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DE 10 2009 029 250 A1 offenbart ein System, aufweisend: eine Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Energie in Richtung eines elektrischen Verbrauchers mittels induktiver Kopplung, einen elektrischen Verbraucher, eine Aufstellfläche, auf die der elektrische Verbraucher zum Betrieb des Systems bestimmungsgemäß aufzustellen ist, eine an die Aufstellfläche angrenzende Nutzfläche, einen Verschiebungssensor zum Ermitteln, ob der elektrische Verbraucher über ein kritisches Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist oder nicht, und eine mit dem Verschiebungssensor gekoppelte Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, das Übertragen von Energie in Richtung des elektrischen Verbrauchers zu begrenzen oder zu unterbrechen, wenn der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist.
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WO 2021/ 142 108 A1 offenbart ein Induktionsheizsystem, bei dem eine Position eines Kochgefäßes auf einer Kochfläche erfasst und visualisiert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System mit einer Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Energie in Richtung eines elektrischen Verbrauchers mittels induktiver Kopplung und einem elektrischen Verbraucher zur Verfügung zu stellen, das möglichst betriebssicher ist.
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Das System weist eine Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Energie in Richtung eines elektrischen Verbrauchers mittels induktiver Kopplung auf, auch als Wireless Power Transfer, WPT, bezeichnet. Hinsichtlich der Grundlagen zu WPT sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Bevorzugt wird das System gemäß dem WPC (Wireless Power Consortium) Ki (Cordless Kitchen) Standard betrieben. Die Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Energie in Richtung des elektrischen Verbrauchers mittels induktiver Kopplung kann auch als Transmitter bezeichnet werden und der elektrische Verbraucher kann als Receiver bezeichnet werden. Die Vorrichtung weist typisch herkömmlich eine Transmitterspule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds auf.
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Das System weist weiter einen elektrischen Verbraucher auf, insbesondere in Form eines Ki-fähigen Küchengeräts, der/das kabellos mittels der Vorrichtung mit Betriebsenergie versorgt wird. Der elektrische Verbraucher weist typisch eine Receiverspule auf, in der aufgrund des mittels der Transmitterspule erzeugten magnetischen Wechselfelds eine Spannung induziert wird, die zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers dient. Die Transmitterspule und die Receiverspule sind magnetisch gekoppelt. Im Übrigen sei auf die einschlägigen Standards, insbesondere den Ki-Standard verwiesen.
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Das System weist weiter eine Aufstellfläche bzw. Aufstellplatte auf, auf die der elektrische Verbraucher zum Betrieb des Systems bestimmungsgemäß aufzustellen ist. Die Aufstellfläche kann beispielsweise Bestandteil eines Induktionskochfelds mit einer oder mehreren Induktionskochstellen sein. Die Aufstellfläche kann beispielsweise ein vorgegebener und/oder optisch gekennzeichneter Bereich auf einer Glaskeramikplatte eines Induktionskochfelds sein. In diesem Fall ist das Induktionskochfeld derart ergänzt, dass mindestens eine Kochstelle neben der herkömmlichen Induktions-Funktion auch eine Ki-Funktion (d.h. eine sogenannte Transmitter-Funktion) aufweist. Auf dieser Kochstelle kann dann beispielsweise der elektrische Verbraucher in Form eines Ki-fähigen Küchengeräts kabellos betrieben werden. Da diese Kochstelle zusätzlich auch als Induktions-Kochstelle fungieren kann, spricht man in diesem Fall von „Dual function“ (Induktion + Ki).
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Das System weist weiter eine an die Aufstellfläche angrenzende Nutzfläche bzw. Nutzplatte auf, beispielsweise in Form einer herkömmlichen Arbeitsplatte, die an die Aufstellfläche in Form einer Glaskeramikplatte beispielsweise an genau einer Seite angrenzt.
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Das System weist weiter einen Verschiebungssensor auf, der dazu vorgesehen ist, zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher über ein kritisches Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist oder nicht. Das kritische Maß kann beispielsweise derart definiert sein, dass bei einer Verschiebung des elektrischen Verbrauchers über das kritische Maß hinaus der elektrische Verbraucher die Nutzfläche zumindest teilweise überdeckt.
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Das System weist weiter eine mit dem Verschiebungssensor gekoppelte Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, das Übertragen von Energie in Richtung des elektrischen Verbrauchers zu begrenzen oder zu unterbrechen, wenn der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist.
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Die Vorrichtung weist ein Radio-Frequency Identification (RFID)-Lesegerät auf. Der Verschiebungssensor weist einen passiven RFID-Transponder auf, wobei der RFID-Transponder derart positioniert und ausgebildet ist, dass eine Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät und dem RFID-Transponder des Verschiebungssensors nur dann möglich ist, wenn der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob die Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät und dem RFID-Transponder des Verschiebungssensors möglich ist oder nicht, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist oder nicht. Alternativ oder zusätzlich hierzu weist der Verschiebungssensor einen Magnetfeldsensor auf, der dazu ausgebildet ist, ein mittels der Vorrichtung erzeugtes magnetisches Wechselfeld zu detektieren, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob das magnetische Wechselfeld detektiert wird oder nicht, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist oder nicht. Der Magnetfeldsensor ist derart positioniert und ausgebildet, dass er magnetisch über den elektrischen Verbraucher mit der Vorrichtung gekoppelt ist, wenn der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist, und dass er magnetisch nicht mit der Vorrichtung gekoppelt ist, wenn der elektrische Verbraucher nicht über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist.
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In einer Ausführungsform weist der elektrische Verbraucher einen, insbesondere passiven, RFID-Transponder auf, und der Verschiebungssensor weist einen RFID-Saugkreis auf, wobei der RFID-Saugkreis derart positioniert und ausgebildet ist, dass eine Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät und dem RFID-Transponder des elektrischen Verbrauchers nicht mehr möglich ist, wenn der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob die Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät und dem RFID-Transponder des elektrischen Verbrauchers möglich ist oder nicht, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist oder nicht.
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In einer Ausführungsform weist der Magnetfeldsensor eine Leiterschleife und einen mit der Leiterschleife gekoppelten temperaturabhängigen Widerstand auf, beispielsweise einen NTC, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, einen Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstands auszuwerten, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist oder nicht.
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In einer Ausführungsform weist die Aufstellfläche eine Temperaturfestigkeit größer als 200 ° Celsius, insbesondere größer als 250 ° Celsius auf, und die Nutzfläche weist eine Temperaturfestigkeit bis maximal 200 ° Celsius auf.
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Das erfindungsgemäße System wird bevorzugt gemäß dem Ki-Standard betrieben. Ki ist ein in der Entstehung befindlicher Standard, der vom Wireless Power Consortium (WPC) definiert und entwickelt wird. Ki basiert auf induktiver Energieübertragung und ist dafür vorgesehen, Haushaltskleingeräte und Smart Cookware drahtlos mit Leistungen bis zu 2,2 kW zu versorgen.
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Nach dem Funktionsprinzip von Induktionskochstellen werden metallische, vorzugsweise ferritische Objekte, vom Induktionsfeld aufgrund der magnetischen Wechselfelder erhitzt. Neben dem Kochgeschirr, bei dem dieser Effekt erwünscht ist, können aber auch andere metallische Objekte erhitzt werden, die kalt bleiben sollten. Objekte wie beispielsweise Messer, Gabeln oder Backbleche, die auf der Induktionskochstelle liegen, können durch die Induktionskochstelle unerwünscht erhitzt werden. Es besteht Verbrennungsgefahr für den Benutzer, daher müssen solche Objekte erkannt werden und dürfen nicht erhitzt werden.
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Auch bei Ki besteht das Problem, dass metallische Objekte, sogenannte Foreign Objects (FO), im Wirkbereich der Transmitterspule und/oder der Receiverspule liegen können und sich durch die vom magnetischen Wechselfeld induzierten Wirbelströme stark erhitzten können. Kritische Positionen für FOs befinden sich neben einem aufgestellten Receiver über der unbedeckten Fläche der Transmitterspule oder bei flachen Objekten wie Münzen oder Ringen auch unter der Receiverspule, wobei auch Positionen unterhalb der Receiverspule und außerhalb der Transmitterspule zu unzulässiger Erwärmung von FOs s führen können.
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Die Aufstellfläche weist eine temperaturrobuste Oberfläche beispielsweise zum Braten, Grillen oder Frittieren auf, d.h. ein Benutzer kann sich zwar durch Berühren eines heißen FOs verletzen oder das typisch mit Flamm-Hemmern gestalte Gehäuse des Receivers kann anschmelzen und Gerüche absondern, die Aufstellfläche selbst kann sich jedoch nicht durch ein heißes FO selbst entzünden.
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Die Ki-Spezifikation erlaubt elektrische Verbraucher bzw. Receiver mit einem deutlich größeren Durchmesser, beispielsweise 23,5 cm, als der bevorzugte Durchmesser der Transmitterspule, beispielsweise 15 bis 18cm. Weiter soll eine Verschiebung zwischen Transmitter und Receiver von bis zu 4 cm ermöglicht werden, d.h. ein großer Receiver mit erlaubter Verschiebung kann im Betrieb mehrerer Zentimeter (maximal 10,75 cm) über den Rand der Transmitterspule überstehen.
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So ist bei einer in der Nähe einer Umrandung der Aufstellfläche platzierten Transmitterspule auch ein Betrieb des Receivers außerhalb der Aufstellfläche und somit auf der nicht temperaturrobusten Nutzfläche laut Ki-Spezifikation möglich. Liegt nun aber ein FO auf der Nutzfläche unter dem Receiver, kann das FO eine kritische Zündtemperatur der Nutzfläche erreichen.
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Mittels der Erfindung ist es möglich, eine Verschiebung des elektrischen Verbrauchers bzw. Receivers in Richtung der Nutzfläche über ein kritisches Maß hinaus zu detektieren, bei dessen Überschreiten ein gegebenenfalls auf der Nutzfläche unter dem elektrischen Verbraucher platziertes FO kritisch erhitzt werden könnte. Wird eine solche kritische Verschiebung detektiert, wird die Leistungszufuhr auf ein unkritisches Maß gedrosselt oder ganz abgeschaltet.
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Mit anderen Worten kann ein unter dem Receiver positioniertes FO magnetisch induziert so heiß werden, dass es die Oberfläche der Nutzfläche beschädigen oder gar entzünden kann. Erfindungsgemäß wird ein Verschieben des Receivers über den Rand der temperaturrobusten Aufstellfläche hinaus erkannt, damit entweder der Start der Energieübertragung verhindert wird oder eine Energieübertragung nach kurzer Zeit abgebrochen wird, bevor das FO kritische Temperaturen erreichen kann.
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Solange der elektrische Verbraucher nicht über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist, ist der Verschiebungssensor nicht mittels des elektrischen Verbrauchers bzw. dessen Receiverspule mit der Vorrichtung bzw. deren Transmitterspule, insbesondere magnetisch, wirkverbunden bzw. gekoppelt. Sobald jedoch der elektrische Verbraucher über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche verschoben ist, ist der Verschiebungssensor mittels des elektrischen Verbrauchers bzw. dessen Receiverspule mit der Vorrichtung bzw. deren Transmitterspule wirkverbunden bzw. gekoppelt, was erfindungsgemäß zur Überdeckungserkennung ausgewertet wird.
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Der Verschiebungssensor kann beispielsweise einen Near Field Communication (NFC) Tag aufweisen, der erst durch die Kopplung über den verschobenen Receiver vom Transmitter erkannt wird. Sobald dessen NFC Adresse sichtbar wird, wird der Ki-Betrieb eingestellt. Der NFC Tag kann innerhalb oder außerhalb eines Rahmens der Aufstellfläche angeordnet werden oder sogar innerhalb eines Klebstoffs, der zur Fixierung des Rahmens mit der Nutzfläche dient. Mit einer Ferritfolie kann das NFC Feld derart gelenkt werden, dass der NFC Tag bei nicht verschobenem Receiver nicht erkannt wird.
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Der Verschiebungssensor kann auch einen NFC Saugkreis aufweisen, der ein NFC Signal so stark dämpft, dass keine NFC Kommunikation zwischen Receiver und Transmitter möglich ist. Dann kann auch der Ki Betrieb abgebrochen werden.
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Der Verschiebungssensor kann auch einen Magnetfeldsensor aufweisen, im einfachsten Fall in Form einer Empfängerschleife mit einem temperaturabhängigen Widerstand, der am Rand der Nutzfläche, beispielsweise noch innerhalb eines Nutzflächenrahmens, angeordnet wird. Der Magnetfeldsensor ist derart angeordnet, dass das magnetische Wechselfeld der Transmitterspule nicht in ihn einkoppelt, wenn der Receiver bestimmungsgemäß aufgestellt ist. Erst wenn das magnetische Wechselfeld durch einen verschobenen Receiver in einem solchen Maß verschoben bzw. verzerrt wurde, dass es über den Rand des Kochfelds hinausreicht, verkoppelt das Feld auch mit dem Magnetfeldsensor und kann erkannt werden.
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Der Verschiebungssensor kann auch ein kleines, flaches und magnetisierbares Metallstück und einen damit wärmeleitend verbundenen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen, wobei das Metallstück als Abbild eines FO im Randbereich der Nutzfläche angeordnet ist. Wenn die mittels des temperaturabhängigen Widerstands gemessene Temperatur eine Schwellentemperatur überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass auch eine Temperatur eines tatsächlich vorhandenen FO zu diesem Zeitpunkt einen zulässigen Schwellenwert überschreiten würde, dann muss abgeschaltet werden.
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Allen Verschiebungssensoren ist gemeinsam, dass sie eine Verschiebung des Receivers hin zum Aufstellflächenrand und damit über den temperaturrobusten Bereich hinaus erkennen können. Typisch detektiert der Verschiebungssensor das zum Aufstellflächenrand hin verschobene magnetische Wechselfeld zwischen der Transmitterspule und der Receiverspule. Eine Verschiebung des Receivers innerhalb der Aufstellfläche nicht über den Aufstellflächenrand hinaus ist unkritisch, da sowohl die Aufstellfläche als auch die Receiver-Unterseite nicht brennbar sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 hoch schematisch ein Blockschaltbild eines Systems aufweisend eine Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Energie in Richtung eines elektrischen Verbrauchers mittels induktiver Kopplung und einem elektrischen Verbraucher, und
- 2 eine schematische Draufsicht auf Teile des in 1 gezeigten Systems.
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1 zeigt hoch schematisch ein Blockschaltbild eines Systems 100 aufweisend eine Vorrichtung 1 zum drahtlosen Übertragen von Energie in Richtung eines elektrischen Verbrauchers 2 mittels induktiver Kopplung und einem elektrischen Verbraucher 2. Die Vorrichtung 1 ist ein Ki Transmitter und der elektrische Verbraucher 2 ist ein Ki Receiver. Insoweit sei auch auf die einschlägige Ki Spezifikation verwiesen.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile des in 1 gezeigten Systems 100.
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Bezugnehmend auf die 1 und 2 weist das System 100 auf: eine Aufstellfläche 3 in Form einer Glaskeramikplatte, auf die der elektrische Verbraucher 2 zum Betrieb des Systems 100 bestimmungsgemäß aufzustellen ist, eine an die Aufstellfläche 3 an einer einzelnen Seite der Aufstellfläche 3 angrenzende, bis lediglich 200 ° Celsius temperaturfeste Nutzfläche 4, einen Verschiebungssensor 5 zum Ermitteln, ob der elektrische Verbraucher 2 wie dargestellt über ein kritisches Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist, und eine mit dem Verschiebungssensor 5 gekoppelte Steuereinheit 6, die dazu ausgebildet ist, das Übertragen von Energie in Richtung des elektrischen Verbrauchers 2 zu begrenzen oder zu unterbrechen, wenn der elektrische Verbraucher 2 wie dargestellt über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist.
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Die Vorrichtung 1 weist herkömmliche eine Transmitterspule 14 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds auf. Entsprechend weist der elektrische Verbraucher 2 eine Receiverspule 15 auf, in der aufgrund des mittels der Vorrichtung 1 erzeugten magnetischen Wechselfelds eine Wechselspannung induziert wird, die zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers 2 dient.
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Die Vorrichtung 1 weist ein herkömmliches RFID-Lesegerät 7 auf.
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Der Verschiebungssensor 5 weist einen passiven RFID-Transponder 8 auf, wobei der RFID-Transponder 8 derart positioniert und ausgebildet ist, dass eine Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät 7 und dem RFID-Transponder 8 des Verschiebungssensors 5 nur möglich ist, wenn der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist, wobei die Steuereinheit 6 dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob die Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät 7 und dem RFID-Transponder 8 des Verschiebungssensors 5 möglich ist oder nicht, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist oder nicht.
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Der elektrische Verbraucher 2 weist einen passiven RFID-Transponder 9 auf. Der Verschiebungssensor 5 kann einen RFID-Saugkreis 10 aufweisen, wobei der RFID-Saugkreis 10 derart positioniert und ausgebildet ist, dass eine Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät 7 und dem RFID-Transponder 9 des elektrischen Verbrauchers 2 nicht mehr möglich ist, wenn der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist, wobei die Steuereinheit 6 dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob die Datenübertragung zwischen dem RFID-Lesegerät 7 und dem RFID-Transponder 9 des elektrischen Verbrauchers 2 möglich ist oder nicht, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist oder nicht.
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Der Verschiebungssensor 5 kann einen Magnetfeldsensor 11 aufweisen, der dazu ausgebildet ist, ein mittels der Vorrichtung 1 erzeugtes magnetisches Wechselfeld zu detektieren, wobei die Steuereinheit 6 dazu ausgebildet ist, zu überprüfen, ob das magnetische Wechselfeld detektiert wird oder nicht, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist oder nicht.
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Der Magnetfeldsensor 11 ist derart positioniert und ausgebildet, dass er magnetisch über den elektrischen Verbraucher 2 mit der Vorrichtung 1 gekoppelt ist, wenn der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist, und dass er magnetisch nicht mit der Vorrichtung 1 gekoppelt ist, wenn der elektrische Verbraucher 2 nicht über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist.
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Der Magnetfeldsensor 11 kann eine Leiterschleife 12 und einen mit der Leiterschleife 12 gekoppelten temperaturabhängigen Widerstand 13 aufweisen, wobei die Steuereinheit 6 dazu ausgebildet ist, einen Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstands 13 auszuwerten, um zu ermitteln, ob der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben ist oder nicht.
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2 zeigt den Fall, dass der elektrische Verbraucher 2 über das kritische Maß hinaus in Richtung der Nutzfläche 4 verschoben. Der mit 1 bezeichnete Kreis kennzeichnet die Lage der Transmitterspule 14 und der mit 2 bezeichnete Kreis kennzeichnet die Lage der Receiverspule 15. In der dargestellten Verschiebung des elektrischen Verbrauchers 2 würde ein ferromagnetisches Foreign Object FO auf der Nutzfläche 4 über den elektrischen Verbraucher 2 mit der Transmitterspule 14 induktiv gekoppelt und folglich möglicherweise über die Flammtemperatur der Nutzfläche 4 hinaus erhitzt werden. Dies wird mittels des Verschiebungssensors 5 erkannt, worauf eine Energieübertragung deaktiviert wird.
