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Die Erfindung betrifft eine Doppelflachwicklung, eine Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärspule an die Sekundärwicklung eines Mobilteils und ein Verfahren zum Betreiben der Anordnung.
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Es ist allgemein bekannt, dass eine Flachwicklung zur Erzeugung von magnetischem Fluss verwendbar ist.
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Aus der
JP 595 46 98 B2 ist als nächstliegender Stand der Technik ist eine Primärwicklung für ein berührungsloses Versorgungssystem bekannt.
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Aus der
DE 10 2012 202 472 A1 ist eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie auf eine korrespondierende Vorrichtung bekannt.
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Aus der
WO 2015 / 094 964 A1 ist eine Spulentopologie für ein induktives Übertragungssystem bekannt.
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Aus der
US 2016 / 0 0 13 661 A1 ist ein Resonator für ein kabelloses Leistungsübertragungssystem bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren weiterzubilden, wobei
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Doppelflachwicklung nach den in Anspruch 1, bei der Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärspule an die Sekundärwicklung eines Mobilteils nach den in Anspruch 11 und bei dem Verfahren zum Betreiben der Anordnung nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
- Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Doppelflachwicklung sind, dass sie eine erste und eine zweite Teilwicklung aufweist,
- insbeosndere so dass die Doppelflachwicklung in gegensinniger oder in gleichsinniger Durchflutung betreibbar ist,
- wobei zumindest eine Windung der ersten Teilwicklung mit zumindest einer Windung der zweiten Teilwicklung überlappt,
- insbesondere also der von der Windung der ersten Teilwicklung umwickelte Bereich mit dem von der Windung der zweiten Teilwicklung umwickelten Bereich überlappt.
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Von Vorteil ist dabei, dass bei gleichsinniger Durchflutung der Doppelflachwicklung die Überlappung trotz kompakter Ausführung eine möglichst gute gegenseitige Auslöschung positiver und negativer Windungsabschnitte zwischen den beiden Teilwicklungen erreichbar ist. Durch die überlappende, also verschränkte, Anordnung reichen Wicklungssegmente der ersten Teilwicklung in den von der zweiten Teilwicklung umwickelten Flächenberiech hinein und umgekehrt. Vorzugsweise wechseln sich je eine Windung positiver und negativer Durchflutung jeweils ab. Ebenfalls von Vorteil ist aber auch ein paarweises Abwechseln, da dies eine symmetrische Parallelschaltung jeweils zweier Teilwindungen erlaubt.
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Erfindungsgemäß stehen sich im Überlappungsbereich Bereiche positiver und negativer Durchflutung räumlich derart nahe, dass auf die Ausbildung eines Magnetfeldes nur ein geringer Einfluss ausgeübt wird.
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Bei gegensinniger Durchflutung der Doppelflachspule sind die beiden gegensinnig durchfluteten Flächenberieche voneinander beabstandet. Somit ist elektrische Energie an eine Sekundärwicklung übertragbar, welche als entsprechend ausgestaltete Doppelflachspule ausgeführt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Teilwicklung als ebene Wicklung, insbesondere Flachwicklung, ausgeführt,
wobei die zweite Teilwicklung als ebene Wicklung, insbesondere Flachwicklung, ausgeführt ist,
wobei die erste Teilwicklung und die zweite Teilwicklung in derselben Ebene angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ausführbar ist. Insbesondere ist die Doppelflachwicklung auf einer Leiterplatte ausführbar. Vorzugsweise ist eine mehrlagige Leiterplatte, also Multilayer-Leiterplatte verwendet. Somit ist die Wicklung als ebene Wicklung ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Windungen jeder Teilwicklung konzentrisch zueinander. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste Windung der ersten Teilwicklung von einer zweiten Windung der ersten Teilwicklung umfasst,
wobei die erste Windung mit einer geringeren Anzahl von Windungen der zweiten Teilwicklung überlappt als die zweite Windung, insbesondere wobei die geringere Anzahl Null ist.
insbesondere wobei die zweite Windung direkt auf die erste Windung folgt. Von Vorteil ist dabei, dass ein Überlappen erreichbar ist. Hierbei werden insbesondere eine positiv durchflutete Windung und eine negativ durchflutete Windung der anderen Teilwicklung überlappend angeordnet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Teilwicklung mehrere direkt aufeinander folgende Windungen auf, wobei die jeweils auf eine vorherige Windung folgende Windung mit einer gleichen oder größeren Anzahl von Windungen der zweiten Teilwicklung überlappt als die zweite Windung,
insbesondere wobei die auf die vorherige Windung folgende Windung die vorherige Windung umfasst, insbesondere also die vorherige Windung in dem von der auf die vorherige Windung folgenden Windung umwickelten Flächenbereich angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung bei Überlappung ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die direkt aufeinanderfolgenden Windungen der ersten Teilwicklung mit einer Zahlenfolge hochgezählt, insbesondere so dass jeder Windung eine jeweilige Zahl zugeordnet ist, welche um Eins höher ist als die der jeweils vorhergehenden Windung zugeordnete Zahl,
wobei die Anzahl eine monoton steigende Funktion der Zahlenfolge ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein möglichst glatter Übergang im Überlappungsbereich erreichbar ist
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste und zweite Teilwicklung jeweils als Rechteckspule oder Rechteckwicklung ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste Windung der zweiten Teilwicklung von einer zweiten Windung der zweiten Teilwicklung umfasst, insbesondere wobei die von der ersten Windung umwickelte Fläche in der von der zweiten Windung umwickelten Fläche enthalten ist,
wobei die erste Windung mit einer geringeren Anzahl von Windungen der ersten Teilwicklung überlappt als die zweite Windung, insbesondere wobei die geringere Anzahl Null ist,
insbesondere wobei die zweite Windung direkt auf die erste Windung folgt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Teilwicklung mehrere direkt aufeinander folgende Windungen auf, wobei die jeweils auf eine vorherige Windung folgende Windung mit einer gleichen oder größeren Anzahl von Windungen der ersten Teilwicklung überlappt als die zweite Windung,
insbesondere wobei die auf die vorherige Windung folgende Windung die vorherige Windung umfasst, insbesondere also die vorherige Windung in dem von der auf die vorherige Windung folgenden Windung umwickelten Flächenbereich angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Überlappung zu einem möglichst glatten Übergang führt auf kompaktem Raumbereich.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die direkt aufeinanderfolgenden Windungen der zweiten Teilwicklung mit einer Zahlenfolge hochgezählt, insbesondere so dass jeder Windung eine jeweilige Zahl zugeordnet ist, welche um Eins höher ist als die der jeweils vorhergehenden Windung zugeordnete Zahl,
wobei die Anzahl eine monoton steigende Funktion der Zahlenfolge ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
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Wichtige Merkmale bei der Anordnung sind, dass sie zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärspule an die Sekundärwicklung eines Mobilteils vorgesehen ist,
insbesondere wobei das Mobilteil relativ bewegbar zur Primärspule ist,
wobei die Primärspule eine vorgenannte Doppelflachwicklung aufweist, insbesondere welche auf einer aus Ferritmaterial gebildeten Platte angeordnet ist, wobei die Platte auf der von der Sekundärwicklung abgewandten Seite der Doppelflachwicklung angeordnet ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine aus Ferritmaterial gebildete Platte auf der von dem Boden abgewandten Seite der Sekundärwicklung am Mobilteil angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Wirkungsgrad bei der Übertragung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sekundärwicklung eine Einfachflachwicklung oder eine Doppelflachwicklung. Von Vorteil ist dabei, dass die als Primärspule verwendete, am Boden angeordnete Doppelflachwicklung zur Übertragung an eine als Einfachflachwicklung ausgeführte Sekundärwicklung verwendbar ist und alternativ auch an eine als Doppelflachwicklung ausgeführte Sekundärwicklung. Je nach Art der Sekundärwicklung wird die bodenseitige Doppelflachwicklung mit gleichsinniger oder gegensinniger Durchflutung betrieben.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer vorgenannten Anordnung sind, dass beim Heranfahren des Mobilteils zur Primärspule oder beim Eintreffen des Mobilteils in einem Raumbereich um die Doppelflachwicklung eine Information vom Mobilteil an eine die Doppelflachwicklung elektrisch speisende Einheit gesendet wird,
wobei die Doppelflachwicklung abhängig von der Information in gegensinniger oder gleichsinniger Durchflutung betrieben wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Durchflutung anpassbar ist an den Typ der Sekundärwicklung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung überschreitet die induktive Kopplung zwischen Doppelflachwicklung und Sekundärwicklung im Raumbereich einen Schwellwert überschreitet, insbesondere so dass die induktive Kopplung für eine Beladung des Mobilteils ausreichend stark ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine Doppelflachwicklung schematisch gezeigt, bei welcher die von einer ersten Teilwicklung 1 und zweiten Teilwicklung 2 umwickelten Bereiche gegensinnig durchflutet werden.
- In der 2 ist die Doppelflachwicklung schematisch gezeigt, bei welcher die von der ersten Teilwicklung 1 und zweiten Teilwicklung 2 umwickelten Bereiche gleichsinnig durchflutet werden.
- In der 3 ist eine erfindungsgemäße Doppelflachwicklung schematisch gezeigt, wobei der von der ersten Teilwicklung 31 umwickelte Bereich mit dem von der zweiten Teilwicklung 32 umwickelten Beriech überlappt.
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Wie in 1 und in 2 gezeigt, weist eine Doppelflachwicklung eine erste Teilwicklung 1 und eine zweite Teilwicklung 2 auf, welche in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind.
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Jede der Teilwicklungen 1 und 2 weist eine Anzahl von Windungen auf, wobei jede der Windungen als Rechteck mit gestrichelter beziehungsweise gestrichelter Linie gekennzeichnet ist In Realität ist jede der Teilwicklungen 1 und 2 als jeweilige ununterbrochene Spiralwicklung ausführbar, so dass also die jeweils zu einer Windung nächste Windung außerhalb der Windung angeordnet ist und somit die zur nächsten Windung gehörige durchflutete Fläche die Windung umfasst.
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Die erste Teilwicklung 1 überlappt jedoch nicht mit der zweiten Teilwicklung 2.
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Bei gegensinniger Durchflutung erzeugt die erste Teilwicklung 1 einen in Normalenrichtung aus der Teilwicklung ausströmenden Magnetfluss, die zweite Teilwicklung 2 jedoch einen in umgekehrter Richtung durch die zweite Teilwicklung einströmenden Magnetfluss. Die nächstkommenden Windungsbereiche der nebeneinander liegenden Seiten der Teilwicklungen (1, 2) sind gleichsinnig bestromt, weisen also die selbe Bestromungsrichtung auf.
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Bei gleichsinniger Durchflutung gemäß 2 erzeugt die erste Teilwicklung 1 einen in Normalenrichtung aus der Teilwicklung ausströmenden Magnetfluss, die zweite Teilwicklung 2 ebenfalls einen in gleicher Richtung durch die zweite Teilwicklung ausströmenden Magnetfluss.
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Die nächstkommenden Windungsbereiche der nebeneinander liegenden Seiten der Teilwicklungen (1, 2) sind gegensinnig bestromt, weisen also die unterschiedliche Bestromungsrichtung auf.
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In der 3 ist jedoch ein Überlappen der beiden Teilwicklungen 31 und 32 in der Wicklungsebene gezeigt.
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Erfindungsgemäß überlappt also eine erste Windung der ersten Teilwicklung 31 nicht mit Windungen der zweiten Teilwicklung 32, jedoch überlappt die zweite Windung der ersten Teilwicklung 31 mit einer Windung der zweiten Teilwicklung 32. Die dritte Windung der ersten Teilwicklung 31 überlappt mit zwei Windungen der zweiten Teilwicklung 32.
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Dies setzt sich so fort. Jede weiter nachfolgende Windung der ersten Teilwicklung 31 überlappt mit zusätzlich jeweils einer Windung der zweiten Teilwicklung 32.
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Auf diese Weise stehen sich bei gleichsinniger Durchflutung im Gegensatz zur Ausführung nach 2 erfindungsgemäß immer Bereiche positiver und negativer Durchflutung räumlich nahe, so dass auf die Ausbildung des Magnetfeldes nur ein deutlich geringerer Einfluss ausgeübt wird.
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Vorzugsweise ist die Überlappung zwischen den beiden Teilwicklungen 31 und 32 symmetrisch ausgeführt. Somit überlappt also auch eine erste Windung der zweiten Teilwicklung 32 nicht mit Windungen der ersten Teilwicklung 31, jedoch überlappt die zweite Windung der zweiten Teilwicklung 32 mit einer Windung der ersten Teilwicklung 31. Die dritte Windung der zweiten Teilwicklung 32 überlappt mit zwei Windungen der ersten Teilwicklung 32.
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Dies setzt sich so fort. Jede weiter nachfolgende Windung der ersten Teilwicklung 31 überlappt mit zusätzlich jeweils einer Windung der zweiten Teilwicklung 32.
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In 3 überlappen jeweils die sieben äußersten Windungen der Teilwicklungen 31 und 32 mit einer oder mehreren Windungen der jeweils anderen Teilwicklung.
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Vorzugsweise überlappen die vier äußersten Windungen jeder Teilwicklung (31,32) mit zumindest einer Windung der jeweils anderen Teilwicklung (32, 31).
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind statt der ersten, nicht überlappenden Windung jeder Teilwicklung (31, 32) auch mehrere nicht überlappende Windungen ausführbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist statt einer Windung jeweils ein Paar von Windungen vorgesehen. Somit unterscheidet sich dann die Ausführung darin, dass jede in 3 skizzierte Windung als jeweils zwei konzentrische, eng benachbarte Windungen ausgeführt ist, wobei die beiden Windungen dann jeweils mit derselben Anzahl von Windungen der anderen Teilwicklung überlappen.
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Die erfindungsgemäße Doppelflachwicklung wird vorteilhaft verwendet in einer Primärspule eines Systems zur induktiven Übertragung elektrischer Energie an ein Mobilteil, wie Fahrzeug, Elektroauto oder dergleichen.
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Hierbei wird die Doppelflachwicklung auf einer aus Ferritteilen oder aus Ferrit ausgeführten Platte angeordnet. Die so gebildete Spule wird als Primärspule am Boden angeordnet, so dass das Mobilteil, welches an seiner dem Boden zugewandten Unterseite eine Sekundärwicklung aufweist, zur Übertragung elektrischer Energie auf eine derartige Position am Boden verfahren wird, dass eine ausreichend starke induktive Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärwicklung erreicht wird.
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Der Sekundärwicklung ist eine derartige Kapazität parallel und/oder in Reihe zugeschaltet, dass die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises der Frequenz des von einem Einspeisegerät in die Primärspule eingeprägten Stromes gleicht. Durch diese resonante Übertragung ist ein hoher Wirkungsgrad erreichbar.
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Die Sekundärwicklung ist als ebene Flachwicklung ausführbar, wobei die Wicklung als spiralförmig, insbesondere rechteckspiralförmig, ausgeführt ist. Somit weist die Sekundärwicklung keine Teilwicklung auf. Der von der Sekundärwicklung umwickelte Flächenberiech ist gleichsinnig durchflutet.
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Somit ist bei gleichsinniger Durchflutung der Primärspule und mittiger Positionierung der Sekundärwicklung über der Primärspule ein hoher Wirkungsgrad bei der Übertragung der Energie erreichbar.
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Vorteiligerweise sind die Windungen der ersten Teilwicklung 31 konzentrisch zueinander und die Windungen der zweiten Teilwicklung 32 ebenfalls konzentrisch zueinander, wobei das Zentrum der ersten Teilwicklung vom Zentrum der zweiten Teilwicklung beabstandet ist.
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Alternativ ist aber auch als Sekundärwicklung eine Doppelflachspule verwendbar. Auch mit dieser ist ein hoher Wirkungsgrad bei der Übertragung elektrischer Energie erreichbar, wenn sie ebenfalls mittig über der Primärspule positioniert wird und die Primärspule mit gegensinniger Durchflutung betrieben wird, also die beiden Teilwicklungen (31, 32) der Primärspule zueinander gegensinnig durchflutet werden.
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Vorteil der Erfindung ist also die Kompatibilität der Doppelflachwicklung der Primärspule zur jeweiligen Sekundärwicklung, also entweder als Doppelflachwicklung ausgeführten Sekundärwicklung oder als Einfachflachwicklung ausgeführten Sekundärwicklung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Teilwicklung
- 2
- zweite Teilwicklung
- 31
- erste Teilwicklung
- 32
- zweite Teilwicklung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 5954698 B2 [0003]
- DE 102012202472 A1 [0004]
- WO 2015/094964 A1 [0005]
- US 2016/0013661 A1 [0006]
