DE102008050397A1 - Modelleisenbahn mit drahtloser Stromversorgung und freier Gleisführung - Google Patents

Abstract

Aufgabe und Zielsetzung Die Antriebsenergie für Modelleisenbahnen soll drahtlos dem Gleis zugeführt werden; feste Zuleitungen zum Gleis werden entbehrlich, gleichzeitig ist die Energiezufuhr durch keine Energiespeicher (Batterien, Akkumulatoren) begrenzt, ebenfalls ist eine freie Wahl der Gleisführung gewünscht. Die elektrische Energie fließt vom Gleis auf konventionellem Weg (Schienen, Räder, Stromabnehmer) zum Fahrmotor der Lok. Ferner soll diese Anlage aus Serienprodukten (Gleise, Fahrzeuge, Stromversorgung) aufgebaut werden können. Lösung des Problems Eine ortsfeste Spule wirkt als Energiequelle, die ein magnetisches Feld erzeugt, das wiederum eine zweite frei bewegliche Spule durchsetzt und die induzierte Wechselspannung über einen Gleichrichter an die Schienen abgibt. Die Anordnung stellt einen eisenlosen Transformator dar, wobei Lage, Geometrie und Windungszahlen der Wicklungen zueinander die Betriebsspannung bestimmen. Dadurch ist eine freie Wahl des Gleiskörpers einerseits und andererseits der Einsatz von Serienfahrzeugen möglich. Anwendungsgebiet Zum Betrieb eignen sich Komponenten der Z-Spur, da sie bei niedriger Spannung noch einwandfrei betrieben werden können, einen geringen Leistungsbedarf haben und weil sie mit Gleichstrom-Fahrmotoren ausgestattet sind. Es können Lokomotiven der Serie ohne weitere Anpassungen verwendet werden...

Description

• 1. Zuordnung
• Diese Erfindung ist ein Spielzeug aus dem Bereich elektrischer Modelleisenbahnen.
• 2. Stand der Technik
• Bisher werden elektrische Modellbahnen mit einer Stromversorgung (Trafo, Stellgerät) über Versorgungsleitungen oder mit Batterien verbunden, die die Antriebsenergie zum Betrieb liefern. Unschöne Drahtverbindungen einerseits oder begrenzte Batteriekapazität andererseits sind unvermeidlich.
• Unter [2] ist bereits eine drahtlose Energiezuführung angegeben, bei der eine freie Wahl des Gleiskörpers jedoch nicht gegeben ist, ausserdem sind Änderungen an den Fahrzeugen notwendig.
• 3. Zielsetzung
• Diese Erfindung ist eine Anordnung, die diese Nachteile vermeidet. Die Antriebsenergie wird drahtlos (induktiv) dem Gleis zugeführt; gleichzeitig ist die Energiezufuhr durch keine Energiespeicher (Batterien, Akkumulatoren) begrenzt, ebenfalls ist eine freie Wahl der Gleisführung möglich.
• Die elektrische Energie fliesst vom Gleis über einen Gleichrichter auf konventionellem Weg (Schienen, Räder, Stromabnehmer) zum Fahrmotor der Lok, Änderungen an den Fahrzeugen sind nicht notwendig.
• Ferner soll diese Anlage aus Serienprodukten (Gleise, Fahrzeuge, Stromversorgung) mit wenigen Anpassungen aufgebaut werden können.
• 4.0 Funktionsprinzip
• Die Erfindung besteht aus einem ortsfesten (Platte mit Wicklung L1) und einem beweglichen Teil (Gleis mit Gleichrichter GR1 und Wicklung L2)(Bilder 1, 2).
• L1 wird an die Wechselspannung U1 angeschlossen und stellt die ortsfeste Energiequelle dar, die ein Magnetfeld der Induktion B erzeugt.
• L2 wird von diesem magnetischen Wechselfeld durchsetzt und stellt die Sekundärspannung U2 zur Verfügung [1, Seite 234 ff]. Diese Wechselspannung U2 wird einem Gleichrichter GR1 und anschliessend als Betriebsspannung Ub den Schienen zugeführt.
• Die Anordnung stellt einen eisenlosen Transformator dar, dessen Primär-(L1) und Sekundärwicklungen (L2) magnetisch gekoppelt sind, wobei Lage, Geometrie und Windungszahlen der Wicklungen zueinander den Kopplungsfaktor k und damit die Spannung am Gleis bestimmen [1, Seiten 255, 265 ff, 274 ff]. Der GR1 ist zwischen L2 und Gleiskörper geschaltet und führt Betriebsspannung Ub als Gleichspannung direkt den Schienen zu, dadurch ist – bei drahtloser Zuführung der Antriebsenergie – eine freie Wahl des Gleiskörpers einerseits und andererseits der Einsatz von Serienfahrzeugen ohne Umbau möglich.
• 5. Fahrzeuge
• Serienlokomotiven sind mit internen elektrischen Verbindungen ausgestattet, sodass die Kontaktstellen zu Schienen und Fahrdraht mehrfach parallel geschaltet sind und so die Gleichspannung zum Fahrmotor führen. Insbesondere sind bei
• – Triebfahrzeugen mit Einzelachsen die Räder der rechten Vorder- und Hinterachse bzw. die Räder der linken Vorder- und Hinterachse verbunden [3];
• – Fahrzeugen mit Drehgestellen die Räder einer Seite im Drehgestell mit Schleifern verbunden, zusätzlich sind interne Verbindungen zwischen beiden Drehgestellen vorhanden [3].
• – Fahrzeugen mit Fahrdrahtausrüstung die Stromabnehmer miteinander verbunden, bei Fahrzeugen mit Stromabnehmern erfolgt die Stromzufuhr wahlweise durch Umschaltung am Fahrzeug [3].
• Um die Serienlok ohne Eingriffe nutzen zu können, muss also Gleichspannung Ub direkt am Gleis bzw. am Fahrdraht/Stromschiene zur Verfügung stehen.
• Die Lok bezieht ihre Antriebsenergie über die Räder rechts und links im Drehgestell/Radsatz (Stromschiene/Fahrdraht nicht vorhanden oder nicht genutzt) oder über die Räder einseitig im Drehgestell/Radsatz und der Stromschiene/Fahrdraht.
• 6. Konstruktion
• Im einfachsten Fall besteht das Gleis aus einem kreisförmigen, frei beweglichen Gleiskörper, an dem die ringförmigen Wicklung L2 und der Gleichrichter GR1 angebracht sind. GR1 wird eingangsseitig an L2, ausgangsseitig an das Gleis gemäss Bild 2 angeschlossen (Der Gleiskörper muss nicht parallel zu der Wicklungsebene L2 liegen). Eine nichtmetallische, ortsfeste Trägerplatte nimmt die Wicklung L1 auf, an die die Wechselspannung U1 angeschlossen wird (Patentanspruch 1, 2).
• Nähert man den Gleisring L1, so induziert das Magnetfeld B in der Spule L2 längs der Windungen eine Spannung U2 [1, Seite 275]. Sie wird dem Gleichrichter zugeführt, dessen Ausgangsklemmen mit den Schienen verbunden sind. Setzt man eine Lok auf das Gleis, so beginnt der Stromfluss- und die Bewegung setzt ein.
• Bei einem geschlossenem Gleisring, der das Magnetfeld umfasst, sind Unterbrechungsstellen CB, C'B' vorzusehen, damit in den Schienen ein Kurzschlussstrom, angetrieben von der Umlaufspannung [1, Seite 239], vermieden wird (Patentanspruch 2).
• Beim Passieren der Unterbrechungsstellen BC und B'C' fliesst ein kurzzeitig Kurzschlussstrom -hervorgerufen durch die internen Verbindungen im Fahrzeug (im Unterschied zu dem oben erwähnten, dauerhaften Kurzschluss, hervorgerufen durch eine ringförmig geschlossene Gleisführung), dieser Kurzschlussstrom führt allerdings zu erhöhter Beanspruchung der Räder bzw. Schleifer und lässt sich vermeiden, indem man eine zweite Unterbrechungsstelle AD, A'D' samt Gleichrichter GR2 einführt (Bild 3). Jetzt besteht der Gleiskörper aus zwei isolierten Teilstücken, die aus getrennten Gleichrichtern gespeist werden (Patentanspruch 3). Das Gleisstück muss länger sein, als der Abstand der vordersten zur hintersten Achse der Lokomotive, damit die Lok die Unterbrechung nicht überbrückt.
• Schliesslich wird der Betrieb mit Stromabnehmern ermöglicht, indem die Anlage um eine Stromschiene/Fahrdraht erweitert wird, die an eine der beiden Schienen elektrisch angeschlossen wird (Patentanspruch 4), Bild 4 zeigt die so entstandene Anordnung.
• 7. Funktion
• In Bild 4 ist beispielhaft ein Umlaufweg gezeigt:
  Eine Elok wird gemäss [5] aufgegleist und fahre nun beginnend von AA' im Gegenuhrzeigersinn und wird längs des Weges mit Betriebsspannung Ub- wahlweise von der Schiene A'B' oder von Fahrdraht/Stromschiene A''B'' versorgt; der Pluspol ist AB bzw. CD.
• Nach dem Passieren der Unterbrechungsstellen BB''B, CC''C' wird die Unterbrechung durch Verbindungen im Fahrzeug gebrückt [3]. Die beiden Gleichrichter sind ausgangsseitig parallel geschaltet und teilen sich dann die Last auf, innerhalb der Strecke zwischen C und D (Isoliergleis) versorgt allein GR2 das Fahrzeug.
• 8. Stromversorgung
• Die Versorgung liefert ein handelsübliches 12VAC Halogenlampen-Vorschaltgerät, die Spulen werden auf die Grösse des Gleiskörpers dimensioniert. Der Brückengleichrichter ist im SMD-Gehäuse erhältlich [4].
• 9. Applikationen
• Zum Betrieb eignen sich Komponenten der Z-Spur, da sie bei niedriger Spannung noch einwandfrei betrieben werden können, einen geringen Leistungsbedarf haben und weil sie mit Gleichstrom-Fahrmotoren ausgestattet sind.
• Die beschriebene Anordnung gestattet freie Beweglichkeit und Streckenführung des Gleiskörpers und des Zuges. Ausgehend vom Gleisring können beliebige Erweiterungen (Weichen, Kreuzungen, etc.) vorgenommen werden.
• Insbesondere eignet sich die Anordnung zur Schaufenster- und Messestand-Dekoration. Ein funktionsfähiger Prototyp liegt vor.
• 10. Literaturverzeichnis
• [1] Lunze, Einführung in die Elektrotechnik, VEB Verlag Technik 1984
• [2] Offenlegungsschrift 10 2007 005 546 A1 2008.09.11, DPMA
• [3] Märklin GmbH, Explosionszeichnungen für Ersatzteile, märklin.com
• [4] Vishay General Semiconductor, Datenblatt MB2S, vishay.com
• [5] Märklin GmbH, Bedienungsanleitung (z. B. 8854, 88571, 8867)

Claims (4)

1. Modelleisenbahn mit drahtloser Stromversorgung und freier Gleisführung dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklung L1 an eine Wechselspannung U1 angeschlossen ist und ein Magnetfeld B erzeugt und dass ein frei beweglicher, beliebiger Gleiskörper mit einer Wicklung L2 und einem Gleichrichter GR1, der eingangsseitig an L2, ausgangsseitig an das Gleis gemäss Bild 2.0 angeschlossen ist, versehen ist und dass eine magnetische Kopplung beider Wicklungen L1, L2 gegeben ist.
2. Gleiskörper nach Patentanspruch 1 (Bild 2.0) dadurch gekennzeichnet, dass der Gleiskörper einen geschlossenen Ring bildet und auf einem Träger ruht, der auch die Wicklung L2 und den Gleichrichter GR1 aufnimmt und dass die Schienen des Gleiskörpers einmal an paarweise gegenüberliegenden Stellen BB' und CC' unterbrochen sind.
3. Gleiskörper nach Patentanspruch 1 und 2 (Bild 3.0) dadurch gekennzeichnet, dass ein isoliertes und aus einem zweiten Gleichrichter GR2 eingespeistes Gleisstück zwischen CC' und DD' eingefügt ist und dass GR2 auf dem Träger nach Anspruch 2 sitzt und eingangsseitig parallel zu GR1 an L2 angeschlossen ist.
4. Gleiskörper nach Patentanspruch 1, 2 und 3 (Bild 4.0) dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromschiene/Fahrdraht an die Betriebsspannung Ub angeschlossen ist und dass die Stromschiene/Fahrdraht bei A''D'' und C''B'' unterbrochen ist