EP0506702A1 - Synchronmaschine - Google Patents

Synchronmaschine

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Publication number
EP0506702A1
EP0506702A1 EP91900237A EP91900237A EP0506702A1 EP 0506702 A1 EP0506702 A1 EP 0506702A1 EP 91900237 A EP91900237 A EP 91900237A EP 91900237 A EP91900237 A EP 91900237A EP 0506702 A1 EP0506702 A1 EP 0506702A1
Authority
EP
European Patent Office
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synchronous machine
pole
field
magnetic
longitudinal
Prior art date
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Ceased
Application number
EP91900237A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Waldmann
Herbert Auinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP0506702A1 publication Critical patent/EP0506702A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/26—Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles
    • H02K3/20—Windings for salient poles for auxiliary purposes, e.g. damping or commutating

Definitions

  • the invention relates to a synchronous machine with a leg roller.
  • a method and an arrangement for reducing at least one frequency component of a periodic pulsation is known from EP-A1-0 268 160.
  • the pulsations of an electrical variable at the output of the synchronous generator are controlled at a frequency which deviates from the synchronous generator's own frequency.
  • the regulation is carried out on the section formed by the diesel engine, generator and network by intervening in the excitation of the generator (ie by regulating the magnetic longitudinal field) or by influencing the operating conditions of the diesel engine (quantity and time of the injected fuel are controlled) or by a Impedance arranged at the output of the generator (adjustable additional load).
  • the object of the present invention is to provide a synchronous machine of the type mentioned in the introduction, in which the effects of mechanical oscillations of the salient pole rotor, which can be attributed to both the drive-side and load-side influences, are compensated for in a simple manner.
  • the object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1.
  • Advantageous embodiments of the synchronous machine according to the invention are described in the subclaims.
  • control coils are provided according to the invention which generate a controllable magnetic transverse field.
  • the control coils are arranged on the stub pole rotor in such a way that the magnetic transverse field generated by the control coils is superimposed on the longitudinal magnetic field in the air gap. This gives an additional intervention parameter for regulating the fluctuations caused by mechanical oscillations of the salient pole rotor on the electrical side.
  • the transverse magnetic field generated by the control coils is superimposed on the longitudinal magnetic field.
  • a preferred embodiment is therefore a synchronous machine according to claim 2.
  • a synchronous machine In such a synchronous machine, both a high pole coverage for the longitudinal magnetic field and a sufficiently high amplitude for the transverse magnetic field are guaranteed.
  • the magnetic transverse field Due to the arrangement of the control coils according to claim 2, the magnetic transverse field essentially penetrates only the pole shoes, that is to say only the upper pole region adjoining the air gap.
  • the pole core and the yoke on the other hand, only carry the longitudinal magnetic flux linked to the excitation coils.
  • Such an arrangement is therefore predestined for relatively rapid changes in the magnetic transverse field and thus for fast adjustments of disturbing oscillations of the thigh pole rotor.
  • damper frames do not act on the magnetic transverse field. Accordingly, they also do not influence the regulation of the mechanical oscillations of the stub pole rotor which takes place via the magnetic transverse field.
  • a damper cage could be due to its Effect on the magnetic transverse field in the synchronous machine according to the invention can only be used if the required control times for the magnetic transverse field are at least a power of ten greater than the relevant subtransient time constants of the damper cage.
  • FIG 1 in a developed representation a leg pole runner of the synchronous machine according to the invention in section
  • FIG 2 shows a section through the leg pole runner along the
  • FIG. 3 shows the longitudinal magnetic field and the transverse magnetic field in an idealized representation
  • FIG. 4 shows a flow diagram of the invention
  • Synchronous machine 5 shows a pole piece of the thigh pole rotor according to FIG 2 with damper frame and without coils (section II-II as in
  • FIG. 1 denotes a salient pole runner of a synchronous machine, which has poles 2 which consist of a pole shaft 3 and a pole shoe 4 placed thereon.
  • Each pole piece 4 has a groove 5 in its center, which extends in the longitudinal axis of the salient pole runner 1.
  • recesses 6 are also provided, each extending parallel to the groove 5.
  • Each pole shaft 3 of the stub pole rotor 1 is enclosed by an excitation coil 7 (FIG. 2).
  • the excitation coils 7 lie here with their long sides in the two recesses 6 of a pole shaft 3.
  • the salient pole rotor 1 has control coils 8 according to the invention. Two longitudinal sides of the adjacent control coils 8 lie together in the groove 5 of the pole shoes 4.
  • a control coil 8 surrounds the adjacent pole shoe halves of two poles 2 (FIG. 2).
  • the control coils 8 are e.g. with a locking wedge in the grooves 5 and / or bandages and by means of support rings or caps in the end region of the magnet wheel.
  • FIG 1 the current direction, which points into the paper plane, is marked with a cross.
  • the current direction pointing out of the paper plane is marked with a dot. 2 shows the direction of the current I with arrows.
  • the excitation coils 7 generate the longitudinal magnetic field B 0 (solid arrows)
  • the control coils 8 generate the magnetic transverse field denoted by ___ ⁇ B (dashed lines) Arrows).
  • the longitudinal field B 0 generated by the excitation coils 7 has a rectangular shape.
  • the transverse magnetic field A B generated by the control coils 8 corresponds to a transverse fundamental wave amplitude of
  • B ___, B -z- (1 - sine.). Due to the longitudinal field B n stored transverse field ____ B, the magnetic flux density in one pole half around ____. B decreased (in each case the left pole shoe half in FIG. 1) and in the other increased by ⁇ B (in each case the right pole shoe half).
  • z. B. at load surges should only be provided in the damper cage if the required control time for the transverse field ⁇ . B at least a power of ten is greater than the relevant subtransient time constants of the compensation processes in the synchronous machine. In conventional machine design, these subtransient time constants are in the order of 10 to 50 msec.
  • At least one damper frame 9 can advantageously be provided on each pole piece 4 for damping compensation processes in the synchronous motor according to the invention.
  • Such a damper frame 9 only acts on the longitudinal magnetic field B Q and thus does not influence the control behavior for the transverse magnetic field __- B. 5, the damper frames 9 are arranged symmetrically to the grooves 5.
  • the damper frames 9 are expediently attached to the pole shoes 4 before the control coils 8 are inserted.
  • the design of the invention can be modified in many ways compared to the drawing.
  • each in a slot 5 in the center of the pole for example, there can also be a plurality of slots for receiving a correspondingly spatially distributed control winding.
  • the spatial installation of the damper frame 9 is expediently carried out on the end faces of the poles in such a way that they are completed even in the unwound state and enable the windings 7 and 8 to be introduced subsequently.
  • the cross-field control according to the invention can also be used advantageously for other control-related tasks, such as, for example, in the case of network-side active load oscillations or in wind power plants.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Description

Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit einem Schenkelpolläufer.
Ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduzierung mindestens eines Frequenzanteils einer periodischen Pulsation ist durch die EP-A1-0 268 160 bekannt. In diesem Fall werden bei einem von einer Antriebsmaschine angetriebenen Synchrongenerator, insbesondere einem dieselmotorgetriebenen Synchron-Großgenε- rator, die Pulsationen einer elektrischen Größe am Ausgang des Synchrongenerators mit einer Frequenz ausgeregelt, die von der synchrongeneratoreigenen Frequenz abweicht. Die Regelung erfolgt an der durch Dieselmotor, Generator und Netz gebildeten Strecke durch Eingriff in die Erregung des Generators (d.h. durch Regelung des magnetischen Längsfeldes) oder durch Beein- flussung der Betriebsverhältnisse des Dieselmotors (Menge und Zeitpunkt des eingespritzten Kraftstoffes werden gesteuert) oder durch eine am Ausgang des Generators angeordnete Impedanz (einstellbare Zusatzlast). Diese Regelungen sind aufwendig, da unter Umständen eine einzelne der beschriebenen Maßnahmen allein nicht ausreichend ist, um eine weitgehend vollständige Kompensation der periodischen Pulsation zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Synchron¬ maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Auswirkungen mechanischer Pendelungen des Schenkelpol¬ läufers, die sowohl auf antriebsseitige als auch auf last- seitige Einflüsse zurückzuführen sind, auf einfache Weise kompensiert werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 ange¬ gebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei der Synchronmaschine gemäß Anspruch l.sind neben den bekannten Erregerspulen, die in üblicher Weise ein regel¬ bares magnetisches Längsfeld erzeugen, erfindungsgemäß Steuer¬ spulen vorgesehen, die ein regelbares magnetisches Querfeld erzeugen. Die Steuerspulen sind derart am Schenkelpolläufer angeordnet, daß im Luftspalt das von den Steuerspulen erzeugte magnetische Querfeld dem magnetischen Längsfeld überlagert ist. Man erhält damit einen zusätzlichen Eingriffsparameter zur Aus¬ regelung der durch mechanische Pendelungen des Schenkelpol - läufers auf der elektrischen Seite hervorgerufenen Schwankungen.
Durch die gleichzeitig mit den Pendelungen erfolgende Rege¬ lung des magnetischen Querfeldes gemäß Anspruch 6 läßt sich ein gleichförmig umlaufender, aus magnetischem Längs- und magneti- schem Querfeld resultierender Grundwellenfluß erzielen. Man erhält damit vergleichbare Betriebsverhältnisse wie bei einem gleichförmig rotierenden Schenkelpolläufer, d.h. ohne Pende¬ lungen.
Insbesondere für langsam laufende Synchrongeneratoren großer Leistung, die z.B. von Dieselmotoren mit einem ungleichförmigen Drehmoment angetrieben werden, ist die erfindungsgemäße Anord¬ nung solcher Steuerspulen vorteilhaft. Generatoren dieser Art mußten bisher so dimensioniert werden, daß sie ein entspre- chend hohes Massenträgheitsmoment aufweisen, was hinsichtlich der Kosten und des Gewichts- und Raumbedarfes ungünstig ist.
Das von den Steuerspulen erzeugte magnetische Querfeld ist dem magnetischen Längsfeld überlagert. Um dies zu erreichen, könnte man z.B. Steuerspulen vorsehen, die auf nach Art von Wendepolen ausgebildeten "Zusatzpolen" angeordnet sind. Abge¬ sehen von den konstruktiven Problemen und dem Fertigungsauf¬ wand für solche "Zusatzpole" würde jedoch mit einer derartigen Anordnung der Steuerspulen die Polbedeckung für das magnetische Längsfeld und damit die Maschinenausnutzung (Leistung bei gegebenem Maschinenvolumen) relativ stark verringert. Außerdem lassen sich durch die vorgenannte Anordnung nicht ohne weiteres hinreichend hohe Amplituden für das magnetische Querfeld erzielen.
Eine bevorzugte Ausführungsform stellt deshalb eine Synchron¬ maschine nach Anspruch 2 dar. Bei einer derartigen Synchron¬ maschine ist sowohl eine hohe Polbedeckung für das magnetische Längsfeld als auch eine hinreichend hohe Amplitude für das magnetische Querfeld gewährleistet. Durch die Anordnung der Steuerspulen gemäß Anspruch 2 durchsetzt das magnetische Quer¬ feld im wesentlichen nur die Polschuhe, also nur den oberen, an den Luftspalt angrenzenden Polbereich. Der Polkern und das Joch führen hingegen nur den mit den Erregerspulen verketteten magnetischen Längsfluß. Eine solche Anordnung ist daher für relativ rasche Änderungen des magnetischen Querfeldes und damit für schnelle Ausregelungen störender Pendelungen des Schenkel¬ polläufers prädestiniert.
Bei einer Synchronmaschine gemäß Anspruch 4 wird im Hinblick auf dynamische Zustandsänderungen, wie sie z.B. bei Be- und Entlastung auftreten können, wenigstens ein Dämpferrahmen je Pol angeordnet. Eine Synchronmaschine mit einer bevorzugten Anordnung der Dämpferrahmen ist in Anspruch 5 beschrieben.
Diese Dämpferrahmen wirken im Gegensatz zu einem üblichen Dämpferkäfig nicht auf das magnetische Querfeld. Sie beein¬ flussen demzufolge auch nicht die über das magnetische Querfeld erfolgende Ausregelung der mechanischen Pendelungen des Schenkelpolläufers. Ein Dämpferkäfig könnte aufgrund seiner Wirkung auf das magnetische Querfeld bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine nur dann eingesetzt werden, wenn die erforderlichen Regelzeiten für das magnetische Querfeld mindestens eine Zehnerpotenz größer sind als die maßgeblichen subtransienten Zeitkonstanten des Dämpferkäfigs.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 in abgewickelter Darstellung einen Schenkelpolläufer der erfindungsgemäßen Synchronmaschine im Schnitt, FIG 2 einen Schnitt durch den Schenkelpolläufer entlang der
Linie II-II in FIG 1, FIG 3 das magnetische Längsfeld und das magnetische Querfeld in idealisierter Darstellung, FIG 4 ein Durch flutungsdiagramm der erfindungsgemäßen
Synchronmaschine, FIG 5 einen Polschuh des Schenkelpolläufers nach FIG 2 mit Dämpferrahmen und ohne Spulen (Schnitt II-II wie in
FIG 2).
In FIG 1 ist mit 1 ein Schenkelpolläufer einer Synchronmaschine bezeichnet, der Pole 2 aufweist, die aus einem Polschaft 3 und einem darauf aufgesetzten Polschuh 4 bestehen. Jeder Polschuh 4 weist in seiner Mitte eine Nut 5 auf, die sich in Längsachse des Schenkelpolläufers 1 erstreckt. An beiden Längsseiten eines jeden Polschaftes 3 sind außerdem Aussparungen 6 vorgesehen, die sich jeweils parallel zur Nut 5 erstrecken. Jeder Polschaft 3 des Schenkelpolläufers 1 ist von einer Erregerspule 7 um¬ schlossen (FIG 2). Die Erregerspulen 7 liegen hierbei mit ihren Längsseiten in den beiden Aussparungen 6 eines Polschaftes 3. Neben diesen üblichen Erregerspulen 7 weist der Schenkelpol - läufer 1 erfindungsgemäß Steuerspulen 8 auf. Jeweils zwei Längsseiten der benachbarten Steuerspulen 8 liegen zusammen in der Nut 5 der Polschuhe 4. Eine Steuerspule 8 umschließt dabei jeweils die benachbarten Polschuhhälften von zwei Polen 2 (FIG 2).
Die Steuerspulen 8 sind z.B. mit einem Verschlußkeil in den Nuten 5 und/oder Bandagen sowie mittels Stützringen oder -kappen im Stirnbereich des Polrades, befestigt.
In FIG 1 ist die Stromrichtung, die in die Papierebene zeigt, mit einem Kreuz gekennzeichnet. Die aus der Papierebene heraus¬ zeigende Stromrichtung ist mit einem Punkt gekennzeichnet. In FIG 2 ist die Richtung des Stromes I mit Pfeilen eingezeichnet. Mit den in FIG 1 und 2 angegebenen Stromrichtungen erhält man die in FIG 1 dargestellten magnetischen Flußverläufe des Schenkelpolläufers 1. Die Erregerspulen 7 erzeugen hierbei das magnetische Längsfeld B0 (ausgezogene Pfeile), die Steuerspulen 8 erzeugen das mit ___χ B bezeichnete magnetische Querfeld (gestrichelte Pfeile).
Für die folgende qualitative Betrachtung wird der Einfachheit halber angenommen, daß das von den Erregerspulen 7 erzeugte Längsfeld B0 einen rechteckförmigen Verlauf aufweist. Diesem Längs feld Bn entspricht die in FIG 3 strichpunktiert eingetra- gene Längsfeld-Grundwellenamplitude B 1ij = BQ -—- coso , wobei mit o. der elektrische Winkel der Polkante bezeichnet ist (Winkel¬ abstand von der Pollückenmitte zur Kante des Polschuhes 4).
Dem von den Steuerspulen 8 erzeugte magnetischen Querfeld A B entspricht eine Querfeld-Grundwellenamplitude von
B = ___, B -z- (1 - sine.). Durch das dem Längsfeld Bn über- lagerte Querfeld ____ B wird die magnetische Flußdichte in der einen Polhälfte um ____. B vermindert (jeweils die linke Pol¬ schuhhälfte in FIG 1) und in der anderen um Δ B erhöht (jeweils die rechte Polschuhhälfte).
Bei einem in der Praxis üblichen Polbedeckungsfaktor von etwa 0,7 (der entsprechende elektrische Polkantenwinkel ©_ beträgt dann ca. 27* ) erhält man für den interessierenden Quotienten
,
Die für einen Flußdichtehub ____ B/BQ -*-_• + 0,17 notwendige Quer- durchflutung Θ 2 der Steuerspule 8 beträgt bei ungesättigter Synchronmaschine somit ungefähr 17 % der Durchflutungsdiff e- renz ΘJ., die der Vektorsumme aus der Längsdurchf lutung Θ, und der Ankerrückwirkung Θ ft entspricht (FIG 4). Bei gesättig- tem Magnetkreis geht die Flußdichte auf der einen Polschuh¬ hälfte stärker zurück als sie gleichzeitig auf der anderen Polschuhhälfte zunimmt. Für den vorstehend beschriebenen resultierenden Querfeldanteil von 10 % wird man dann mit einer
8 für das Querfeld relativ klein - siehe FIG 4. Der Hauptanteil der Längsdurchflutung Θ, ist zur Kompensation der von der strom- durchflossenen Ständerwicklung hervorgerufenen Ankerrückwirkung Θ - erforderlich. Wie die FIG 1 ze igt , durchsetz t das von den Steuerspulen 8 erzeugte Quer feld ____ B läuferse itig im wesentl ichen nur die Polschuhe 4. Die Polschäfte 3 führen hingegen nur das mit den Erregerspulen 7 verkettete Längs feld BQ . Eine solche Anordnung ist daher für relat iv rasche Quer feldänderungen prädestiniert.
Im Hinblick au f die elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge bei dynami schen Zustandsänderungen , z. B . bei Laststößen sollte nur dann e in Dämpferkäfig vorgesehen werden , wenn die er forderliche Regelz eit für das Querfeld Δ. B wenigstens e ine Zehnerpotenz größer ist als die maßgeblichen subtransienten Zeitkonstanten der Ausgleichsvorgänge in der Synchronmaschine. Bei üblicher Maschinenbemessung l iegen diese subtransienten Zeitkonstanten in der Größenordnung von 10 bis 50 msec .
Liegt die geforderte Regelzeit jedoch in der gleichen Größen¬ ordnung (wie die subtransiente Zeitkonstante), dann kann zur Dämpfung von Ausgleichsvorgängen bei dem erfindungsgemäßen Synchronmotor in vorteilhafter Weise wenigstens ein Dämpfer- rahmen 9 an jedem Polschuh 4 vorgesehen werden. Ein solcher Dämpferrahmen 9 wirkt nur auf das magnetische Längsfeld BQ und beeinflußt damit nicht das Regelverhalten für das magnetische Querfeld __-B. Gemäß FIG 5 sind die Dämpferrahmen 9 symmetrisch zu den Nuten 5 angeordnet. Die Dämpferrahmen 9 werden zweck- mäßigerweise vor dem Einlegen der Steuerspulen 8 an den Pol¬ schuhen 4 angebracht.
Die konstruktive Ausgestaltung der Erfindung kann gegenüber der Zeichnung mannigfaltig abgewandelt werden. Statt jeweils in einer Nut 5 in der Polmitte können z.B. auch mehrere Nuten zur Aufnahme einer entsprechend räumlich verteilten Steuerwicklung vorhanden sein. Die räumliche Verlegung von Dämpferrahmen 9 erfolgt zweckmäßigerweise an den Stirnseiten der Pole derart, daß sie bereits im unbewickelten Zustand komplettiert werden und ein nachträgliches Einbringen der Wicklungen 7 und 8 ermöglichen. Neben einer von den mechanischen Pendelungen abhängigen Rege¬ lung nach Anspruch 6 läßt sich die erfindungsgemäße Querfeld¬ steuerung auch für andere regelungstechnische Aufgaben vorteil¬ haft einsetzen, wie z.B. bei netzseitigen Wirklastpendelungen oder bei Windkraftanlagen.

Claims

Patentansprüche
1. Synchronmaschine mit einem Schenkelpolläufer (1), der Erregerspulen (7) zur Erzeugung eines regelbaren magnetischen Längsfeldes (Bη) sowie Steuerspulen (8) zur Erzeugung eines regelbaren magnetischen Querfeldes ( __ B). aufweist, welches im Luftspalt dem magnetischen Längsfeld (Bg) über der einen Polschuhhälfte gleichsinnig und über der anderen Polschuh¬ hälfte gegensinnig überlagert ist.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, bei der jeweils wenig¬ stens zwei Steuerspulen (8) mit ihren Längsseiten in Nuten (5) von benachbarten Polschuhen (4) liegen und mit ihren Stirn¬ seiten an jeweils zwei Polschuhhälften benachbarter Polschuhe (4) entlanggeführt sind.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 2, bei der die Nuten (5) mittig in den Polschuhen (4) angeordnet sind.
4. Synchronmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei der je Polschuh (4) wenigstens ein nur auf das magnetische Längsfeld (BQ) wirkender Dämpferrahmen (9) angeordnet ist.
5. Synchronmaschine nach Anspruch 4, wobei die Dämpferrahmen (9) symmetrisch zu den die Steuerspulen (8) aufnehmenden Nuten (5) angeordnet sind.
6. Synchronmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bsi 5, bei der das magnetische Querfeld (Δ B) zur Erzielung eines gleichförmig umlaufenden, aus magnetischem Längs- und magnetischem Querfeld (BQ, _____ B) resultierenden Grundwellen¬ flusses in Abhängigkeit von den mechanischen Pendelungen des Schenkelpolläufers (1) geregelt ist.
EP91900237A 1989-12-22 1990-11-20 Synchronmaschine Ceased EP0506702A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP89123789 1989-12-22
EP89123789 1989-12-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0506702A1 true EP0506702A1 (de) 1992-10-07

Family

ID=8202271

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP91900237A Ceased EP0506702A1 (de) 1989-12-22 1990-11-20 Synchronmaschine

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