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Die Erfindung betrifft eine Primärspuleneinheit, geeignet zur elektromagnetischen Kopplung mit einer Sekundärspuleneinheit, wobei die Primärspuleneinheit eine Primärspule und einen Primärferrit umfasst und ein Verfahren zum Versorgen einer elektrischen Komponente mit elektrischer Leistung durch ein induktives Ladesystem mit einer Primärspuleneinheit und einer Sekundärspuleneinheit.
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Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie, in der elektrische Energie zum Betrieb einer Elektromaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
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Ein Ansatz zum automatischen, kabellosen, induktiven Laden der Batterie des Fahrzeugs besteht darin, dass vom Boden zum Unterboden des Fahrzeugs über magnetische Induktion über die Unterbodenfreiheit elektrische Energie zu der Batterie übertragen wird. Hierzu umfasst das Fahrzeug eine Sekundärladeeinheit, die mit einer fahrzeugexternen Primärladeeinheit über eine magnetische Kopplung zusammenwirkt.
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Für ein effizientes induktives Laden ist es erforderlich, dass Verluste in den Spulen der Primärladeeinheit und in der Sekundäradeeinheit möglichst gering gehalten werden und die Lage der beiden Ladeeinheiten beim Laden in x-Richtung und y-Richtung des Fahrzeugs (in den dem Fachmann bekannten Achskoordinaten eines Fahrzeugs) möglichst deckungsgleich ist.
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Nach dem Stand der Technik, siehe z.B. die Schrift
US2010117596A , werden deshalb Feinpositionierungssysteme des Fahrzeugs auf zu einem Parkplatz, der eine Primärspuleneinheit umfasst, vorgeschlagen, um eine optimale magnetische Kopplung zu erreichen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Primärspuleneinheit, geeignet zur elektromagnetischen Kopplung mit einer Sekundärspuleneinheit, wobei die Primärspuleneinheit eine Primärspule und einen Primärferrit umfasst, bereitzustellen sowie ein verbessertes Verfahren zum Versorgen einer elektrischen Komponente mit elektrischer Leistung, bei dem ein induktives Ladesystem mit einer Primärspuleneinheit und einer Sekundärspuleneinheit verwendet wird, anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Primärspuleneinheit, geeignet zur elektromagnetischen Kopplung mit einer Sekundärspuleneinheit, wobei die Primärspuleneinheit eine Primärspule und einen Primärferrit umfasst, gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist die Primärspule relativ zu dem Primärferrit beweglich gelagert.
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Dies bedeutet, dass die Primärspuleneinheit, die die Primärspule und den Primärferrit umfasst, so ausgestaltet ist, dass die Primärspule nicht starr mit dem Primärferrit verbunden ist, sondern gegenüber diesem verschiebbar gelagert ist.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung, ist die Primärspule hierfür bevorzugt als eine Zirkularspule ausgeführt, wobei der Primärferrit eine flache Grundform mit einer ersten Seite und mit einer zweiten Seite aufweist, und der Primärferrit dazu eingerichtet ist, die Primärspule unter deren Eigengewicht auf der ersten Seite der flachen Grundform aufliegend aufzunehmen. Auch andere Spulentypen, die stabil auf dem Primärferrit aufliegen können, sind anwendbar.
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Die verschiebbare Lagerung der Primärspule relativ zum Primärferrit kann also dadurch sichergestellt sein, dass der Primärferrit eine flache Grundform, z.B. in Form einer ovalen, rechteckigen oder runden plattenartigen Bauausführung, aufweist. Da eine flache Bauausführung zwangsläufig im Wesentlichen zwei Seiten hat, werden hier die erste und die zweite Seite referenziert. Auf einer der beiden Seiten, hier als erste Seite bezeichnet, kommt die Primärspule beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Primärspule vorzugsweise unter ihrem Eigengewicht auf der ersten Seite des Primärferrit zum Liegen und ist in der Ebene, in der sich die flache Grundform des Primärferrit ausdehnt, relativ zum Primärferrit beweglich. Mit anderen Worten übt also beim bestimmungsgemäßen Einsatz die Primärspule die eigene massebezogene Gewichtskraft im Wesentlichen auf die erste Seite der Primärferritplatte aus.
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Die relative Beweglichkeit der Primärspule bezieht sich auf die Ebene der Primärferritplatte, d.h. falls sich die Primärspule bewegt, findet die Bewegung planparallel in Richtung der Ausdehnung der Primärferritplatte und relativ zur Primärferritplatte statt.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung umfasst die Primärspuleneinheit zumindest ein Ferritelement, wobei das zumindest eine Ferritelement relativ zu dem Primärferrit beweglich gelagert ist.
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Mit anderen Worten umfasst die Primärspuleneinheit neben dem Primärferrit auch zumindest ein weiteres Ferritelement, das relativ zu dem Primärferrit beweglich gelagert ist. Es sind also sowohl die Primärspule als auch das zumindest eine weitere Ferritelement relativ zu dem Primärferrit beweglich gelagert.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Ferritelement relativ zu dem Primärferrit klappbar gelagert, wobei das Ferritelement in die durch die flache Grundform des Primärferrit gebildete Ebene ein- und ausklappbar gelagert ist.
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Während die Primärspule in der Ebene des Primärferrit beweglich verschiebbar gelagert ist, kann das zumindest eine Ferritelement relativ zu der flachen Grundform des Primärferrit geklappt werden. Das Ferritelement wird also, wenn es geklappt wird, entweder aus der flachen plattenartigen Ebene des Primärferrit herausgeklappt oder in diese hineingeklappt. Auf diese Art und Weise ist die magnetisch aktive Fläche innerhalb der Primärspuleneinheit, die jedenfalls die magnetisch aktive Fläche des Primärferrit umfasst, an der Stelle des Ferritelements verkleinert bzw. vergrößert. In Abhängigkeit von der Betriebssituation der Primärspuleneinheit kann an der Stelle des Ferritelements entweder eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung der magnetisch aktiven Fläche der Primärspuleneinheit gewünscht sein. Durch entsprechendes Einklappen bzw. Ausklappen des Ferritelements ist die Vergrößerung bzw. Verkleinerung erreichbar.
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Eine weitere Variante der Erfindung beruht darauf, dass zumindest ein Ferritelement ein magnetisch nichtleitendes Abschirmelement aufweist, und das magnetisch nichtleitende Abschirmelement bei eingeklapptem Ferritelement die zweite Seite der flachen Grundform des Primärferrit fortsetzt.
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Bei der zweiten Seite der flachen Grundform des Primärferrit handelt es sich, wie oben geschildert, um jene Seite des Primärferrit, die der ersten Seite des Primärferrit, auf welcher die Primärspule bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Primärspuleneinheit aufliegt, gegenüberliegt. Bei in die Ebene des Primärferrit eingeklappten Ferritelementen befinden sich die Abschirmelemente also in der Ebene des Primärferrit, jedoch auf der von der Primärspule abgewandten Seite des Primärferrit. Bei aus der Ebene des Primärferrit herausgeklappten Ferritelementen befinden sich die Abschirmelemente näherungsweise senkrecht zur Ebene des Primärferrit. Dies bedeutet, dass bei ausgeklapptem Ferritelement nicht nur die magnetisch aktive Fläche des Primärferrit an dieser Stelle des betreffenden Ferritelements verkleinert wird, sondern zusätzlich, dass das magnetisch nicht leitende Abschirmelement die Ausbreitung magnetischer Streufelder unterdrückt. Diese Elemente tragen also nicht nur bei eingeklappter Position dazu bei, dass das magnetische Flussverhalten im Primärferrit optimiert wird, sondern auch bei ausgeklappter Position dazu, dass schädliche Streufelder abgeschirmt werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung umfasst die Primärspuleneinheit eine Vielzahl von Ferritelementen. Diese Vielzahl von Ferritelementen ist relativ zum Primärferrit derart angeordnet, dass der Primärferrit entlang der flachen Grundform vollständig von Ferritelementen umgeben ist.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in der flachen Grundebene des Primärferrit der Primärferrit von ein- und ausklappbaren Ferritelementen umgeben ist. In jeder Richtung in der Ebene des Primärferrit kann also wahlweise die magnetisch leitende Fläche der Primärladeeinheit erhöht werden (durch eingeklappte Elemente) oder verkleinert werden (durch ausgeklappte Elemente).
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Eine weitere Variante der Erfindung zielt darauf ab, dass die Vielzahl von Ferritelementen aus Gruppen und Untergruppen von Ferritelementen besteht, wobei die Primärspuleneinheit für jeweils eine Untergruppe von Ferritelementen eine Aufhängung der die Untergruppen bildenden Ferritelemente umfasst und eine Gruppe von Ferritelementen mehreren Untergruppen von Ferritelementen aufweist, wobei die Primärspuleneinheit für jeweils eine Gruppe von Ferritelementen ein Ferritelementsteuereinheit umfasst, mit welcher jeweils die Aufhängungen der die Gruppe bildenden Untergruppen Ferritelementen steuerbar sind, um die Ferritelemente einer Untergruppe ein- oder auszuklappen.
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Mit anderen Worten muss nicht jedes einzelne Ferritelement einzeln steuerbar, d.h. ein- und ausklappbar, sein, sondern es können mehrere Ferritelemente zu Gruppen und Untergruppen zusammengefasst sein, die gemeinsam klappbar sind. Eine Untergruppe von Ferritelementen verfügt über die gleiche Aufhängung, d.h. es kann die gesamte Untergruppe ein- oder ausgeklappt werden. Die Steuereinheit kann mehrere solcher Untergruppen steuern, d.h. unabhängig voneinander deren Ferritelemente ein- oder ausklappen, wobei diese mehreren Untergruppen eine Gruppe bilden oder die gesamte Gruppe von Ferritelementen ein- oder ausklappen.
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Wesentlich ist, dass die magnetisch wirksame Fläche der Primärspuleneinheit durch Klappen der Ferritelemente veränderbar ist, wobei die maximale magnetisch wirksame Fläche durch die Fläche des Primärferrit und die von allen Ferritelementen gebildete Fläche, wenn diese eingeklappt sind, gegeben ist und die minimal wirksame Fläche durch die Fläche des Primärferrit alleine gegeben ist. Durch Klappen einer Teilmenge von Ferritelementen sind zwischen diesen Extremalflächen liegende Flächengrößen einstellbar.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Ladesystem eine solche Primärspuleneinheit und eine Sekundärspuleneinheit umfasst, wobei die Primärspuleneinheit zur elektromagnetischen Kopplung mit der Sekundärspuleneinheit geeignet ist, so dass eine sekundärseitig anschließbare elektrische Komponente mit elektrischer Leistung versorgbar ist.
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Das Ladesystem hat also neben der erfindungsgemäßen oder der erfindungsgemäß weitergebildeten Primärspuleneinheit eine Sekundärspuleneinheit, um elektrische Leistung durch elektromagnetische Kopplung von der Primärspuleneinheit zur Sekundärspuleneinheit zu übertragen. Bei der Sekundärspuleneinheit kann es sich um eine Sekundärladeeinheit aus dem Stand der Technik handeln.
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Es wird weiterhin ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Versorgen einer elektrischen Komponente mit elektrischer Leistung durch ein induktives Ladesystem mit einer Primärspuleneinheit und einer Sekundärspuleneinheit vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Einstellen einer Grobposition der Sekundärspuleneinheit relativ zur Primärspuleneinheit, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Primärspuleneinheit und der Sekundärspuleneinheit herstellen zu können,
- – Verschiebung einer Primärspule der Primärspuleneinheit relativ zu einem Primärferrit der Primärspuleneinheit entlang einer Vorzugsrichtung von einer Ausgangsposition der Primärspule in eine Ladeposition der Primärspule, um den elektromagnetischen Koppelfaktor der Grobposition der Sekundärspuleneinheit relativ zur Primärspuleneinheit zu erhöhen, wobei die Vorzugsrichtung in der Ebene einer flachen Grundform des Primärferriten liegt, und
- – Vergrößerung der magnetisch wirksamen Fläche der Primärladeeinheit in der Ebene der flachen Grundform des Primärferrit in Richtung der Vorzugsrichtung der Verschiebung der Primärspule, um den magnetischen Fluss durch die Primärspule und die Sekundärspuleneinheit in der Ladeposition weiter zu erhöhen und/oder
- – Verkleinerung der magnetisch wirksamen Fläche des Primärladeeinheit in der Ebene der flachen Grundform des Primärferrit entgegen der Richtung der Vorzugsrichtung der Verschiebung der Primärspule, um magnetische Streufelder durch die Primärspule und die Sekundärspuleneinheit in der Ladeposition zu minimieren.
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Es wird also zunächst, um mit dem Ladesystem elektrische Leistung durch elektromagnetische Kopplung von der Primärspuleneinheit zur Sekundärspuleneinheit zu übertragen, die Sekundärspuleneinheit räumlich grob gegenüber der Primärspuleneinheit positioniert. In einer solchen Grobposition, die meist durch Parken des Fahrzeugs eingestellt wird, ist eine elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Einheiten zwar herstellbar, jedoch ist im Normalfall der Koppelfaktor in der Grobposition nicht optimal. Um diesen zu optimieren, wird in einem weiteren Schritt die Primärspule der Primärspuleneinheit relativ zu dem Primärferrit der Primärspuleneinheit entlang einer Vorzugsrichtung von einer Ausgangsposition der Primärspule in eine Ladeposition der Primärspule verschoben.
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Die Verschiebung kann durch eine von mehreren möglichen Maßnahmen oder durch eine Kombination von mehreren dieser Maßnahmen ermöglicht werden. Denkbar ist eine magnetische Wechselwirkung durch für den Vorgang der Positionierung erzeugte Magnetfelder in Form von primär- uns sekundärseitigen Positionierungsspulen. Auch die Primär- und Sekundärspule selbst können dafür gezielt eingesetzt werden. Bevorzugt werden jedoch Stellmotoren, die über Seilzüge oder Gelenkstangen eine verschiebende Kraft auf die Spule übertragen, eingesetzt. Um eine beliebige Position der Primärspule in der zweidimensionalen Ebene einstellen zu können, ist die Integration von zwei Stellmotoren vorgesehen. Es soll ein Verschiebeweg in der Ebene von +/–10–20 cm in jeder Richtung der Ebene ermöglicht werden.
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Die Regelung der Steuermotoren zur Spulenpositionierung kann über die Einstellung eines lokalen Maximums der Übertragungseffizienz von elektrischer Leistung zwischen Primär- und Sekundärspule erfolgen. In der Ladeposition ist der Koppelfaktor im Vergleich zum Koppelfaktor in der Grobposition verbessert. Die Vorzugsrichtung der Verschiebung liegt in der Ebene der flachen Grundform des Primärferrit. In einem letzten Schritt wird der magnetische Fluss des die elektrische Leistung übertragenden Wechselfeldes zusätzlich optimiert, indem die magnetisch wirksame Fläche des Primärferrit in der Ebene der flachen Grundform des Primärferrit an die Lageposition der Primärspule angepasst wird. Dabei wird die wirksame Fläche im Bereich der Ladeposition vergrößert, d.h. dort, wohin die Verschiebung der Primärspule im vorhergehenden Schritt erfolgte. Zusätzlich kann die magnetisch wirksame Fläche des Primärferrit in der Richtung verkleinert werden, aus der sich die Primärspule im vorhergehenden Schritt wegverschoben hat. Auf diese Weise wird der magnetische Fluss im Primärferrit an Stellen unterdrückt, an denen er zum Zwecke der Leistungsübertragung wirkungslos ist. Mit anderen Worten ist eine magnetisch wirksame Fläche durch Klappen der Ferrite derart einstellbar, dass die Primärspule in der Ladeposition auf einer magnetisch wirksamen Fläche zentriert liegt, d.h. dass die Spule und die durch das Klappen gebildete Fläche einen gemeinsamen geometrischen Mittelpunkt in der Ebene des Primärferrit aufweisen.
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Nach einer Weiterbildung des Verfahrens zum Versorgen einer elektrischen Komponente mit elektrischer Leistung durch das induktive Ladesystem mit der Primärspuleneinheit und der Sekundärspuleneinheit werden die Schritte durchgeführt:
- – Einstellen einer Grobposition der Sekundärspuleneinheit relativ zur Primärspuleneinheit, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Primärspuleneinheit und der Sekundärspuleneinheit herzustellen,
- – Verschiebung der Primärspule relativ zum Primärferrit entlang einer Vorzugsrichtung von einer Ausgangsposition in eine Ladeposition, wobei die Vorzugsrichtung in der Ebene der flachen Grundform des Primärferriten liegt, um den elektromagnetischen Koppelfaktor der Grobposition der Sekundärspuleneinheit relativ zur Primärspuleneinheit zu erhöhen,
- – Abklappen von relativ zum Primärferriten zunächst eingeklappten Ferritelementen durch Ansteuern einer oder mehrerer Ferritelementsteuereinheiten, wobei die Ferritelemente abgeklappt werden, die von der Primärspule in der Ladeposition den größten Abstand aufweisen und/oder Einklappen von relativ zum Primärferriten zunächst ausgeklappten Ferritelementen durch Ansteuern einer oder mehrerer Ferritelementsteuereinheiten, wobei die Ferritelemente eingeklappt werden, die von der Primärspule in der Ladeposition den kleinsten Abstand aufweisen, so dass eine magnetisch aktive Fläche gebildet wird, auf der die Primärspule in der Ladeposition in Blickrichtung senkrecht zur Ebene der flachen Grundform des Primärferrit zentriert liegt.
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Nach diesem Verfahren werden zum Zwecke der Vergrößerung und/oder Verkleinerung der magnetisch wirksamen Fläche des Primärferrit Ferritelement in die Ebene der flachen Grundform des Primärferriten eingeklappt oder ausgeklappt. Für eine optimierte Energie- und Leistungsübertragung werden oder bleiben die Ferritelemente eingeklappt, die im Bereich der Ladeposition, in welche die Primärspule im vorhergehenden Schritt verschoben wurde, in der Ebene des Primärferriten befindlich sind. Die Ferritelemente, die von dieser Ladeposition einen größeren räumlichen Abstand aufweisen, werden oder bleiben ausgeklappt. Durch das zielgerichtete Ein- bzw. Ausklappen von Ferritelementen wird eine magnetische aktive Fläche gebildet, auf der die Primärspule zentriert liegt, d.h. dass die Primärspule in Blickrichtung senkrecht zur Ebene der flachen Grundform des Primärferrit zentriert auf dem Primärferrit liegt. Infolge des vorhergehenden Verfahrensschritts liegt in dieser Blickrichtung die Sekundärspule ebenso zentriert zur primärseitig magnetisch aktiven Fläche und damit auch zentriert zur Primärspule. Dadurch wird der in der magnetisch aktiven Fläche geleitete magnetische Fluss dort konzentriert, wo auch die Primärspule befindlich ist und somit das höchste Maß an Durchsetzung der Primärspule und der Sekundärspule mit dem die Leistung übertragenden magnetischen Wechselfeld erreicht.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Fahrzeuge mit Elektroantrieb verfügen typischerweise über eine Batterie, in der elektrische Energie zum Betrieb einer Elektromaschine des Fahrzeugs gespeichert werden kann. Die Batterie des Fahrzeugs kann mit elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz aufgeladen werden. Zu diesem Zweck wird die Batterie mit dem Stromversorgungsnetz gekoppelt, um die elektrische Energie aus dem Stromversorgungsnetz in die Batterie des Fahrzeugs zu übertragen. Die Kopplung kann drahtgebunden (über ein Ladekabel) und/oder drahtlos (anhand einer induktiven Kopplung zwischen einer Ladestation und dem Fahrzeug) erfolgen.
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Neben dem kabelgebundenen Laden ist das induktive, kabellose Laden von Elektro- und Plug-In-Hybridfahrzeugen eine weitere Ladevariante, die sich durch einen hohen Komfort auszeichnet und deshalb als für den Endnutzer attraktiv angesehen wird.
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Das Laden erfolgt beim induktiven Laden nach heutigem Stand der Technik weitgehend automatisch. Die Energieübertragung kommt über einen relativ weiten Luftspalt am Unterboden des Fahrzeugs in z-Richtung über induktive Kopplung einer fahrzeugexternen Primärspule mit einer fahrzeugintegrierten Sekundärspule zustande. Die beiden Spulen zusammen bilden einen losen gekoppelten Übertrager. Kritisch für die Energieübertragung kann dabei der weite Luftspalt sein, der insbesondere bei geländegängigen Fahrzeugmodellen große Werte erreichen kann (in Fahrzeug-z-Richtung Werte von mehr als 20 cm). Zusätzlich kommen noch horizontale Verschiebungen in Fahrzeug-x- und -y-Richtung hinzu, da ein Parkvorgang zur Positionierung der beiden Spulen relativ zueinander nur mit endlicher Genauigkeit erfolgen kann. Ziele heutiger Systeme ist es, eine möglichst hohe Toleranz bezüglich des Versatzes in x- und/oder y-Richtung zu erreichen, damit das Einparken für den Endnutzer, d.h. die Positionierung der Spulen zueinander, einfach, schnell und komfortabel möglich ist.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird von Zirkularspuleneinheiten ausgegangen, die üblicherweise eine leichte quadratische Ausformung haben. Die Spuleneinheiten bestehen jeweils aus der eigentlichen Spule selbst und einem Ferrit. Häufig ist die Wicklung der Spule so ausgestaltet, dass die Wicklung einfach auf den flachen Ferrit „aufgelegt“ wird; es sind aber auch komplexere 3D-Strukturen möglich, bei denen die Spule z.B. platzsparend vom Ferrit umschlossen wird.
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Nachteilig an Spulensystemen nach dem Stand der Technik ist, dass bei einem versetzt zur bodenfesten Primärspule abgestellten Fahrzeug (Versatz in x- und y-Richtung) sich ein Feldverlauf ergibt, bei dem infolge des seitlichen Versatzes nur wenige Feldlinien die Sekundärspule „durchfließen“. Dies hat einen geringeren Kopplungsfaktor des lose gekoppelten Übertragers und damit eine verringerte Energieübertragungseffizienz zur Folge; die elektromagnetischen Verluste sind hoch. Der Fachmann versucht im Stand der Technik dies dadurch zu lösen, dass durch eine geschickte Spulenansteuerung die Verluste in Relation zur noch übertragbaren Energie minimiert werden, um die Effizienz der Übertragung bei insgesamt verringerter Übertragungsleistung positiv zu beeinflussen. Es sind auch Ansätze bekannt, nach denen ein x-y-Versatz korrigiert wird, etwa durch Verschiebung der primärseitigen Spuleneinheit als Ganzes, siehe etwa
DE102011077427 A1 . Wird allerdings die Primärspuleneiheit als Ganzes nachgeführt, ist eine sehr große und schwere Einheit zu bewegen. Dies hat eine aufwändige Mechanik zur Folge, die zusätzlich dem Erfordernis eines Überfahrschutzes genügen muss.
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Es wird deshalb eine verbesserte technische Lösung zum Umgang mit dem x-y-Versatz vorgeschlagen. Es wird ein Ansatz gewählt, bei dem nur Teile der Primärspuleneinheit verschoben werden. Es wird lediglich die Wicklung der Primärspule relativ zum Ferrit verschoben, so dass das Feld nahezu optimal auf die (durch ein unpräzise geparktes Fahrzeug verschobene) Sekundärspule angepasst werden kann. Die Verschiebung ist relativ leicht möglich, da die Wicklung der Primärspule auf dem Ferrit aufliegt, die Kupferwicklung z.B. zusammen mit einem Kunststoffträger sehr wenig Gewicht aufweist und relativ kleine Abmessungen besitzt. Der Kopplungsfaktor bei einer relativ zum Ferrit der Primärspule und relativ zur Sekundärspule verschobenen Primärspulenwicklung kommt einem System mit einer ideal positionierten Sekundärspule recht nahe. Die Verschiebung kann durch Stellmotoren erreicht werden.
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Eine weitere Optimierungsmöglichkeit besteht aber darin, dass die horizontale „Reichweite“ der Magnetführung in der Verschieberichtung der Primärspulenwicklung an den Rändern des Primärferriten angepasst werden, ohne dass der gesamte große und schwere Primärferrit bewegt werden muss. Dazu werden Teile des Ferrits abgeklappt oder eingeklappt. Der Primärferrit ist also in den Randbereich in einzelne Ferritelemente segmentiert. Somit kann durch Abklappen und Einklappen der Elemente die magnetische Leitfähigkeit in eine Vorzugsrichtung hergestellt und in andere Richtungen unterbunden werden. Zusätzlich können die Ferritelemente mit Abschirmblechen aus magnetisch nichtleitenden Metallen versehen werden, um im abgeklappten Zustand Streufelder zu minimieren. Auch ein „Überspringen“ der Zwischenräume von Ferritelement zu Ferritelement kann durch die Abschirmwirkung der Bleche verhindert werden. Das Abklappen kann auch an die Stellmotoren gekoppelt sein, die zum Verschieben der Spule eingerichtet sind. Dazu können die Stellmotoren derartige Hebel aufweisen, dass beim Verschieben der Spule die in Richtung der Verschiebung liegenden Ferritelemente mittels der Hebel eingeklappt einklappen und die entgegen der Verschieberichtung liegenden Ferritelemente mittel der Hebel abgeklappt werden können.
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Gleichzeitig können die durch das Abklappen entstehenden Zwischenräume genutzt werden, um zwischen den beweglichen Teilen Stützelemente einzubringen, die eine Stabilität der Primärspule möglich machen. Diese ist notwendig, um eine beschädigungsfreie Befahrbarkeit der Bodeneinheit mit Fahrzeugen von einigen Tonnen Gewicht realisieren zu können.
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Das vorgestellte Konzept kann auf andere Spulenformen übertragen werden. Es ermöglicht die horizontale Anpassung der Primärspule an ein sehr unpräzise geparktes Fahrzeug, ohne dass sich Nachteile bei der Energieübertragung ergeben. Es kann mehr Toleranz beim Parken, d.h. beim Positionieren akzeptiert werden. Das System kann plan im Boden integriert werden (keine Stolperschwellen). Da nur sehr kleine und leichte Teile bewegt werden, ist eine einfache Implementierung möglich. Da das Feld optimal geführt wird, wird die elektromagnetische Abstrahlung minimiert und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.
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Gemäß einer weiteren Ausführung ist das Ladesystem aus Primär- und Sekundärspule in analoger Weise, jedoch komplementär ausgeführt. Das bedeutet, dass die Sekundärspule relativ zur Primärspule positioniert wird. Die klappbaren Ferrite und die Stellmotoren sind dann ebenfalls sekundärseitig untergebracht. Bei dieser Konfiguration ist der Sekundärferrit schwerkraftseitig von der Sekundärspule abgewandt, so dass die Sekundärspule an dem Sekundärferrit anliegt und im Wesentlichen auf einem ebenfalls flachen Gehäuseteil der Sekundärspuleneinheit aufliegt bzw. zwischen diesem Gehäuseteil und dem Sekundärferrit eingebettet ist. Die weiteren technischen Merkmale können im Wesentlichen in analoger Weise auf diese komplementäre Ausgestaltung übertragen werden.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gleiche Bezugszeichen stehen für gleiche technische Gegenstände. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1a Stand der Technik: Draufsicht auf Induktivladesystem zum Laden eines Fahrzeugs.
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1b Stand der Technik: Primärladeeinheit, Sekundärladeeinheit und magnetische Flusslinien bei hergestellter elektromagnetischer Kopplung einer Primärspule und einer Sekundärspule des Induktivladesystems.
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2a Stand der Technik: Draufsicht auf Induktivladesystem zum Laden eines Fahrzeugs bei versetzter Positionierung von Primärladeeinheit und Sekundärladeeinheit beim induktiven Laden eines Fahrzeugs.
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2b Stand der Technik: Primärladeeinheit, Sekundärladeeinheit und magnetische Flusslinien bei hergestellter elektromagnetischer Kopplung einer Primärspule und einer Sekundärspule des Induktivladesystems und versetzter Position von Primärspule und Sekundärspule.
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3 Primär- und Sekundärspuleneinheit mit beweglicher Primärspule.
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4 Primär- und Sekundärspuleneinheit mit beweglicher Primärspule und beweglichen Ferritelementen.
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5 Ladesystem, umfassend Primärspuleneinheit mit beweglicher Primärspule und umfassend Sekundärspuleneinheit mit ausgeklappten Ferritelementen und eingeklappten Ferritelementen.
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6 Draufsicht auf Primärspuleneinheit mit Anordnung von eingeklappten Ferritelementen entlang des Umfangs des Primärferrit.
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1a zeigt zunächst nach dem Stand der Technik die Draufsicht eines Fahrzeugs (1) entlang der z-Achse in den dem Fachmann bekannten Achs-Koordinatensystem von Fahrzeugen. Das Fahrzeug umfasst eine Sekundärladeeinheit (3), über die das Fahrzeug mittels einer fahrzeugexternen Primärladeeinheit (2) induktiv mit elektrischen Leistung, vorzugsweise zum Laden eines fahrzeuginternen elektrischen oder elektrochemischen Energiespeichers, versorgt werden kann. Zum Laden wird gemäß 1b die Sekundärladeeinheit in einem bestimmten Abstand in z-Richtung (Hochachse im räumlichen Bezugssystem) positioniert. Bezüglich der x-Richtung (Fahrzeuglängsachse) und der y-Richtung (Fahrzeugquerachse) ist die Sekundärladeeinheit idealerweise so zu positionieren, dass in der Draufsicht (siehe 1a) eine elektrische Spule der Sekundärladeinheit (3a) möglichst zentriert bzw. deckungsgleich zu einer elektrischen Spule der Primärladeeinheit (2a) befindlich ist. In dieser Idealposition, in der die Spulen ohne jeglichen seitlichen x-y-Versatz positioniert sind, ist die elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen zur Energieübertragung in der Regel optimal. Lediglich die z-Richtung beeinflusst dann noch das Maß, zu dem die Magnetfeldlinien des Primärfeldes (10) die Sekundärspule durchsetzen und somit elektrische Leistung sekundärseitig induzierbar ist. Der Beitrag von Streufeldern (11), die die Sekundärspule nicht durchsetzen und nicht zur elektromagnetischen Leistungsübertragung beitragen, ist insoweit bestmöglich minimiert. Der magnetische Fluss wird sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite von Ferriten, d.h. von einem Ferrit der Primärladeeinheit (2b) und von einem Ferrit der Sekundärladeinheit (3b), die eine hohe magnetische Leitfähigkeit aufweisen, gezielt zum räumlichen Richten der Magnetfeldlinien derart eingesetzt, dass der wirksame Anteil des magnetischen Wechselfeldes beim Laden erhöht wird und Verluste durch gestreute Magnetfeldanteile minimiert werden.
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Nach dem in den 1a und 1b gezeigten Stand der Technik tritt in der Praxis häufig das Problem auf, dass beim Laden des Fahrzeugs an der Primärladeeinheit ein Versatz in x-y-Richtung des Fahrzeugs (siehe auch Stand der Technik gemäß 2a und 2b) in Kauf zu nehmen ist, da eine ideale Positionierung gemäß den 1a und 1b prozesssicher nicht erreichbar ist. Die Folge daraus ist, dass der Streufeldanteil, der gemäß 2b nicht zum Laden beiträgt, im Vergleich zur Situation in 1b erhöht ist und somit die zumindest theoretisch erreichbare Ladeleistung in der Praxis meist nicht erreicht wird bzw. wird nur mit hohen Verlusten erreichbar ist.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Primärspuleneinheit (6), die den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil überwindet und die eine elektrische Primärspule (6a) und einen Primärferrit in einer flachen Grundform (6b) umfasst. Zur Übertragung von elektromagnetischer Leistung von der Primärspuleneinheit zu einer Sekundärspuleneinheit (7), die auch eine Sekundärspuleneinheit mit einer Sekundärspule (7a) und mit einem Sekundärferrit (7b) aus dem Stand der Technik sein kann, ist in besonders vorteilhafter Weise nutzbar, indem die Primärspule relativ zum Primärferrit senkrecht zur z-Achse verschiebbar gelagert ist. Die Primärspuleneinheit und die Sekundärspuleneinheit bilden ein induktives Ladespulensystem, wobei die Sekundärspuleneinheit fahrzeugseitig integriert und die Primärspuleneinheit fahrzeugextern befindlich ist. Die notwendigen elektronischen Schaltungen zum Ansteuern der Spuleneinheiten sind aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Soll das Fahrzeug bspw. geladen werden, d.h. eine Leistungsübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite stattfinden, wird das Fahrzeug in einer Grobposition relativ zur Primärspuleneinheit abgestellt. Dieser Versatz wird durch die sich anschließende Verschiebung der Primärspule ausgeglichen. Mit dem Versatz, der über ein Positionierungssystem des Fahrzeugs relativ zur Primärspuleneinheit erfassbar ist, ist die optimale, einzustellende Ladeposition der Primärspule in der x-y-Ebene des Primärferrit festgelegt.
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Zum Optimieren der elektromagnetischen Leistungsübertragungseffizienz wird die Primärspule bei einem Versatz der Sekundärspule relativ zur Primärspule in x- und/oder y-Richtung von einer Ausgangslage (gestrichelt dargestellt) in eine Ladeposition verschoben. Die verschobene Primärspule (6a‘) ist relativ zur Sekundärspule, für die während des Ladens von einer festen Position im Bezugssystem der dem Fachmann bekannten Fahrzeugachsen ausgegangen wird, bezüglich der x- und y-Achse elektromagnetisch ideal positioniert. Dies bedeutet, dass die elektromagnetische Kopplung abgesehen von weiteren Optimierungsmöglichkeiten bezüglich der z-Achse, in der Ladeposition der Primärspule ein lokales Maximum in Abhängigkeit der relativen Lage der beiden Spulen in x- und y-Richtung einnimmt. Dies ist in 3 durch die an der Leistungsübertragung beteiligten Magnetfeldanteile (Magnetfeldlinien 10) angedeutet. Streufeldanteile sind in der Ladeposition der Primärspule minimiert.
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Die 4, 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Primärspuleneinheit. Der Primärferrit ist um Ferritelemente (21a bis f) der Primärspuleneinheit ergänzt. Die Ferritelemente bestehen im Wesentlichen aus dem gleichen magnetisch leitenden Material wie der Primärferrit. Optional oder zusätzlich weisen die Ferritelemente Abschirmelemente (22a bis f) auf, wobei jedem Ferritelement jeweils ein Abschirmelement zugeordnet ist. Die Abschirmelemente sind als magnetische Abschirmbleche ausgeführt. Die Ferritelemente sind entweder jeweils einzeln oder in Gruppen aus der Ebene des Primärferrit, der eine flache Grundform aufweist, ein- und ausklappbar angeordnet. Im eingeklappten Zustand sind Primärferrit und Ferritelemente bzw. die Ferritelemente sich berührend angeordnet. Im eingeklappten Zustand (siehe 21d bis f in 4 und 5) besteht also ein direkter magnetisch leitender Übergang zwischen dem Primärferrit und den Ferritelementen. Der magnetische Fluss kann also mit verminderten elektromagnetischen Verlusten von dem Primärferrit über die Ferritelemente, die in die Ebene des Primärferrit eingeklappt sind, geleitet werden. Bei aus dieser Ebene ausgeklappten Ferritelementen (siehe 21a bis c in 4 und 5) wird die magnetische Leitung von magnetischem Fluss von dem Primärferrit zu den ausgeklappten Ferritelementen unterdrückt, da neben einem zweifachen Materialübergang von Primärferrit zu Luft und umgekehrt und den näherungsweise zur Ebene des Primärferrit senkrecht stehenden Abschirmelementen Magnetfeldlinien in der Ausbreitungsrichtung von ausgeklappten Ferritelementen abgeschirmt werden (siehe abgeschirmte Streufeldlinie 12).
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Der Draufsicht in 6 ist zu entnehmen, dass die Primärladeeinheiten entlang des Umfanges des Primärferriten eine Vielzahl von Ferritelementen (23a–c, 25a–c, 27a–c, 29a–c, 31a–c, 33a–c, 35a–c und analog weitere) aufweist. Die Ferritelemente (21a, 23a, 25a, 27a, 29a, 31a, 33a, 35a) bilden eine Untergruppe von Ferritelementen, denen eine erste Ferritaufhängung (101) gemeinsam ist. Diese Ferritaufhängung bildet eine Achse, um die die zur Untergruppe gehörenden Ferritelemente klappbar sind.
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Das Klappen der Ferritelemente erfolgt durch eine Ferritelementmechanik (erste Ferritelementmechanik 100). Der ersten Ferritelementmechanik sind eine zweite und eine dritte Ferritaufhängung (102, 103) zugeordnet, die jeweils weitere Untergruppen von Ferritelementen aufweisen. Die der Ferritelementmechanik zugeordneten Untergruppen von Ferritelementen bilden eine Gruppe von Ferritelementen. Die drei der ersten Ferritelementmechanik zugeordneten Ferritaufhängungen können von der Ferritelementmechanik unabhängig voneinander betätigt werden.
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Die Ferritelementmechanik kann die gesamte Gruppe von Ferritelementen durch Drehung der zugehörigen Ferritaufhängungen oder einzelne Untergruppen von Ferritelementen durch Drehung der betreffenden einzelnen Ferritaufhängung klappen. Entlang des Umfangs des Primärferrit sind drei weitere, der ersten Ferritelementmechanik entsprechend angeordnete und funktionierende Ferritelementmechaniken (siehe beispielweise zweite Ferritelementmechanik 120) befindlich. Die zweite Ferritelementmechanik bedient die drei Ferritaufhängungen (121, 122, 123), die jeweils Untergruppen von Ferritelementen aufweisen. Die Ansteuerung der Ferritelementmechanik kann über eine mechanische Kopplung mit den Stellmotoren, die zur Spulenverschiebung eingerichtet sind, erfolgen. Es ist eine feste Zuordnung des Klappzustands einzelner Ferrituntergruppen zu der Position der Primärspule in der x-y-Ebene möglich. Daher kann das Klappen über die Verschiebung entlang des Verschiebewegs durch die Stellmotoren der Spule ausgelöst werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind alle Ferritelemente individuell, d.h. jeweils unabhängig von allen anderen Ferritelementen, klappbar.
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Anhand 5 wird eine erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens erläutert, mit dem eine elektrische Komponente mit elektrischer Leistung versorgt wird, die sekundärseitig an ein Ladesystem umfassend eine Primärspuleneinheit (6) und eine Sekundärspuleneinheit (7) anschließbar ist.
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Die Sekundärspuleneinheit wird relativ zur Primärspuleneinheit grob positioniert. In einem weiteren Schritt wird die Primärspule (6a) relativ zum Primärferrit (6b) in die Ladeposition (6a‘) verschoben. Optional oder zusätzlich sind oder werden die Ferritelemente, die eine möglichst optimale Ferritform der verschobenen Primärspule herstellen, in die Ebene des Primärferrit einklappt, um die Magnetfeldlinien des Leistung übertragenden magnetischen Wechselfeldes möglichst verlustfrei durch beide Spulen zu führen. Weiter sind oder werden die Ferritelemente, die einen großen Abstand von der verschobenen Primärspule aufweisen, nicht zur verbesserten Kopplung der Spulen beitragen, optional oder zusätzlich aus der Ebene des Primärferrit ausgeklappt, um keine Leistung übertragende magnetische Streufelder abzuschirmen bzw. zu unterdrücken. Es ist vorteilhaft, wenn der Verschiebeweg der Primärspule und der Versatz von Primärspuleneinheit und Sekundärspuleneinheit in der Grobposition vor Beginn der Positionsoptimierung der Primärspule innerhalb der Primärspuleneinheit ermittelt bzw. überwacht werden. Dann ist ermittelbar, welche Ferritelemente geklappt werden müssen, um zu erreichen, dass die durch das Ein- bzw. Ausklappen von Ferritelementen gebildete magnetisch aktive Fläche so beschaffen ist, dass die Primärspule in der Ladeposition auf dieser Fläche zentriert liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Primärladeeinheit
- 2a
- Spule der Primärladeeinheit
- 2b
- Ferrit der Primärladeeinheit
- 3
- Sekundärladeeinheit
- 3a
- Spule der Sekundärladeeinheit
- 3b
- Ferrit der Sekundärladeeinheit
- 6
- Primärspuleneinheit
- 6a
- Primärspule
- 6a‘
- verschobene Primärspule
- 6b
- Primärferrit
- 7
- Sekundärspuleneinheit
- 7a
- Sekundärspule
- 7b
- Sekundärferrit
- 10
- Magnetfeldlinien
- 11
- Streufeldlinien
- 12
- abgeschirmte Streufeldlinie
- 21a–f
- jeweils Ferritelemente
- 22a–f
- jeweils Abschirmelemente
- 23a–c
- jeweils Ferritelemente
- 25a–c
- jeweils Ferritelemente
- 27a–c
- jeweils Ferritelemente
- 29a–c
- jeweils Ferritelemente
- 31a–c
- jeweils Ferritelemente
- 33a–c
- jeweils Ferritelemente
- 35a–c
- jeweils Ferritelemente
- 100
- erste Ferritelementmechanik
- 101
- erste Ferritaufhängung, der ersten Ferritelementmechanik zugeordnet
- 102
- zweite Ferritaufhängung der ersten Ferritelementmechanik
- 103
- dritte Ferritaufhängung der ersten Ferritelementmechanik
- 120
- zweite Ferritelementmechanik
- 121
- erste Ferritaufhängung der zweiten Ferritelementmechanik
- 122
- zweite Ferritaufhängung der zweiten Ferritelementmechanik
- 123
- dritte Ferritaufhängung der zweiten Ferritelementmechanik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010117596 A [0005]
- DE 102011077427 A1 [0036]
