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Vorrichtung zum Ansteuern eines Universalmotors - Dokument DE102004033051A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004033051A1 24.02.2005
Titel Vorrichtung zum Ansteuern eines Universalmotors
Anmelder Steinel GmbH, 33442 Herzebrock-Clarholz, DE
Erfinder Franke, Thomas, 33758 Schloß Holte-Stukenbrock, DE
Vertreter Hiebsch und Kollegen, 78224 Singen
DE-Anmeldedatum 08.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004033051
Offenlegungstag 24.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.02.2005
IPC-Hauptklasse H02P 7/628
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Universalmotors mit Mitteln (10) zur Änderung des Phasenabschnitts des dem Universalmotor zugeführten Wechselspannungssignals durch Erzeugen eines Zündwinkels für eine dem Universalmotor vorgeschaltete Steuerelektronik (12), wobei den Mitteln zur Änderung des Phasenabschnitts erste Einstellmittel (10) zum Vorgeben eines in aufeinander folgenden Wellen des Wechselspannungssignals vorgewählten Zündwinkelwerts sowie zweite Einstellmittel (18, 20) zum Variieren des vorgewählten Zündwinkelwerts zugeordnet sind, wobei die zweiten Einstellmittel so eingerichtet sind, dass eine Variation des Zündwinkels zwischen allen unmittelbar aufeinander folgenden Halbwellen des Wechselspannungssignals gemäß einer periodischen Überlagerungsfunktion erfolgt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Universalmotors nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP 0 859 452 B1 bekannt. Mit dem Zweck der Oberwellenunterdrückung wird hier ein Verfahren zur Leistungssteuerung von an ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern beschrieben, bei welchem der (die Leistung bzw. die Drehzahl bestimmende) Zündwinkel der Steuerelektronik des Motors gezielt variiert wird, und zwar vor allem durch das Herbeiführen einer Unsymmetrie im Zündwinkel zwischen aufeinanderfolgenden Vollwellen des Wechselspannungssignals bzw. ganzzahligen Vielfachen derartiger Vollwellen. Nach der patentgemäßen Lehre dieser Schrift aus dem Stand der Technik führt dies dann dazu, dass Oberwellen durch die Phasenanschnittssteuerung, insbesondere im Hinblick auf durch Normen vorgegebene Grenzwerte für harmonische Oberwellen, reduziert werden können.

Allerdings wirkt sich eine derartige Vorgehensweise nachteilig auf die Laufruhe des so angesteuerten Motors aus, und Messungen mit nach dem Prinzip der EP 0 859 452 arbeitenden Steuerungen haben erwiesen, dass gerade bei Geräten der 2000 W – Leistungsklasse z.T. beachtliche Variationen des Zündwinkels notwendig sind, um die Grenzwerte besonders der dritten Harmonischen zu unterschreiten. Hierdurch wird dann allerdings der Motorlauf noch unrunder und lauter, als es ohnehin bereits durch die Anwendung des beschriebenen Prinzips aus dem Stand der Technik gegeben ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Motorsteuerung zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf ihre Gleichlaufeigenschaften. Ferner ist eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Universalmotors zu schaffen, welche sich mit geringem Hardware- und Kostenaufwand realisieren lässt.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie des unabhängigen Vorrichtungsanspruches 13 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich wird Schutz beansprucht für ein Verfahren zur Ansteuerung eines an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Universalmotors, insbesondere Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach dem Hauptanspruch, wobei erfindungswesentlich eine Variation des vorgewählten Zündwinkelwerts zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Halbwellen mit der beschriebenen periodischen Überlagerungsfunktion erfolgt.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise und in Abkehr vom eingangs beschriebenen gattungsbildenden Stand der Technik wurde herausgefunden, dass eine Variation des (etwa für eine Drehzahlstellung eingestellten) vorgewählten Zündwinkels nicht über volle Perioden des Wechselspannungssignals, sondern über unmittelbar benachbarte Halbwellen sich positiv auf die Lauf- und weiteren elektrischen Eigenschaften des Motors auswirkt, ohne das Oberwellenverhalten negativ zu beeinträchtigen. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass eine Ansteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung das (durch Grenzwerte begrenzte) Auftreten von Oberwellen in nicht normrelevante Frequenzbereiche verlagert, damit eine breitbandige Oberwellenverteilung und -reduktion erreicht, so dass zwar in gewissen Frequenzbereichen punktuelle Nachteile im Oberwellenverhalten erreicht werden, diese jedoch erfindungsgemäß durch verbessertes Laufverhalten aufgewogen werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich in dieser Beziehung herausgestellt, wenn die Frequenz der Überlagerungsfunktion nicht-harmonisch zur Netzfrequenz und geringfügig länger oder kürzer als die Periode der Netzfrequenz des Spannungsversorgungsnetzes ist, z.B. eine Überlagerungsfrequenz von 40 bis 45 Hz bei 50 Hz Netzfrequenz.

Als besonders günstig hat es sich dabei herausgestellt, als Überlagerungsfunktion eine stetige periodische Funktion zu verwenden, wobei sich nicht nur hier eine Sinusfunktion anbietet, sondern insbesondere auch Sägezahn- oder Dreieckfunktionen (gerade im Hinblick auf ihre einfachere rechnerische Handhabung durch die weiter bevorzugt für die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzte Mikrocontrollereinheit).

Bevorzugt ist es zudem, den winkelmäßigen maximalen Überlagerungshub der Überlagerungsfunktion, bezogen auf den vorgewählten Zündwinkelwert, nach oben und unten symmetrisch zu gestalten, so dass langfristig (d.h. in Abhängigkeit vom kleinsten gemeinsamen Vierfachen der Periodendauer von Überwachungsfunktion und Netzfrequenz) eine symmetrische Netzbelastung im zeitlichen Mittel erfolgt. (Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist als „voreingestellter Zündwinkelwert" nicht etwa ein grundsätzlich invariater Zündwinkel zu verstehen, sondern derjenige Zündwinkel, der mit dem beabsichtigten Stellzweck, z.B. Leistungs- bzw. Drehzahlstellung, extern vorgegeben wird und selbstverständlich insoweit variabel ist).

Während es einerseits günstig ist, einen maximalen Wert des konstanten Zündwinkelwertes vorzugeben (wobei dieser beliebig gewählt werden kann, jedoch, in der Überlagerung mit dem voreingestellten Zündwinkel nicht 180 Grad überschreiten darf, so dass der tatsächlich für die Motorsteuerung verwendete Zündwinkel innerhalb der aktuellen Halbwelle bleibt), ist es andererseits, gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, jedoch auch gemäß einem unabhängigen Lösungsaspekt, für welchen gesondert und unabhängig Schutz beansprucht wird, vorgesehen, die Überlagerungsfrequenz selbst zu variieren, bevorzugt in ihrer Frequenz oder Amplitude zu modulieren.

So ist es entweder günstig, die Überlagerungsfrequenz (also die Frequenz der Überlagerungsfunktion gemäß Hauptanspruch) dergestalt zu ändern, dass die im Rahmen des ersten, oben diskutierten Erfindungsaspektes noch als konstant angenommene Frequenz der Überlagerungsfunktion selbst Variationen (hinsichtlich Frequenz oder Amplitude) unterliegt.

Eine derartige Weiterbildung bzw. unabhängige Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Variation der Überlagerungsfrequenz weiterbildungsgemäß abhängig von einem aktuellen voreingestellten Zündwinkel gemacht wird: So hat es sich beispielsweise herausgestellt, dass, mit dem Zweck des Erreichens eines möglichst gleichmäßigen Motorlaufes, ein auf einen hohen Winkelwert, z.B. 160 Grad, eingestellter Zündwinkelwert eine andere Überlagerungsfrequenz für einen günstigen Gleichlauf benötigt, als etwa ein Zündwinkelwert von 90 Grad. Die planmäßige Zuordnung jeweiliger, unterschiedlicher Frequenzen (z.B. in der Art einer Steuertabelle, welche weiterbildungsgemäß geeignet prozessorgesteuert ausgelesen und verarbeitet werden kann) ermöglicht dann die Optimierung des Laufverhaltens über den kompletten Leistungsbereich des Motors (also den gesamten Ansteuerungsbereich der vorgewählten Zündwinkel), jeweils mit erfindungsgemäßer Überlagerung durch die (selbst wiederum variierte) periodische Überlagerungsfunktion. Dieser Maßnahme liegt zugrunde, dass, je nach vorgewähltem Zündwinkel, zur Entstörung ein bestimmter Hub (d.h. eine maximale Zündwinkelvarianz durch die Überlagerungsfunktion) notwendig ist. Dies kann jedoch, vgl. die obige Erörterung, zu einem ggf. unrunden Motorlauf führen, der wiederum durch geschickte Wahl der Überlagerungsfrequenz verbesserbar ist. In jedem Fall wird jedoch der zur Entstörung benötigte Hub je geringer, desto näher der vorgewählte Zündwinkel an den Anfang oder das Ende der Halbwelle (0° bzw. 180°) rückt; um eine jeweilige Halbwelle durch einen dann resultierenden Zündwinkel (d.h. vorgewählter Zündwinkel plus Überlagerungsfunktion) nicht zu verlassen, darf der resultierende Winkel 0° nicht unter- bzw. 180° nicht überschritten werden.

Im Ergebnis wird durch die vorliegende Erfindung in einfacher und überraschend wirksamer Weise eine Motorsteuerung erreicht, die vorteilhafte Laufeigenschaften des angesteuerten Universalmotors mit reduzierter Oberwellenbelastung kombiniert. Zudem bietet eine geeignet ausgewählte Überlagerungsfunktion die Möglichkeit, diese kostengünstig, bevorzugt mittels einer integrierten Mikrocontrollereinheit, zu realisieren, so dass auch herstellungs- bzw. fertigungstechnisch Vorteile realisiert werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

1 ein schematisches Blockschaltbild der wesentlichen Funktionseinheiten der Vorrichtung zur Ansteuerung eines an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Universalmotors gemäß eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;

2 ein Spannungs-/Zeitdiagramm zum Verdeutlichen der einphasigen Netzspannung sowie dem daran vorgenommenen, erfindungsgemäß zwischen aufeinanderfolgenden Halbwellen variierenden Phasenanschnitts und

3 eine zeitproportional zur Darstellung gemäß 2 aufgetragene Darstellung des Überlagerungshubs der im Ausführungsbeispiel verwendeten sinusförmigen Überlagerungsfunktion.

Die 1 verdeutlicht im schematischen Blockschaltbild, wie die wesentlichen funktionsbestimmenden Funktionskomponenten miteinander zusammenwirken (in der praktischen Realisierung ist es bevorzugt, diese Funktionskomponenten mittels einer geeigneten Mikrocontrollereinheit zu realisieren): Durch Benutzervorgabe, etwa Betätigung eines zugeordneten Stellgliedes zur Vorwahl der Drehzahl, erfolgt durch eine Nominalzündwinkel-Einstellungseinheit 10 eine Vorgabe desjenigen Zündwinkels, welcher in traditioneller Weise den Zündzeitpunkt für eine einem Universalmotor 12 zugeordnete Leistungselektronik 14 (typischerweise TRIACs) bestimmt. Allerdings erfolgt, wie in der Figur durch eine vorgeschaltete Überlagerungseinheit 16 erkennbar ist, die Ansteuerung der Leistungselektronik 14 nicht mit dem Nominalzündwinkel &agr; (auch „konstanter Zündwinkelwert" im Rahmen der Erfindung genannt), sondern durch einen überlagerten, effektiven (resultierenden) Zündwinkel &agr; +/– &phgr;. Der Überlagerungswinkel &phgr; ist der Augenblickswert einer gemäß der Erfindung vorgesehenen Überlagerungsfunktion, welche mittels eines Funktionsgenerators (z.B. Sinusgenerators) 18 und einer nachgeschalteten Spannungs-/Phasenwinkel-Wandlereinheit 20 generiert und der Überlagerungseinheit 16 angelegt wird.

Anhand der 2 und 3 wird nunmehr in einem konkreten Beispiel der Phasenverlauf des durch die Überlagerung erzeugten effektiven Zündwinkel-Werteverlaufs erläutert.

Die 2 verdeutlicht dabei in der Überlagerung den sinusförmigen Verlauf einer typischen Wechselspannung (Ue = 230 Volt, f = 50 Hz), dargestellt durch den dünn gezeichneten Kurvenverlauf. In dieses Diagramm mittels der fett gezeichneten Linie eingezeichnet ist der durch das Phasenanschnittsteuern erreichte Einschaltzustand, wobei hier ein nomineller Zündwinkel &agr; = 135° als extern voreingestellt bzw. vorgewählt angenommen werden soll (aus der Darstellung der 2 ergibt sich, dass dementsprechend die Leistungselektronik, z.B. die TRIACs, nach dem Durchlaufen von 135° einer 180°-Halbwelle zünden, bei aktuellem Wert der Überlagerung &phgr; = 0°).

Allerdings erfolgt, wie zur besseren Verdeutlichung noch aus der 3 erkennbar ist, eine Variation des Zündwinkels &agr; um einen Variations-Winkelwert &phgr;, wobei ein maximaler (positiver und negativer) Überlagerungshub &Dgr; der dargestellten sinusförmigen Überlagerungsfunktion +/– 20° beträgt (d.h. innerhalb einer Periode der Überlagerungsfunktion variiert damit der effektive Zündwinkel &agr; + &phgr; zwischen 115° und 155°).

Zur Veranschaulichung wurde als Überlagerungsfrequenz eine Sinusfunktion mit 3,3 Hz gewählt. Aus der 2 ist deutlich erkennbar, wie der Zündzeitpunkt in jeder Halbwelle einen anderen Wert annimmt; dabei wird, entsprechend der hier beispielhaft gewählten sinusförmigen Überlagerungsfunktion und ausgehend vom Nominalzündwinkel &agr; = 135°, der reale (effektive) Zündwinkel in Abhängigkeit von der Überlagerungsfunktion bis zu einem maximalen nacheilenden Wert verändert und in den folgenden Halbwellen die Nacheilung wieder verringert, bis diese durch den Nominalzündwinkel in eine Voreilung übergeht, die ebenfalls mit dem Verlauf der Überlagerungsfunktion bis zum Maximalwert (Übertragungshub &Dgr;, hier 20°) und anschließend wieder zurück zum Nominalzündwinkel verändert wird. Dieses Bild wiederholt sich zyklisch.

Da die jeweils maximalen vor- und nacheilenden Werte im dargestellten Ausführungsbeispiel betragsmäßig gleich sind, ergibt sich im zeitlichen Mittel eine symmetrische Netzbelastung.

Erfindungsgemäß lässt sich mittels des Maximalwerts der Zündwinkelverstellung die Amplitudenverteilung der Oberwellen beeinflussen, entsprechend kommt es zu der gewünschten positiven Oberwellenunterdrückung (genauer: Oberwellenverteilung in andere Frequenzbereiche), wobei allerdings, im Hinblick auf die eingangs geschilderte Problematik der Motorlaufruhe, insbesondere der maximale Überlagerungshub als Designparameter für jede Anwendung gezielt optimiert werden.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nicht auf die Verwendung von sinusförmigen Überlagerungsfunktionen beschränkt; so zeigen sich etwa bei der Verwendung von Dreiecksfunktionen (welche im Hinblick auf eine rechnerische Erzeugung und mithin preiswerte Realisierung durch einfache Mikrocontroller vorteilhaft sind) vergleichbare Messwerte.

Während das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel eine konstante Frequenz der Überlagerungsfunktion (hier: f = 3,3 Hz) vorsah, ist es gemäß einer alternativen Realisierung der Erfindung, für welche auch unabhängig Schutz beansprucht wird, möglich, selbst wiederum diese Frequenz geeignet zu modulieren, etwa zwischen 3 und 40 Hz (alternativ: die Amplitude der Überlagerungsfunktion modulieren). Diese Modulation kann dann entweder zufällig (randumisiert), periodisch oder aber abhängig von einem jeweiligen voreingestellten Zündwinkelwert erfolgen, da sich erfindungsgemäß herausgestellt hat, dass für die Frage des Motorgleichlaufes bei einem jeweils voreingestellten Zündwinkel auch die jeweilige Frequenz der den Zündwinkel variierenden Überlagerungsfunktion sowie deren Hub von Bedeutung ist. In den z.B. in Form einer Steuertabelle verschiedenen voreingestellten Zündwinkeln geeignete (jeweiligen Motorcharakteristika entsprechende) Frequenzen der jeweils zu überlagernden Überlagerungsfunktion zugeordnet und dann geeignet digital ausgelesen bzw. verarbeitet werden, lässt sich so über den gesamten angesteuerten Winkelbereich der Phasenanschnittsteuerung eine Optimierung des Motorlaufs – nicht nur im Hinblick auf die Oberwellenunterdrückung, sondern auch betreffend die Laufruhe – erreichen.

Während es zudem besonders bevorzugt ist, die vorliegende Erfindung zur Ansteuerung von Staubsauger-, Küchengeräte- oder Gebläsemotoren als typische Realisierungsformen von Universalmotoren im fraglichen Leistungsbereich einzusetzen, ist die Erfindung nicht auf derartige Anwendungen beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für beliebige Universalmotoren, bei welchen durch eine einfache und flexible Ansteuerung eine Verminderung von Oberwellen mit günstigen Laufeigenschaften kombiniert werden soll.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Universalmotors mit Mitteln (10) zur Änderung des Phasenanschnitts des dem Universalmotor zugeführten Wechselspannungssignals durch Erzeugen eines Zündwinkels für eine dem Universalmotor vorgeschaltete Steuerelektronik (12), wobei den Mitteln zur Änderung des Phasenanschnitts erste Einstellmittel (10) zum Vorgeben eines in aufeinanderfolgenden Wellen des Wechselspannungssignals vorgewählten Zündwinkelwerts sowie zweite Einstellmittel (18, 20) zum Variieren des vorgewählten Zündwinkelwerts zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Einstellmittel so eingerichtet sind, dass eine Variation des Zündwinkels zwischen allen unmittelbar aufeinanderfolgenden Halbwellen des Wechselspannungssignals gemäß einer periodischen Überlagerungsfunktion erfolgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der Überlagerungsfunktion nicht-harmonisch zur Netzfrequenz des Spannungsversorgungsnetzes eingerichtet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Netzfrequenz im Bereich zwischen 50 und 60 Hz die Frequenz der Überlagerungsfunktion im Bereich zwischen 30 und 59 Hz, insbesondere zwischen 40 und 45 Hz, liegt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungsfunktion eine zumindest abschnittsweise stetige periodische Funktion ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungsfunktion eine sinusförmige, sägezahnförmige oder dreieckförmige Funktion oder eine Überlagerung von diesen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungsfunktion bezogen auf den vorgewählten Zündwinkelwert nach oben und unten, bevorzugt um denselben winkelmäßigen Überlagerungshub, variiert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungshub auf einen maximalen Wert im Bereich zwischen 10 und 90 Grad, insbesondere zwischen 10 und 30 Grad, eingerichtet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Mittel zur Variation und/oder Modulation einer Frequenz und/oder Amplitude der Überlagerungsfunktion.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Variation und/oder Modulation so eingerichtet sind, dass die Variation und/oder Modulation der Frequenz der Überlagerungsfunktion in Abhängigkeit von einem aktuellen vorgewählten Zündwinkelwert erfolgt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Variation und/oder Modulation so eingerichtet sind, dass die Variation und/oder Modulation der Frequenz der Überlagerungsfunktion randumisiert erfolgt.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Änderung des Phasenanschnitts, eingeschlossen die ersten und die zweiten Einstellmittel, durch eine Mikrocontrollereinheit, insbesondere Einchip-Microcontroller realisiert sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ansteuerung von Staubsauger-, Küchengeräte- oder Gebläsemotoren als Universalmotoren ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung zur Ansteuerung eines an ein Spannungsversorgungsnetz angeschlossenen Universalmotors mit Mitteln (10) zur Änderung des Phasenanschnitts des dem Universalmotor zugeführten Wechselspannungssignals durch Erzeugen eines Zündwinkels für eine dem Universalmotor vorgeschaltete Steuerelektronik (12), wobei den Mitteln zur Änderung des Phasenanschnitts erste Einstellmittel (10) zum Vorgeben eines in aufeinanderfolgenden Wellen des Wechselspannungssignals vorgewählten Zündwinkelwerts sowie zweite Einstellmittel (18, 20) zum Variieren des vorgewählten Zündwinkelwerts zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Einstellmittel so eingerichtet sind, dass eine Variation des Zündwinkels gemäß einer Überlagerungsfunktion erfolgt, deren Frequenz selbstveränderlich, insbesondere periodisch moduliert, eingerichtet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Einstellmittel so eingerichtet sind, dass die Modulation der Frequenz der Überlagerungsfunktion in Abhängigkeit von einem aktuellen vorgewählten Zündwinkelwert erfolgt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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