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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieübertragung.
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Eine herkömmliche induktive Ladevorrichtung als eine Vorrichtung zur Energieübertragung hat ein Bodenmodul, ein Fahrzeugmodul und eine Wandbox. Die an einer Wand angebrachte Wandbox speist über eine Hochspannungsleitung einen Eingangswechselstrom in eine sich im Bodenmodul befindliche Senderspule ein, die dadurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Ein Teil der Energie des in der Senderspule erzeugten elektromagnetischen Felds wird in eine sich im Fahrzeugmodul befindliche Empfängerspule übertragen, die dadurch wiederum ein elektromagnetisches Feld mit einem entsprechenden Ausgangswechselstrom erzeugt. Im Fahrzeug ist ein Gleichrichter angeordnet, der den Ausgangswechselstrom gleichrichtet und einer Gleichspannungsladevorrichtung zum Laden einer Fahrzeugbatterie zuführt.
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Die Senderspule und die Empfängerspule werden als Resonatorspulen bezeichnet, die in so genannte Resonatoren angeordnet sind. Die Resonatorspulen sind stromführende Leitungen, die üblicherweise als Litzen ausgebildet sind. Die Litzen sind auf einem Kunststoffträger angeordnet. Auf einer der Resonatorspule entgegengesetzten Seite des Kunststoffträgers sind Ferritelemente angeordnet. Die Ferritelemente sind mit einem Wärmeleiter thermisch gekoppelt, so dass eine passive Kühlung der Litzen bewirkt wird. Dabei wird die in der Litze erzeugte Wärme über den Kunststoffträger, die Ferritelemente und den Wärmeleiter zu einem Gehäuse des Resonators abgeführt.
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Falls der Leistungsverlust im Resonator zu hoch wird, kann die passive Kühlung nicht genug Wärme abführen. Dadurch kann sich die Litze übermäßig erhitzen, so dass der Wirkungsgrad des Resonators abfällt oder die Litze überhitzt und beschädigt wird. Davon abgesehen kann sich die Temperatur des Gehäuses des Resonators auf mehr als 85°C erhöhen. Bei einer Temperatur, die geringer ist als 85°C, verringert sich die Verletzungsgefahr für Benutzer, die mit dem Gehäuse in Kontakt kommen können.
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Bislang wurden Leiterplatten und elektronische Komponenten über eine Wärmeleitpaste an ein meist aus Aluminium bestehendes Gehäuse angebunden und so gekühlt. Über das Gehäuse wurde die Verlustleistung in Form von Wärmeenergie über natürliche Konvektion, aktive Kühlung wie zum Beispiel Ventilatoren an die Umgebungsluft abgegeben oder über eine Wasserkühlung abtransportiert.
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Beim induktiven Laden ist eine solche Art der Kühlung aus verschiedenen Gründen nicht möglich. Das Gehäuse muss magnetisch durchlässig sein, so dass es nicht metallisch sein darf und üblicherweise aus Kunststoff besteht. Kunststoff ist wiederum ein schlechter thermischer Leiter und hat deshalb keinen guten Kühleffekt. Darüber hinaus dürfen keine metallischen Teile zum Wärmetransport verwendet werden, da diese das Magnetfeld negativ beeinflussen und sich gleichzeitig durch Wirbelströme selbst erhitzen. Da beim Laden sehr hohe Spannungen im kV-Bereich auftreten können, müssen die elektronischen Bauteile sehr gut zum Gehäuse elektrisch isoliert sein, beispielweise indem große Abstände der elektronischen Bauteile zum Gehäuse vorgesehen werden. Aufgrund der Baugruppenanordnung muss der Resonator, der eine hohe Verlustleistung hat, zentral im Gehäuse verbaut werden, so dass die Strecken zum Wärmetransport sehr groß sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energieübertragung, insbesondere eine induktive Ladevorrichtung wie zum Beispiel einen Resonator vorzusehen, durch die die Betriebssicherheit verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieübertragung, mit einer stromführenden Leitung, die um eine Achse spulenförmig gewickelt ist, und zumindest einem Keramikelement, das über seine Oberfläche, die senkrecht zu der Achse ist, mit der stromführenden Leitung thermisch gekoppelt ist. Das Keramikelement ist in vorteilhafter Weise durchlässig für magnetische Felder, und es erwärmt sich nicht aufgrund des magnetischen Feldes. Das Keramikelement hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und kann die in der stromführenden Leitung erzeugte Verlustleistung gut abführen. Darüber hinaus ist das Keramikelement elektrisch isolierend. Es können Keramikelemente aus Keramikmaterialien verwendet werden, die eine ähnliche Biegefestigkeit und Wärmeleitfähigkeit wie Metalle haben.
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Vorzugsweise ist die stromführende Leitung eine Planarspule, die in einer Ebene ausgebildet ist, die parallel zu der Oberfläche des Keramikelements ist. Vorzugsweise ist die stromführende Leitung zwischen einem ersten Keramikelement und einem zweiten Keramikelement angeordnet. Durch diese Anordnungen wird jeweils eine besonders gute thermische Kopplung erreicht.
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Vorzugsweise hat die Vorrichtung des Weiteren ein Ferritelement aus einem Ferritmaterial, das zwischen der stromführenden Leitung und dem Ferritelement angeordnet ist. Vorzugsweise hat die Vorrichtung ein Ferritelement aus einem Ferritmaterial, das zwischen der stromführenden Leitung und dem Keramikelement oder zwischen einem ersten Keramikelement und einem zweiten Keramikelement angeordnet ist. Vorzugsweise hat die Vorrichtung ein Ferritelement aus einem Ferritmaterial, wobei die stromführende Leitung zwischen dem Keramikelement und dem Ferritelement angeordnet ist. Durch diese Anordnungen wird jeweils eine kompakte Struktur mit guter thermischer Kopplung erreicht. Das Ferritelement kann neben seiner eigentlichen Funktion zur Beeinflussung des Magnetfelds eine Funktion zum Stützen der stromführenden Leitung haben.
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Vorzugsweise hat die Vorrichtung des Weiteren einen Rahmen oder Gehäuse, in dem die stromführende Leitung untergebracht ist, wobei das Keramikelement aus dem Rahmen oder Gehäuse herausragt. In vorteilhafter Weise kann eine aktive Kühlung wie zum Beispiel ein externer Ventilator oder eine Flüssigkeitskühlung verwendet werden, die die von dem Keramikelement transportierte Wärme zur Außenseite abführen. In vorteilhafter Weise kann dadurch die Vorrichtung kostengünstig bereitgestellt und betrieben werden, da keine aktive Kühlung innerhalb des Gehäuses angeordnet werden muss.
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Vorzugsweise hat die Vorrichtung des Weiteren einen Rahmen, in dem zumindest die stromführende Leitung untergebracht ist, und ein Außengehäuse, in dem zumindest der Rahmen und zumindest eines der Keramikelemente untergebracht sind.
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Vorzugsweise verfügt das Außengehäuse über zumindest zwei aneinandergefügten Gehäusekomponenten, und zumindest eines der Keramikelemente ragt zwischen einer Trennfuge der zwei aneinandergefügten Gehäusekomponenten aus dem Gehäuse heraus. Auch hier kann in vorteilhafter Weise eine externe, aktive Kühlung vorgesehen werden.
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Vorzugsweise erwärmen sich der Rahmen, das Gehäuse und/oder das Außengehäuse mit dem Keramikelement im Betrieb der Vorrichtung auf nicht mehr als 90°C, vorzugsweise auf nicht mehr als 85°C.
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Vorzugsweise hat die Vorrichtung des Weiteren ein weiteres Keramikelement, das in oder an dem Rahmen, dem Gehäuse oder dem Außengehäuse angeordnet ist und/oder aus dem Rahmen, dem Gehäuse oder dem Außengehäuse herausragt.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung eine induktive Ladevorrichtung oder ein Resonator einer induktiven Ladevorrichtung, und die stromführende Leitung bildet eine Spule der induktiven Ladevorrichtung oder des Resonators. Weiter bevorzugt ist die induktive Ladevorrichtung dazu konfiguriert, ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung aufzuladen. Weiter bevorzugt ist das Außengehäuse ein Gehäuse der induktiven Ladevorrichtung oder ein Gehäuse eines Resonators der induktiven Ladevorrichtung.
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Vorzugsweise ist zumindest eines der Keramikelemente plattenförmig und/oder als Kühlrippe ausgebildet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Gestalt einer induktiven Ladevorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung;
- 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Gestalt einer induktiven Ladevorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug zur Personen- oder Lastbeförderung. Die induktive Ladevorrichtung hat ein Bodenmodul 101, ein Fahrzeugmodul 102 und eine Wandbox 105. Die an einer Wand angebrachte Wandbox 105 speist über eine Hochspannungsleitung 106 einen Eingangswechselstrom in eine sich im Bodenmodul 101 befindliche Resonatorspule (Senderspule) ein, die dadurch ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Ein Teil der Energie des in der Senderspule erzeugten elektromagnetischen Felds wird in eine sich im Fahrzeugmodul 102 befindliche Resonatorspule (Empfängerspule) übertragen, die dadurch wiederum ein elektromagnetisches Feld mit einem entsprechenden Ausgangswechselstrom erzeugt. Im Fahrzeug ist ein Gleichrichter angeordnet, der den Ausgangswechselstrom gleichrichtet und einer Gleichspannungsladevorrichtung zum Laden einer Fahrzeugbatterie zuführt.
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Die Senderspule und die Empfängerspule werden jeweils als Resonatorspule bezeichnet und sind in entsprechende Resonatoren 103, 104 des Bodenmoduls 101 und des Fahrzeugmoduls 102 angeordnet. Die Resonatorspulen bilden jeweils eine stromführende Leitung im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Resonatorspulen sind üblicherweise durch Litzen ausgebildet.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 3 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung zur Energieübertragung bildet den Resonator 103. Die Vorrichtung hat eine stromführende Leitung 1, die um eine Achse z spulenförmig gewickelt ist. Die Vorrichtung hat ferner mehrere Keramikelemente 2, die über ihre ebenen Oberflächen, die senkrecht (d.h. normal) zu der Achse sind, mit der stromführenden Leitung 1 thermisch gekoppelt sind. Die stromführende Leitung 1 ist eine Planarspule, die in einer Ebene planar ausgebildet ist, die parallel zu den Oberflächen der Keramikelemente 2 ist.
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Die Vorrichtung hat des Weiteren ein Ferritelement 3 aus einem Ferritmaterial. Die Keramikelemente 2 sind zwischen der stromführenden Leitung 1 und dem Ferritelement 3 angeordnet.
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Die Vorrichtung hat des Weiteren einen Rahmen bzw. ein Gehäuse 4, in dem die stromführende Leitung 1 untergebracht ist, wobei die Keramikelemente 2 aus dem Rahmen oder Gehäuse 4 herausragen. Es kann eine aktive Kühlung (nicht gezeigt) wie zum Beispiel ein externer Ventilator oder eine Flüssigkeitskühlung verwendet werden, die die von den Keramikelementen 2 transportierte Wärme zur Außenseite abführen.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 5 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Unterschiede nachfolgend beschrieben werden.
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Die Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hat einen Rahmen 4, in dem zumindest die stromführende Leitung 1 untergebracht ist, und ein Außengehäuse 5, in dem zumindest der Rahmen 4 und die Keramikelemente 2 untergebracht sind. Das Außengehäuse 5 ist ein Gehäuse des Resonators 103 des Bodenmoduls 101.
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Die Vorrichtung hat des Weiteren ein weiteres Keramikelement 6, das in bzw. an dem Außengehäuse 5 angeordnet ist und aus dem Außengehäuse 5 herausragt. Das Außengehäuse 5 verfügt über zumindest zwei aneinandergefügten Gehäusekomponenten 5a, 5b, und das weitere Keramikelement 6 ragt zwischen einer Trennfuge 5c der zwei aneinandergefügten Gehäusekomponenten 5a, 5b aus dem Außengehäuse 5 heraus. Die Trennfuge ist 5c durch eine Dichtung abgedichtet.
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Beim ersten und beim zweiten Ausführungsbeispiel würden sich der Rahmen 4, das Gehäuse 4 und/oder das Außengehäuse 5 ohne Keramikelemente 2 im Betrieb der Vorrichtung auf wenigstens 80°C erwärmen, und sie erwärmen sich mit den Keramikelementen 2 im Betrieb der Vorrichtung auf nicht mehr als 90°C, vorzugsweise auf nicht mehr als 85°C.
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Die 4 und 5 zeigen darüber hinaus Sensoren 7 und eine Leiterplatte 8, die außerhalb des Rahmens 4 aber innerhalb des Außengehäuses 5 angeordnet sind. Die Sensoren 7 und die Leiterplatte 8 sind neben bzw. unter den Keramikelementen 2 platziert. Die Wärmeleitung entlang den Keramikelementen 2 verläuft demnach an den Sensoren 7 und der Leiterplatte 8 vorbei.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Unterschiede nachfolgend beschrieben werden.
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Die Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hat Ferritelemente 3, die zwischen einem ersten Keramikelement 2 und einem zweiten Keramikelement 2 angeordnet sind. Das erste und das zweite Keramikelement 2 können Löcher oder Aussparungen aufweisen, wie es beispielhaft im Keramikelement 2 gezeigt ist, das oben rechts in der 6 angeordnet ist. Das unterste von dem ersten und dem zweiten Keramikelement 2 liegt auf einem Gehäuseboden des Rahmens oder Gehäuses 4 auf.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Energieübertragung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die Unterschiede nachfolgend beschrieben werden.
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Bei der Vorrichtung des vierten Ausführungsbeispiels ist die stromführende Leitung 1 zwischen einem ersten Keramikelement 2 und einem zweiten Keramikelement 2 angeordnet.
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Bei dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel wird jeweils eine Sandwichstruktur vorgesehen, bei der die stromführende Leitung 1 bzw. das Ferritelement 3 zwischen Keramikelementen 2 angeordnet ist.
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Es sind Abwandlungen möglich, bei denen das Ferritelement 3 zwischen der stromführenden Leitung 1 und dem Keramikelement 2 angeordnet ist, oder bei denen die stromführende Leitung 1 zwischen dem Keramikelement 2 und dem Ferritelement 3 angeordnet ist.
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In dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel ragen einige Keramikelemente 2, 6 aus den Gehäusen 4, 5 heraus. In diesem Fall dienen diese Keramikelemente 2, 6 als Kühlrippe und sorgen damit für eine noch bessere Wärmeabfuhr.
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In den Ausführungsbeispielen sind die Keramikelemente 2, 6 plattenförmig ausgebildet. Es sind Abwandlungen möglich, bei denen die Keramikelemente 2, 6 anders ausgebildet sind, zum Beispiel block- oder wellenförmig förmig. Es sind Abwandlungen möglich, bei denen die stromführende Leitung 1 in einem Keramikelement 2 eingebettet ist.
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Die stromführende Leitung 1 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils als ebene Planarspule ausgebildet. Es sind Abwandlungen möglich, bei denen die stromführende Leitung 1 nicht in einer Ebene sondern beispielsweise in einer Sphäre aufgewickelt ist. Das zumindest eine Keramikelement 2 ist dann komplementär ausgebildet. Falls die stromführende Leitung 1 in einer Sphäre aufgewickelt ist, hat das zumindest eine Keramikelement 2 eine komplementär sphärische Oberfläche, die parallel zu der Sphäre der stromführenden Leitung 1 ist, um die thermische Kopplung zu optimieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- stromführende Leitung
- 2
- Keramikelement
- 3
- Ferritelement
- 4
- Rahmen, Gehäuse
- 5
- Außengehäuse
- 5a
- Gehäusekomponenten
- 5b
- Gehäusekomponenten
- 5c
- Trennfuge
- 6
- weiteres Keramikelement
- 7
- Sensor
- 8
- Leiterplatte
- 101
- Bodenmodul
- 102
- Fahrzeugmodul
- 103
- Resonator
- 104
- Resonator
- 105
- Wandbox
- 106
- Hochspannungsleitung
