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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Energieerzeuger, der elektrische Energie aus einer äußeren Schwingungsanregung gewinnt. Derartige Energieerzeuger werden insbesondere im Zusammenhang mit so genanntem Energy Harvesting eingesetzt, also zur Nutzbarmachung bislang ungenutzter Energiequellen, wie Aggregatschwingungen.
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Ein solcher Energieerzeuger ist beispielsweise aus der
DE 103 26 675 A1 bekannt. Der hier als Vibrationsgenerator betitelte Energieerzeuger weist eine an einer Feder aufgehängte Schwingmasse auf, die innerhalb einer elektrischen Spule beweglich ist. Wird die Schwingmasse einer äußeren Schwingungsanregung ausgesetzt, beginnt diese je nach Frequenz mehr oder weniger stark an mitzuschwingen. Die in der Spule dabei erzeugte Wechselspannung wird in einem elektronischen Modul gleichgerichtet und stabilisiert.
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Ein derartiger Energieerzeuger arbeitet passiv und ist daher lediglich in einem relativ schmalen Frequenzspektrum von Schwingungsanregungen einsetzbar, idealerweise im Bereich der Eigenfrequenz des Feder-Massen-Systems aus Schwingmasse und Aufhängungsfeder.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Energieerzeuger bereitzustellen, der ein relativ breites Frequenzspektrum einer äußeren Schwingungsanregung zur Energiegewinnung nutzen kann.
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Die Aufgabe wird durch einen Energieerzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungen hiervon sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
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Demgemäß weist der elektrische Energieerzeuger zumindest eine Schwingmasse, einen elektrischen Motor, einen elektrischen Generator und eine elektrische Schaltung auf. Der Motor ist dabei so ausgeführt, dass er die Schwingmasse bei Betätigung in Schwingung versetzt. Er ist also insbesondere dazu ausgeführt, die Schwingmasse unter Nutzung elektrischer Energie in mechanische Schwingung zu versetzen. Der elektrische Generator ist so ausgeführt, dass er bei Betätigung Schwingungsenergie von der Schwingmasse abgreift und in elektrische Energie umwandelt. Er ist also insbesondere so ausgeführt, dass er die mechanische Schwingung der Schwingmasse zumindest zum Teil in elektrische Energie umwandelt. Der Energiespeicher dient zur Speicherung von Energie für den Motor, also zu dessen Betätigung, und vom Generator. Vom Energiespeicher ist dementsprechend Energie zur Betätigung des Motors abgreifbar und ihm ist Energie vom Generator zuführbar.
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Die elektrische Schaltung ist dabei erstens so ausgeführt, dass sie eine äußere Schwingungsanregung der Schwingmasse erkennt. Zweitens ist sie so ausgeführt, dass sie bei Erkennung der äußeren Schwingungsanregung den Motor mit Energie aus dem Energiespeicher betätigt, sodass die Schwingmasse in Schwingung versetzt wird und sich diese Schwingung an die äußere Schwingungsanregung anpasst. Und drittens ist die elektrische Schaltung so ausgeführt, dass sie, sobald die Schwingung der Schwingmasse an die äußere Schwingungsanregung angepasst ist, den Generator betätigt. Dabei wird bevorzugt zumindest zeitweise Energie vom Generator dem Energiespeicher zugeführt, insbesondere zum Wiederaufladen des Energiespeichers. Sobald der Energiespeicher ausreichend voll ist, kann die vom Generator erzeugte Energie anderweitig, beispielsweise für einen anderen elektrischen Verbraucher verwendet werden.
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Dadurch, dass die Schwingung der Schwingmasse durch den Motor aktiv an die äußere Schwingungsanregung angepasst wird, kann der Energieerzeuger in einem wesentlich breiteren Frequenzspektrum als ein passiver Energieerzeuger eingesetzt werden. Die Energieausbeute eines solchen Energieerzeugers ist demnach größer als die bei einem passiven Energieerzeuger. Außerdem kann er flexibel für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Die Schwingmasse wird dabei deutlich früher durch die äußere Schwingungsanregung angeregt, wodurch der Generator früher elektrische Energie erzeugen kann. Dabei ist der vom Motor benötige Energieaufwand zur Beschleunigung der Schwingmasse deutlich geringer als der Energiegewinn der durch das frühe und breitbandige Ansprechen der Schwingmasse auf die äußere Schwingungsanregung bewirkt wird.
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Unter einer äußeren Schwingungsanregung ist hierbei insbesondere eine Schwingungsanregung der Schwingmasse und gegebenenfalls weiterer Teile des Energieerzeugers zu verstehen, die nicht auf eine Anregung durch den Motor des Energieerzeugers zurückgeht. Der Motor ist bevorzugt als E-Motor ausgeführt. Es kann sich insbesondere um einen Linearmotor oder Rotationsmotor handeln. Die Schwingmasse ist demnach entweder dazu ausgeführt, rotatorisch oder translatorisch zu schwingen. Der Generator ist insbesondere als E-Maschine ausgeführt. Entsprechend der Schwingungsart der Schwingmasse erzeugt er aus deren rotatorischer oder translatorischer Bewegung elektrische Energie, i.e. einen elektrischen Strom. Bei dem Energiespeicher kann es sich insbesondere um einen elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher handeln, wie beispielsweise einen elektrischen Kondensator oder Akkumulator. Zur Erkennung der äußeren Schwingungsanregung kann die Schaltung insbesondere Schwingungssensoren aufweisen.
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Eingesetzt wird ein solcher Energieerzeuger bevorzugt in einer Umgebung in welcher zum einen eine Energieversorgung benötigt wird, es allerdings sehr aufwändig ist eine zentrale Energieversorgung bereitzustellen und in welcher es öfters zu äußeren Schwingungsanregungen kommt. Sie kann daher insbesondere zur elektrischen Versorgung von elektrischen Verbrauchern wie Sensoren, Aktoren etc. in Windrädern, Brücken, Industriemaschinen, oder Wasserkraftwerken eingesetzt werden, um nur einige der vielen Anwendungsgebiete zu nennen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Schaltung, so ausgeführt, dass sie den Motor so lange betätigt und dabei die Schwingmasse in Schwingung versetzt, bis eine Phasenlage der Schwingung der Schwingmasse an eine Phasenlage der äußeren Schwingungsanregung angepasst ist, und/oder bis eine Frequenz der Schwingung der Schwingmasse an eine Frequenz der äußeren Schwingungsanregung angepasst ist.
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Die Anpassung der Schwingungen aneinander ist in dieser Ausgestaltung als gezielte Anpassung an deren Phasenlage und/oder Frequenz zu verstehen. Hierdurch wird eine erhöhte Energieausbeute erzielt. Demnach erkennt die Schaltung die äußere Schwingungsanregung, beispielsweise mittels dazu vorgesehener Sensoren, ermittelt deren Phasenlage und/oder Frequenz und betätigt dann den Motor. Der Motor kann dabei anhand der ermittelten äußeren Schwingungsanregung geregelt werden (also im regelungstechnischen Sinne). Es wird also eine Soll-Schwingung ermittelt, an welche die Ist-Schwingung herangeführt wird. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Motorregelung die vor Beginn der Motorbetätigung ermittelte Phasenlage und/oder Frequenz der äußeren Schwingungsanregung zu Grunde gelegt wird. Die durch die Motorbetätigung zu erreichende Soll-Schwingung der Schwingmasse wird also einmalig ermittelt und bleibt dann konstant. Oder es kann vorgesehen sein, dass der Motorregelung eine laufend aktualisierte Phasenlage und/oder Frequenz der äußeren Schwingungsanregung zu Grunde gelegt wird. Die durch die Motorbetätigung zu erreichende Soll-Schwingung der Schwingmasse ändert sich somit laufend. In diesem Fall wird die Phasenlage und/oder Frequenz der äußeren Schwingungsanregung also online ermittelt, während sie im ersten Fall lediglich einmalig ermittelt werden braucht. Alternativ kann der Motor anhand der ermittelten äußeren Schwingungsanregung gesteuert werden (also im steuerungstechnischen Sinne). In diesem Fall erfolgt die Ermittlung der Phasenlage und/oder Frequenz insbesondere einmalig. Der Motor wird ohne weitere Nachregelung/Nachführung betätigt. Es wird daher einfach angenommen, dass bei entsprechender Betätigung des Motors die gewünschte Soll-Schwingung der Schwingmasse erreicht wird. In diesem Fall wird die durch den Motor erzeugte Ist-Schwingung der Schwingmasse also gerade nicht an die Soll-Schwingung herangeführt, sondern angenommen, dass diese erreicht wird (gegebenenfalls nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne). Ob die Schwingungen ausreichend aneinander angepasst sind, wird insbesondere sensorisch ermittelt oder abgeschätzt.
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Die Anpassung ist bevorzugt dann erfolgt (oder sie gilt als erfolgt), sobald ein Unterschied in der Phasenlage der Schwingung der Schwingmasse und der Phasenlage der äußeren Schwingungsanregung von im Wesentlichen 90° (Gradmaß) bzw. π/2 (Bogenmaß) vorliegt, und/oder sobald die der Frequenz der Schwingung der Schwingmasse im Wesentlichen der Frequenz der äußeren Schwingungsanregung entspricht. Die durch den Motor erzeugte Soll-Schwingung der Schwingmasse wird dementsprechend von der elektrischen Schaltung festgelegt (gleiche Frequenz wie äußeren Schwingungsanregung und/oder Phasenlage um 90° unterschiedlich) und der Motor anschließend dementsprechend zur Erzielung der Soll-Schwingung betätigt. Wie obig erläutert erfolgt dies bevorzugt entweder durch eine Regelung oder Steuerung des Motors. Durch eine derartige Anpassung der Schwingungen wird besonders schnell erreicht, dass die Schwingmasse selbständig zu schwingen beginnt und durch den Generator von der Schwingmasse daher schnell Energie abgreifbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Schaltung so ausgeführt ist, dass die Betätigung von Motor und Generator wechselseitig erfolgt. Somit wird entweder der Motor betätigt oder der Generator. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden Motor und Generator eine gemeinsame Einheit, einen Motor-Generator. Hierbei kann es sich insbesondere um eine E-Maschine (Elektrische Maschine) handeln, also eine Maschine, die einerseits bei elektrischer Bestromung eine Dreh- oder Linearbewegung (je nach Bauart) eines Läufers der E-Maschine erzeugt und die andererseits einen elektrischen Strom erzeugt, wenn eine Dreh- bzw. Linearbewegung dem Läufer der E-Maschine von außen aufgeprägt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Schaltung so ausgeführt, dass sie eine Energieentnahme aus dem Energiespeicher oder von dem Generator für einen anderen Verbraucher als den Motor (erst dann) freigibt, sobald der Energiespeicher ausreichend voll ist. Hierdurch wird verhindert, dass der Energiespeicher so leer wird, dass der Motor nicht mehr betreibbar ist. Dies beinhaltet, dass die Schaltung von sich aus beginnt, den anderen Verbraucher mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher oder vom Generator zu versorgen.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schaltung so ausgeführt, dass sie die äußere Schwingungsanregung anhand einer Schwingung der Schwingmasse erkennt. Beispielsweise indem ein oder mehrere Schwingungssensoren am oder im Bereich der Schwingmasse vorgesehen sind. Hierdurch kann anhand der Schwingung der Schwingmasse die Phasenlage und/oder die Frequenz der äußeren Schwingungsanregung erkannt werden.
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In einer Weiterbildung hiervon ist die Schaltung so ausgeführt, dass sie die äußere Schwingungsanregung anhand einer von dem Generator erzeugten elektrischen Energie erkennt, die aus einer Schwingung der Schwingmasse resultiert. Demnach bewirkt die äußere Schwingungsanregung eine entsprechende (geringe) Schwingung der Schwingmasse, welche die Erzeugung eines entsprechend schwankenden elektrischen Stromes durch den Generator hervorruft. Die Schaltung erfasst diesen elektrischen Strom und erkennt auf dessen Grundlage die äußere Schwingungsanregung, insbesondere eine Frequenz und Phasenlage der Schwingungsanregung. Hierdurch können auf extra Schwingungssensoren verzichtet werden.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines elektrischen Energieerzeugers, insbesondere mittels des obig erläuterten Energieerzeugers. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
Erkennen einer äußeren Schwingungsanregung an einer Schwingmasse des Energieerzeugers, insbesondere Erkennen einer Phasenlage und/oder Frequenz der äußeren Schwingungsanregung;
Betätigen eines elektrischen Motors des Energieerzeugers, wobei die Schwingmasse in Schwingungen versetzt wird;
Betätigen eines elektrischen Generators, sobald die Schwingung der Schwingmasse an die äußere Schwingungsanregung angepasst ist, wobei durch die Betätigung des elektrischen Generators elektrische Energie erzeugt wird.
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Bevorzugt endet die Betätigung des Motors, sobald die Betätigung des Generators beginnt. Dies erfolgt automatisch, falls Motor und Generator eine Einheit bilden (Motor-Generator), wie insbesondere eine E-Maschine.
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Bevorzugt wird außerdem bei Betätigung des elektrischen Generators die dabei erzeugte elektrische Energie einem Energiespeicher zugeführt, von dem elektrische Energie zur Betätigung des Motors abgreifbar ist. Dies erfolgt dann zumindest so lange, bis der Energiespeicher ausreichend voll ist. Nachdem der Energiespeicher ausreichend voll ist, wird die vom elektrischen Generator erzeugte Energie und/oder die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie einem anderen elektrischen Verbraucher als dem Motor zugeführt. Sie wird dann also von dem Energieerzeuger zur freien Verwendung bereitgestellt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispielen in einer Zeichnung näher erläutert, aus welcher weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung entnommen werden können.
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Die einzige Figur (Fig.) zeigt in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführung des Energieerzeugers.
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Der Energieerzeuger verfügt über einen elektrischen Motor, der gleichzeitig als elektrischer Generator dient, also einen Motor-Generator 1 bzw. eine E-Maschine. Der Motor-Generator 1 weist einen Läufer (hier nicht sichtbar) auf, der mit einer Schwingmasse 2 (fest) gekoppelt ist. Die Schwingmasse 2 ist beispielhaft als Schwungrad mit einer Unwucht 3 dargestellt, kann allerdings beliebig anders ausgeführt sein. Die Schwingmasse 2 kann ein Teil des Läufers des Motor-Generators 1 sein. Es kann eine mechanische Übersetzung zwischen Motor-Generator 1 und Schwingmasse 2 vorgesehen sein.
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Die Schwingmasse 2 kann von einer äußere Schwingungsanregung angeregt werden, also einer Schwingung, die nicht auf eine Bewegung der Schwingmasse 2 zurückzuführen ist, sondern von außerhalb des Energieerzeuger eingeleitet wird. Dies kann beispielsweise eine Bauteilschwingung eines Bauteils sein, auf oder an welchem der Energieerzeuger angeordnet ist.
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Bei elektromotorischer Betätigung des Motor-Generator 1, also bei Zuführung elektrischer Energie, wird eine Drehbewegung des Läufers und damit eine Drehbewegung der Schwingmasse 2 bewirkt. Durch die Unwucht 3 erzeugt diese Drehbewegung eine mechanische Schwingung der Schwingmasse 2. Bei einer generatorischen Betätigung des Motor-Generator 1, also bei einer von außen bewirkten Drehbewegung des Läufers bzw. der Schwingmasse 2, erzeugt der Motor-Generator 1 elektrische Energie, i.e. einen elektrischen Strom. Die elektrische Energie kann dem Motor-Generator 1 über elektrische Leitungen 4 zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden.
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Der Motor-Generator
1 ist in der Figur als Rotations-Motor-Generator
1 ausgeführt. Der Läufer ist also zur Rotation ausgebildet. Er kann allerdings auch als Linear-Motor-Generator
1 ausgeführt sein, beispielsweise in Form einer Spule, innerhalb derer der Läufer linear bewegt wird. Der Läufer ist also zur Translation ausgebildet. In diesem Fall ist die Schwingmasse
2 beispielsweise als Anker innerhalb einer Spule ausgeführt oder fest mit einem Anker der Spule verbunden. Der Anker ist dann federnd aufgehängt, kann also linear innerhalb der Spule bewegt werden (analog zum Vibrationsgenerator der
DE 103 26 675 A1 ).
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Der Energieerzeuger verfügt des Weiteren über eine elektrische Schaltung 5, an welche der Motor-Generator 1 elektrisch angeschlossen ist (über die elektrischen Leitungen 4). Die elektrische Schaltung 5 versorgt den Motor-Generator 1 mit elektrischer Energie oder greift diese vom Motor-Generator 1 ab. Sie ist auch an einen elektrischen Energiespeicher 6 elektrisch angeschlossen (über die elektrischen Leitungen 7). Die elektrische Schaltung 5 versorgt den Energiespeicher 6 mit elektrischer Energie, sie lädt ihn also auf, oder greift elektrische Energie vom Energiespeicher 6 ab, sie leert ihn also. Bei dem Energiespeicher 6 handelt es sich insbesondere um einen Li-Ion-Akkumulator. Selbstverständlich können auch andere geeignete Energiespeicher 6 eingesetzt werden.
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Die elektrische Schaltung 5 ist nun erstens so ausgeführt, dass sie eine äußere Schwingungsanregung der Schwingmasse 2 erkennt. Zweitens ist sie so ausgeführt, dass sie bei Erkennung der äußeren Schwingungsanregung den Motor-Generator 1 motorisch mit Energie aus dem Energiespeicher 6 betätigt, sodass die Schwingmasse 2 sich dreht und damit in Schwingung versetzt wird und sich diese Schwingung an die äußere Schwingungsanregung anpasst. Und drittens ist die elektrische Schaltung 5 so ausgeführt, dass sie, sobald die Schwingung der Schwingmasse 2 an die äußere Schwingungsanregung angepasst ist, den Motor-Generator 1 generatorisch betätigt und dabei elektrische Energie erzeugt wird.
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Die Umschaltung von motorischer Betätigung auf generatorischer Betätigung der Motor-Generator 1 findet also dann statt, wenn die Schwingungen ausreichend aneinander angepasst sind. Sobald die Anpassung stattfand, kann von der Schwingmasse 2 Energie abgegriffen werden und in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Umschaltung findet insbesondere dann statt, wenn ein Unterschied in der Phasenlage der Schwingung der Schwingmasse 2 und der Phasenlage der äußeren Schwingungsanregung von 90° vorliegt und/oder die der Frequenz der Schwingung der Schwingmasse 2 der Frequenz der äußeren Schwingungsanregung entspricht.
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Zunächst wird die vom Motor-Generator 1 erzeugte elektrische Energie bevorzugt ausschließlich zum Wiederaufladen des Energiespeichers 6 verwendet. Anschließend wird durch die Schaltung 5 eine Verwendung der erzeugten elektrischen Energie für einen (externen) elektrischen Verbraucher 8 freigegeben. Dieser ist mittels weiterer elektrischer Leitungen 9 ebenfalls an die Schaltung 5 elektrisch angeschlossen. Bei dem Verbraucher 8 kann es sich insbesondere um einen Sensor und/oder einen Funksender handeln. Der Funksender kann dann ausgeführt sein, um die vom Sensor ermittelten Sensordaten zu senden.
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Es sei angemerkt, dass die Schaltung 5 bevorzugt weitere Funktionen erfüllt, insbesondere weist sie Mittel zur Gleichrichtung und Stabilisierung der von dem Motor-Generator 1 erzeugten elektrischen Energie auf, und/oder einen Laderegler für den Energiespeicher 6.
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Die Schaltung 5 ist außerdem so ausgeführt, dass sie die äußere Schwingungsanregung anhand einer von dem Motor-Generator 1 erzeugten elektrischen Energie erkennt, die aus einer Schwingung der Schwingmasse 2 resultiert. Die äußere Schwingungsanregung bewirkt hierbei eine entsprechende geringe Schwingung der Schwingmasse 2, welche die Erzeugung eines entsprechend schwankenden elektrischen Stromes durch den Generator hervorruft. Anhand der Schwankung des Stromes wird dann innerhalb der Schaltung 5 auf die äußere Schwingungsanregung geschlossen, insbesondere auf die Frequenz und/oder Phasenlage der Schwingung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor-Generator
- 2
- Schwingmasse
- 3
- Unwucht
- 4
- elektrische Leitung
- 5
- elektrische Schaltung
- 6
- Energiespeicher
- 7
- elektrische Leitung
- 8
- elektrischer Verbraucher
- 9
- elektrische Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10326675 A1 [0002, 0026]
