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Die
Erfindung betrifft einen Elektromagneten und ein Verfahren zu dessen
Herstellung.
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Für den Betrieb
in der Schweiz müssen
Lokomotiven mit einem Zugsicherungssystem ausgerüstet sein, das eine Magneteinrichtung
aufweist. Das Zugsicherungssystem ist in der Fachwelt unter der
Bezeichnung „Integra
Signum" bekannt.
Eine Magnetfeldsonde (Spule), die streckenseitig angeordnet ist,
detektiert das Magnetfeld der Magneteinrichtung, wenn die Lokomotive
die Magnetfeldsonde überfährt. Die
Magneteinrichtung ist ein Permanentmagnet hoher Feldstärke, der
im Untergestell des Schienenfahrzeuges in Gleismitte und knapp oberhalb
der Schienenoberkante (130-150mm) eingebaut ist.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass die Magneteinrichtung beim Betrieb
der Lokomotiven in anderen Ländern
zu Fehlfunktionen an Einrichtungen führen kann, die an der Strecke
angeordnet sind, insbesondere dann, wenn die Einrichtungen wie teilweise im österreichischen
Bahnnetz in Gleismitte installiert sind. Hierbei handelt es sich
z. B. um Achszähler
für Gleisfreimeldeeinrichtungen
oder andere Steuereinrichtungen.
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Falls
der Permanentmagnet durch einen Elektromagneten ersetzt werden soll,
stellen sich die Probleme, dass das Magnetfeld des Elektromagneten
etwa gleich stark wie das Magnetfeld des Permanentmagneten sein
muss, wobei der zur Verfügung stehenden
Einbauraum für
den Elektromagneten beschränkt
ist, dass die durch elektrische Verluste erzeugte Wärme von
dem Elektromagneten abgeführt werden
muss, wobei eine Zwangskonvektion den technischen Aufwand erhöhen würde und
aus Platzgründen
nicht oder nur mit Schwierigkeiten realisierbar ist, dass die Zuverlässigkeit
des Elektromagneten insbesondere dann gegenüber dem Permanentmagneten reduziert
ist, wenn zur Spannungs- und/oder Stromsteuerung zusätzliche
Steuereinrichtungen wie DC/DC-Wandler eingesetzt werden. Außerdem ist
für den
Elektromagneten mit höheren Kosten
als für
den Permanentmagneten zu rechnen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromagneten
und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, sodass der Elektromagnet
auf einfache Weise und kostengünstig
hergestellt werden kann.
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Ferner
soll ein Elektromagnet bereitgestellt werden, der eine vergleichbar
hohe magnetische Feldstärke
erzielen kann, die beim Betrieb an einer Stromversorgung eines Schienenfahrzeugs
vergleichbar einem Permanentmagneten ähnlicher Baugröße und ähnlichen
Gewichts ist (insbesondere für
das Integra-Signum-System),
wobei die Feldstärke
auch dann erreichbar sein soll, wenn der Elektromagnet bei niedrigem
Ladezustand einer Fahrzeugbatterie ohne zusätzliche strom- und/oder spannungssteuernde
Einrichtungen direkt an die Fahrzeugbatterie angeschlossen ist.
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Weiterhin
soll ein Elektromagnet bereitgestellt werden, dessen Wärmeverlustleistung
ohne Zwangskonvektion (d. h. durch zusätzliche Einrichtungen wie einen
Ventilator forcierte Luftströmung) abgeführt werden
kann.
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Außerdem soll
ein Elektromagnet bereitgestellt werden, dessen Rest-Magnetfeld
bei ausgeschaltetem Elektromagneten gering ist.
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Auch
soll die Ausführung
robust gegen Wettereinwirkung und mechanische Einwirkung sein, um den
Elektromagneten im Untergestell des Schienenfahrzeugs anbringen
zu können.
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Es
wird ein Elektromagnet vorgeschlagen, der ein Gehäuse, einen
Spulenträger
und eine Wicklung aufweist. Die Wicklung weist ein langgestrecktes
elektrisch leitendes Leitungsmaterial auf, das mehrfach um den Spulenträger herum
gewickelt ist. Der Spulenträger
ist insbesondere in einer definierten Position in dem Gehäuse angeordnet
und an dem Gehäuse
befestigt. Somit trägt
der Spulenträger
die Wicklung und wird der Spulenträger wiederum von dem Gehäuse getragen
und aufgenommen. Die Montage einer solchen Spule ist sehr einfach.
Durch das Gehäuse
wird die Wicklung wirksam vor äußeren Einflüssen geschützt. Außerdem ist
die Konstruktion sehr stabil. Die Stabilität kann noch dadurch gesteigert
werden, dass Zwischenräume
zwischen der in dem Gehäuse
angeordneten Wicklung und dem Spulenträger einerseits und dem Gehäuse andererseits ausgefüllt werden,
insbesondere vergossen werden. Ferner kann durch mehrlagiges Wickeln
des Leitungsmaterials bei geringem Platzbedarf eine auf die jeweilige
gewünschte
Feldstärke
und Stromversorgung abgestimmte Wicklungsanzahl erzielt werden. Dies
führt,
wie noch gezeigt wird, zu moderaten Wärmeverlusten beim Betrieb des
Elektromagneten. Die Wicklungsanzahl kann somit so gewählt werden, dass
der Betrieb ohne Verwendung von Steuereinrichtungen unmittelbar
an einer Fahrzeugbatterie möglich
ist. Dies verringert die Ausfallwahrscheinlichkeit des Elektromagneten
erheblich.
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Außerdem können die
Abmessungen des Gehäuses
und der fertigen Wicklung so aufeinander abgestimmt werden, dass
die Wicklung nur in geringem Abstand zu der Gehäuse-Innenwand endet. Dadurch
kann die Verlustwärme
effektiv über
das Gehäuse
nach außen
abgeführt
werden, insbesondere wenn der Zwischenraum mit einem gut wärmeleitenden
Material ausgefüllt
ist.
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Ein
weiterer Vorteil des Elektromagneten besteht in seinem niedrigen
Gewicht auf Grund der kompakten Bauform und der geringen Anzahl
von Einzelteilen. Der Spulenträger
kann direkt oder über verhältnismäßig leichte
Befestigungselemente mit dem Gehäuse
verbunden sein. Das Gehäuse
kann wiederum aus einem leichten Material wie z. B. Aluminium oder
Kunststoff gefertigt sein. Insbesondere dann, wenn der Gehäuse-Inhalt
vergossen ist, entsteht trotz der leichten Ausführung des Gehäuses ein sehr
stabiler Elektromagnet.
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Vorzugsweise
ist der Spulenträger
stabförmig
ausgestaltet (darunter wird auch ein hohler Stab verstanden) und
erstreckt sich in einer Längsrichtung,
wobei der Spulenträger
an in der Längsrichtung gegenüberliegenden
Enden des Spulenträgers
mit dem Gehäuse
verbunden ist. Auf diese Weise ist der Spulenträger besonders stabil an dem
Gehäuse
befestigt. Außerdem
erlaubt die hinsichtlich der Position definierte Befestigung des
fertig bewickelten Spulenträgers
an seinen Enden eine besonders präzise Positionierung relativ
zu dem Gehäuse.
Dies wiederum führt
dazu, dass das Magnetfeld bezüglich
des Gehäuses
definiert ausgerichtet und positioniert ist. Insbesondere wenn ein
Permanentmagnet durch den erfindungsgemäßen Elektromagneten ersetzt
werden soll, ist dies ein wichtiger Vorteil. Die Ausrichtung und
Positionierung des Magnetfeldes kann dann einfach durch mechanische
Positionierung des Gehäuses
vorgenommen werden.
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Insbesondere
kann an zumindest einem der Enden des Spulenträgers ein (vorzugsweise plattenförmiges)
Befestigungselement mit dem Spulenträger verbunden (z.B. verschweißt) sein,
das sich quer zu der Längsrichtung über den
Außenumfang
des Spulenträgers
hinaus erstreckt. Das Befestigungselement stößt an einer Mehrzahl von Stellen
an Wänden
des Gehäuses
an und ist mit dem Gehäuse
verbunden. Insbesondere stößt das Befestigungselement
an zumindest drei (vorzugsweise fünf) verschiedenen Seiten innen
an der Gehäusewand
an, so dass die Position des Befestigungselements und damit auch
des Spulenträgers
bezüglich
dieser Seiten des Gehäuses
festgelegt ist bzw. festgelegt werden kann. Zusätzlich kann die (in der Längsrichtung gemessene)
Länge des
Spulenträgers,
einschließlich des
daran befestigten Befestigungselements gleich der (innenseitig gemessenen)
Länge des
Gehäuses sein,
sodass der Spulenträger
und damit die Wicklung auch in Längsrichtung
eindeutig festgelegt sind.
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Das
Befestigungselement kann aus nicht magnetischem oder aus magnetisierbarem
Material, insbesondere weichmagnetischem Material, bestehen. Durch
den Überstand
des Befestigungselements seitlich (quer zur Längsrichtung) über den
Umfang des Spulenträgers
hinaus begrenzt das Befestigungselement auch den Raum für die Wicklung
und kann die Wicklung mechanisch stabilisieren.
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Wie
bereits erwähnt,
kann das Befestigungselement plattenförmig ausgestaltet sein, wobei
sich die Platte quer zu der Längsrichtung
des Spulenträgers
erstreckt. An ihren äußeren Enden,
an denen die Platte am Gehäuse
befestigt ist, ist die Platte vorzugsweise abgewinkelt, sodass die
abgewinkelten Bereiche sich entlang der Gehäuse-Innenwand erstrecken. Auf
diese Weise kann eine größere Anlagefläche erzielt
werden, an der das Befestigungselement an der Gehäuse-Innenwand
anliegt und fixiert werden kann. Die Positionierung wird daher exakter und
die Befestigung stabiler.
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Falls
ein Dauermagnet durch den Elektromagneten ersetzt werden soll, können zur
Reduzierung des Fertigungs- und Kostenaufwandes sämtliche magnetische
Materialien oder zumindest einzelne der magnetischen Teile des Elektromagneten
vorzugsweise aus kohlenstoffarmem Reineisen nach der deutschen Industrienorm
(DIN) 1013 bestehen.
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Das
elektrisch leitende Leitungsmaterial der Wicklung ist vorzugsweise
in mehreren Lagen um den Spulenträger herum gewickelt. Der Spulenträger kann
aus weichmagnetischem Material oder nicht magnetischem Material
bestehen, vorzugsweise aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff.
Insbesondere wenn der Spulenträger
aus elektrisch leitfähigem
Material besteht, befindet sich ein elektrisch isolierendes Material
zwischen dem Leitungsmaterial und der Oberfläche des Spulenträgers, beispielsweise
eine Lage isolierendes Material und/oder das Leitungsmaterial ist
mit isolierendem Material überzogen.
Im Fall einer Lage aus isolierendem Material liegt das Leitungsmaterial
unmittelbar an der Lage an, d.h. ist um die Außenoberfläche der Lage gewickelt.
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Das
Gehäuse
kann insbesondere eine Gehäusewanne
aufweisen, die den Spulenträger
und die Wicklung an fünf
Seiten umschließt.
Mit einem Deckel ist das Gehäuse
an einer sechsten Seite verschlossen, sodass die Wicklung vollständig gegen äußere Einflüsse (wie
z. B. Schmutz und Flüssigkeit) abgeschottet
sind. Insbesondere mit dem Deckel (aber alternativ auch mit einer
anderen Seite des Gehäuses)
kann ein Befestigungsträger
verbunden sein, über
den das Gehäuse
an anderen Einrichtungen und/oder Gegenständen (z. B. im Bereich des Untergestells
einer Lokomotive) befestigt werden kann. Das Gehäuse und/oder der Befestigungsträger sind
vorzugsweise aus nicht magnetischem Material (z. B. Aluminium, Edelstahl
oder Kunststoff) hergestellt.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführung, bei
der der Spulenträger
als magnetischer Spulenkern ausgestaltet ist. In diesem Fall besteht
der Spulenträger
insbesondere aus magnetisierbarem (weichmagnetischem) Material.
Der insbesondere stabförmig ausgestaltete
Spulenträger
bzw. Spulenkern kann an seinen in der Längsrichtung gegenüberliegenden
Enden jeweils eine Ausnehmung (insbesondere eine zentrische Bohrung)
aufweisen. Diese Ausnehmungen ermöglichen es, den Spulenträger in eine
Wickeleinrichtung einzuspannen, die in die Ausnehmungen eingreift
und eine Rotation des Spulenträgers
um die durch die beiden Ausnehmungen definierte Drehachse erlaubt.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung ist der Spulenträger hohl
und weist eine Öffnung
auf, durch die ein Spulenkern insbesondere aus magnetisierbarem
Material in den Spulenträger
eingebracht ist. Insbesondere kann die Öffnung an einem in Längsrichtung
gelegenen Ende eines hohlen stabförmig ausgestalteten Spulenträgers angeordnet
sein.
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In
diesem Fall hat der Spulenträger
außer den
beiden auch sonst vorhandenen Funktionen (Halter und Fixierungselement
der Wicklung sowie Befestigungs- und Positionierungselement für die Wicklung
innerhalb des Gehäuses)
noch die zusätzliche
Funktion, den Spulenkern zu halten und zu positionieren.
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Vorzugsweise
ist das Material des Spulenkerns so gewählt, dass (gemessen quer zur
Längsrichtung
des Gehäuses)
in einem Abstand von 130 bis 160 mm zur Oberfläche des Gehäuses bei abgeschaltetem Elektromagneten
lediglich ein Restmagnetfeld (Remanenz) mit einer Feldstärke von
kleiner als 200 μT,
insbesondere kleiner als 180 μT,
besteht. In diesem Fall ist die Beeinflussung von Melde-/Steuereinrichtungen
an der Strecke ausgeschlossen.
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Zur
Reduzierung des Restmagnetfeldes werden vorzugsweise ein weichmagnetischer
Werkstoff wie z. B. unlegiertes Eisen, eine Eisen-Kobalt-Legierung, eine Eisen-Silizium-Legierung
oder Legierungen mit ähnlichen
Eigenschaften als Material des Spulenkerns und/oder als Material
des Spulenträgers verwendet.
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Insbesondere
um die beim Betrieb des Elektromagneten entstehende Wärme besser
nach außen
abführen
zu können
und zur mechanischen Stabilisierung des Elektromagneten, ist der
Zwischenraum zwischen der Wicklung und dem Gehäuse vergossen, insbesondere
mit Epoxydharz vergossen. Es wird insbesondere ein Epoxydharz mit
einer Wärmeleitfähigkeit
von 0,7 – 0,8
W/(mK) verwendet.
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Die
Erfindung umfasst auch die Verwendung des Elektromagneten in einer
der zuvor oder im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen an einem Schienenfahrzeug
zum Zwecke der Erzeugung eines elektromagnetischen Signals, wenn
das Schienenfahrzeug an einem ortsfest beim Gleis angeordneten Sensor
(Spule) vorbeifährt.
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Ferner
umfasst die Erfindung eine Anordnung mit einem Elektromagneten in
einer der zuvor oder im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen an
einem Schienenfahrzeug, wobei der Elektromagnet ohne Zwischenschaltung
einer Steuereinrichtung zur Steuerung des den Elektromagneten speisenden Stromes
und/oder zur Steuerung der den Elektromagneten versorgenden elektrischen
Spannung mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer
Fahrzeugbatterie, verbunden ist.
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Außerdem umfasst
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten
mit den folgenden Schritten:
- – mehrfaches
Umwickeln eines Spulenträgers
mit einem langgestreckten elektrisch leitenden Leitungsmaterial,
sodass eine elektromagnetische Wicklung gebildet ist (insbesondere
Zylinderwicklung mit mehreren Lagen des Leitungsmaterials),
- – Anordnen
des Spulenträgers
in einem Gehäuse,
- – Befestigen
des Spulenträgers
in einer definierten Position an dem Gehäuse.
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Weitere
Verfahrensschritte ergeben sich insbesondere aus den bereits beschriebenen
oder im Folgenden noch zu beschreibenden Ausgestaltungen des Elektromagneten,
z. B. aus dem Merkmal, wonach ein Zwischenraum zwischen der Wicklung und
dem Gehäuse
vergossen ist.
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Beispiele
und Möglichkeiten
für weitere Merkmale
und Ausgestaltungen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf
die beigefügte
Zeichnung beschrieben.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt. Die
einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Schnitt-Darstellung einer Ausführungsform eines Elektromagneten,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Gehäuses zur Aufnahme eines Spulenträgers und
einer von dem Spulenträger
getragenen Wicklung,
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3 einen
Gehäusedeckel
des in 2 dargestellten Gehäuses,
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4 eine
Seitenansicht eines Spulenträgers,
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5 eine
perspektivische Darstellung des in 4 dargestellten
Spulenträgers,
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6 eine
perspektivische Darstellung des in 5 dargestellten
Spulenträgers
mit Blick auf das gegenüberliegende
Ende,
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7 eine
perspektivische Darstellung des in 5 dargestellten
Spulenträgers
mit Blick auf das in 5 links vorne liegende Ende,
wobei jedoch ein Spulenkern in den Spulenträger eingebracht ist und
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8 eine
perspektivische Darstellung eines Spulenkerns, der als Spulenträger verwendet werden
kann.
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Zunächst soll
nochmals auf die Problematik eingegangen werden, die der Gestaltung
des erfindungsgemäßen Elektromagneten
zugrunde liegt.
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Die
magnetische Feldstärke
N ist proportional zu der Durchflutung ⊝. Diese ist wiederum proportional
zu dem Produkt aus dem elektrischen Strom I, der die Spule (Wicklung)
des Elektromagneten durchfließt
und der Windungszahl N: H
~ ⊝ ~
I*N Gleichung 1
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Wegen
des elektrischen Widerstandes R der Spule entsteht beim Betrieb
des Elektromagneten eine elektrische Verlustleistung. Die Verluste
werden in Wärme
umgewandelt und müssen
an die Umgebung abgeführt
werden. Es gilt: RSpule = USpule/I
= ρ·Lm·N2·/(Kf·Ages) Gleichung
2 und PvSpule = Uspule·I =
Uspule 2/Rspule = ρ·Lm·⊝2/(Kf·Ages) Gleichung
3wobei: Rspule der
elektrische Widerstand der Spule ist, USpule die
an der Spule anliegende elektrische Spannung ist, PvSpule die
Verlustleistung der Spule ist, p der spezifische elektrische Widerstand
des Wicklungsmaterials ist, Lm die mittlere Windungslänge einer Windung
der Wicklung der Spule ist und Kf der Füllfaktor des Wickelraumes ist,
Ages die Gesamtfläche des Wickelquerschnittes
der Wicklung ist (gemessen quer zur Längsrichtung des Spulenträgers).
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Aus
Gleichungen 1, 2 und 3 wird der zu lösende Konflikt deutlich. Die
Verluste des Elektromagneten steigen quadratisch mit der geforderten
Feldstärke
N und sind umgekehrt proportional zu der Verfügung stehenden Querschnittsfläche der
Wicklung, d.h. bei Verkleinerung des Volumens und der Wickelfläche steigen
die Verluste.
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Wenn
ein Permanentmagnet durch den Elektromagneten ersetzt werden soll,
ist die Länge
des Magneten festgelegt. Daher ist diese Abmessung des Elektromagneten
begrenzt und es ergeben sich entsprechende Einschränkungen
für die
Oberflächen des
Magneten, über
die die Wärmeverluste
des Magneten an die Umgebung abgeführt werden können. Die
Verlustleistung soll im Stillstand des mit dem Elektromagneten ausgestatteten
Schienenfahrzeuges ausschließlich
durch natürliche
Konvektion abgeführt
werden können,
ohne dass unzulässig
hohe Temperaturen am Wickelmaterial auftreten. Eine zusätzliche
forcierte Kühlung
soll vermieden werden, da hierfür
kaum Platz zur Verfügung
steht. Außerdem könnte es
bei einem Ausfall der Kühleinrichtung
zu einer Beschädigung
des Elektromagneten kommen.
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Wegen
einer hohen geforderten Verfügbarkeit
sollte der Elektromagnet direkt aus der Fahrzeugbatterie mit elektrischer
Energie versorgt werden. Der Spannungstoleranzbereich der Fahrzeugbatterie
eines Schienenfahrzeugs beträgt
typischerweise minus 30 % und plus 25 % der Batterie-Nennspannung.
Dies erschwert die Auslegung zusätzlich. Bei
minimaler Speisespannung (Nennspannung minus 30 Prozent) muss eine
definiert hohe Feldstärke zur
sicheren Funktion vorhanden sein. Bei maximaler Speisespannung sind
die Verluste wegen des quadratischen Anstieges der Verlustleistung
mit der Versorgungsspannung etwa 50 % höher als bei der Nennspannung.
Zusätzliche
DC/DC-Wandler zur Spannungs- oder
Stromsteuerung, die eine Vereinfachung des Dimensionierungskonfliktes
zur Folge hätten,
sollten wegen der erhöhten
Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls und wegen des Zusatzaufwandes
für die
Steuerung vermieden werden.
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Zusammengefasst
sind folgende Zielsetzungen durch die im Folgenden anhand der Figuren
beschriebene Ausführungsformen
des Elektromagneten gelöst:
- – Realisierung
eines Elektromagneten mit hoher Feldstärke, vergleichbar dem Dauermagneten des
Integra-Signum-Systems bei begrenztem Volumen und Gewicht
- – Speisung
direkt aus der Fahrzeugbatterie mit entsprechenden Spannungstoleranzen
- – Abführung der
Verlustleistung ohne forcierte Kühlung
- – niedriges
Rest-Magnetfeld (Remanenz B < 180 μT in 130
mm Entfernung) bei abgeschaltetem Elektromagneten
- – robuste
Ausführung,
geeignet für
den Einbau im Untergestell des Fahrzeuges
- – einfache,
kostengünstige
Herstellung des Elektromagneten
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1 zeigt
im linken Figurenteil einen Querschnitt durch einen Elektromagneten 1 und
zeigt im rechten Figurenteil einen Längsschnitt durch den Elektromagneten 1 und
durch einen Flansch 10, an dem der Elektromagnet 1 angebracht
werden kann. Ferner ist unten im rechten Figurenteil die Schienenoberkante 122 durch
eine horizontale Linie dargestellt. Die Unterkante des Elektromagneten 1 ist
an einem Schienenfahrzeug (von dem nur der Flansch 10 dargestellt
ist) so angebracht, dass sie einen Abstand D zur Oberkante 122 der
Schiene aufweist. D beträgt
z. B. 130 mm.
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Der
Elektromagnet 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem
ein Spulenträger 3 angeordnet
ist. Der Spulenträger 3 erstreckt
sich in Längsrichtung
des Gehäuses 2.
Er ist massiv stabförmig
mit über
seine gesamte Länge
konstantem kreisförmigem
Querschnitt ausgestaltet. Der Spulenträger 3 kann daher auch
als Rundstab bezeichnet werden.
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Er
besteht aus magnetisierbarem Material, sodass er als Spulenkern
fungiert. Durch ihn wird das durch die Spule 4 erzeugte
Magnetfeld erheblich verstärkt.
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Eine
spezielle Ausführungsform
des Spulenträgers 3 ist
in 8 dargestellt. Diese Ausführungsform weist an ihren gegenüberliegenden
stirnseitigen Enden (in Längsrichtung
des Stabes gegenüberliegend)
jeweils eine Ausnehmung 81a, 81b (z. B. eine Sacklochbohrung)
auf, die auf der Symmetrieachse des Stabes liegt. Der Stab ist bezüglich der
Symmetrieachse rotationssymmetrisch. Beim Wickeln der Spule 4,
auf die noch näher
eingegangen wird, kann jeweils ein Zapfen oder Stift in die Ausnehmung 81 eingreifen,
sodass der Spulenträger
3 um die Symmetrieachse gedreht werden kann.
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Die
schematische 1 kann bezüglich der Ausgestaltung des
Spulenträgers
jedoch auch anders interpretiert werden. An Stelle des magnetisierbaren
Stabes, auf den (gegebenenfalls bei Vorhandensein einer elektrisch
isolierenden Zwischenlage) die Spulenwicklung unmittelbar aufgewickelt
ist, kann der Elektromagnet 1 einen Spulenträger in der
Ausführungsart
aufweisen, auf die anhand von 4 bis 7 noch
näher eingegangen
wird. In diesen Spulenträger
wird der magnetisierbare Spulenkern eingebracht. Der Spulenträger 3 selbst
kann, muss aber nicht magnetisierbar sein.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Spule 4 weist
eine Mehrzahl von Wicklungslagen auf, d. h. ein Spulendraht oder
eine andere elektrische Leitung ist in mehreren übereinander liegenden Lagen
um die Außenoberfläche des
Spulenträgers 3 herum
gewickelt. Zwischen dem Spulenträger 3 und
der Spule 4 befindet sich ein elektrisch isolierendes Material 5. Solche
Materialien sind an sich für
die Verwendung bei Elektromagneten bekannt.
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Der
Spulenträger 3 ist
an seinen in Längsrichtung
gegenüberliegenden
Enden jeweils mit einem Befestigungselement 6a, 6b verbunden.
Die Befestigungselemente 6a, 6b sind wiederum
mit dem Gehäuse 2 verbunden.
Auf eine spezielle Ausführungsform
solcher Befestigungselemente wird noch näher eingegangen.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform füllt der
Spulenträger 3 nicht
die gesamte im Innenraum des Gehäuses 2 zur
Verfügung
stehende Länge
aus, wie im rechten Figurenteil erkennbar ist. Bei anderen Ausführungsformen
kann sich der Spulenträger
jeweils bis zum Ende des Gehäuses
in Längsrichtung
erstrecken.
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Das
Gehäuse 2 weist
einen Deckel 7 auf, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt
ist. Die Befestigungselemente 6a, 6b stoßen an dem
Deckel 7 an. Über
dem Deckel 7 befindet sich ein weiteres Gehäuseteil,
ein Befestigungsträger 8,
der fest mit dem Deckel 7 und der Gehäusewanne 9 verbunden
ist, die den Raum zur Aufnahme des Spulenträgers 3 bildet. Die
Gehäusewanne 9 umgibt
den Spulenträger 3 an
fünf Seiten
(unten und an vier Seiten seitlich). Der Deckel 7 schließt das Gehäuse oben.
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Der
Deckel 7 weist eine hülsenartige
bzw. aus einem Rohrstück
bestehende Durchführung 12 für den elektrischen
Anschluss der Spule 4 auf. Die Durchführung 12 erstreckt
sich durch den Befestigungsträger 8 hindurch.
Im rechten Figurenteil erkennt man außerdem eine Schutzhülse 13 die
sich durch die Durchführung 12 hindurch
erstreckt, das Anschlusskabel 14 zum elektrischen Anschließen der
Spule 4 und ein Anschlusselement 15.
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Der
Befestigungsträger 8 wird
unter Verwendung von nicht dargestellten Schrauben und durch Nutzung
der am Flansch 10 vorgesehenen Bohrungen 11a, 11b (plus
evtl. weiterer Bohrungen) sowie entsprechender Bohrungen oder Löcher am
Befestigungsträger 8 mit
dem Flansch 10 verschraubt.
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Zur
Verbesserung der Abführung
der Wärmeverluste
der Spule 4 ist die Gehäusewanne 9 nach dem
Einsetzen des Spulenträgers
und der Spule mit gut wärmeleitendem
Epoxidharz vergossen.
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Die
Pole des Elektromagneten sind in 1 durch „N" für Nordpol
und „S" für Südpol bezeichnet.
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2 zeigt
ein spezielles Ausführungsbeispiel
für ein
Gehäuse 20 des
erfindungsgemäßen Elektromagneten.
Das Gehäuse 20 kann
z. B. das Gehäuse 2 des
in 1 schematisch dargestellten Elektromagneten sein.
Es weist eine Gehäusewanne 9 mit
an zwei Seiten abgerundeten Bodenkanten, einen Gehäusedeckel 7 und
einen Befestigungsträger 8 auf. 3 zeigt
den Deckel 7 separat von den anderen Gehäuseteilen.
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Alle
drei Gehäuseteile 7, 8, 9 sind
aus Blech gefertigt. Die Gehäusewanne 9 wurde
ausgestanzt, das Blechteil entsprechend gebogen und geschweißt. Der
Gehäusedeckel 7 und
der Befestigungsträger 8 wurden
ausgestanzt bzw. ausgestanzt und gebogen. Der Befestigungsträger 8 weist
zwei oder vier Löcher 17a bis 17d zur
Befestigung des Elektromagneten auf, z. B. an dem Flansch 10 gemäß 1.
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An
zwei gegenüberliegenden
Seiten entlang der Längsrichtung
des Gehäuses 20 überragen
Vorsprüngen 18a, 18b den
Körper
der Gehäusewanne 9. Solche
Vorsprünge
an allen drei Gehäuseteilen 7, 8, 9 ausgebildet.
An den Vorsprüngen
sind die drei Gehäuseteile 7, 8, 9 miteinander
verbunden, z. B. an den in 2 als Loch
erkennbaren neun Stellen 19 (plus weiterer Stellen an der
in der 2 verdeckten hinteren Seite, siehe 3)
verschraubt.
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Im
rechten Figurenteil von 3 erkennt man den Rohrstutzen 12 zur
Durchführung
der elektrischen Anschlussleitung, der an den Deckel 7 angeschweißt ist.
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Der
in 4 bis 7 dargestellte Spulenträger 30,
weist ein zylindrisches Rohr 31 mit in Längsrichtung
konstantem Innen- und Außendurchmesser
auf. An den Enden des Rohres 31 sind Befestigungselemente 33a, 33b zur
Befestigung des Spulenträgers 30 an
einem Gehäuse
(z. B. an dem Gehäuse 20 gemäß 2 oder
dem Gehäuse 2 gemäß 1)
angeschweißt.
Die Befestigungselemente 33a, 33b werden im Folgenden
als Seitenteile bezeichnet.
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Wie 5 zeigt,
hat der Spulenträger
(am Ende des Seitenteils 33b) eine Öffnung 37, bzw. lässt das
Seitenteil 33b das Rohr 31 offen. Durch die Öffnung 37 kann
ein stabförmigen
Spulenkern 41 (siehe 7) in das
Rohr 31 eingesetzt werden, wobei der Durchmesser des Spulenkerns 41 geringfügig kleiner ist
als der Innendurchmesser des Rohres 31. Die Öffnung 37 dient
als einseitige Führung
und Halterung des Spulenkerns 41. An der gegenüberliegenden Spulenträger-Seite (siehe 6),
an der sich das Seitenteil 33a befindet, ist das Rohr gegen
ein Austreten des Spulenkern des 41 geschlossen. An dieser Seite
befinden sich lediglich eine Mehrzahl von Löchern bzw. Bohrungen 36.
Unter Verwendung der Bohrung 36 in der Mitte des Seitenteils 33a wird
der Spulenkern 41 mit dem Seitenteil 33a verschraubt.
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Wie 7 zeigt,
ist der in das Rohr 31 eingesetzte und somit durch den
Spulenträger 30 fixierte Spulenkern 41 geringfügig länger als
der Spulenträger 30 und
somit länger
als die später
zwischen den Seitenteilen 33a, 33b aufgewickelte
Spule.
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Wie 4 bis 7 zeigen,
sind die Seitenteile 33 des Spulenträgers plattenförmig ausgestaltet.
Die einstückigen
Platten erstrecken sich senkrecht zur Längsrichtung des Spulenträgers 30 und definieren
(auf Grund ihres Überstandes
quer zur Längsrichtung über den
Umfang des Spulenträgers hinaus)
in Längsrichtung
zwischen sich einen Zwischenraum, in dem die Spule auf den Spulenträger 30 aufgewickelt
werden kann. Zum Zweck der Befestigung an dem Gehäuse sind
die Seitenteile 33 jeweils an drei Enden um 90° abgewinkelt.
Die abgewinkelten Bereiche sind mit den Bezugszeichen 32, 34 und 35 bezeichnet.
Zwei der abgewinkelten Bereiche, die jeweils mit den Bezugszeichen 32 und 34 bezeichnet
sind und die an gegenüber
liegenden Seiten des jeweiligen Seitenteils 33 angeordnet
sind, weisen zwei Langlöcher 42 auf.
Einer der abgewinkelten Bereiche, der mit dem Bezugszeichen 35a bzw. 35b bezeichnet
ist, weist ein kreisförmiges
Loch 43 auf. Eines dieser Löcher fluchtet bei eingebautem
Spulenträger
mit der Öffnung
des Rohrstutzen 12 (1).
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Der
Spulenträger 30 wird
z. B. mit vier oder acht Schrauben und unter Verwendung der Löcher 42 am
Gehäuse
befestigt. Der Außenumfang
der Seitenteile 33 kann derart auf die inneren Abmessungen des
Gehäuses
abgestimmt sein, dass die Seitenteile 33 nahezu ohne Spiel
zwischen den gegenüberliegenden
Wänden
des Gehäuses
eingesetzt werden können.
Aber auch in anderen Fällen
kann die relative Position des Spulenträgers 30 und des Gehäuses genau
wie vordefiniert erreicht werden. Insbesondere wird das Rohr 31 symmetrisch
zwischen Gehäuseboden
und Gehäusedeckel
und/oder symmetrisch zwischen den Seitenwänden des Gehäuses positioniert. Wichtig
ist hierbei, dass die zentrale Längsachse
der Wicklung in definiertem Abstand zum Gehäuseboden fixiert wird. Hierdurch
können
Toleranzen der äußeren Feldstärke bei
verschiedenen Exemplaren des Elektromagnets reduziert bzw. vermieden
werden.
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Außerdem sind
zur Verbesserung der Abführung
der Wärmeverluste
der Spule geringe Abstände zwischen
der Spule und den Gehäusewänden definiert.
Falls der auf Grund des Abstandes bestehende Zwischenraum vergossen
ist, ist aus Stabilitätsgründen und
Isolationsgründen
eine Mindestdicke des Vergussmaterials (z. B. Harzes) einzuhalten.
Eine zu große
Dicke würde
jedoch den thermischen Übergangswiderstand
und damit die Temperaturen der Spule erhöhen. Die Dicke wird unter Berücksichtigung
des spezifischen elektrischen Widerstandes und der mechanischen
Eigenschaften des Vergussmaterials definiert.