CH697019A5

CH697019A5 - Seismischer Generator und Fahrzeug mit einem seismischen Generator.

Info

Publication number: CH697019A5
Application number: CH1532004A
Authority: CH
Inventors: Wolfgang Talke
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2008-03-14
Also published as: AT502573A1; AT502573B1; DE10311567B3

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen seismischen Generator, insbesondere zur Stromversorgung mobiler Geräte, sowie ein Fahrzeug mit einem seismischen Generator, insbesondere einen Güterwagen.

[0002] Die Stromversorgung von Geräten und Kommunikationseinrichtungen auf Güterwagen ist bisher nur unbefriedigend gelöst. Grundsätzlich ist es zwar möglich, von der Lokomotive aus mittels Kabeln elektrische Energie zu den Güterwagen zu übertragen, allerdings bedeuten diese Kabel zusätzlichen Aufwand beim Zusammenstellen und Trennen von Güterzügen und sie sind zudem anfällig gegenüber Witterungseinflüssen. Bis auf wenige Ausnahmen (Maschinenkühlwagen, Kippwagen usw.) werden Güterwagen nicht mit bordeigenen Stromversorgungen ausgestattet.

Die Anforderungen an eine solche Stromversorgung wären folgendermassen:
eine Energiebereitstellung sollte für mindestens zwei Jahre gewährleistet sein,
die Energiebereitstellung sollte während der Fahrt des Güterwagens und während des Stillstands erfolgen,
es sollte sich um wartungsfreie Anordnungen für mindestens zwei Jahre handeln,
es sollten standardisierte Spannungen abgegeben werden (P12V oder P24V DC),
die Anordnungen sollten betriebsfähig bleiben unter den Einsatzbedingungen eines Güterwagens in Europa (-40 deg. C bis 70 deg.

C) und
es sollte eine einfache, vandalismus- und diebstahlsichere Montage an vorgegebenen Stellen möglich sein.

[0003] Bekannt sind dafür Lösungen in Form eines Achsgenerators für Kippwagen, eines Luftturbinengenerators an Güterwagen bis 160 km/Std., Solarzellengeneratoren in Verbindung mit Ortungs- und Kommunikationssystemen sowie auf elektromagnetischen Prinzipien beruhende seismische Generatoren, beispielsweise aus DE 19 520 521 oder aus US 5 945 749.

[0004] Allgemein ist für eine solche Stromversorgung bisher die Energie von Primärzellen mit Lebensdauerzyklen von ca. bis zu 6 Monaten verwendet worden. Andere Verfahren, die ihre Primärenenergie anderen Quellen entnehmen, sind durch die Verwendung von Akkumulatoren gekennzeichnet.

In der Regel besitzen die vorhandenen Einrichtungen für die Stromversorgung von Geräten und Kommunikationseinrichtungen auf Güterwagen ein ausgefeiltes Powermanagement, das den Leistungsbedarf und den Energiebedarf deutlich minimiert. Nur auf diese Weise sind mit handelsüblichen Primärbatterien Einschaltzeiten bis zu 6 Monaten erreichbar. Die bisherigen Anordnungen sind daher durch hohen technischen Aufwand und einen nicht unerheblichen Wartungsbedarf gekennzeichnet. Der Achsgenerator und die Luftturbine verursachen hohe Kosten, der Solargenerator ist wartungsintensiv. Diese aus DE 19 520 521 bekannte Einrichtung zum Umwandeln von Schwingungsbewegung in elektrische Energie weist ein Gehäuse und eine mittels Federn in dem Gehäuse gehaltene Magnetträgerstruktur auf.

Die Federn lassen als Reaktion auf die Schwingungsbewegung eine Hin- und Herbewegung der Magnetträgerstruktur relativ zum Gehäuse lediglich in Richtung der Schwingungsachse - parallel zu den Seitenwänden des Gehäuses - zu. Seitlich an der Magnetträgerstruktur sind eine Reihe von Permanentmagneten angeordnet, die in Wechselwirkung mit an der Seitenwand des Gehäuses angeordneten Spulensätzen stehen, in denen durch Bewegung der Magnetträgerstruktur eine elektrische Spannung induziert wird.

[0005] Aus US 5 945 799 ist ein weiterer seismischer Generator nach dem magnetodynamischen Prinzip bekannt, bei dem ein lediglich in vertikaler Richtung schwingender Magnetkolben in einer Spule schwingt.

Dabei ist zusätzlich eine pneumatische Bewegungsmöglichkeit für den Magnetkolben gegeben, um auch bei stehendem Güterwagen Strom zu erzeugen.

[0006] Die seismischen Generatoren nach magnetodynamischem Prinzip versprechen eine wartungsfreie Nutzung bei allerdings noch hohem technischem Aufwand für die Realisierung.

[0007] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen seismischen Generator anzugeben, mit dem eine preiswerte und einfach zu realisierende Stromversorgung für mobile Geräte sowie ein Fahrzeug mit einem solchen seismischen Generator anzugeben.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen seismischen Generator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

[0009] Der erfindungsgemässe Generator zeichnet sich dadurch aus, dass der erste und der zweite Magnet, der am Gehäuse bzw. an.

der seismischen Masse angeordnet sind, sich in der Bewegungsrichtung der seismischen Masse mit den gleichen Polen gegenüberstehen. Dadurch ist eine besonders einfache konstruktive Gestaltung möglich.

[0010] Eine Erhöhung der abzugreifenden elektrischen Energie wird dadurch erzielt, dass gemäss Anspruch 2 mindestens eine Spule um einen mit einem der beiden Pole des zweiten Magneten in Verbindung stehenden Polschuh gewickelt ist.

[0011] Eine weitere Erhöhung der elektrischen Energieumsetzung lässt sich dadurch erzielen, dass an jedem der beiden Pole des zweiten Magneten je ein Polschuh angeordnet ist, um den jeweils eine Spule gewickelt ist.

[0012] In einer bevorzugten Ausgestaltung gemäss Anspruch 4 sind an den gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse jeweils Magnetpaare zwischen Gehäuse und seismischer Masse angeordnet.

Dadurch lässt sich die elektrische Energieumsetzung weiter verbessern.

[0013] Gemäss Anspruch 5 ergibt sich eine symmetrische Anordnung dadurch, dass insgesamt vier Spulen zur elektrischen Energieumsetzung vorhanden sind.

[0014] Eine weitere Verbesserung der elektrischen Energieumsetzung ergibt sich gemäss Anspruch 6 dadurch, dass an der seismischen Masse ein Weicheisenkern befestigt ist, der zwischen die beiden Pole des zweiten und/oder vierten Magneten ragt.

[0015] In vorteilhafter Weise lässt sich gemäss Anspruch 7 dadurch, dass eine mit den Spulen verbundene Signalauswerteeinrichtung vorgesehen ist, die Bewegung der seismischen Masse analysieren und somit diese Bewegung zu weiteren Auswertungszwecken zur Verfügung stellen.

[0016] Besonders vorteilhaft ist die Ausstattung eines Fahrzeuges mit einem solchen seismischen Generator,

bei dem gemäss Anspruch 8 die Bewegungsrichtung der seismischen Masse vertikal zu einer Fahrwegebene des Fahrzeugs ist, da in dieser Richtung die grössten Auslenkungen zu erwarten sind.

[0017] Gemäss Anspruch 9 kann in vorteilhafter Weise durch die Signalauswerteeinrichtung die Bewegung der seismischen Masse derartig ausgewertet werden, dass auf die Beschaffenheit des Fahrweges des Fahrzeugs rückgeschlossen werden kann.

Somit lassen sich bei einem Güterwagen als Fahrzeug beispielsweise Flachstellen, Schienenbrüche oder Entgleisungen detektieren.

[0018] In den Figuren der Zeichnung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0019] Dabei zeigt Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen seismischen Generator in einem ersten Ausführungsbeispiel und Fig. 2 einen schematischen teilweisen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen seismischen Generator in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

[0020] In Fig. 1 ist dargestellt, wie in einem Gehäuse 1 eine seismische Masse 2, an der jeweils an der Unter- und an der Oberseite ein erster Magnet 3 und ein dritter Magnet 22 angeordnet sind, mit Hilfe von Befestigungsvorrichtungen 9 gehalten wird.

Am Gehäuse 1 sind ein zweiter Magnet 4 und ein vierter Magnet 20 so angeordnet, dass sie in Bewegungsrichtung der seismischen Masse 2 (in Fig. 1 durch einen Pfeil 21 angedeutet), mit den gleichen Polen dem ersten Magneten 3 und dem dritten Magneten 22 gegenüberliegen. Der magnetische Nord- und Südpol des zweiten Magneten 4 und des vierten Magneten 20 sind durch Weicheisenstücke 8 bzw. 23 miteinander verbunden. An den Polen der am Gehäuse befestigten zweiten Magneten 4 und vierten Magneten 20 sind Polschuhe 5 aus Weicheisen angeordnet, um die jeweils eine Spule 7 gewickelt ist.

Die Enden der Spulen 7 sind - nicht dargestellt - geeignet mit Wandlern, Speichern und Stabilisierungsschaltungen verbunden, durch die eine Konstantspannung an Verbraucher abgegeben werden kann.

[0021] Die Befestigungsvorrichtung 9 kann dabei als Gelenkkinematik (Parallelogramm-Gelenke), als Blattfedereinspannung oder als seitliche Rollenführung ausgebildet sein. Wichtig dabei ist, dass eine Parallelführung der seismischen Masse 2 sichergestellt wird. Für die Bemessung der Parallelführung ist eine minimale Kraftwirkung in vertikaler Richtung 21 erforderlich, da sonst der Wirkungsgrad des seismischen Generators stark absinkt. Als permanentmagnetische Materialien für die ersten, zweiten, dritten und vierten Magnete sind alle Materialien geeignet, die bei relativ geringer Magnetweglänge einen ausreichenden Magnetfluss erzeugen (z.B.

Oxidkeramik, Aluminium-Nickel-Kobalt, seltene Erden-Magnete).

[0022] Die Spulen 7 auf den Polschuhen 5 können Drahtspulen oder Folienwickel sein. Folienwickel sind wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchung zweckmässiger.

[0023] Jeweils zwei Magnete bilden am Gehäuse 1 und an der seismischen Masse 2 je einen magnetischen Kreis. Die Energieumwandlung, erfolgt durch die Bewegung der seismischen Masse 2 gegen die abstossende Kräfte der ungleichen Pole der Magnete 20, 22, 3, 4. Als Folge davon wird der magnetische Fluss im feststehenden Magnetkreis geändert und in den Spulen 7 eine Spannung induziert. Der besondere Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist die Einspannung der seismischen Masse 2 durch die abstossenden Kräfte der gegenüberliegenden Magnete.

Damit werden unerwünschte Berührungen der seismischen Masse 2 mit dem feststehenden Magnetsystem 20, 4 bei geeigneter Abstimmung vermieden. Dadurch kann auch ein Zusammenkleben der Magnetpole bei den notwendigen kleinen Luftspalten 6 zwischen den gegenüberliegenden Polen vermieden werden.

[0024] Neben der Nutzung zur Stromversorgung mobiler Geräte ist die von den Spulen 7 abgegebene Spannung bei entsprechender Kalibrierung zur laufenden Bestimmung der Vertikalbeschleunigung eines mit einem solchen seismischen Generators ausgestatteten Fahrzeuges, insbesondere eines Güterwagens, nutzbar.

So lassen sich in einer nicht dargestellten Signalauswerteeinrichtung bei entsprechender Bewertung besondere Ereignisse detektieren (Flachstellen, Schienenbrüche, Entgleisungen).

[0025] In Fig. 2 ist dargestellt, wie eine Verstärkung der magnetischen Flussänderungen durch ein von der seismischen Masse 2 angetriebenes Weicheisenstück 10, welches im Luftspalt zwischen den Polschuhen 5 des zweiten Magneten 4 angeordnet ist, verändert wird. Dadurch werden zwar die abstossenden Kräfte vermindert, bei geeigneter Abstimmung der Luftspalte ist allerdings die verstärkende Wirkung des Weicheisenstücks 10 als Anker nutzbar.

Claims

1. Seismischer Generator mit einer in einem Gehäuse (1) derartig eingespannten seismischen Masse (2), dass sich diese nur in einer Bewegungsrichtung (21) bewegen kann, mit mindestens einem ersten Magneten (3), der mit der seismischen Masse (2) verbunden ist, mit mindestens einem zweiten Magneten (4), der mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, mit mindestens einer Spule (7), die im Magnetfeld der Magneten (3, 4) angeordnet ist und mit einer mit der mindestens einen Spule (7) elektrisch verbundenen elektrischen Schaltung, an der eine elektrische Energie abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet dass der erste und der zweite Magnet (3, 4) sich in der Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) mit den gleichen Polen gegenüberstehen.

2. Seismischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spule (7) um einen mit einem der beiden Pole des zweiten Magneten (4) in Verbindung stehenden Polschuh (5) gewickelt ist.

3. Seismischer Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der beiden Pole des zweiten Magneten (4) je ein Polschuh (5) angeordnet ist, um die jeweils eine Spule (7) gewickelt ist, die mit der elektrischen Schaltung verbunden ist.

4. Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem ersten Magneten (3) gegenüberliegenden Seite der seismischen Masse (2) ein dritter Magnet (22) angeordnet ist, dass dem dritten Magneten (22) in Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) gegenüberliegend am Gehäuse (1) gleichpolig ein vierter Magnet (20) angeordnet ist und dass in jedem der Magnetkreise zwischen erstem (3) und zweitem (4) sowie zwischen drittem (22) und viertem Magnet (20) mindestens je eine mit der elektrischen Schaltung verbundene Spule (7) angeordnet ist.

5. Seismischer Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Pol des zweiten (4) und vierten Magneten (20) je ein Polschuh (5) angeordnet ist, dass um jeden Polschuh (5) eine mit der elektrischen Schaltung verbundene Spule (7) gewickelt ist.

6. Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Weicheisenpolschuh (10) derartig geformt und an der seismischen Masse (2) derartig befestigt ist, dass dieser zwischen die beiden Pole des zweiten (4) und/oder vierten Magneten (23) ragt.

7. Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den Spulen (7) verbundene Signalauswerteeinrichtung vorgesehen ist, die derartig ausgestaltet ist, dass die Bewegungen der seismischen Masse (2) registriert und ausgewertet werden.

8. Fahrzeug mit einem seismischen Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) vertikal zu einer Fahrwegebene des Fahrzeugs ist.

9. Fahrzeug mit einem seismischen Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) vertikal zu einer Fahrwegebene des Fahrzeugs ist und dass die Signalauswerteeinrichtung derartig ausgebildet ist, dass aus der Auswertung der Bewegungen der seismischen Masse (2) auf die Beschaffenheit des Fahrweges des Fahrzeugs rückgeschlossen wird.