicher Belag auf dem Statorkörper aufgebracht ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkörper. aus einem ferromagnetischen Material, welches/nichtleitend ist,oder vollständig aus
Isolierstoff besteht.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17» dadurch .gekennzeichnet, daß als Sensoren für das Schalten permanentmagnetisch vorgespannte Feldplatten verwendet werden, die auf der Hinterseite.der Statorwicklung angebracht sind.

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· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,· dadurch gekennzeichnet, daß der Stator gleichzeitig als Gehäuse ausgebildet ist, welches den Rotor in relativ geringem Abstand umschließt, so daß die Luft reibungsverluste reduziert werden.

Heidelberg, den 7·.November 1973
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