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Die
Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einer Induktionsschleife
zur Gewährleistung einer niederohmigen elektrischen Verbindung
zwischen Rädern des Schienenfahrzeugs und Fahrschienen, auf
denen die Räder rollen, durch Induktion einer elektrischen
Spannung in eine durch die Räder, durch Abschnitte zumindest
einer der Fahrschienen und durch elektrische Verbindungen zwischen
Rädern gebildete sekundäre Stromschleife.
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In
einigen Ländern wird die Tatsache, dass ein Gleisabschnitt
von einem Schienenfahrzeug besetzt ist (die so genannte Gleisbesetztmeldung)
detektiert, indem eine Spannung zwischen beide Schienen angelegt
wird. Bei nicht befahrendem Gleis bleibt diese Spannung durch den
hochohmigen Widerstand zwischen den beiden Schienen bestehen und
kann am Ende des Gleisabschnittes gemessen werden. Beim Befahren
des Gleisabschnittes durch ein Fahrzeug wird die angelegte Spannung
durch das Fahrzeug kurzgeschlossen, so dass die Spannung zusammenbricht.
Dies kann detektiert werden, so dass eine Gleisbesetztmeldung erfolgen
kann.
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Voraussetzung
für die sichere Funktion einer solchen Gleisbesetztmeldung
ist, dass der elektrische Widerstand zwischen den Schienen und den Rädern
ausreichend klein ist. Dieser Widerstand ist jedoch abhängig
von der Oberflächenbeschaffenheit sowohl der Schienen als
auch der Räder. Insbesondere durch Korrosion und Schmutz
kann auf den Schienen und/oder auf den Rollflächen der
Räder eine nicht oder nur gering elektrisch leitfähige
Oberflächenschicht vorhanden sein. Trotz solcher Oberflächenschichten
kann der Stromfluss über den mechanischen Kontakt zwischen
den Rädern und den Schienen für die Gleisbesetztmeldung
ausreichend sein, wenn die elektrische Spannung bzw. der ohnehin über
die Kontaktstelle fließende Strom ausreichend groß ist.
Dagegen tritt insbesondere auf wenig befahrenen Gleisen mit schlechtem
Schienenzustand die Situation ein, dass der Übergangswiderstand
zwischen Rad und Schiene so groß ist, dass eine ausreichend
sichere Funktion der Gleisbesetztmeldeeinrichtung nicht gewährleistet
ist.
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Beim
Betrieb von Schienenfahrzeugen mit Antriebsenergie aus elektrischen
Versorgungsnetzen reicht häufig bereits eine elektrische
Grundlast (d. h. z. B. elektrische Versorgung von Hilfsbetrieben
in dem Schienenfahrzeug aus dem elektrischen Versorgungsnetz) aus,
um den Übergangswiderstand zwischen Rad und Schiene zu überwinden,
so dass die Gleisbesetztmeldung sicher erfolgen kann. Wenn dagegen
keinerlei Strom aus dem elektrischen Versorgungsnetz bezogen wird
und daher auch kein Laststrom über die Kontaktpunkte zwischen
den Rädern und den Schienen fließt, ist insbesondere
bei schlechtem Schienenzustand die sichere Funktion der Gleisbesetztmeldung
nicht gewährleistet.
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Aus
der
EP 0 500 757 B1 ist
eine Eisenbahnmeldeanlage zum Erfassen eines Zuges innerhalb eines
festgelegten Gleisabschnittes bekannt. Die Anlage weist einen Nebenschluss-Hilfsschaltkreis
auf, der eine induktive Schleifenantenne enthält, welche auf
dem Eisenbahnfahrzeug vorgesehen ist, so dass sie induktiv eng mit
den Schienen gekoppelt ist. Dadurch wird ein Strom in den Rad-Schiene-Achse-Kreis
induziert, wenn die Schleifenantenne durch eine alternierende Quelle
erregt wird. Die Schleifenantenne ist in einem Drehgestell mit zwei
Achsen montiert und wird von einem Oszillator mit einer Frequenz
von 165 kHz erregt. Dabei ist die Erregungsfrequenz auf die Resonanzfrequenz
des Schwingkreises abgestimmt. Der von der Schleifenantenne induzierte
Strom fließt durch eine Drehgestell-/Gleisschleife, welche
durch die beiden Achsen, die vier an den Achsen befestigten Räder
des Schienenfahrzeugs und jeweils einen Abschnitt der beiden Schienen
zwischen den Rädern gebildet ist.
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Obwohl
die Fläche, die die Schleifenantenne umläuft,
gemäß
EP
0 500 757 B1 möglichst groß sein soll,
ist sie jedoch durch die Bauform des Drehgestells begrenzt und beträgt
nur etwa 50% der durch die Drehgestell-/Gleisschleife umlaufenden
Fläche. Hinzu kommt, dass bei Drehgestellen mit Antriebsmotoren
und Getrieben eine Unterbringung der Induktionsschleife erschwert
ist.
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Eine
weitere Problematik bei der Verwendung einer Induktionsschleife
zur Gewährleistung einer niederohmigen elektrischen Verbindung
zwischen Rädern und Schienen besteht darin, dass die von
der Induktionsschleife erzeugten elektromagnetischen Felder nicht
nur die für die Gleisbesetztmeldung erwünschte
Spannung erzeugen, sondern auch unerwünschte Störfelder
darstellen können. Insbesondere können sowohl
Einrichtungen innerhalb des Schienenfahrzeugs als auch an oder neben
der Strecke gestört werden.
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Außer
der Möglichkeit, den Rad-Schiene-Kontakt mit Hilfe einer
Induktionsschleife zu gewährleisten, kann das Schienenfahrzeug
auch mit Klotzbremsen ausgestattet sein, die die Rollflächen der
Räder beim Bremsvorgang schleifend kontaktieren, so dass
zumindest das Rad an seiner Rollfläche eine gut leitende
Kontaktfläche aufweist. Allerdings weisen neuere Schienenfahrzeuge
häufig Scheibenbremsen auf. Der Einbau einer zusätzlichen
Klotzbremse oder ähnlichen Schleifeinrichtung führt
zu erheblichem Mehraufwand. Außerdem ist durch den Verschleiß an
Bremse und Rad eine häufigere Wartung erforderlich.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schienenfahrzeug
mit einer Induktionsschleife der eingangs genannten Art anzugeben,
die zu einem möglichst wartungsarmen Betrieb des Schienenfahrzeugs
führt und die die niederohmige elektrische Verbindung zwischen
Rädern und Fahrschienen mit hoher Zuverlässigkeit
gewährleistet. Besondere Ausführungsformen der
Erfindung sollen außerdem etwaige störende Effekte
durch die von der Induktionsschleife erzeugten elektromagnetischen
Felder reduzieren.
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Eine
erste Maßnahme, die hier vorgeschlagen wird, besteht darin,
dass die Induktionsschleife zwischen zwei Drehgestellen des Schienenfahrzeugs
angeordnet ist. Insbesondere ist die Induktionsschleife dabei in
der Regel unterflur eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs,
d. h. unterhalb des Bodens des Fahrzeugchassis angeordnet. Insbesondere
können Leitungsabschnitte der Induktionsschleife, die sich
etwa parallel zu den Gleisen erstrecken, mindestens 80 mm, z. B.
mindestens 100 mm und vorzugsweise mindestens 150 mm oberhalb der
Oberkante der Schienen angeordnet sein. Diese Leitungsabschnitte
können in einer konkreten Ausführungsform der
Erfindung höchstens 250 mm, z. B. höchstens 200
mm und vorzugsweise 150 mm über der Oberkante der Schienen
verlaufen. Es sind die jeweiligen Vorschriften für die
Einhaltung eines Freiraums zwischen der Schienenoberkante und Anbauten
an dem Schienenfahrzeug einzuhalten.
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Z.
B. können die erwähnten, parallel zu den Schienen
verlaufenden Leitungsabschnitte und/oder auch quer zu den Schienen
verlaufende Leitungsabschnitte der Induktionsschleife durch ein
oder mehrere Rohre aus elektrisch leitfähigem Material
gebildet sein. Kupfer- oder Aluminiumrohr mit z. B. einem Außendurchmesser
von zumindest 28 mm, z. B. zumindest 35 mm und vorzugsweise bis
zu 50 mm.
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Eine
derartige Anordnung der Induktionsschleife unterflur und/oder dicht über
der Schienen-Oberkante hat den Vorteil, dass das von der Induktionsschleife
erzeugte elektromagnetische Feld eine elektrische Spannung in der
zugehörigen Sekundärschleife induzieren kann.
Dabei kann die Sekundärschleife je nach konkreter Ausgestaltung
des Schienenfahrzeugs und je nach Anordnung und Ausgestaltung der
Induktionsschleife in unterschiedlicher Weise gebildet sein. Auf
Beispiele wird noch insbesondere in der Figurenbeschreibung näher
eingegangen.
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Es
soll aber bereits hier darauf hingewiesen werden, dass die Sekundärschleife
nicht zwangsläufig durch zwei Achsen mit jeweils einander
gegenüberliegenden Rädern auf den beiden Seiten
des Schienenfahrzeugs und die zugehörigen Abschnitte von
den zwei einander gegenüberliegenden Schienen zwischen
den Radaufstandspunkten auf der jeweiligen Seite gebildet sein muss.
Vielmehr ist es eine Erkenntnis der Erfindung, dass eine entsprechend
angeordnete und ausgestaltete Induktionsschleife eine Spannung in
einer Sekundärschleife bewirken kann, die durch lediglich
einen Abschnitt einer Schiene auf einer Seite des Schienenfahrzeugs,
zwei Räder an den Enden dieses Abschnitts und eine elektrische
Verbindung z. B. über Fahrzeugmasse (gebildet durch das
Chassis) gebildet sein kann. In diesem Fall wird bevorzugt, dass
zumindest auf jeder Seite des Schienenfahrzeugs eine entsprechende
Induktionsschleife vorhanden ist, die außer einem Leitungsabschnitt
dicht über dem Gleis bzw. unterflur (z. B. wie oben beschrieben)
auch einen parallel zu der Schiene verlaufenden Leitungsabschnitt
aufweist, der darüber verläuft und nicht zwangsläufig
unterflur angeordnet sein muss.
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Die
zumindest zwei Induktionsschleifen sind in diesem Fall vorzugsweise,
quer zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges betrachtet, soweit
voneinander beabstandet, wie es der Spurbreite des Gleises entspricht.
Unterschiede zwischen der Spurbreite und dem Abstand der beiden
Induktionsschleifen können etwa 10 Zentimeter betragen,
ohne die Wirksamkeit der Induktion wesentlich zu beeinträchtigen.
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Wenn
in dieser Beschreibung davon die Rede ist, dass die in der Sekundärschleife
induzierte Spannung den elektrischen Rad-Schiene-Kontakt aufrechterhält,
so ist darauf hinzuweisen, dass der von der induzierten Spannung
erzeugte elektrische Strom einen wesentlichen Beitrag dazu leistet.
Wenn der Strom z. B. über einen Rad-Schiene-Kontakt fließt
und plötzlich unterbrochen wird, entsteht an dem Kontakt
eine hohe elektrische Spannung, die z. B. über Lichtbogenbildung
den Kontakt wieder herstellt und elektrisch isolierende Beläge
entfernt oder durchbricht.
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Wie
erwähnt besteht die erste hier vorgeschlagene Maßnahme
darin, dass die zumindest eine Induktionsschleife zwischen zwei
Drehgestellen des Schienenfahrzeugs angeordnet ist. Dadurch wird eine
Spannung in eine Sekundärschleife induziert, die u. a.
durch Räder der beiden verschiedenen Drehgestelle gebildet
ist. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Fläche,
die die Induktionsschleife umläuft, wesentlich größer
ausgeführt werden kann, als es bei der Unterbringung der
Induktionsschleife in einem Drehgestell der Fall ist. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass die vor allem in einem Drehgestell mit Antriebsmotoren
untergebrachten Einrichtungen durch das von der Induktionsschleife erzeugte
elektromagnetische Feld allenfalls sehr geringfügig beeinflusst
werden.
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Eine
zweite Maßnahme, die hier vorgeschlagen wird und die unabhängig
von dem Vorhandensein der Merkmale der ersten Maßnahme
bei einem Schienenfahrzeug vorgenommen werden kann, besteht darin,
dass in dem Schienenfahrzeug elektrische Verbindungen zwischen gegenüberliegenden Rädern
zusätzlich zu gegebenenfalls vorhandenen Achsen des Schienenfahrzeugs
vorhanden sind und auch zumindest eine elektrische Leitung aufweisen, die
ein erstes Rad auf einer ersten Seite des Schienenfahrzeugs mit
einem zweiten Rad auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite
des Schienenfahrzeugs verbindet. Dabei handelt es sich bei dem ersten
und dem zweiten Rad vorzugsweise um in Fahrtrichtung gegeneinander
versetzte Räder, d. h. insbesondere sind das erste Rad
und das zweite Rad nicht an derselben Achse des Schienenfahrzeugs
montiert.
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Die
zweite Maßnahme erhöht die Wahrscheinlichkeit,
dass ein im Rahmen der Gleisbesetztmeldung bzw. Schienenfahrzeugserkennung
erwünschter Strom von der einen Schiene zu der anderen
Schiene oder umgekehrt auch tatsächlich fließt bzw.
dass der elektrische Kurzschluss zwischen den beiden Schienen auch
tatsächlich durch das Schienenfahrzeug hergestellt wird.
Ist nämlich z. B. die Kontaktoberfläche eines
Rades an einer bestimmten Achse an einem Ende der Achse so schlecht
elektrisch leitend, dass der Kurzschluss über den Kontakt zwischen
dem Rad und der Schiene nicht hergestellt wird, kann das am anderen
Ende der Achse angeordnete Rad dennoch zu dem Kurzschluss zwischen
den beiden Schienen beitragen oder ihn allein sogar herstellen,
wenn das am gegenüberliegenden Ende der Achse montierte
Rad über die genannte elektrische Leitung mit einem anderen
Rad elektrisch leitend verbunden ist, welches auf der Schiene abrollt,
auf der auch das Rad mit der schlecht leitenden Kontaktfläche
abrollt.
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Vorzugsweise
sind mehrere der elektrischen Leitungen vorhanden, die Räder
auf gegenüberliegenden Seiten des Schienenfahrzeugs, d.
h. Räder auf den beiden verschiedenen Schienen, elektrisch miteinander
verbinden. Dabei sind die mehreren elektrischen Leitungen an einem
Verbindungspunkt elektrisch leitend miteinander verbunden. Vorzugsweise
ist der Verbindungspunkt in der Mitte zwischen den zwei Drehgestellen
angeordnet und/oder in der Mitte zwischen den beiden Fahrschienen
angeordnet. Besonders bevorzugt wird, dass zumindest ein Teil der
von dem Verbindungspunkt zu den Rädern führenden
Abschnitte der elektrischen Leitungen symmetrisch bezüglich
den Verbindungspunkt und/oder symmetrisch bezüglich einer
vertikalen Ebene verlegt sind, wobei die vertikale Ebene in der Mitte
des Schienenfahrzeugs und in der Fahrtrichtung verläuft.
Unter einem Teil der Abschnitte der elektrischen Leitungen wird
verstanden, dass nicht alle, aber zumindest zwei der kompletten
Abschnitte von dem Verbindungspunkt zu den Rädern symmetrisch
verlegt sind.
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Grundsätzlich
ist es auch möglich, dass mehrere Verbindungspunkte vorhanden
sind. Dadurch werden jedoch veränderte Leitungsschleifen und
damit auch veränderte Induktivitäten geschaffen.
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Aufgrund
des Verbindungspunktes erhöht sich die Anzahl der möglichen
Strompfade von Rädern auf einer Schiene zu Rädern
auf der gegenüberliegenden Schiene. Die Wahrscheinlichkeit
für das Vorhandensein eines wirksamen Kurzschlusses zwischen
den Schienen wird daher weiter erhöht.
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Die
symmetrische Verlegung der Leitungsabschnitte (wie erwähnt)
und/oder die Anordnung des Verbindungspunktes in der Mitte zwischen
den beiden Fahrschienen und/oder in der Mitte zwischen den zwei
Drehgestellen schafft darüber hinaus noch die Möglichkeit,
dass die zumindest eine zwischen den beiden Drehgestellen angeordnete
Induktionsschleife bei Bedarf eine Spannung in einer Sekundärschleife
induziert, die teilweise durch zumindest eine der genannten elektrischen
Leitungen zwischen in Fahrtrichtung versetzten Rädern gebildet
wird. Bedarf besteht insbesondere dann, wenn ein elektrischer Kontakt
von einem bestimmten Rad zu der Schiene so schlecht ist (d. h. hochohmig
ist), dass auch die von der Induktionsschleife induzierte Spannung
den Kontakt nicht ausreichend verbessert.
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An
dieser Stelle soll noch auf einen weiteren Vorteil eingegangen werden,
der durch die erste und die zweite Maßnahme erzielt wird,
sowohl allein durch die erste Maßnahme, allein durch die
zweite Maßnahme und auch durch deren Kombination. Der Vorteil
besteht darin, dass Räder von nicht lediglich zwei Achsen,
sondern von mehr Achsen des Schienenfahrzeugs für die Erzeugung
des Kurzschlusses zwischen den beiden Schienen mit hoher Wahrscheinlichkeit
beteiligt sind. Die erste Maßnahme führt dazu,
dass zumindest bei Drehgestellen mit mehr als einer Achse nicht
nur zwei Achsen, nämlich eine Achse in Fahrtrichtung vor
und eine Achse in Fahrtrichtung hinter der Induktionsschleife an
dem Kurzschluss beteiligt sind, sondern alle Achsen des Drehgestells
in Fahrtrichtung vor der Induktionsschleife und alle Achsen in Fahrtrichtung
hinter der Induktionsschleife an dem Kurzschluss beteiligt sein können.
Wenn hier von Achsen die Rede ist, schließt dies die an
den Achsen montierten Räder ein.
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Wie
erwähnt führt auch die zweite Maßnahme
allein zu dem Vorteil, dass Räder auf den gegenüberliegenden
Schienen, die nicht auf derselben Achse montiert sind, an dem Kurzschluss
beteiligt sind.
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Bei
Kombination der ersten und zweiten Maßnahme wird die Wahrscheinlichkeit
eines wirksamen Kurzschlusses weiter erhöht, da dann die
elektrischen Leitungen insbesondere auch von Rädern des
in Fahrtrichtung vor der Induktionsschleife angeordneten Drehgestells
zu Rädern an dem in Fahrtrichtung hinter der Induktionsschleife
angeordneten Drehgestell führen.
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Im
Folgenden soll nochmals kurz auf den prinzipiellen Sachverhalt eingegangen
werden:
Zur Bildung eines Kurzschlusses zwischen den beiden
Schienen über das Fahrzeug reicht ein niederohmiger elektrischer
Kontakt an den Radaufstandspunkten von jeweils zumindest einem Rad
an beiden Schienen aus. Je nach Ausführungsart der Induktionsschleife
(siehe oben) erfordert eine Sekundärschleife jedoch entweder
mindestens vier Rad-Schiene-Verbindungen (jeweils zwei an jeder
Schiene) oder zwei Rad-Schiene-Verbindungen an ein und derselben
Schiene. In dem zuletzt genannten Fall wird aus Gründen
der Schaffung eines elektrischen Kontakts an beiden Schienen jedoch
bevorzugt, dass Spannungen in jeweils einer Sekundärschleife
an beiden Schienen induziert wird.
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Die
Erfindung erhöht nun die Zuverlässigkeit des elektrischen
Kontakts zwischen den Rädern und den Schienen dadurch,
dass sie zusätzliche Räder des Schienenfahrzeugs
mit einbezieht und/oder zusätzliche Verbindungen zwischen
nicht auf derselben Achse montierten Rädern schafft. Um
die Verbindungen zu den Rädern herzustellen, werden insbesondere
so genannte Erdstrombürsten, die in vielen Fällen
ohnehin an den Rädern angeordnet sind, genutzt. Über
diese Erdstrombürsten fließt insbesondere bei Elektrolokomotiven,
aber auch bei Diesellokomotiven mit Zugstromversorgung, ein Strom
zum Erdpotential, das durch die Schienen gebildet wird.
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Bei
einer ersten Ausführungsart der Induktionsschleife umläuft
diese eine etwa horizontal verlaufende Fläche. Dabei ist
es nicht zwingend erforderlich, dass sämtliche Abschnitte
der Induktionsschleife exakt auf gleicher Höhe verlaufen.
Höhenunterschiede wenigen Zentimetern beeinträchtigen nicht
die Wirksamkeit der Induktion.
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Um
einen etwaig störenden Effekt der von der Induktionsschleife
erzeugten elektromagnetischen Felder außerhalb der Strecke
des Schienenfahrzeuges zu minimieren, wird eine dritte Maßnahme
vorgeschlagen, die entweder allein bei einem Schienenfahrzeug vorgenommen
werden kann oder in Kombination mit der ersten Maßnahme
und/oder mit der zweiten Maßnahme.
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Die
dritte Maßnahme sieht vor, dass zwei der Induktionsschleifen
vorgesehen sind, wobei die horizontal verlaufenden Flächen,
die von der jeweiligen Induktionsschleife umlaufen werden, übereinander liegen
und wobei das Schienenfahrzeug eine Stromerzeugungseinrichtung zur
Erzeugung von Strömen in den Induktionsschleifen aufweist,
die derart ausgestaltet und mit den Induktionsschleifen verbunden
ist, dass die Ströme in den beiden Induktionsschleifen phasenverschoben
sind. Somit erzeugen die übereinander liegenden Induktionsschleifen
magnetische Felder, deren Feldvektoren bzw. Feldstärken
einander zumindest teilweise kompensieren. Vorzugsweise fließen
die Ströme in den zwei Induktionsschleifen zu jedem Zeitpunkt
in entgegengesetzten Richtungen (d. h. zu einem bestimmten Zeitpunkt
z. B. in der unteren Induktionsschleife von oben betrachtet im Uhrzeigersinn
und in der oberen Induktionsschleife von oben betrachtet im Gegen-Uhrzeigersinn),
d. h. die Ströme sind um 180° phasenverschoben.
Ferner wird bevorzugt, dass die beiden Ströme betragsmäßig
annähernd gleich sind.
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Die übereinander
liegen Induktionssschleifen liegen z. B. etwa in einem Abstand zueinander, der
zumindest gleich dem Abstand der unteren Schleife zur Fahrschiene
ist. Der Abstand der beiden Induktionsschleifen kann aber auch größer
als der Abstand der unteren Schleife zur Schiene sein, z. B. zwei
Mal so groß sein. eine sinnvolle Obergrenze für den
Abstand der beiden Schleifen zueinander ist das Dreifache des Abstandes
der unteren Schleife zur Schiene. Für die Bestimmung des Abstandes
kann z. B. der mittlere Abstand der leitfähigen Materialien
herangezogen werden, die die Schleife bilden, wobei Anschlussleitungen
außer Betracht bleiben.
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Zwar
verringert die obere Induktionsschleife die Wirksamkeit der von
der unteren Induktionsschleife erzeugten elektromagnetischen Felder
in Bezug auf eine Spannungsinduktion in der zugeordneten Sekundärschleife.
Jedoch ist die Wirksamkeit immer noch gegeben, da sich die untere
Induktionsschleife näher an der von der Sekundärschleife
umlaufenden Fläche befindet. Dagegen weist die Fläche,
die von der oberen Induktionsschleife umlaufen wird, einen Abstand
zu der Fläche der Sekundärschleife auf und ist
das elektromagnetische Feld der oberen Induktionsschleife weniger
wirksam. Wenn hier von der Fläche die Rede ist, die von
der Sekundärschleife umlaufen wird, so handelt es sich
dabei in der Regel nicht um eine ebene Fläche, da sich
die Schienen auf tieferem Niveau erstrecken als z. B. die Achsen
des Schienenfahrzeugs.
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Eine
vierte Maßnahme, die entweder ohne die anderen Maßnahmen
oder in beliebiger Kombination mit einer oder mehreren der anderen
Maßnahmen vorgesehen sein kann, besteht darin, ein kapazitives
Bauteil der Induktionsschleife in einem Abstand von der Induktionsschleife
umlaufenden Fläche anzuordnen und über eine Verbindungsleitung mit
der Induktionsschleife zu verbinden. Auf diese Weise kann sich das
kapazitive Bauteil (alternativ wird eine Anordnung von kapazitiven
Bauteilen verwendet) in einem geschützten Bereich im Schienenfahrzeug
befinden, während die Induktionsschleife z. B. unterflur
in Gleisnähe angeordnet ist. Insbesondere wird vorgeschlagen,
dass das Schienenfahrzeug eine Stromerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von
Strömen in der Induktionsschleife aufweist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung
einen Oszillator zur Erzeugung eines mit einer Oszillationsfrequenz oszillierenden
Wechselstroms in der Induktionsschleife aufweist, wobei ein kapazitives
Bauteil oder eine Anordnung von kapazitiven Bauteilen vorgesehen
ist, dessen/deren Kapazität gemeinsam mit der Induktionsschleife
und einer Verbindungsleitung zwischen der Stromerzeugungseinrichtung
und der Induktionsschleife eine Resonanzfrequenz der Induktionsschleife
bestimmt und wobei das kapazitive Bauteil bzw. die Anordnung als
Teil der Stromerzeugungseinrichtung ausgestaltet ist und über
die Verbindungsleitung mit der Induktionsschleife verbunden ist.
Dabei ist die Verbindungsleitung vorzugsweise eine im Vergleich
zu der Induktivität der Induktionsschleife eine niederinduktive
Verbindungsleitung. Dennoch ist die Verbindungsleitung Teil des
gesamten Schienenkreises und bestimmt somit die Resonanzfrequenz
mit.
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Bevorzugtermaßen
wird die Spannung der Kapazität oder eine Teilspannung
hiervon (z. B. die über einen von mehreren Kondensatoren
abfallende Spannung) auf den Oszillator rückgeführt,
so dass sich selbsttätig eine Resonanzschwingung der Induktionsschleife
einstellt. Auf diese Weise werden sogar zweitrangige Effekte, die
die Resonanzfrequenz beeinflussen, mit berücksichtigt.
Diese zweitrangigen Effekte werden insbesondere von der Gegeninduktivität
der Sekundärschleife sowie durch die Dämpfungseigenschaften
der Induktionsschleife, Verbindungsleitung und Stromerzeugungseinrichtung
einerseits und der Sekundärschleife andererseits bewirkt.
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Eine
weitere, fünfte Maßnahme, die ebenfalls alleinstehend
oder in beliebiger Kombination mit einer der zuvor genannten Maßnahmen
vorgenommen werden kann, besteht darin, bei einem Schienenfahrzeug,
das mit Strom aus einem Energieversorgungsnetz betrieben wird und
insbesondere seine Traktionsenergie daraus bezieht (d. h. mit Energie aus
dem Energieversorgungsnetz angetrieben wird) die Induktionsschleife
nur dann zu betreiben, wenn das Schienenfahrzeug keinen Strom aus
dem Energieversorgungsnetz bezieht. Dies berücksichtigt
den oben genannten Umstand, dass bei Bezug von Strom aus dem Energieversorgungsnetz
ein Erdstrom über Rad-/Schienenkontakte fließt
und die Kurzschlussfunktion zwischen den beiden Schienen somit in
der Regel gewährleistet ist.
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In
einer möglichen Variante der Induktionsschleife weist diese
nicht nur eine Windung, sondern zumindest zwei Windungen auf, die
etwa dieselbe Fläche umlaufen.
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Ferner
ist es möglich, dass der Strom der Induktionsschleife nicht
(wie bevorzugt) galvanisch direkt von einer Speiseeinrichtung (z.
B. der o. g. Stromerzeugungseinrichtung) in die Sekundärschleife
eingespeist wird, sondern die Speiseeinrichtung galvanisch von der
Induktionsschleife entkoppelt ist und z. B. magnetisch gemäß dem
Prinzip eines Stromtransformators die Speisung erzeugt wird.
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Ferner
gehört zum Umfang der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
eines Schienenfahrzeugs, wobei zur Gewährleistung einer
niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen Rädern des
Schienenfahrzeugs und Fahrschienen, auf denen die Räder rollen,
eine elektrische Spannung in eine durch die Räder, durch
Abschnitte zumindest einer der Fahrschienen und durch elektrische
Verbindungen zwischen Rädern gebildete sekundäre
Stromschleife induziert wird. Zur Erzeugung der Induktion wird eine Induktionsschleife
verwendet, die zwischen zwei Drehgestellen des Schienenfahrzeugs
angeordnet ist und vorzugsweise unterflur eines Fahrzeugchassis des
Schienenfahrzeugs angeordnet ist.
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Konkrete
Ausgestaltungen des Verfahrens und Varianten des Verfahrens zum
Betreiben eines Schienenfahrzeugs ergeben sich aus der Beschreibung
der verschiedenen Maßnahmen und Ausgestaltungen des Schienenfahrzeugs
und werden daher hier nicht nochmals beschrieben.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die
einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
zwei Drehgestelle eines Schienenfahrzeugs mit jeweils zwei Achsen
und einer zwischen den Drehgestellen angeordneten Induktionsschleife
gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung in Draufsicht,
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2 das
Schienenfahrzeug gemäß 1 in Seitenansicht,
wobei jedoch die Induktionsschleife in einer zweiten Ausführungsform
ausgeführt ist,
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3 ein
Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß 1,
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4 eine
Induktionsschleife, die über eine Verbindungsleitung mit
einer Oszillatorschaltung verbunden ist,
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5 eine
Variante der in 4 dargestellten Oszillatorschaltung,
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6 eine
Variante der in 1 und 3 dargestellten
Anordnung mit zwei übereinander angeordneten Induktionsschleifen,
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7 eine
schematische Darstellung der Wirkung der Magnetfelder, die von den
in 6 dargestellten Induktionsschleifen erzeugt werden,
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8 Details
einer Oszillatorschaltung, z. B. der Oszillatorschaltung gemäß 5.
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1 zeigt
zwei Drehgestelle 107, 119 mit jeweils zwei Achsen 105, 106; 108, 109.
An jeder der Achsen 105, 106, 108, 109 ist
an gegenüberliegenden Enden jeweils ein Rad 115a–115d; 116a–116d angeordnet.
Die Räder 115a, 115c, 116a, 116c rollen auf
einer ersten Schiene 101. Die Räder 115b, 115d, 116b, 116d rollen
auf der gegenüberliegenden zweiten Schiene 102 eines
Gleises.
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In
Längsrichtung des Schienenfahrzeugs, d. h. in Fahrtrichtung
zwischen den Drehgestellen 107, 119, befindet
sich eine Induktionsschleife 1, die eine im Wesentlichen
rechteckige und eben in horizontaler Ebene verlaufende Fläche 130 umläuft.
Dementsprechend weist die Induktionsschleife 1 einen ersten
Leitungsabschnitt 1a auf, der sich etwa oberhalb der ersten
Schiene 101 und parallel zu dieser erstreckt, einen zweiten
Leitungsabschnitt 1b, der sich etwa oberhalb der zweiten
Schiene 102 und parallel zu dieser erstreckt, einen dritten
Leitungsabschnitt 1c, der mit einem Ende des ersten Abschnitts 1a verbunden
ist und quer zu den Schienen 101, 102 in einer
horizontalen Richtung verläuft, und einen vierten Abschnitt 1d,
der ein weiteres Ende des ersten Abschnittes 1a mit einem
Ende des Abschnitts 1b verbindet und ebenfalls quer zu
den Schienen 101, 102 in etwa horizontaler Richtung
verläuft. Die bisher nicht genannten Enden der Abschnitte 1c, 1b sind
mit einer Stromerzeugungsschaltung 53 verbunden, die als
Oszillatorschaltung ausgestaltet ist. Angedeutet ist in 1 eine
Spannung U1, mit der die Oszillatorschaltung 53 die
Induktionsschleife 1 speist. Bei der Spannung U1 handelt es sich um eine Wechselspannung
mit einer Frequenz, die vorzugsweise im Mittelfrequenzbereich liegt.
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Ganz
generell gilt für die vorliegende Erfindung, dass eine
Speisefrequenz zur Speisung der zumindest einen Induktionsschleife
im Mittelfrequenzbereich bevorzugt wird. Die Untergrenze für die
Frequenz liegt im Bereich von 50 kHz, vorzugsweise wird eine Speisefrequenz
zwischen 100 kHz und 160 kHz gewählt. Die Obergrenze für
die Speisefrequenz liegt z. B. bei etwa 500 kHz. Bei höheren Frequenzen
wird die Einhaltung von den gültigen Bestimmungen betreffend
der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erschwert.
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Vorzugsweise
stimmt die Speisefrequenz mit der Resonanzfrequenz des schwingenden
Systems überein, dessen Teil die Induktionsschleife ist.
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Da
die Induktionsschleife 1 zwischen den beiden Drehgestellen 107, 119 liegt
und da beide Drehgestelle zwei Achsen aufweisen, wird eine zugehörige
Sekundärschleife, in der die Induktionsschleife eine Spannung
induziert, durch alle vier Achsen, die zugehörigen Räder
und die Schienenabschnitte der beiden Schienen 101, 102 zwischen
den Drehgestellen gebildet. Dies gilt für den Fall, dass
der elektrische Kontakt von jedem der Räder zu der zugeordneten
Schiene niederohmig hergestellt ist oder zumindest durch die induzierte
Spannung hergestellt wird. Es ist jedoch auch möglich,
dass zumindest eines oder mehrere der Räder selbst bei
Induktion einer Spannung keinen ausreichend niederohmigen Kontakt
zu der zugeordneten Schiene haben.
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Um
die Wahrscheinlichkeit, dass dennoch ein wirksamer Kurzschluss zwischen
den Schienen 101, 102 durch das Schienenfahrzeug
hergestellt wird, zu erhöhen, ist von jedem der Räder 115, 116 zu
einem gemeinsamen Verbindungspunkt 5 ein elektrischer Leitungsabschnitt
geführt, und zwar jeweils über eine an dem Rad
angeordnete Erdstrombürste 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42 und
eine Leitung 110, 120, 210, 220, 310, 320, 410, 420 von
der Erdstrombürste zu dem gemeinsamen Verbindungspunkt 5.
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Der
gemeinsame Verbindungspunkt 5 befindet sich sowohl in der
Mitte (z. B. mit Abweichungen zur Mitte von bis zu 1 m) zwischen
den beiden Drehgestellen 107, 119 als auch in
der Mitte (z. B. mit Abweichungen zur Mitte von bis zu 50 cm) zwischen den
beiden Schienen 101, 102. Außerdem sind
die jeweils von den einander gegenüberliegenden Rädern
zu dem Verbindungspunkt 5 geführten Leitungsabschnitte 110, 120; 210, 220; 310, 320; 410, 420 symmetrisch
zu der vertikalen Mittelebene symmetrisch verlegt, wobei diese Mittelebene
in Längsrichtung, d. h. in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges bzw.
des Gleises, in der Mitte (z. B. mit Abweichungen zur Mitte von
bis zu 40 cm) zwischen den beiden Schienen 101, 102 verläuft.
Ferner sind die Leitungsabschnitte von den Rädern auf der
ersten Schiene 101 jeweils (weitgehend) symmetrisch zu
einem Leitungsabschnitt des entsprechenden Rades auf derselben Schiene 101 des
anderen Drehgestells verlegt. Die Symmetrie bezieht sich in diesem
Fall auf eine vertikale Mittelebene, die quer zur Fahrtrichtung und
durch den Verbindungspunkt 5 verläuft, sich also in
der Mitte zwischen den beiden Drehgestellen erstreckt. Z. B. ist
die Leitung 110 in diesem Sinne symmetrisch zu der Leitung 410 verlegt
usw. Daher ist insgesamt wegen dieser doppelten Spiegelsymmetrie
auch eine (weitgehende) Punktsymmetrie bezüglich dem Verbindungspunkt 5 z.
B. der Leitungsabschnitte 410 und 120 und der
Leitungsabschnitte 320 und 210 gegeben.
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Bei
den Verbindungen 110, 120, 210, 220, 310, 320, 410, 420 kann
es sich z. B. um so genannte Erdstrom- oder Traktionsrückstromverbindungen handeln,
die eine Rückleitung zu Schienenpotential darstellen, für
den Betrieb von elektrischen Betriebsmitteln in dem Schienenfahrzeug.
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Wie
im Bereich des links in 1 dargestellten Drehgestells 107 angedeutet
ist, kann der elektrisch leitende Fahrzeugkörper des Schienenfahrzeugs über
einen Anschlusspunkt 104 und einen niederohmigen Widerstand
ZE ebenfalls mit dem Verbindungspunkt 5 verbunden sein.
Auch wenn dies im Bereich des Drehgestells 107 dargestellt
ist, so liegt die Verbindung vorzugsweise nahe bei dem Verbindungspunkt 5.
Die Darstellung in 1 ist schematisch zu verstehen.
Daher sind nicht alle Verbindungsleitungen voll ausgezeichnet. Vielmehr
ist im Bereich der Drehgestelle 107, 119 jeweils
durch die Bezugsziffer 5 angedeutet, dass die Verbindungsleitungen 110, 120, 410, 420 ebenfalls
zu dem Verbindungspunkt 5 in der Mitte zwischen den Drehgestellen
führen.
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Außer
der Speisespannung U1 ist auch der zugehörige,
momentan durch die Induktionsschleife 1 fließende
Strom I1 in den Abschnitten 1a, 1b jeweils durch
einen Pfeil dargestellt. Außerdem ist durch einen Ringpfeil
und das Bezugszeichen Fh die induktive Kopplung
zwischen der Induktionsschleife 1 und der Sekundärschleife
angedeutet. In der Sekundärschleife fließen daher
in einem Schienenabschnitt der Schiene 101 der Strom I21 und in einem Schienenabschnitt der Schiene 102 der
Strom I22. Die genannten Schienenabschnitte
befinden sich zwischen den Drehgestellen 107, 119.
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Anstelle
des niederohmigen Widerstandes ZE kann der Fahrzeugkörper
(Wagenmasse) auch über eine Schutzdrossel (Induktivität)
an den Verbindungspunkt 5 angeschlossen sein.
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Die
in 1 dargestellte Ausgestaltung der Verbindungsleitungen
zwischen den Rädern und dem Verbindungspunkt 5 kann
auch bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
einer Induktionsschleife oder auch bei anderen Ausgestaltungen mit wenigstens
einer Induktionsschleife vorgesehen sein.
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Anders
als in 1 kann dabei nicht an jedem Rad eine Erdstrombürste
oder ein anderer elektrischer Kontakt zur Kontaktierung des rotierenden Rades
vorgesehen sein, sondern nur an einer Teilanzahl der Räder.
Z. B. bei dieselelektrisch angetriebenen Lokomotiven ist in der
Regel ein Erdkontakt nur über einen Teil der Räder
realisiert. Dennoch erhöht das Konzept mit Verbindungsleitungen
von und zu den Rädern, die an einem gemeinsamen Verbindungspunkt
zusammengeführt sind, auch in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit,
dass ein Schienenkurzschluss über das Fahrzeug hergestellt
wird.
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Außerdem
können verschiedene Kombinationen von Verbindungsabschnitten
zwischen den Rädern und dem gemeinsamen Verbindungspunkt
gemeinsam mit Schienenabschnitten und eventuell Achsen eine Sekundärschleife
bilden, in der von der Induktionsschleife eine Spannung induziert
wird. Wenn z. B. der elektrische Kontakt von dem Rad 115d zu
der Schiene 102 sehr hochohmig ist, unabhängig
davon, ob eine Spannung induziert wird oder nicht, kann das Rad 115c mit
einem guten, niederohmigen Kontakt zu der Schiene 101 dennoch
wegen der Verbindungsleitung 210 sowohl zu einem Kurzschluss
beitragen als auch Teil eines Sekundärkreises sein, indem
von der Induktionsschleife 1 eine Spannung induziert wird.
Dies bedeutet, dass der gute elektrische Kontakt des Rades 115c aufgrund der
induzierten Spannung auch wirksam aufrechterhalten wird. Die Sekundärschleife
besteht in diesem Fall z. B. aus dem Leitungsabschnitt 210,
dem Leitungsabschnitt 320, dem Rad-Schienekontakt der Räder 115c, 116b und 116a,
der Achse 108 und dem Schienenabschnitt der Schiene 101 zwischen
den Rädern 115c und 116a.
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Ein
weiterer Fall, in dem nicht an allen Rädern Erdstrombürsten
oder andere elektrische Kontakte zu den Rädern vorgesehen
sind, bilden Fahrzeuge, die ausschließlich an einem Wechselstromfahrdraht
betrieben werden. Da bei der in der Regel hohen Netzspannung des
Wechselstromfahrdrahtes kleinere Rückströme zur
Schiene im Vergleich zu Gleichstromfahrzeugen auftreten, werden
hier in der Regel weniger Erdstrombürsten eingesetzt. Bei
eingeschaltetem Fahrzeug und Betrieb mit minimaler Grundlast (nur
Hilfsbetriebe eingeschaltet) wird eine niederohmige Verbindung zwischen
beiden Schienen durch den Rückstrom über Strombürsten
Räder und Schiene gewährleistet. Für
die zweite Maßnahme der Erfindung reicht es dabei auch
aus, die vorhandenen Erdstrombürsten und die zugehörigen
Verbindungsabschnitte zwischen diesen Erdstrombürsten und dem
gemeinsamen Verbindungspunkt zu nutzen, da zumindest zeitweise bei
Bezug von elektrischem Strom aus dem Fahrdraht die Kontakte der
Räder mit Erdstrombürsten zu ihrer Schiene in
niederohmigem Zustand erhalten werden. Daher reicht es gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch aus, die
Induktionsschleife nur dann zu betreiben, wenn das Schienenfahrzeug
kein Strom aus dem Netz bezieht.
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Anders
als in 1 dargestellt, kann die Induktionsschleife 1 auch
mehr als eine Windung um die Fläche 130 haben.
Davon zu unterscheiden ist der Fall der 6, bei der
zwei Induktionsschleifen vorhanden sind, die mit Strömen
in entgegengesetzter Richtung (180° Phasenverschiebung)
betrieben werden. Mehrere Windungen derselben Induktionsschleife
werden von Strömen in gleicher (d. h. zu jedem Zeitpunkt
in paralleler) Richtung durchflossen.
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Die
Induktionsschleife 1 befindet z. B. in einem Abstand von
150 bis 200 mm oberhalb der Schienenoberkante und ist z. B. mit
seinen Leitungsabschnitten 1a–1d in Kupferrohr
oder Aluminiumrohr ausgeführt. Kupferrohr/Aluminiumrohr
weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und ist aufgrund
seiner Rohrform mechanisch sehr stabil.
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3 zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten
Anordnung. Wesentliche elektrische Widerstände werden durch
den Übergang der Erdstrombürsten 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42 zu
dem jeweiligen Rad 115, 116 gebildet. Diese Widerstände
sind in 3 mit "RE", gefolgt von dem Bezugszeichen
der jeweiligen Erdstrombürste in 1 dargestellt.
Außerdem werden wesentliche elektrische Widerstände
durch den Rad-Schiene-Übergang gebildet. Diese Widerstände
sind in 3 mit "RW", gefolgt wiederum
von dem Bezugszeichen der Erdstrombürste des Rades dargestellt.
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In 3 ist
außerdem eine Stromquelle 2 in der Induktionsschleife 1 dargestellt,
die die Wirkung der Speiseschaltung 53 symbolisiert.
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In 2 haben
die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung wie in 1. Jedoch
ist anstelle der Induktionsschleife 1 ein Paar von Induktionsschleifen vorgesehen,
die jeweils etwa über einer der Schienen 101, 102 angeordnet
sind und eine in vertikaler Richtung verlaufende und in Fahrtrichtung
verlaufende ebene Fläche umlaufen. In der Seitenansicht
von 2 ist lediglich die Induktionsschleife 71 auf
der Seite der Schiene 102 erkennbar. Die zweite Induktionsschleife
befindet sich z. B. genau hinter der Induktionsschleife 71 über
der gegenüberliegenden Schiene 101. Dementsprechend
induziert die Induktionsschleife 71 eine elektrische Spannung
z. B. in der durch die Verbindungsabschnitte 220, 320,
die Rad-Schienekontakte der Räder 115d, 116b und durch
den Schienenabschnitt zwischen diesen Rädern gebildeten
Sekundärschleife. Ein entsprechender induzierter Strom
I22 ist in 2 eingezeichnet. Alternativ
oder zusätzlich kann auch in einer Sekundärschleife,
die u. a. durch die Verbindungsabschnitte 120 und 320 oder 120 und 420 gebildet
ist, eine Spannung von der Induktionsschleife 71 induziert werden.
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Wegen
der rauen Einsatzbedingungen unterflur wird bevorzugt, dass möglichst
sämtliche elektrischen Bauteile, die zur Gewährleistung
der Funktion der Induktionsschleife erforderlich sind, im Fahrzeug
angeordnet sind, d. h. nicht unterflur.
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4 zeigt
daher schematisch eine Lösung, bei der z. B. die Induktionsschleife 1 (alternativ
die Induktionsschleife 71 oder eine andere Induktionsschleife)
unterflur und/oder nahe den Schienen angeordnet ist. Über
eine Verbindungsleitung 441 ist die Induktionsschleife
mit einer Oszillatorschaltung 443 verbunden, die einen
Kondensator 445 aufweist, der zwischen die beiden Potentiale
der Verbindungsleitung bzw. zwischen die beiden Potentiale am Ausgang
des Oszillators 447 geschaltet ist. In 4 sind die
entsprechende resultierende Kapazität Cres und die
am Kondensator 445 anliegende Ausgangsspannung UCres des Oszillators 447 dargestellt.
Der Oszillator 447 weist eine Eingangsseite 449 auf,
die an eine Gleichstromversorgung angeschlossen ist und durch Plus-
und Minuszeichen und "DC" angedeutet ist.
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Alternativ
kann, wie 5 zeigt, der Kondensator 445 beispielsweise
durch eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren 551, 552 ersetzt
werden. Andere Anordnungen von einzelnen Kapazitäten sind
ebenfalls möglich. Die resultierende Kapazität Cres ist im Fall der 5 der Quotient
aus dem Produkt der Einzelkapazitäten C1, C2 und der Summe der
Einzelkapazitäten. Die an den Kondensatoren 551, 552 anliegenden
einzelnen Spannungen sind in 5 mit UC1 und UC2 dargestellt.
Die Verbindungsleitung ist wiederum mit dem Bezugszeichen 441 bezeichnet.
Der Oszillator ist wiederum durch das Bezugszeichen 447 bezeichnet.
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Wie 8 zeigt,
kann z. B. bei der Anordnung gemäß 5 die
an dem Kondensator 552 anliegende Spannung UC2 zur
automatischen Anpassung der Frequenz des Oszillators 447 an
die Resonanzfrequenz der an den Oszillator 447 angeschlossenen
Schaltung genutzt werden. Dabei wird die Resonanzfrequenz im Wesentlichen
durch die Gesamtkapazität der Kondensatoren 551, 552,
durch die Induktivität der Induktionsschleife und durch
die Induktivität der Verbindungsleitung bestimmt.
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Die
Oszillatorschaltung ist in 8 wiederum
durch Bezugszeichen 447 bezeichnet und umfasst die von
der gestrichelten Linie umrandeten Bauteile. Die Induktionsschleife
ist in 8 durch die Reihenschaltung ihrer Induktivität
L (einschließlich der Verbindungsleitung) und durch ihren
ohmschen Widerstand R symbolisiert. Ein erster Anschlusspunkt 801 des
Oszillators 447 ist mit einer Seite der Reihenschaltung
der Kondensatoren 551, 552 (nämlich der
Seite des Kondensators 552) verbunden. Ein zweiter Anschlusspunkt 802 des
Oszillators 447 ist mit der gegenüberliegenden
Seite (Seite des Kondensators 551) der Reihenschaltung
der Kondensatoren verbunden. Ein Punkt 803 des Oszillators 447 ist
mit einem Punkt in der Mitte, d. h. zwischen den beiden Kondensatoren 551, 552 verbunden.
Der erste Anschlusspunkt ist über eine Kapazität
C3 und über einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand R4
mit der Basis eines Transistors T1 verbunden. Der zweite Anschlusspunkt 802 ist
mit dem Kollektor des Transistors verbunden. Ebenfalls mit dem Kollektor ist
ein Widerstand R3 verbunden, dessen entgegengesetzte Seite über
eine Glättungsdrossel 11 mit Pluspotential der
Gleichspannungsseite 449 verbunden ist. Parallel zu der
Gleichspannungsseite ist ein Spannungsteiler mit Widerstand R5 und
Widerstand R6 geschaltet, wobei ein Zwischenpunkt zwischen den Widerständen
R5, R6 mit der Basis des Transistors verbunden ist. Der Punkt 803 ist
mit dem Minuspotential der Gleichspannungsseite 449 und – über einen
Widerstand R2 – mit dem Emitter des Transistors verbunden.
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Die
Funktion der Schaltung ist wie folgt:
Der eigentliche Schwingkreis
wird gebildet von den Kondensatoren 551, 552 (Kapazitäten
C1, C2) und der Induktivität L der Induktionsschleife und
Verbindungsleitung. Der unvermeidbar im Schwingkreis vorhandene
ohmsche Widerstand R bewirken eine Dämpfung der Schwingung,
so dass ohne erneute Anregung die Schwingung abklingen und nach
kurzer Zeit beendet sein würde.
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Die
Wechselspannung zwischen den Anschlusspunkten 802 und 801 ergibt
sich aus der Addition der Kondensatorspannungen von UC1 +
UC2. Beide Kondensatorspannungen setzen
sich im eingeschwungenen Zustand aus einer Gleichspannung mit überlagerter
Wechselspannung zusammen, wobei der Gleichspannungsanteil an C1
positiv und der Gleichspannungsanteil an C2 negativ ist. In der
Summenspannung UC1 + UC2 heben
sich beide Gleichspannungsanteile auf.
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Durch
eine Rückkopplung der Kondensatorspannung UC2 auf
die Basis des Transistors T1 wird eine Mitkopplung erreicht, die
ein zyklisches Einschalten des Transistors T1 während der
negativen Halbschwingung von C2 bewirkt. Das phasenrichtige Ein-
und Ausschalten des Transistors unterstützt den durch den
Schwingvorgang hervorgerufenen Entlade- und Aufladevorgang der Kapazität
C1 und sorgt für eine kontinuierliche Anregung und damit
für die Aufrechterhaltung der Resonanzschwingung.
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Mit
den Widerständen R3 und R2 kann die Höhe der Ausgangswechselspannung
zwischen den Punkten 801 und 802 in Abhängigkeit
von der Dämpfung im Schwingkreis in definiertem Bereich
eingestellt werden. Über den Widerstand R2 wird der Entladestrom
des Kondensators C1 beim Einschalten des Transistors T1 begrenzt.
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Die
Kapazität C3 dient zur Abkoppelung des Gleichspannungsanteils
von UC2. Mit dem Widerstand R1 wird der
Arbeitspunkt des Transistors beeinflusst. Die Induktivität
L1 bewirkt eine Reduktion des Wechselstromanteils in der Speisequelle
wodurch die Verluste reduziert werden und das selbsttätige
Anschwingen der Oszillatorschaltung bei Anlegen der Gleichspannung
E1 verbessert wird. Die Widerstände R5 und R6 haben nur
Spannungsteilerfunktion und sind von untergeordneter Bedeutung.
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6 zeigt
eine Anordnung ähnlich der in 1 und 3,
wobei jedoch zwei übereinander angeordnete Induktionsschleifen 601, 602 zwischen den
Drehgestellen 107, 119 angeordnet sind. Ansonsten
bezeichnen die in 6 verwendeten Bezugszeichen
dieselben Teile und Einrichtungen wie in 1 bzw. 4.
Die erste Induktionsschleife 601 ist vorzugsweise im Abstand
100 mm bis 200 mm oberhalb der Oberkante der Schienen 101, 102 angeordnet.
Die zweite Induktionsschleife 602 ist darüber innerhalb
des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angeordnet und vorzugsweise
in einem Abstand von mindestens 100 mm über der ersten
Induktionsschleife 601.
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In
dem Ausführungsbeispiel sind die Induktionsschleifen beide über
die Verbindung 441 mit der Oszillatorschaltung 443 verbunden
und in Reihe geschaltet. Dabei sind sie jedoch derart in Reihe geschaltet,
dass sie zu jedem Zeitpunkt in einander entgegengesetzter Richtung
(180° Phasenverschiebung) von einem Strom durchflossen
werden (oder von keinem Strom durchflossen werden), wie durch die
entgegengesetzt weisenden und mit dem Bezugszeichen IL2,
IL1 bezeichneten Pfeile angedeutet ist.
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Die
resultierenden magnetischen Feldstärken der durch die Induktionsschleifen 601, 602 erzeugten
elektromagnetischen Felder sind in 7 für
verschiedene Punkte in der Umgebung der Induktionsschleifen dargestellt.
Die Bildebene von 7 verläuft in vertikaler
Richtung und quer zur Fahrtrichtung. Unten links ist die Schiene 102 erkennbar,
darüber der momentan in die Bildebene hineinfließende Strom
IL1 durch die Induktionsschleife 601 und
wiederum darüber der momentan aus der Bildebene herausfließende
Strom IL2 durch die zweite Induktionsschleife 602.
Die Induktionsschleife 601 weist zur Oberkante der Schiene 102 einen
Höhenabstand von h1 auf. Der Höhenabstand zwischen
den Induktionsschleifen 601, 602 ist durch h2
symbolisiert.
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An
der Oberkante der Schiene 102 erzeugt die Induktionsschleife 601 eine
momentane magnetische Feldstärke, die durch einen nach
links weisenden, von der Schiene 102 ausgehenden Pfeil
mit dem Bezugszeichen HL1 dargestellt ist.
Die zweite Induktionsschleife 602 erzeugt momentan ein
Magnetfeld an der Oberkante der Schiene 102, das durch
einen nach rechts weisenden, von der Schiene 102 ausgehenden
Pfeil mit dem Bezugszeichen HL2 dargestellt ist.
Da die erste Induktionsschleife 601 wesentlich näher
an der Oberkante der Schiene 102 angeordnet ist als die
zweite Induktionsschleife 602, ist das von der ersten Induktionsschleife 602 erzeuge
Magnetfeld betragsmäßig größer.
Der resultierende Magnetfeldvektor an der Oberkante der Schiene 102 ist
daher durch einen nach links weisenden Pfeil, der an der Schiene 102 ansetzt,
und durch die Zeichenkette "HL1 + HL2" symbolisiert.
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Auch
wenn es sich bei dieser in 7 dargestellten
Vektoraddition um eine Momentaufnahme handelt, gilt entsprechendes
für jeden Zeitpunkt, zu dem die Induktionsschleifen 601, 602 betrieben
werden. Lediglich bei einem Nulldurchgang der Magnetfeldstärke
ist auch die Summe der Magnetfelder kurzzeitig Null. Im zeitlichen
Mittel aber ist die Magnetfeldstärke durch die untere Induktionsschleife 601, geschwächt
durch die weiter entfernt liegende obere Induktionsschleife 602,
bestimmt.
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In
einem Abstand r seitlich (in 7 rechts) des
Gleises und etwa in der Mitte der Höhenniveaus der Induktionsschleifen 601, 602 heben
sich aber die Feldstärken der von den Induktionsschleifen 601, 602 erzeugten
magnetischen Felder fast vollständig auf. Dies ist rechts
in 7 durch eine Vektoraddition dargestellt. Die relevanten
Abstände r zwischen dem Punkt A und den Induktionsschleifen 601, 602 sind
in Wirklichkeit größer als in der schematischen
Darstellung von 7. Daher heben sich für
große Abstände r in Bezug auf die Abstände
h2 bzw. h1 (r >> h2 bzw. h1) die resultierenden
magnetischen Felder der beiden Induktionsschleifen 601, 602 auch
auf einer Kreisbahn um die Induktionsschleifen nahezu vollständig
auf. Daher ist die elektromagnetische Verträglichkeit der
Anordnung mit zwei Induktionsschleifen, die entgegengesetzt bestromt
werden, bezüglich von Einrichtungen außerhalb
und entlang der Fahrstrecke des Schienenfahrzeugs sehr gut.
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Zusammenfassend
können die Vorteile der vorliegenden Erfindung wie folgt
genannt werden:
- – Die Anzahl der elektrischen
Verbindungen bzw. der zugeordneten Impedanzen zwischen den beiden
Schienen ist erhöht, wenn eine erhöhte Anzahl
von Achsen und Rädern des Schienenfahrzeugs genutzt wird
und/oder wenn zusätzlich zu den Achsen elektrische Verbindungen
von mehreren Rädern zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt
geführt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Verbindungsabschnitte
zu dem Verbindungspunkt symmetrisch verlegt werden.
- – Wegen der Anordnung der Induktionsschleife zwischen
Drehgestellen ist die Gefahr von unerwünschten Induktionen
im Bereich der Drehgestelle, z. B. im Bereich der dort angeordneten Fahrmotoren,
Lager und Getriebe, reduziert und weitgehend ausgeschlossen.
- – Da die Induktionsschleife zwischen den Drehgestellen
sich nicht über den gesamten Zwischenraum zwischen den
Drehgestellen erstrecken muss, bestehen mehrere Möglichkeiten
bezüglich der Anordnung und Größengestaltung
der von der Induktionsschleife umlaufenden Fläche. Es kann daher
der jeweils in einem konkreten Schienenfahrzeug vorhandene, einfach
zu erreichende Bauraum genutzt werden.
- – Wenn die die Resonanzfrequenz des Schwingkreises
wesentlich mitbestimmende Kapazität im Bereich der Oszillatorschaltung
angeordnet wird (und nicht unmittelbar in der Induktionsschleife), kann
auf Maßnahmen zum Schutz der Kapazität verzichtet
werden und entstehen weniger elektrische Verbindungen unterflur
in Gleisnähe.
- – Wenn oberhalb einer in Gleisnähe angeordneten
Induktionsschleife, die eine horizontal verlaufende Fläche
umläuft, eine zweite solche Schleife angeordnet wird, können
die elektromagnetischen Störfelder in Streckennähe
stark reduziert werden. Dennoch ist die Funktionsweise der Induktionsschleifen
für den angestrebten Zweck gewährleistet. Bei
Bedarf kann die Stromstärke gegenüber der Nutzung
einer einzigen Induktionsschleife erhöht werden, um die
teilweise Kompensation der Feldstärken auf Gleishöhe
auszugleichen.
- – Wenn die Induktionsschleife zwischen zwei Drehgestellen
angeordnet ist und/oder wenn zusätzlich zu den Achsen des
Fahrzeugs elektrische Verbindungen von den Rädern zu einem
gemeinsamen Verbindungspunkt verlegt werden, kann, wie im Stand
der Technik bereits vorgeschlagen wurde, auf Induktionsschleifen
in mehreren Drehgestellen verzichtet werden. Die Erfindung kommt daher
vorzugsweise mit einer oder einem Paar von Induktionsschleifen zwischen
zwei Drehgestellen aus.
- – Zwei übereinander angeordnete, entgegengesetzt
bestromte Induktionsschleifen können z. B. in Reihe geschaltet
sein oder auch parallel geschaltet sein. In beiden Fällen
kann eine einzige Oszillatorschaltung zur Bestromung beider Induktionsschleifen
eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0500757
B1 [0005, 0006]