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Die Erfindung betrifft eine Ladestation für ein elektrisches Gerät, das wenigstens eine Empfangsspule aufweist, wobei die Ladestation eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen des elektrischen Gerätes und wenigstens eine Ladespule aufweist.
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Eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Geräte verfügt heute über Energiespeichereinrichtungen, beispielsweise Akkus, die kabellos aufgeladen werden können. Eine entsprechende Ladestation verfügt über wenigstens eine Ladespule, die mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden kann. Dabei entsteht insbesondere ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld. Ist in diesem zeitlich veränderlichen Magnetfeld eine Empfangsspule eines elektrischen Gerätes angeordnet, wird in dieser Empfangsspule ein elektrischer Strom durch das sich verändernde Magnetfeld induziert, der zum Aufladen der Akkus verwendet werden kann. Elektrische Geräte, die auf diese Weise geladen werden können, können beispielsweise Mobilfunkgeräte, Tablet-PCs, Smartphones, MP3-Player oder sonstige elektrische oder elektronische portable Geräte sein. Aber auch Batterien und Akkumulatoren von Elektroautos und anderen elektrisch betriebenen Fahrzeugen können auf diese Weise aufgeladen werden, so dass auch diese Fahrzeuge als elektrische Geräte im Sinne der vorliegenden Anmeldung verstanden werden.
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Eine Ladestation kann folglich unterschiedlichste Formen und Gestalten annehmen. So kann die Ladestation in Form einer Halterung für ein Mobilfunkgerät oder ein anderes tragbares Datenverarbeitungs- oder Telekommunikationsgerät ausgebildet sein. Für elektrisch betriebene Fahrzeuge ist die Ladestation hingegen eine entsprechend ausgerüstete Parkmöglichkeit, bei der beispielsweise unterhalb der eigentlichen Parkfläche, die in diesem Fall die Aufnahmeeinrichtung bildet, die wenigstens eine Ladespule angeordnet ist. Insbesondere für portable elektronische oder elektrische Geräte kann die Ladestation beispielsweise auch in Möbeln, beispielsweise Tischoberflächen, eingelassen werden. In diesem Fall können beispielsweise Mobiltelefone oder Telekommunikationsgeräte bei einem Cafe- oder Restaurantbesuch durch Ablegen des Gerätes an einer bestimmten Stelle des Tisches aufgeladen werden. Für nahezu alle elektrischen Geräte, die zum induktiven Laden ausgebildet sind, lässt sich eine entsprechende Ladestation konstruieren, die von dieser Anmeldung abgedeckt ist.
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Eine derartige Ladestation in Form einer Halterung ist beispielsweise aus der
US 2010/0315039 A1 und der
US 7,392,068 B2 für ein Mobilfunkgerät bekannt. Die Halterung verfügt über wenigstens eine Ladespule, die mit der Empfangsspule des Mobilfunkgerätes so zusammenwirken kann, dass ein kabelloses Laden beispielsweise des Akkus des Mobilfunkgerätes möglich wird. Dies hat den Vorteil, dass weder eine exakte Positionierung des Mobilfunkgerätes in der Aufnahmeeinrichtung der Halterung noch eine Steckverbindung zwischen dem Mobilfunkgerät und einer entsprechenden Buchse oder einem Stecker der Halterung nötig ist, um das Mobilfunkgerät, das beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Smartphone oder ein anderes mobiles Kommunikationsmittel sein kann, aufzuladen.
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Die wenigstens eine Ladespule der Ladestation und die wenigstens eine Empfangsspule des elektrischen Gerätes bilden gemeinsam einen Transformator, durch den Leistung übertragen wird. Da die beiden Spulen jedoch in einem Abstand zueinander positioniert und nicht um einen gemeinsamen Kern herum angeordnet sind, ist der Anteil des magnetischen Flusses, der in der wenigstens einen Ladspule erzeugt wird und der auch durch die Empfangsspule des elektrischen Gerätes strömt, gegenüber einem herkömmlichen Transformator, der über einen Kern verfügt, reduziert. Dies hat eine unerwünschte und nahezu unkontrollierte Emission elektromagnetischer Felder zur Folge, wodurch andere elektrische oder elektronische Geräte in der Nähe der Ladestation beeinflusst und/oder gestört werden können. Dies ist insbesondere bei in Kraftfahrzeugen angeordneten Ladestationen problematisch, da hier eine Vielzahl weiterer elektronischer Geräte, beispielsweise ein Autoradio oder ein Navigationssystem, in der unmittelbaren Nähe der Ladestation angeordnet sind. Bei Ladestationen zum Aufladen elektrisch betriebener Fahrzeuge kommt hinzu, dass der Abstand zwischen der wenigstens einen Ladespule und der wenigstens einen Empfangsspule sehr groß ausgebildet ist und zudem ein großer elektrischer Strom in der wenigstens einen Empfangsspule zu induzieren ist, um die teilweise sehr großen Akkumulatoren und Energiespeicher des Fahrzeuges zu laden. Es müssen folglich starke elektromagnetische Felder in der wenigstens einen Ladespule erzeugt werden, was zu einer erhöhten Abstrahlung elektromagnetischer Felder auch in nicht gewünschten Richtungen führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ladestation für ein elektrisches Gerät so weiterzuentwickeln, dass die in unerwünschte Richtungen abgestrahlte elektromagnetische Strahlung reduziert wird. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Ladestation gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich dadurch auszeichnet, dass die Ladestation wenigstens eine Führungsspule aufweist, die zumindest teilweise zwischen der Aufnahmeeinrichtung und der Ladespule angeordnet ist.
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Die wenigstens eine Führungsspule, die beispielsweise eine einzelne geschlossene Windung aus einem elektrisch leitenden Material sein kann, reduziert den Anteil der in unerwünschte Richtungen abgesandten elektromagnetischen Strahlung. Die wenigstens eine Führungsspule befindet sich im elektromagnetischen Feld der wenigstens einen Ladespule, wenn diese von einem elektrischen Wechselstrom durchflossen wird. Auch die Führungsspule befindet sich folglich in einem sich zeitlich verändernden Magnetfeld, so dass innerhalb der Führungsspule ein elektrischer Strom induziert wird, durch den ein magnetisches Feld hervorgerufen wird, das dem durch die wenigstens eine Ladespule hervorgerufenen magnetischem Feld entgegenwirkt. Auf diese Weise wird zumindest ein Teil des magnetischen Feldes der Ladespule kompensiert und so die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung reduziert.
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Vorzugsweise befindet sich die wenigstens eine Führungsspule vollständig zwischen der wenigstens einen Ladespule und der Aufnahmeeinrichtung, in die das elektrische Gerät aufgenommen werden kann. Dadurch wird der Effekt der wenigstens einen Führungsspule maximiert und die Anzahl der benötigten Windungen und damit die Menge des zum Herstellen der Führungsspule benötigten elektrisch leitfähigen Materials reduziert. Dadurch wird die Herstellung schneller, einfacher und kostengünstiger.
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Vorteilhafterweise verfügt die Führungsspule über weniger Windungen als die wenigstens eine Ladespule. Da durch die wenigstens eine Führungsspule keine Leistung auf die wenigstens eine Empfangsspule des elektrischen Gerätes übertragen werden muss, sondern lediglich störende in unerwünschte Richtungen ausgesandte und verlaufende Teile des Magnetfeldes kompensiert werden sollen, ist es ausreichend, die wenigstens eine Führungsspule mit weniger Windungen auszurüsten, als die wenigstens eine Ladespule. In bestimmten Anwendungsbereichen ist es ausreichend, nur eine einzige geschlossene Windung als Führungsspule zu verwenden. Dadurch wird die Menge des benötigten elektrisch leitfähigen Materials weiter reduziert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die wenigstens eine Führungsspule elektrisch mit einem Bezugspotential verbunden, insbesondere geerdet. Dadurch werden die Emissionen des elektrischen Leiters, der die wenigstens eine Führungsspule bildet, begrenzt und zudem die beispielsweise nach dem Abschalten des elektrischen Wechselstromes, der durch die wenigstens eine Ladespule geführt wird, verbleibenden elektrostatischen Aufladungen und entsprechenden Kräfte abgebaut bzw. vermieden.
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Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass eine Querschnittsfläche der wenigstens einen Führungsspule größer ist als eine Querschnittsfläche der wenigstens einen Ladespule. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Einfluss der wenigstens einen Führungsspule auf den gewünschten magnetischen Fluss in Richtung auf die wenigstens eine Empfangsspule des elektrischen Gerätes möglichst gering ist und der elektrische Strom in der wenigstens einen Führungsspule insbesondere durch die störenden Anteile des Magnetfeldes und die abgesandte elektromagnetische Strahlung induziert werden. Anschaulich gesprochen befindet sich in diesem Fall die wenigstens eine Führungsspule nicht im Bereich der Feldlinien, die die wenigstens eine Ladespule verlassen und durch die wenigstens eine Empfangsspule des elektrischen Gerätes verlaufen, sondern steht insbesondere den magnetischen Feldlinien im Weg, die nicht auch durch die Empfangsspule verlaufen und somit die unerwünschten verstreuten magnetischen Feldlinien bilden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die wenigstens eine Führungsspule eine gedruckte Schaltung, insbesondere auf einer Leiterplatte. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Führungsspule auf besonders einfache und kostengünstige sowie materialsparende Weise hergestellt werden und anschließend auf konstruktiv besonders einfache Weise in der Ladestation verbaut werden. Zudem ist es auf diese Weise besonders einfach möglich, defekte oder beschädigte Führungsspulen auszutauschen, indem beispielsweise die die wenigstens eine Führungsspule tragende Leiterplatte ausgebaut und durch eine andere ersetzt wird.
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Vorzugsweise ist die Leiterplatte die Leiterplatte der Antennenkopplung. Diese Leiterplatte ist ohnehin in den meisten Ladestationen, insbesondere für mobile elektrische oder elektronische Kommunikationsgeräte, vorhanden. Indem auf diese bereits vorhandene Leiterplatte vor der Montage der Leiterplatte in der Ladestation als gedruckte Schaltung die wenigstens eine Führungsspule aufgebracht wird, wird kein zusätzlicher Bauraum in der Ladestation benötigt, so dass die Ladestation trotz der zusätzlich vorhandenen wenigstens einen Führungsspule baulich klein und kompakt ausgeführt werden kann.
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Vorteilhafterweise besteht die wenigstens eine Führungsspule aus wenigstens einem metallischen Draht, insbesondere aus Kupfer, Silber, versilbertem Metall oder Blech. Natürlich sind auch andere elektrisch leitende Materialien denkbar, in denen sich durch ein zeitlich veränderndes Magnetfeld ein elektrischer Strom induzieren lässt.
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Vorzugsweise verfügt die wenigstens eine Führungsspule über einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt. Besonders vorteilhafterweise weist der Querschnitt der wenigstens einen Führungsspule die gleiche geometrische Form wie der Querschnitt der wenigstens einen Ladespule auf. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die beiden Spulen konzentrisch zueinander angeordnet werden können, so dass der Abstand zwischen der wenigstens einen Führungsspule und der entsprechenden wenigstens einen Ladespule an jeder Stelle des Umfangs der beiden Spulen konstant ist, so dass auch die Dämpfungs- und Führungswirkung der wenigstens einen Führungsspule an jeder Stelle entlang des Umfangs der beiden Spulen gleich groß ist.
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Die wenigstens eine Ladespule kann relativ zur Aufnahmeeinrichtung verschieblich ausgebildet sein, um beispielsweise einer ungenauen Positionierung des elektrischen Gerätes in der Aufnahmeeinrichtung Rechnung tragen zu können. Vorteilhafterweise ist in diesem Fall auch die wenigstens eine Führungsspule verschieblich ausgebildet und besonders vorteilhafterweise mechanisch mit der wenigstens einen Ladespule gekoppelt, so dass die beiden Spulen nur gemeinsam miteinander verschoben werden können. Auf diese Weise wird einerseits erreicht, dass auch bei ungenau positioniertem elektrischen Gerät in der Aufnahmeeinrichtung die maximale Leistung von der wenigstens einen Ladespule auf die wenigstens eine Empfangsspule übertragen werden kann und gleichzeitig eine optimale Abschirmung und Führung der unerwünschten magnetischen Feldlinien durch die wenigstens eine Führungsspule erreicht wird.
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Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Ladestation mehrere Ladespulen und mehrere, insbesondere genauso viele, Führungsspulen aufweist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass für jede der Ladespulen wenigstens eine Führungsspule vorhanden ist. Unabhängig davon, ob eine oder mehrere Ladespulen vorhanden sind, kann es sinnvoll sein, mehrere Führungsspulen für eine Ladespule vorzusehen, die beispielsweise in unterschiedlichen Abständen zur jeweiligen Ladespule angeordnet werden können. Dabei können die unterschiedlichen Führungsspulen unterschiedliche oder gleiche Durchmesser und/oder unterschiedliche oder gleiche geometrische Querschnittsformen und/oder gleiche oder unterschiedliche Windungszahlen aufweisen. Auf diese Weise lassen sich individuelle Führungen konstruieren, um das sich zeitlich ändernde Magnetfeld, das durch die Ladespule erzeugt wird, in Abhängigkeit der jeweiligen Bedürfnisse und Erfordernisse individuell beeinflussen zu können.
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Vorzugsweise verläuft wenigstens ein elektrischer Leiter, der die wenigstens eine Führungsspule bildet, um den Umfang der wenigstens einen Führungsspule mäandrierend. Auf diese Weise wird ein größerer Anteil des nicht gewünschten magnetischen Feldes, das nicht durch die Empfangsspule des wenigstens einen elektrischen Gerätes verläuft, abgefangen und „unschädlich gemacht”.
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Mit Hilfe der beigefügten Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
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1 – die schematische Ansicht eines Teils einer Ladestation gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 bis 4 – schematische Draufsichten auf unterschiedliche Spulenanordnungen in einer Ladestation gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt die schematische Ansicht eines Teils einer Ladestation gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. An einem Bauteil 2 der Ladestation, das beispielsweise eine Ferritabschirmung sein kann, ist wenigstens eine Ladespule 4 angeordnet, die mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt werden kann. Dadurch entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das durch schematisch gezeichnete Ladefeldlinien 6 dargestellt ist. Man erkennt, dass ein Teil der Ladefeldlinien 6 im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht nach oben verläuft, und somit durch eine Empfangsspule 8 verläuft, die Teil eines elektrischen Gerätes ist, von dem nur ein Grundbauteil 10 dargestellt ist, das beispielsweise ebenfalls eine Ferritabschirmung sein kann. Diese in 1 senkrecht nach oben verlaufenden Ladefeldlinien 6 durchlaufen folglich ebenfalls die Empfangsspule 8 und sorgen so dafür, dass in der Empfangsspule 8 im elektrischen Gerät ein Strom induziert wird, durch den ein Akkumulator oder eine Batterie des elektrischen Gerätes aufgeladen werden kann. Wie in 1 jedoch ebenfalls zu erkennen ist, verlaufen nicht alle Ladefeldlinien 6 in dieser Richtung. Das Magnetfeld wird zudem durch gekrümmt dargestellte Ladefeldlinien 6 illustriert, die nicht durch die Empfangsspule 8 verlaufen. Diese sind unerwünscht und sorgen für eine Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, die benachbarte und umgebende elektrische und/oder elektronische Geräte stören und gegebenenfalls zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen können.
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Zur Reduzierung des durch diese Ladefeldlinien 6 dargestellten magnetischen Flusses ist eine Führungsspule 12 dargestellt, die mindestens eine geschlossene Windung eines elektrischen Leiters umfasst. Da sich dieses in sich ändernde Magnetfeld, das durch die Ladefeldlinien 6 dargestellt ist, befindet, wird in der Führungsspule 12 ein elektrischer Strom induziert, dessen Richtung durch die Pfeilspitze 14 angedeutet ist. Dieser Strom hat die Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zur Folge, das durch Führungsfeldlinien 16 illustriert wird. Man erkennt, dass die Führungsfeldlinien 16 den Ladefeldlinien 6, die nicht durch die Empfangsspule 8 verlaufen, entgegengesetzt wirken. Die Stärke des magnetischen Feldes, das nicht durch die Empfangsspule 8 verläuft, wird auf diese Weise deutlich reduziert, so dass auch die Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung reduziert wird.
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Die Führungsspule 12 ist über eine elektrische Leitung 18 mit einem Bezugspotential 20 verbunden.
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Man erkennt in 1, dass die Führungsspule 12 viereckig ausgebildet ist, während die Ladespule 4 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Dies ist eine mögliche, jedoch nicht notwendige Konfiguration. Vorzugsweise ist jedoch der eine Querschnittsfläche der Führungsspule 12 größer als die Querschnittsfläche der Ladespule 4. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass sich der elektrische Leiter, der die Führungsspule 12 bildet, im Bereich der Ladefeldlinien 6 befindet, die nicht durch die Empfangsspule 8 verlaufen.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Spulenanordnung einer Ladestation gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sie verfügt über vier Ladespulen 4, von denen nur eine, nämlich die durchgehend gezeichnete zweite von rechts in 2 aktiv ist. Dadurch, dass mehrere Ladespulen 4 vorhanden sind, kann auf unterschiedliche Positionierungen des elektrischen Gerätes reagiert werden, indem beispielsweise unterschiedliche Ladespulen 4 aktiv verwendet werden, um den Akku oder die Batterie des elektrischen Gerätes zu laden. Zusätzlich zu den mehreren Ladespulen 4 ist eine Leiteranordnung 22 dargestellt, bei denen die jeweils in 2 von oben nach unten verlaufenden Leiter über ein Schaltelement 24 verfügen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier der Schaltelemente 24 geöffnet und zwei geschlossen. Auf diese Weise wird eine viereckige Führungsspule 12 gebildet, an deren Innenseite zur besseren Sichtbarkeit eine gestrichelte Linie verläuft. Man erkennt, dass durch Öffnen bzw. Schließen unterschiedlicher Schaltelemente 24 die Größe und die Position der Führungsspule 12 verändert und beispielsweise an andere aktive Ladespulen 4 angepasst werden kann. Genauso ist es denkbar, auch unterschiedliche Formen von Führungsspulen 12 auf diese Weise erreichbar zu machen. Die einzelnen Schaltelemente 24 können dabei beispielsweise mechanische Verbindungsstücke oder ein Halbleiter-Verbindungsstück sein, das in einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand bringbar ist.
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Eine ähnliche Leiteranordnung 22 ebenfalls mit unterschiedlichen Schaltelementen 24 kann verwendet werden, wenn wenigstens eine der vorhandenen Ladespulen verschieblich ausgebildet ist, und so die Position der Ladespule 4 relativ zum Rest der Ladestation verändert werden kann. Auch in diesem Fall kann es sinnvoll sein, einzelne Schaltelemente zu öffnen oder zu schließen, um die Position und Größe der Führungsspule 12 an die geänderte Position der Ladespule anzupassen. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, die Führungsspule 12 mit einer beweglich ausgestalteten Ladespule 4 zu koppeln und auf diese Weise zu erreichen, dass Ladespule 4 und Führungsspule 12 gemeinsam verschoben werden können.
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3 zeigt eine weitere Anordnung, die über drei Ladespulen 4 verfügt. Die Ladespulen 4 sind im in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel oval ausgebildet. Eine der Ladespulen 4 ist quer, die anderen beiden hochkant positioniert. Die Leiteranordnung 22, die über die elektrische Leitung 18 mit dem Bezugspotential 20 verbunden ist, verfügt im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht über Schaltelemente 24, durch die einzelne Elemente der Leiteranordnung 22 geöffnet oder geschlossen werden können. Vielmehr bildet die Leiteranordnung 22 für alle drei Ladespulen 4 die jeweils benötigte Führungsspule 12. Die in 3 rechte Schleife und die linke Schleife können dabei separat als Führungsspule 12 für die rechte und linke hochkant angeordnete Ladespule 4 verwendet werden, während für die quer angeordnete mittlere Ladespule 4 der äußere Ring der Leiteranordnung 22 als entsprechende Führungsspule 12 verwendet wird.
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4 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der lediglich der äußere Ring der Leiteranordnung mäandrierend ausgebildet ist, um so die Funktionalität und den Effekt zu maximieren und so beispielsweise die Anzahl der benötigten Windungen der Führungsspule 12 zu reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Bauteil
- 4
- Ladespule
- 6
- Ladefeldlinie
- 8
- Empfangsspule
- 10
- Grundbauteil
- 12
- Führungsspule
- 14
- Pfeilspitze
- 16
- Führungsfeldlinie
- 18
- Elektrische Leitung
- 20
- Bezugspotential
- 22
- Leiteranordnung
- 24
- Schaltelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0315039 A1 [0004]
- US 7392068 B2 [0004]
