CN103717473B - 用于给轨道车辆的轨道制动器的至少一个电线圈施加至少一个电脉冲的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于以至少一个电流脉冲给至少一个电励磁线圈（9）供电的装置（28），用于在磁极方面选择性地将轨道车辆的制动磁体（2）的包含至少一种硬磁材料的磁体段（5）永久磁化或退磁。该装置的特征在于，a）设置有能由轨道车辆的至少有时处在车载电源电压下的车载电源电路（32）供应电能的至少一个长时间运行的蓄能器（34）；b）设置有至少一个磁化电路（38），该至少一个磁化电路具有：变压器（36）用于将由所述长时间运行的蓄能器（34）提供的车载电源电压变换为预定的磁化电压并且用于给至少一个强电流蓄能器（40）在磁化电压的情况下充以电能；以及一方面与所述强电流蓄能器（40）并且另一方面与所述励磁线圈（9）处于导电连接的开关机构（42），通过所述开关机构根据由控制机构（44）调制的控制信号能够将基于存储在所述强电流蓄能器（40）中的电能的并且在电流流向方面选择性地可变的电流脉冲切换到所述励磁线圈（9）上。

Description

用于给轨道车辆的轨道制动器的至少一个电线圈施加 至少一个电脉冲的装置
技术领域
本发明涉及一种用于以至少一个电流脉冲给至少一个电励磁线圈供电的装置，用于在磁极方面选择性地将轨道车辆的制动磁体的包含硬磁材料的至少一个磁体段永久磁化或退磁。这样的装置在下文中简称为“装置”。
背景技术
EP1477382A2描述了具有设置在制动磁体中的磁芯的电操作的磁轨制动器，该磁芯由硬磁材料制成并且借助脉冲式地给励磁线圈通电而可永久磁化或者借助脉冲式地反向地给励磁线圈通电而可退磁或在磁极方面可反向地永久磁化。依赖于通过励磁线圈的磁化，则通过由硬磁材料制成的芯产生或不产生包围轨道的磁场。
这样的永久磁化的磁芯产生磁流，一旦制动磁体以其极靴处在轨道上，该磁流就在轨道头上短接。由此在制动磁体与轨道之间实现磁吸力。通过运动的轨道车辆的动能通过带动件沿着轨道拉动磁轨制动器。在此通过在制动磁体与轨道之间的滑动摩擦结合磁吸力而产生制动力。由于由此出现的磨损，基于摩擦的磁轨制动器优选用于快速制动或用作紧急制动器。
另一方面在EP1477382A2中也描述了在实施方案中作为线性涡流制动器的轨道制动器，其中通过上述方式永久磁化的磁芯产生作为涡流的及其磁场的结果的制动力。这样的线性涡流制动器在应用中以与轨道头仅仅几个毫米的距离下沉，从而产生小的气隙，由此使得这样的涡流制动器在实际中无磨损地工作。因此该涡流制动器优选用作人工制动器(Betriebsbremse)。
关于磁轨制动器的实施方式此外参照出版物“Grundlagen derBremstechnik”，第92至101页，Knorr-bremse AG，慕尼黑，2002。
在所述制动系统中给这样的由硬磁材料制成的磁元件的励磁线圈施加与电磁轨制动器或电涡流制动器相比更高(例如10kW)的电功率，其中轨道车辆的每个转向架需要一个或多个这样的励磁线圈或者磁元件，以便产生需要的制动功率。在此一方面清楚的是，必须由该装置提供高的电功率。另一方面，为了磁元件的换极或者退磁，非常短期地、例如500毫秒地产生这样的高的电功率就足够了。
为了确保可靠的磁轨制动器，主要是作为快速或紧急制动器，应该存在这种类型的装置的与轨道车辆的运行状态以及特别是与轨道车辆的电气装备的运行状态的尽可能的不相关性。
发明内容
因此本发明的目的在于：提供文首提及类型的装置，通过该装置实现由该装置供以电脉冲的轨道制动器的尽可能高的可用性。同时该装置应该能够通过尽可能简单的方式实现将高的电功率非常短时地切换到磁元件的励磁线圈上。
本发明的公开内容
按照本发明的装置的特征在于：
■设置有能由轨道车辆的车载电源电路供应电能的至少一个长时间运行的蓄能器，所述车载电源电路至少有时处在车载电源电压下；
■设置有至少一个磁化电路，该磁化电路具有：变压器用于将由所述长时间运行的蓄能器提供的车载电源电压变换为预定的磁化电压并且用于给至少一个强电流蓄能器在磁化电压的情况下充以电能；以及一方面与所述强电流蓄能器并且另一方面与所述励磁线圈处于导电连接的电开关机构，通过该电开关机构根据由控制机构调制的控制信号而能将如下的电流脉冲切换到所述励磁线圈上，该电流脉冲基于存储在所述强电流蓄能器中的电能并且在电流流向方面能选择性地变化。
该装置因此包含长时间运行的蓄能器和强电流蓄能器、变压器和开关机构、例如换向极开关。在此该长时间运行的蓄能器例如蓄电池与车载电源电路连接，使得其通过车载电源来充电，但是不可以放电到车载电源电路中。从长时间运行的蓄能器出来经由变压器使得强电流蓄能器例如电容器处于限定的充电状态或者被置于预定的磁化电压中或者保持在这样的状态中。
开关机构或电流方向改变机构特别是换向极开关用于产生对于至少一个磁元件的有效状态(磁接通、断开或者关于磁极性进行转换)而言必要的，用于励磁线圈的电开关脉冲的电流方向的切换。
通过所述的措施，由所述装置控制的轨道制动器的可用性与轨道车辆的电运行状态无关，这是因为通过将蓄能分配到长时间运行的和强电流蓄能器中实现了磁化电路与车载电源电路的退耦。车载电源电路的干扰可以因此由于长时间运行的蓄能器而不作用于磁化电路。
此外由于到两个独立的蓄能器的分配而可以对两个蓄能器的关于因素例如能量密度、结构大小和重量的特性相应地进行相互独立且最优的匹配。
因此在下文中应该将“长时间运行的蓄能器”理解为如蓄电池那样的蓄能器，其具有相当长时间的存储电能的能力。与之相对地，在本发明的意义上可以将“强电流蓄能器”理解为这样的蓄能器，其适用于更短期地存储电能并且在快速放电的情况下适于产生强电流的脉冲。
通过在下述措施可以对本发明进行有益的改进和改善。
按照一种实施方式，长时间运行的蓄能器是配置给轨道车辆的蓄能器，其除了产生至少一个电脉冲也为至少一个另外的功能、例如辅助组件如空调设备提供电能。
备选地，长时间运行的蓄能器可以是单独的、设置为仅仅用于给所述装置供应电能的蓄能器，也就是说该蓄能器用于唯一的目的：给所述装置供应电能，其中除了具有变压器、强电流蓄能器和开关机构的磁化电路之外例如所述装置的电子控制机构也属于此。
特别优选地，长时间运行的蓄能器借助阻尼二极管而与车载电源电路连接。由此阻止长时间运行的蓄能器通过车载电源电路而放电。
按照一种改进方案可以设定：开关机构包含能由控制机构电控制的或能通过压力介质如压缩空气控制的至少一个换向极开关。这样的换向极开关例如对电气机器的旋转方向的转换而言足够已知并且是低成本的标准化的构件。
特别地，换向极开关可以构造为具有一个电流方向位置和另一个与之相对地反向的电流方向位置的2位置选择开关；可以构造为具有一个电流方向位置、另一个与之相对地反向的电流方向位置以及中性位置的3位置选择开关；或可以构造为4象限调节器。在此可以将“电流方向位置”理解为换向极开关的开关位置，其导致流过换向极开关的电流的确定的流向。
优选地，强电流蓄能器包含至少一个电容器或双层电容器。电容器已知地适用于快速放电，例如其对产生施加到励磁线圈上的电流脉冲有利。双层电容器具有非常高的能量密度。该双层电容器的高电容基于在液体电解质中离子的离解，该离解形成少量原子层(Atomlage)的和大电极表面的电介质。
优选地，在开关机构与强电流蓄能器之间连接有至少一个电子功率开关，该电子功率开关可以由控制机构控制。
用于控制开关机构或者电子功率开关的控制机构优选通过电子控制仪器构成。
优选地，所述控制机构如此构造：使得开关机构仅仅在一个时间段被控制到电流贯通状态中，在该电流贯通状态下将至少一个电流脉冲切换到励磁线圈上，为了将磁元件永久地磁化或退磁，所述励磁线圈是必要的；并且在其它情况下将开关机构控制到电流锁闭状态中。由此阻止强电流蓄能器被不必要地放电，从而可将其能量储备量用于多个切换周期。
如上面已经提及的那样，本发明也涉及一种轨道车辆的轨道制动器，其具有由硬磁材料制成的至少一个磁元件，该至少一个磁元件通过给励磁线圈通以电流脉冲而选择性地可以永久磁化或可以退磁，其中借助于上述装置实现给该励磁线圈通以电流脉冲。
特别优选地，磁轨制动器是在制动压紧位置中与轨道进行摩擦接触的轨道制动器。如开始已经提及的那样，那么借助脉冲式地给配置给磁芯的励磁线圈通电来将磁元件例如制动磁体的磁芯永久磁化或借助脉冲式地反方向地给励磁线圈通电来将该磁元件例如制动磁体的磁芯退磁或在磁极方面被反向地永久磁化。那么依赖于通过励磁线圈的磁化，由磁芯产生包围轨道的磁场或禁止该磁场的产生。这样永久磁化的磁芯随后产生磁流，一旦制动磁体以其极靴处在轨道上，该磁流就在轨道头上短接。由此在制动磁体与轨道之间实现磁吸力。通过运动的轨道车辆的动能通过带动件而沿着轨道拉动磁轨制动器。在此通过在制动磁体与轨道之间的滑动摩擦结合磁吸力而产生制动力。
备选地，磁轨制动器是线性或旋转涡流制动器，其中通过上述方式，永久磁化的磁芯产生磁场并由此产生制动力。
特别地，本发明也涉及一种包含至少一个上述轨道制动器的轨道车辆，其中，上述装置直接设置在轨道车辆的转向架上。背景在于：为了将由硬磁材料制成的磁芯永久磁化，使得短时间作用的强电流脉冲流过配置的励磁线圈，在这样的背景下，所述措施带来的优点是：尽可能避免了关于轨道车辆的另外的电气和电子装备的电磁兼容问题，如这样的电气或电子机构更确切地说在车厢中而不是设置在转向架上。
附图说明
下文应该借助附图示例性地示出本发明。附图中：
图1示出按照一种优选的实施方式的制动磁体的透视图；
图2示出按照本发明的一种优选的实施方式的装置的示意性电路图；
图3示出按照本发明的另一种实施方式的装置的示意性电路图；
图4示出按照本发明的另一种实施方式的装置的示意性电路图。
具体实施方式
在下文对实施例的描述中，相同或作用相同的构件和组件以相同的附图标记表示。
图1所示的磁轨制动器的制动磁体2具有多个极靴段16，它们固定在沿轨道1的纵向延伸的磁体8上。这优选通过以下方式得以实现，即，由硬磁材料制成的磁体段5对称地安装在磁体8的内部。那么通过极靴段16实现将制动力传递到磁体8上，各极靴段刚性地与磁体8连接并且也通过转辙器和轨道接头给予制动磁体2良好的引导。包含磁线圈9和磁体段5的磁线圈体8和固定在其上的极靴段16和端件14然后共同构成制动磁体2。
为了给磁线圈9供应电压，存在至少两个电接头22、24用于具有随后还将详细阐述的装置28的极的连接机构26，该连接机构例如在磁线圈体8的侧面的上部区域中关于该磁线圈体的纵向延伸大约设置在中央。电接头22、24优选彼此离开地指向并且沿磁线圈体8的纵向延伸。前面的描述仅仅出于以下目的进行，即，阐述基于摩擦的磁轨制动器的原理结构。
图1所示的制动磁体2通常设置在轨道车辆的一个转向架的两个轴之间，其中，每侧或每个轨道存在一个制动磁体2。两个制动磁体2然后通过横梁相互连接。通过两个制动磁体2和横梁形成所谓的制动四边形(Bremsenviereck)(磁轨制动器)。该制动四边形优选通过此处未示出的压力介质操作的操作气缸悬挂在轨道车辆的行走机构中。在无压力的操作气缸中的辅助弹簧则将制动四边形挤压到竖直远离轨道头的高位中。在制动过程中通过操作气缸的压力负载来使制动四边形下沉。同时由装置28来激励磁线圈9，如随后还将详细地阐明的那样。关于这样的制动四边形的准确的结构参照已经在文首提及的文献“Grundlagen der Bremstechnik”，第92至101页，Knorr-Bremse AG，慕尼黑，2002。
分别连接在制动磁体2的接头22、24上的并且在图2中示出的装置28用于给制动磁体2的磁线圈9供应电流脉冲，用于在磁极方面选择性地将构成磁芯的磁体段5永久磁化和/或退磁。在这种情况下，唯一的磁线圈9用于将多个磁体段5磁化或者退磁。然而清楚的是，也可以设置有多个磁线圈9，以便将唯一的磁体段5或者多个磁体段5磁化，特别是以扇形线圈单元的形式。
装置28包括可以由轨道车辆的处在该轨道车辆的车载电源电压之下的车载电源电路32供应电能的长时间运行的蓄能器(Langzeit-Energiespeicher)34，其优选通过蓄电池构成。该长时间运行的蓄能器34因此可以配置给车载电源电路32或者是车载电源电路32的组成部分。
长时间运行的蓄能器34在此优选是单独的、设置为仅仅用于给装置28供应电能的蓄能器，也就是说该长时间运行的蓄能器34仅仅用于给装置28供应电能。
此外存在通过变压器36而与车载电源电路32分离或退耦的磁化电路38，其中，变压器36用于将由长时间运行的蓄能器34提供的车载电压转换为预定的磁化电压。在实际中每个轨道车辆存在不同的车载电压，例如24V、72V和110V。变压器36的任务因此在于，将不同的车载(直流)电压(DC)转换为磁化电路38内的同一的标准化的磁化电压，例如转换为110V的直流电压(DC)。那么通过变压器36，在磁化电压110V的情况下给强电流蓄能器40充以电能。强电流蓄能器40优选由电容器或双层电容器构成。
此外磁化电路38包含一方面与强电流蓄能器40并且另一方面与磁线圈9处于导电连接的开关机构42。通过该开关机构42根据由控制机构44调制的控制信号而能将基于存储在强电流蓄能器40中的电能的并且在电流流向方面选择性地可变的电流脉冲切换到磁线圈9上。控制机构44优选由电子制动控制仪器构成，其通过电信号来控制开关机构42。
在这种情况下，开关机构42通过由制动控制仪器44控制的换向极开关构成。该换向极开关42特别可以构造为具有一个电流方向位置和另一个与之相对地反向的电流方向位置的2位置选择开关；可以构造为具有一个电流方向位置、另一个与之相对地反向的电流方向位置以及中立位置的3位置选择开关；或可以构造为4象限调节器。在本情况中涉及的是3位置换向极开关42。
按照在图3和图4中示出的实施方式，在换向极开关42与强电流蓄能器40之间连接有电子功率开关46，其可以由制动控制仪器44如此控制，使得换向极开关42仅仅在没有负载的无功率状态下可切换。换句话说，功率开关46在换向极开关42的每个切换过程之前由制动控制仪器44控制到闭锁状态中并且当换向极开关42已经转换到期望的位置时才切换到导通电流的贯通状态中。
与图2和图3的实施方式的区别在于，在图4的实施方式中，长时间运行的蓄能器34是配置给轨道车辆的蓄能器，其除了为装置28提供电能还用于至少一个另外的功能。因为蓄能器的位置在轨道车辆中或上是任意的并且其特别是不需要直接接近装置28的另外的结构元件36、38、40、42、44、46地设置，所以该蓄能器没有在图4中示出。那么实现了借助车载电源电路32的线路将由装置28的长时间运行的蓄能器34提供的电能运送向变压器36。
特别优选地，至少变压器36、强电流蓄能器40、在必要的情况下的电子功率开关46以及换向极开关42集成在一个共同的壳体中或者组合在一个结构单元中。附加地，长时间运行的蓄能器34也可以集成在该结构单元中。装置28或者集成的结构单元优选直接设置在轨道车辆的转向架上，在该转向架上，制动磁体2(参见图1)也单个地或成对地设置，这些制动磁体的一个或多个磁线圈9由装置28控制。
装置28作为功率通道例如用于给两个在转向架的两侧存在的制动磁体2或者一个制动四边形供应电流脉冲。备选地，在图2至图4中示出的装置28作为功率通道也给磁轨制动器的制动磁体2的仅仅一个或多个磁体段5的一个或多个磁线圈9供应电流脉冲。在这样的情况下，每个转向架如在图2至图4中示出的那样需要多个装置28或功率通道。特别地，装置28的或者功率通道的结构元件34、36、38、40、42、44、46也可以单独地在转向架上或者部分地在转向架上并且部分地在车厢上或中分散地设置。
在这个背景下，装置28的作用原理如下：从轨道车辆的行驶状态出发，在该行驶状态中制动四边形以及由此按照图1的制动磁体2与轨道头18间隔开地保持，制动磁体2的磁体段5被退磁并且换向极开关42处在其闭锁电流的中性位置中，例如触发紧急制动。制动控制仪器44则获得相应的电紧急制动信号，其因此促使给制动四边形的操作气缸施加压力，以便使制动四边形下沉。同时制动磁体2的磁线圈9由装置28激励。
具体地，为此由完全充电的强电流蓄能器40出发，换向极开关42由制动控制仪器44切换到贯通状态中，在该贯通状态中，流过磁线圈9的电流脉冲的电流流向以一种方式将磁体段5的硬磁材料永久磁化，使得获得的磁流穿过轨道1，以便闭合磁回路。
优选地，换向极开关42在此仅仅如此长时间地由制动控制仪器44切换到该换向极开关的电流通过的通过位置，直至可以在磁线圈9中产生电流脉冲，该电流脉冲足以将磁体段5永久磁化。在此经验值可以用于换向极开关42的切换持续时间。随后，也就是在实现磁体段5的永久磁化之后与之相对地立刻将换向极开关42又切换回到其电流闭锁的中性位置中，由此必要地将强电流蓄能器40放电。
由此，除了由辅助弹簧作用到制动四边形的弹力之外，此外还有竖直的磁力作用到制动磁体2上，由此更进一步将该制动磁体挤压到轨道1上。取决于磁轨制动器4与轨道1的摩擦接触那么产生沿水平方向作用的制动力。
如果现在从制动状态出发紧急制动又应被触发，那么为此使得操作气缸压力卸载，由此辅助弹簧向上拉动制动四边形。同时制动控制仪器44将换向极开关42控制到一种状态中，在该状态中用于短时存在的电流脉冲的电流方向将至今为止永久磁化的磁体段5退磁。由此不用考虑之前还作为法向力作用到制动四边形的制动磁体2上的磁力，从而也不再存在摩擦力。
清楚的是，上述装置也可以应用在线性涡流制动器中，只要其包含所述可永久磁化的磁体段以及励磁的励磁线圈。
附图标记：
1 轨道
2 制动磁体
5 磁体段
8 磁线圈体
9 磁线圈
14 端头
16 极靴段
22 电接头
24 电接头
26 连接机构
28 装置
32 车载电源电路
34 长时间运行的蓄能器
36 变压器
38 强电流蓄能器
40 开关机构
42 控制机构
44 功率开关

Claims (15)

1.用于以至少一个电流脉冲给至少一个电励磁线圈(9)供电的装置(28)，用于在磁极方面选择性地将轨道车辆的制动磁体(2)的包含硬磁材料的至少一个磁体段(5)永久磁化或退磁，其特征在于，
a)设置有能由轨道车辆的车载电源电路(32)供应电能的至少一个长时间运行的蓄能器(34)，所述车载电源电路至少有时处在车载电源电压下；
b)设置有至少一个磁化电路(38)，该至少一个磁化电路具有：变压器(36)用于将由所述长时间运行的蓄能器(34)提供的车载电源电压变换为预定的磁化电压并且用于给至少一个强电流蓄能器(40)在磁化电压的情况下充以电能；以及一方面与所述强电流蓄能器(40)并且另一方面与所述励磁线圈(9)处于导电连接的开关机构(42)，通过所述开关机构根据由控制机构(44)调制的控制信号能够将如下的电流脉冲切换到所述励磁线圈(9)上，该电流脉冲基于存储在所述强电流蓄能器(40)中的电能并且在电流流向方面能选择性地变化。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述长时间运行的蓄能器(34)是配置给轨道车辆的蓄能器，该蓄能器除了产生所述至少一个电流脉冲还为至少一个另外的功能提供电能。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述长时间运行的蓄能器(34)是单独的、仅仅设置为用于给所述装置(28)供应电能的蓄能器。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述长时间运行的蓄能器(34)借助阻尼二极管而与车载电源电路连接。
5.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述开关机构(42)包含能由控制机构(44)电控制的或能通过压力介质控制的至少一个换向极开关。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，换向极开关构造为具有一个电流方向位置和另一个与之相对地反向的电流方向位置的2位置选择开关；或构造为具有一个电流方向位置、另一个与之相对地反向的电流方向位置以及中性位置的3位置选择开关；或构造为4象限调节器。
7.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，强电流蓄能器(40)包含至少一个电容器。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，强电流蓄能器(40)包含至少一个双层电容器。
9.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，在开关机构(42)与强电流蓄能器(40)之间连接有至少一个功率开关(46)，该至少一个功率开关能由所述控制机构(44)如此控制，使得开关机构(42)仅仅在没有负载的无功率状态下可切换。
10.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述控制机构(44)通过电子控制仪器构成。
11.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，控制机构(44)如此构造：使得仅仅在一个时间段将所述开关机构(42)控制到电流贯通状态中，在该电流贯通状态中将至少一个电流脉冲切换到励磁线圈(9)上，为了将磁体段(5)永久磁化或退磁，所述励磁线圈是必要的；并且在其它情况下将所述开关机构(42)控制到电流闭锁状态中。
12.轨道车辆的制动磁体(2)，该制动磁体具有由硬磁材料制成的至少一个磁体段(5)，通过给励磁线圈(9)通以电流脉冲而能选择性地将该至少一个磁体段永久磁化或退磁，其中，借助根据权利要求1至11之一所述的装置(28)来给所述励磁线圈(9)通以电流脉冲。
13.轨道制动器，其包括如权利要求12所述的制动磁体(2)，其特征在于，所述轨道制动器是在制动压紧位置中与轨道(1)进行摩擦接触的磁轨制动器(4)。
14.轨道制动器，其包括如权利要求12所述的制动磁体(2)，其特征在于，所述轨道制动器是线性或旋转涡流制动器。
15.轨道车辆，包含至少一个根据权利要求13或14所述的轨道制动器，其中，所述装置(28)直接设置在所述轨道车辆的转向架上。
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