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Die
Erfindung betrifft einen Widerstand für kurzzeitige hohe elektrische
Spitzenleistung mit einem zur elektrischen Stromführung bestimmten Strompfad.
Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines Widerstands für kurzzeitige hohe
elektrische Spitzenleistung mit einem zur elektrischen Stromführung bestimmten
Strompfad. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung des
Widerstands.
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Ein
derartiger, etwa in der
EP
0 872 853 A1 beschriebener Widerstand, der manchmal auch
als Hochleistungswiderstand bezeichnet wird, kommt beispielsweise
als Bremswiderstand bei einem elektrischen, normalerweise rekuperativ
gebremsten (Schienen-)Triebfahrzeug zum Einsatz. Der Widerstand
dient der Aufnahme von Bremsleistung, wobei es insbesondere möglich sein
soll, die Bremsleistung mehrmals und in kurzen Abständen hintereinander umzusetzen.
Deshalb erfolgt die Auslegung üblicherweise
für einen
Dauerbetrieb bei der eigentlich nur kurzzeitig auftretenden hohen
Spitzenleistung. Um eine zu starke Erwärmung und damit ein Absinken der
aufnehmbaren Bremsleistung zu verhindern, wird ein derartiger Widerstand üblicherweise
mit einem relativ großen
Bauvolumen ausgeführt.
Darüber
hinaus ist oft eine zusätzliche
Kühleinrichtung
beispielsweise in Form eines Lüfters
vorgesehen. Insgesamt resultieren daraus ein hohes Gewicht, ein
hoher Platzbedarf sowie relativ hohe Herstellungskosten.
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Aus
der
JP 5-234 724 A ist
ein Widerstand bekannt, der in einem mit einem Kühlmedium befüllten Aufnahmebehälter angeordnet
ist. Zur Vermeidung eines erhitzungsbedingten Überdrucks im Behälter ist
ein Sicherheitsventil vorgesehen.
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Aus
der
JP 7-297 002 A ist
ein Widerstand in einem inneren Behälter angeordnet, der sich seinerseits
in einem weiteren mit einem Kühlmedium
befüllten äußeren Behälter befindet.
Verdampfendes Kühlmedium
wird einem Kondensator zugeführt
und wieder in flüssiges
Kühlmedium
zurückverwandelt.
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In
der
DE 926 921 C wird
ein Verfahren zur Kühlung
eines elektrischen Widerstands beschrieben, bei dem das Kühlmittel
auf der Temperatur eines Umwandlungspunktes gehalten wird. Dabei
wechselt das Kühlmittel
entweder seinen Aggregatzustand oder seine Struktur. Es wird insbesondere
die Schmelz- oder Verdampfungswärme
des Kühlmittels ausgenutzt.
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In
der
DE 1 043 469 B ist
ein elektrischer Heißleiter-Widerstand beschrieben,
der in einem mit Flüssigkeit
befüllten
Metallröhrchen
mit Kühlrippen angeordnet
ist. Die Flüssigkeit
dient in erster Linie dazu, die Zeitkonstante der Heißleiteranordnung
zu verringern.
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Aus
der
DE 2 231 597 A ist
eine Kühleinrichtung
für wärmeerzeugende
Objekte, wie beispielsweise elektronische Module, bekannt, die einen
mit Kühlflüssigkeit
befüllten
Behälter
umfasst, in die das wärmeerzeugende
Objekt eingetaucht ist. Über
der Kühlflüssigkeit
befindet sich innerhalb des Behälters ein
Dampfraum, in dem verdampfende Kühlflüssigkeit
rekondensiert. In dem Dampfraum sind Kühlrippen vorgesehen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Widerstand der
eingangs bezeichneten Art anzugeben, der ein niedriges Gewicht und
einen niedrigen Platzbedarf aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Widerstand handelt es sich
also um einen solchen, bei dem
- a) der Strompfad
zumindest teilweise von einem Kühlmedium
umgeben ist,
- b) das Kühlmedium
und zumindest teilweise auch der Strompfad in einem Aufnahmebehälter angeordnet
sind,
- c) das Kühlmedium
so ausgelegt ist, dass es zumindest beim Auftreten der kurzzeitigen
hohen elektrischen Spitzenleistung seinen Aggregatzustand ändert, und
- d) ein Sensor zur Erfassung der Änderung des Aggregatzustands
des Kühlmediums
vorgesehen ist.
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Der
erfindungsgemäße Widerstand
zeichnet sich durch eine besonders hohe Leistungsaufnahmefähigkeit
aus, die insbesondere durch die zusätzlich vorgesehene Änderung
des Aggregatzustands (= Phasenzustand) begründet ist. Der Wechsel im Aggregatzustand
von fest auf flüssig
oder von flüssig auf
gasförmig
geht jeweils mit der Aufnahme der entsprechenden Umwandlungsenergie,
also der Schmelzwärme
bzw. der Verdampfungswärme,
einher. Die Temperatur steigt folglich bis zum Schmelz- bzw. Siedepunkt
an und bleibt dann annähernd
konstant, bis die Aggregatzustandsänderung im kompletten Kühlmedium
vollzogen ist. Somit heizt die Bremsleistung nicht nur, wie beim
Stand der Technik üblich,
das stromführende
Material des Widerstands entsprechend dessen Wärmekapazität auf, sondern führt zusätzlich zu
einer Änderung
des Aggregatzustands im umgebenden Kühlmedium. Vorteilhaft ist eine
Auslegung, bei der die Änderung
im Aggregatzustand bei normalen, relativ häufigen Belastungen noch nicht,
sondern erst bei relativ hohen Spitzenbelastungen, die vergleichsweise
selten und nur kurzzeitig auftreten, stattfindet. Da ein Teil der
Bremsleistung in die Änderung
des Aggregatzustandes fließt, fällt der
Temperaturanstieg geringer aus. Somit kann der Widerstand insgesamt
mit einem geringen Bauvolumen und auch mit einem geringen Gewicht
realisiert werden. Außerdem
ist keine zusätzliche
Kühlung
erforderlich. Dies ist vor allem hinsichtlich eines Einsatzes als
Bremswiderstand in einem Fahrzeug günstig. Bei einem derartigen
Verwendungszweck sind Gewichts- und
Platzfragen nämlich
stets mit ausschlaggebend.
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Beispiele
für ein
geeignetes flüssiges
Kühlmedium
sind Wasser, dem bei Bedarf zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit
auch ein Salz zugesetzt sein kann, und niedrig siedende Flüssigkeiten
wie Freon oder Alkohohl. Beispiele für ein ge eignetes festes Kühlmedium
sind Blei, Zinn, Zink, Konstantan, Magnesium und Metalllegierungen
mit einem niedrigen Schmelzpunkt.
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Es
ist ein Sensor zur Erfassung der Änderung des Aggregatzustands
vorgesehen. Damit ist eine Überwachung
des Widerstands möglich,
die insbesondere auch automatisch und ferngesteuert erfolgen kann.
Das Service-Personal oder die Auswerte- und Überwachungseinheit erhält dann
einen Hinweis auf eine Belastung mit einer Spitzenleistung und auf eine
zumindest teilweise erfolgte Aggregatzustandsänderung im Kühlmedium.
Bei Bedarf können
dann Steuerungsmaßnahmen
eingeleitet werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Widerstands ergeben sich
aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Grundsätzlich ist
es zwar möglich,
aber nicht erforderlich, dass der Strompfad durchgehend aus einem
anderen Material besteht als das umgebende Kühlmedium. Bei einer Variante
verläuft
der Strompfad zumindest teilweise auch durch das Kühlmedium,
das nicht elektrisch isoliert vom Strompfad ausgebildet ist. Das
Kühlmedium
weist eine elektrische Leitfähigkeit
entsprechend den Anforderungen an die Stromtragfähigkeit des Strompfades auf.
Insbesondere eignen sich Salze, die üblicherweise sowohl eine gute
elektrische Leitfähigkeit
als auch eine sehr hohe Schmelzwärme
aufweisen.
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Bevorzugt
ist weiterhin ein Vorratsbehälter vorgesehen,
der ein weitgehend automatisches Nachfüllen von Kühlmedium in den Aufnahmebehälter ermöglicht.
Insbesondere aufgrund eines Übergangs
in den gasförmigen
Phasenzustand kann es zu einem teilweisen Verlust an Kühlmedium
kommen, der sich durch den im Vorratsbehälter vorgehaltenen Vorrat an
Kühlmedium
ausgleichen lässt.
Aufgrund dieser Zusatzmaßnahme
kann der zeitliche Abstand zwischen den zur Überprüfung eines ausreichenden Kühlmediumfüllstands
erforderlichen Inspektionsintervallen erheblich gestreckt werden.
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Außerdem ist
eine weitere Ausgestaltung möglich,
bei der eine Zuleitung des Strompfads durch eine elektrisch leitfähige Wand
des Aufnahmebehälters
gebildet ist. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn eine Zuleitung
ohnehin an Masse liegt. Diese geerdete Zuleitung ist mittels der
leitfähigen
Wand gebildet. Dadurch lässt
sich der Verdrahtungsaufwand reduzieren. Insbesondere besteht die
leitfähige Wand
aus Stahl, Aluminium oder Kupfer.
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Bevorzugt
ist der Aufnahmebehälter
mit Kühlrippen
ausgestattet, um einen möglichst
effizienten Wärmeabtransport
an die Umgebung zu gewährleisten.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung ist der Aufnahmebehälter geschlossen ausgebildet.
Er enthält vorzugsweise
ein Überdruckelement,
beispielsweise in Form eines Überdruckventils
oder einer Berstmembran, um eine definierte Entlastung zu ermöglichen,
wenn es im Inneren des geschlossenen Aufnahmebehälters infolge der Aggregatzustandsänderung
zu einem zu hohen Druck kommt.
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Weiterhin
ist bei einer Variante der geschlossene Aufnahmebehälter mit
Rückführmitteln
zur Zurückführung eines
verdampften Teils des Kühlmediums
versehen. Insbesondere bewirken die Rückführmittel eine Rekondensation
des dampfförmigen
Kühlmediums.
Hierzu ist ein Rückkreislauf
mit einem beispielsweise Kühlrippen
aufweisenden Kondensator, mit einer Rohrschlange oder auch mit einem
ein weiteres Kühlmedium
beinhaltenden Wärmeaustauscher
vorgesehen. Anstelle eines Rückkreislaufes kann
auch nur eine aufgesetzte einfache Kühlröhre, ähnlich einer Heat-Pipe, vorgesehen
sein.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, das mit niedrigem Platzbedarf und mit ein
niedriges Gewicht aufweisenden Komponenten realisiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 9. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich
also um ein solches, bei dem
- a) der Strompfad
zumindest teilweise mit einem Kühlmedium
umgeben wird,
- b) zumindest die bei der kurzzeitigen hohen elektrischen Spitzenleistung
entstehenden thermischen Verluste mittels einer Änderung des Aggregatzustands
im Kühlmedium
abgebaut werden, und
- c) die Änderung
des Aggregatzustands erfasst wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
aus den von Anspruch 9 abhängigen
Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
und seine Ausgestaltungen bieten im Wesentlichen die gleichen Vorteile,
die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Widerstand
und dessen Varianten beschrieben worden sind.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 bis 3 drei
Ausführungsbeispiele eines
Widerstands mit Kühlung
mittels Aggregatzustandsänderung
des Kühlmediums,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
eines Widerstands mit Erfassung der Aggregatzustandsänderung
des Kühlmediums,
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5 ein
Ausführungsbeispiel
eines Aufnahmebehälters
mit Kühlrippen,
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6 ein
Ausführungsbeispiel
eines Widerstands mit Vorratsbehälter
zur automatischen Nachfüllung
des Kühlmediums,
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7 ein
Ausführungsbeispiel
eines Widerstands mit geschlossenem Aufnahmebehälter und Überdruckelement,
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8 ein
Ausführungsbeispiel
eines Widerstands mit geschlossenem Aufnahmebehälter und Rückführung des verdampften Anteils
des Kühlmediums
und
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9 eine
beim Widerstand gemäß 8 zur
Kühlmittelrückgewinnung
eingesetzte Kühlröhre,
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10 ein
elektrisches Triebfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Widerstand.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 9 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Widerstands 1 gezeigt. Er hat Zuleitungen 2 und 3,
zwischen denen ein einen Strompfad 4 bildender elektrischer
Leiter aus einem Widerstandsmaterial angeordnet ist. Außerdem weist
er einen Aufnahmebehälter 5 und
ein darin vorgesehenes Kühlmedium 6 auf.
Das Kühlmedium 6 umgibt
den elektrischen Leiter des Strompfads 4 unmittelbar und
ist so ausgelegt, dass es ab einer bestimmten innerhalb des elektrischen
Leiters auftretenden elektrischen Verlustleistung seinen Aggregatzustand ändert. Zumindest
ein Teil der elektrischen Verlustleistung führt zur Umwandlung des Aggregatzustands,
ohne den Widerstand 1 zusätzlich zu erwärmen. Eine Änderung
vom festen in den flüssigen
oder auch vom flüssigen
in den dampfförmigen
Zustand ist möglich.
Das Kühlmedium 6 ist
also entweder ein schmelzfähiger
oder ein verdampfender Stoff. Beim ersten Ausführungsbeispiel ist der Aufnahmebehälter 5 aus
einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem
Kunststoff oder einer Keramik, hergestellt.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
eines Widerstands 7 gemäß 2 ist
ein Aufnahmebehälter 8 mit
einer elektrisch leitfähigen
Behälterwand aus
Aluminium vorgesehen. Der Strompfad 4 ist an die elektrisch
leitfähige
Gehäusewand
angeschlossen, so dass diese eine Zuleitung 9 bildet, die
insbesondere an einen in 2 nicht näher gezeigten Masseanschluss
geführt
ist.
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Gemäß 3 verläuft bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
eines Widerstands 10 ein Strompfad 11 zwischen
den Zuleitungen 2 und 3 innerhalb eines Kühlmediums 12.
Das Kühlmedium 12 ist
wiederum so ausgelegt, dass es bei einer hohen elektrischen Leistung
seinen Aggregatzustand ändert.
Gleichzeitig wirkt das Kühlmedium 12 selbst auch
als Widerstandsmaterial und dient der Stromführung. Es weist also eine gewisse
elektrische Leitfähigkeit
auf. Besonders gut eignen sich hierzu Salze, die neben einer guten
elektrischen Leitfähigkeit auch
eine sehr hohe Schmelzwärme
aufweisen.
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In 4 ist
ein viertes Ausführungsbeispiel eines
Widerstands 13 gezeigt, der zusätzlich mit einem Sensor 14 in
Gestalt eines Anzeigestabs ausgestattet ist. Der Sensor 14 dient
zur Erfassung der Aggregatzustandsänderung im Kühlmedium 6.
Er ist an seinem unteren Stabende mit einem Gewicht 15 versehen,
um davon in Position gehalten zu werden und um beispielsweise bei
einer Verflüssigung
des zunächst
festen Kühlmediums 6 ein
Absinken des Sensors 14 zu bewirken. Alternativ kann anstelle
des Gewichts 15 auch eine luftgefüllte Hohlkugel vorgesehen sein,
so dass bei einer Verflüssigung
des Kühlmediums 6 ein
Auftrieb resultiert. Bei einer weiteren Alternative kann auch eine
Federkraftwirkung bei der Funktion des Sensors 14 ausgenutzt
werden. Der Sensor 14 kann entweder mit einer vor Ort abzulesenden
Anzeigeeinheit oder auch mit einer weiter entfernt angeordneten
Auswerte- und Steuereinheit verbunden sein.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Widerstands 16 ist in 5 dargestellt.
Es enthält
einen zusätzlichen
Vorratsbehälter 17 mit
einer luftdicht verschließbaren
Nachfüllöffnung 18 und
einem Nachfüllrohr 19.
Der Vorratsbehälter 17 ist
oberhalb des Aufnahmebehälters 5 angeordnet
und sein Nachfüllrohr
reicht in den Aufnahmebehälter 5 bis
zu einer Füllstandslinie.
Sinkt der Füllstand
unter diese Linie, wird dem Aufnahmebehälter 5 Kühlmedium 6,
das sich im Vorratsbehälter 17 befindet,
mittels des Nachfüllrohrs 19 zugeführt. Dies
geschieht aufgrund der Schwerkraftwirkung automatisch. Bei Bedarf
kann der im Vorratsbehälter 17 vorhandene
Vorrat an Kühlmedium 6 durch
die Nachfüllöffnung 18 aufgestockt werden.
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In 6 ist
ein Aufnahmebehälter 20 mit Kühlrippen 21 dargestellt,
der bei den Ausführungsbeispielen
gemäß 1 bis 5 anstelle
der dort gezeigten Aufnahmebehälter 5 bzw. 8 eingesetzt werden
kann. Die Kühlrippen 21 bewirken
einen verbesserten Wärmeabtransport
in die umgebende Atmosphäre,
so dass eine zusätzliche
Kühlung
erreicht wird.
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Alternativ
zu der in 5 gezeigten Ausführungsform,
bei der das Kühlmedium 6 nachgefüllt wird,
gibt es gemäß 7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Widerstands 22, bei dem ein Verlust des Kühlmediums 6 verhindert
wird, so dass ein Nachfüllen
entfallen kann. Der Widerstand 22 enthält dazu einen geschlossenen
Aufnahmebehälter 23,
so dass auch bei einer Änderung
des Aggregatzustands, insbesondere bei einem Übergang in den gasförmigen Phasenzustand,
das Kühlmedium 6 im Inneren
des Aufnahmebehälters 23 zurückgehalten wird.
Der Aufnahmebehälter 23 ist
mit einem Überdruckventil 24 ausgestattet,
das bei einem zu hohen Druck im Inneren eine gezielte Druckentlastung
bewirkt, um eine Zerstörung
des Widerstands 22 zu verhindern.
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Auch
bei dem weiteren Ausführungsbeispiel eines
Widerstands 25 gemäß 8 kann
ein Nachfüllen
des Kühlmediums
entfallen. Der geschlossene Aufnahmebehälter 23 ist mit einem
Rückkreis lauf 26 versehen,
der den verdampften Anteil des Kühlmediums 6 aufnimmt,
in einem mit Kühlrippen 27 ausgestatteten
Kondensator 28 rekondensiert und zu dem im Aufnahmebehälter 23 verbliebenen
Anteil des Kühlmediums 6 zurückführt. Anstelle
des in 8 gezeigten Rückkreislaufs 26 kann
auch eine einfache, Kühlrippen
aufweisende Kühlröhre 29 gemäß 9 verwendet
werden. Sie ist an der Oberseite des geschlossenen Aufnahmebehälters 23 angeordnet.
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Sämtliche
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiele
zeichnen sich dadurch aus, dass ab einer bestimmten vorgegebenen
elektrischen Verlustleistung eine Änderung im Aggregatzustand
des verwendeten Kühlmediums 6 bzw. 12 auftritt,
wobei die elektrische Verlustleistung vorteilhafterweise zumindest
zu einem Teil aufgrund der für
die Zustandsänderung
benötigte
Umwandlungsenergie abgebaut wird. Dadurch lassen sich die Widerstände 1, 7, 10, 13, 16, 22 und 25 besonders
kompakt und auch gewichtssparend aufbauen. Sie eignen sich daher
sehr gut für
einen Einsatz als Bremswiderstand in einem Schienentriebfahrzeug,
bei dem der Platzbedarf und das Eigengewicht von einzubauenden Komponenten stets
eine große
Rolle spielen.
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In 10 ist
ein Widerstand 1, 7, 10, 13, 16, 22 in
einem dafür
geeigneten Gehäuseteil 30 oder Tragkonstruktion
eines elektrischen Triebfahrzeugs 31 dargestellt. Dieses
Triebfahrzeug 31 kann sowohl schienengebunden als auch
schienenunabhängig, wie
z. B. O-Busse oder Miningtrucks ausgeführt sein. Prinzipiell sind
für das
Gehäuse 30 oder
die Tragkonstruktion neben den angegebenen Einbauorten an einem
elektrischen Triebfahrzeug 31 auch andere, insbesondere
gut gekühlte
Einbauorte geeignet. Die Radsätze 32 oder
Räder werden
durch Motoren 36 angetrieben, und sind jeweils in einem
Drehgestell 34 befestigt. Bei einem Bremsvorgang wird nunmehr
die von den Radsätzen 32 oder
Rädern
an die elektrischen Motoren 36 abgegebene kinetische Energie
in elektrischer Energie und in den dafür vorgesehenen Widerständen in
dem Gehäuse 30 in
Umwandlungsenergie transformiert.