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Die
Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Antriebssystem für
Modellgegenstände im Modellmaßstab.
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In
der Praxis sind seit langem Modellgegenstände, wie Modelllokomotiven,
Modellwaggons und Modellstraßenfahrzeuge aller Art bekannt,
die zu Spiel-, Sammel- oder Lernzwecken Verwendung finden, beispielsweise
in Form von Spielzeug- bzw. Modelleisenbahnen. Insbesondere bei
Modelleisenbahnen besteht der Wunsch, nicht nur Modelle von rollendem
Eisenbahnmaterial in Bewegung zu setzen, sondern auch Zubehörmodelle,
wie Modelle von Straßenfahrzeugen und sonstige Fahrzeugen,
Personen und Tieren.
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Zum
Bewegen von Modellfahrzeugen sind Magnetfeldantriebe bekannt, wobei
die Modellfahrzeuge mit einem oder mehreren Magneten versehen sind.
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Aus
der
DE 2218 106 ist
eine elektrische Spielzeugautobahn mit Magnetfeldantrieb bekannt, bei
der unter der Fahrbahn voneinander beabstandete Elektromagnete angeordnet
sind, die einzeln mit einem Stromkreis verbindbar sind und einem
Modellfahrzeug ein Dauermagnet angeordnet ist, der von einem mit
dem Stromkreis verbundenen Elektromagnet angezogen werden kann.
Es ist dem Geschick der spielenden Person überlassen, den
Stromkreis eines in der Nähe des Modellfahrzeugs befindlichen Elektromagnets
zum rechten Zeitpunkt und so lange zu schließen, dass das
Modellfahrzeug beschleunigt wird und in den Wirkungsbereich eines
nachfolgenden Elektromagnets gelangt.
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Aus
der
DE 20 2005
013 410 U1 ist ein Unterflurantrieb für kleine
Modellfahrzeuge bekannt, bei dem das Modellfahrzeug mit seinem vorderen
Teil auf einem auf einer nichtmagnetischen Fahrbahn angeordneten
flachen Fahrzeugmagnet aufliegt, wobei unter der Fahrbahn ein elektromotorisch
angetriebener Fahrschlitten vorgesehen ist, der mittels eines weiteren
Magnets den Fahrzeugmagnet mitnimmt.
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Aus
der
DE 43 02 927 C2 ist
eine Modellanlage, wie eine Modelleisenbahn oder eine Modellautobahn,
bekannt, bei dem eine unterhalb der Anlage angeordnete Antriebsvorrichtung
einen Antriebsmagneten aufweist, der mit wenigstens einem fahrzeugseitigen
Magneten zusammenwirkt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes elektromagnetisches
Antriebssystem für einen Modellgegenstand im Modellmaßstab zu
schaffen, das sich durch geringen Platzbedarf und universelle Anwendbarkeit
auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird ein elektromagnetisches Antriebssystem für Modellgegenstände
im Modellmaßstab, umfassend eine Führungsbahn,
auf der mindestens ein zu bewegender Modellgegenstand angeordnet
ist, vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass der Modellgegenstand mindestens
in einer Achsrichtung der angetriebenen Bewegung mit einer Magneteinrichtung
starr verbunden oder in anderer Weise bewegungsfest verbunden ist,
wobei die Magneteinrichtung unter Ausbildung eines Luftspaltes über
der Führungsbahn oder unmittelbar auf der Führungsbahn
angeordnet ist, und
dass die Führungsbahn ein mit
einer Steuerungseinrichtung verbundenes Flachspulensystem aus Flachspulen
ausweist, das ein längs der Führungsbahn erstrecktes
magnetisches Wander- und Führungsfeld bereitstellt, das
die Antriebsrichtung der Bewegung bestimmt.
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Durch
die Verwendung eines Flachspulensystems zur Bereitstellung eines
Wanderfeldes längs einer Führungsbahn und die
Mitnahme der Modellgegenstände im Wanderfeld durch magnetische
Kopplung wird ein besonders einfacher Aufbau geschaffen.
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Von
weiterem Vorteil ist, dass das magnetische Wanderfeld ohne bewegliche
Teile und ohne menschlichen Eingriff erzeugbar ist. Es ist also
nicht notwendig, Steuerbefehle zu erteilen, die sich auf die Ansteuerung
der Flachspulen des Flachspulensystems beziehen.
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Weiter
vorteilhaft ist, dass durch die Ausbildung der Spulen als Flachspulensystem
eine als flexible Führungsbahn ausbildbare Führungsbahn
bereitgestellt wird, wobei es jedoch auch möglich ist,
die Führungsbahn zumindest abschnittsweise starr auszubilden.
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Weiter
besonders vorteilhaft ist, dass zur Führung des Modellgegenstandes
keinerlei mechanische Führungselemente benötigt
werden, also beispielsweise keine Führungsnuten, Randbegrenzungen
oder dergleichen. Vielmehr ist das an den Verlauf des in der Führungsbahn
integrierten Flachspulensystems gebundene magnetische Wander- und
Führungsfeld zugleich ein magnetisches Führungsfeld, das
den Modellgegenstand in seiner seitlichen Lage, d. h. senkrecht
zur Fortbewegungsrichtung, fixiert und das seine Geschwindigkeit
bestimmt.
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Unter
einem Modellgegenstand wird ein nach einem Vorbild in verkleinertem
Maßstab ausgebildetes körperliches Abbild verstanden,
unabhängig davon, mit welcher Detailtreue der Modellgegenstand
ausgebildet ist. Der Modellgegenstand kann deshalb auch zum Spielen
bestimmt sein oder Teil eines Spiels sein, beispielsweise eines
Brettspiels. Eine Modelllokomotive kann in diesem Sinne beispielsweise
für eine Modelleisenbahn oder für eine Spielzeugeisenbahn
bestimmt sein.
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Bei
dem Modellgegenstand kann es sich um einen Modellgegenstand handeln,
der keine drehbaren Räder, Walzen oder Rollen aufweisen,
die im Kontakt mit der Führungsbahn stehen, beispielsweise
um eine Figur oder ein Schiff und bei dem die Magneteinrichtung
unmittelbar auf der Führungsbahn angeordnet ist. Bei bevorzugten
Modellgegenständen mit bei der Fortbewegung sich drehenden
Rädern, Walzen oder Rollen kann vorzugsweise ein Luftspalt
zwischen der Unterseite der Magneteinrichtung und der Oberseite
der Führungsbahn vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
ist der Modellgegenstand zumindest in der Umgebung der Magneteinrichtung
aus nichtmagnetischem Material ausgebildet, so dass das magnetische
Wander- und Führungsfeld im Wesentlichen mit der Magneteinrichtung
zusammenwirkt.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Magneteinrichtung im unteren Bereich
des Modellgegenstandes angeordnet ist.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass sich bei Anordnung auf der Führungsbahn
der Modellgegenstand selbst, d. h. außerhalb der Magneteinrichtung,
auf der Führungsbahn abstützt.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Unterseite der Magneteinrichtung
eine Lagerfläche bildet, mit der sich der auf der Führungsbahn
angeordnete Modellgegenstand auf der Führungsbahn abstützt.
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Die
Magneteinrichtung kann stoffschlüssig und/oder formschlüssig
und/oder kraftschlüssig mit dem Modellgegenstand verbunden
sein. Die Magneteinrichtung kann beispielsweise mit dem Fahrzeugboden
eines weiter unten beschriebenen Modellfahrzeugs verklebt sein,
wobei ein Klebstoff oder ein Klebstoffpad vorgesehen sein kann.
Es kann auf der Oberseite der Magneteinrichtung auch eine mit einer Schutzfolie überdeckte
Klebstoffschicht eines Haftklebers aufgebracht sein, die durch Abziehen
der Schutzschicht aktivierbar ist. Auf diese Weise können Magneteinrichtungen
ausgebildet sein, die als Nachrüstsatz für Modellfahrzeuge
vorgesehen sind, vorzugsweise in einem Modellmaßstab 1:87
(Spurweite HO) oder 1:43 (Spurweite 0). Es ist aber auch möglich,
dass die Magneteinrichtung in einen aus Kunststoff hergestellten
Modellgegenstand eingebettet ist, beispielsweise durch Umspritzen
mit dem Kunststoff. Die Magneteinrichtung kann auch in eine Rastaufnehmung
eingerastet sein.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die Unterseite der Magneteinrichtung
die Grundfläche des Modellgegenstandes bildet. Die Unterseite
der Magneteinrichtung kann eine hoch gleitfähige Beschichtung
aufweisen. Wenn es sich um Modellgegenstände mit nicht
drehbaren Rädern, Walzen oder Rollen handelt, so kann vorzugsweise
vorgesehen sein, dass die Magneteinrichtung in der Höhe
so dimensioniert ist, dass die Räder, Walzen oder Rollen mit
geringem Abstand über der Führungsbahn angeordnet
sind oder federnd mit ausreichendem Spiel montiert sind.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Magneteinrichtung senkrecht
zur Oberseite der Führungsbahn beweglich an dem Modellgegenstand
angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann besonders vorteilhaft
sein, wenn die Magneteinrichtung unmittelbar auf der Führungsbahn
angeordnet ist oder der Luftspalt zwischen der Unterseite der Magneteinrichtung
und der Oberseite der Führungsbahn durch eine Schicht aus
einem nicht magnetischen Material ausgebildet ist, beispielsweise
die Magneteinrichtung an ihrer Unterseite eine Kunststoffschicht
mit einem geringen Reibungskoeffizienten aufweist, wie weiter oben
beschrieben. Beispielsweise weist Polypropylen eine wachsartige
und daher gut gleitfähige Oberfläche auf.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass der Modellgegenstand
ein zweispuriges Modellfahrzeug ist. Vorzugsweise kann es sich um
ein nicht schienengebundenes Fahrzeug handeln, beispielsweise ein
Straßenfahrzeug oder allgemeiner ein Bodenfahrzeug oder
ein startendes oder landendes Luftfahrzeug oder eine bewegliche
Arbeitsmaschine oder dergleichen. Es ist aber auch möglich,
dass es sich um ein schienengebundenes Fahrzeug handelt, wobei auch
Schienen zur Ausbildung eines Gleises vorgesehen sein können,
wenn sie unverzichtbar für den optischen Eindruck sind. Insbesondere
für Modellbahnen mit sehr geringen Spurweiten, wie Spurweite
N (9 mm) oder Spurweite Z (6 mm) können sich Vorteile ergeben,
weil Antriebsmotore und Untersetzungsgetriebe entbehrlich sind. Es
ist folglich möglich, noch kleinere Spurweiten vorzusehen,
beispielsweise zur Darstellung eines Schmalspurbetriebs in der Spurweite
Z. Ein weiterer Vorteil kann sich daraus ergeben, dass nicht die
Gleise, sondern das magnetische Wander- und Führungsfeld
die Bewegungsbahn des Modellfahrzeugs bestimmt. Damit kann der Weichenaufbau
vereinfacht werden. Es ist auch möglich, Fahrzeuge im Modellmaßstab
1:500 mit der Antriebseinrichtung zu bewegen und so den Bereich
antreibbarer Modelle auf Miniaturmodelle auszudehnen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass
die Magneteinrichtung am Fahrzeugboden so angeordnet ist, dass die
Räder des Modellfahrzeugs im Kontakt mit der Oberfläche
der Führungsbahn sind. Es ist also vorgesehen, dass sich
die Räder des Modellfahrzeugs im Betrieb drehen. Modellfahrzeuge
mit im Fahrbetrieb sich drehenden Rädern sind bekannt,
doch weisen diese Fahrzeuge eigene Antriebe auf der Basis Elektromotor
und Getriebe auf, die insbesondere bei der Stromversorgung große
Probleme bereiten. Bei den vorstehend beschriebenen Spurweiten N
und Z setzen die geringen Abmessungen des Modellfahrzeugs Grenzen
für den Einbau von Motoren und Getrieben. Wie bereits weiter
oben beschrieben, sind unterschiedliche konstruktive Maßnahmen
möglich, wobei immer vorausgesetzt ist, dass die Räder
des Modellfahrzeugs leicht drehend ausgebildet sind. Es ist also möglich,
die Räder federnd und/oder mit Spiel aufzuhängen,
die Magneteinrichtung federnd und/oder mit Spiel am Fahrzeugboden
anzuordnen, wobei die Beweglichkeit der Räder bzw. der
Magneteinrichtung senkrecht zur Oberfläche der Führungsbahn
vorgesehen ist. Die beschriebene Aufhängung der Räder ist
bei Modellfahrzeugen im Allgemeinen gegeben, um ein nicht modellgerechtes
Kippeln beim Aufsetzen des Fahrzeugs auf eine Unterlage zu vermeiden.
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Es
hat sich besonders bewährt, dass die Magneteinrichtung
im Bereich der Vorderachse oder im Bereich der Hinterachse(n) des
Modellfahrzeugs angeordnet ist.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass eine weitere Magneteinrichtung im Bereich
der Hinterachse(n) oder im Bereich der Vorderachse des Modellfahrzeugs
angeordnet ist. Die weitere Magneteinrichtung kann vorzugsweise
als Antriebseinrichtung vorgesehen sein, und die Magneteinrichtung
im Bereich der Vorderachse kann vorzugsweise als Führungseinrichtung
vorgesehen sein.
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Weiter
hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Vorderräder
des Modellfahrzeugs eine geringere Haftung aufweisen als die Hinterräder.
Durch diese und die vorgenannte Maßnahme wird eine besonders
gute Spurführung erreicht. Das Modellfahrzeug weist bei
diesen Ausführungen die Nachbildung eines Vorderachsantriebs
auf und wird folglich modellgerecht in Kurven hineingezogen.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die Magneteinrichtung aus einem
oder mehreren hintereinander angeordneten Permanentmagneten ausgebildet
ist, die vorzugsweise in der Längsachse des Modellfahrzeugs
angeordnet sind. Bei Verwendung mehrerer Magnete ist zum einen eine
längere Eingriffsstrecke zwischen dem Flachspulensystem
und der Magneteinrichtung ausgebildet und zum anderen ist es möglich,
dass mehr als eine Flachspule gleichzeitig im Eingriff sind. Damit
wird eine ruckfreie und feinfühlige Bewegung des Modellfahrzeugs
erreicht.
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In
bevorzugten Ausführungen weist die Magneteinrichtung zwei
bis vier Permanentmagnete auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass
die mehreren hintereinander angeordneten Permanentmagnete mit wechselnder
magnetischer Polarität angeordnet sind. So ist es möglich,
sowohl magnetische Anziehungskräfte als auch Abstoßungskräfte
für die Fortbewegung des Modellgegenstands zu nutzen.
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Es
hat sich bewährt, dass die Permanentmagnete eine Remanenzfeldstärke
von mindestens 1,2 Tesla aufweisen.
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Weitere
Ansprüche sind auf die Ausbildung der Führungsbahn
gerichtet.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Führungsbahn als ein Mehrschichtkörper
ausgebildet ist. Als Mehrschichtkörper wird hier ein flexibler
oder starrer Körper bezeichnet, der aus mehreren miteinander
verbundenen Schichten aufgebaut ist, wobei jede der Schichten wiederum
einen Schichtaufbau haben kann. Im elektronischen Gerätebau
sind beispielsweise als ein- oder mehrlagige Leiterplatten ausgebildete
Mehrschichtkörper üblich, wobei auf einer Trägerschicht
eine oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten angeordnet
sind, die gegebenenfalls durch Isolierschichten elektrisch voneinander
getrennt sind. Es sind sowohl starre als auch flexible Leiterplatten
bekannt. Die Führungsbahn kann auf ihrer dem Betrachter
zugewandten Oberseite eine Dekorschicht aufweisen oder eine Grundierungsschicht zum
Auftragen eines Dekors, so dass beispielsweise eine Fahrbahn oder
ein Fußweg oder ein Geländeabschnitt oder eine
Wasseroberfläche nachbildbar sind. Es ist auch möglich,
die Führungsbahn weitgehend transparent auszubilden, indem
das Flachspulensystem mit einer so geringen Dicke ausgebildet wird, dass
es durchscheinend erscheint. Auf diese Weise kann eine weitgehend
transparente und daher wenig auffallender Start- oder Landeweg für
ein Luftfahrzeug ausgebildet werden oder ein Luftfahrzeug über eine
Modellanlage bewegt werden.
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Vorzugsweise
kann vorgesehen sein, dass die Führungsbahn als eine Platine
mit mindestens zwei Lagen ausgebildet ist.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass das Flachspulensystem zwei Flachspulenschichten
aufweist, wobei die Flachspulenschichten mit Versatz zueinander
angeordnet sind. So ist es möglich, dass im elektrischen
Verbund aufeinander folgende Flachspulen einen geringeren Abstand
aufweisen, als durch die Abmessungen der Flachspule vorgegeben.
Es ist also möglich, dass zwei benachbarte Flachspulen
in unterschiedlichen Flachspulenschichten angeordnet sind, wodurch
der Abstand zwischen den im elektrischen Verbund aufeinander folgenden Flachspulen
halbiert ist.
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Es
hat sich vorteilhaft gezeigt, wenn eine vom Maximalbetriebsstrom
durchflossene Flachspule des Flachspulensystems eine magnetische
Feldstärke von mindestens 0,1 Tesla bereitstellt. Dieser Wert
ist ein guter Kompromiss, der kleine Spulenabmessungen bei geringem
Strombedarf und für menschliche Personen ungefährliche
Kleinspannungen ermöglicht.
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Weitere
Ansprüche sind auf die Ausbildung der Steuerungseinrichtung
gerichtet.
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Es
ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung eine regelbare Dreiphasen-Wechselspannung
bereitstellt. Die drei Phasen u, v, w der Dreiphasen-Wechselspannung
sind jeweils um 120° verschoben. Die Dreiphasen-Wechselspannung
induziert in dem Flachspulensystem das besagte magnetische Wander-
und Führungsfeld, wobei die magnetische Polarität
der Flachspulen in zeitlicher Abfolge so geändert wird,
dass ein Permanentmagnet der Magneteinrichtung jeweils von der stromabwärts
benachbarten stromdurchflossenen Spule so lange angezogen wird,
bis er über der Spule steht und/oder von einer benachbarten
Flachspule abgestoßen wird. Folglich behält jeder
auf der Führungsbahn angeordnete Modellgegenstand seine
relative Lage zu weiteren auf der Führungsbahn angeordneten
Modellgegenständen bei, d. h. der Abstand zwischen zwei
benachbarten Modellgegenständen ist konstant, wobei jedoch
unterschiedliche Abstände einstellbar sind. Die Abstände
werden durch die Aufsetzposition der Modellgegenstände
bestimmt, wobei jedoch im Betrieb eine geringe Abstandsänderung
durch das „Einrasten” der Magneteinrichtung in
das Wander- und Führungsfeld eintreten kann.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die
Frequenz der Dreiphasenspannung im Bereich von 0 bis 20 Hz ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Antriebssystems in schematischer Prinzipdarstellung;
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2 einen
Querschnitt der Führungsbahn in 1 in schematischer
Prinzipdarstellung;
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3 eine
vergrößerte ausschnittweise Draufsicht von 1;
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Modellfahrzeugs;
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Modellfahrzeugs;
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6a ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Flachspulensystems;
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6b ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Flachspulensystems;
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7a eine
erste Schaltungsanordnung zum Betrieb des Flachspulensystems;
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7b eine
zweite Schaltungsanordnung zum Betrieb des Flachspulensystems;
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8a bis 8g eine
erste mehrphasige Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Antriebsprinzips;
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9a bis 9c eine
zweite mehrphasige Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des
Antriebsprinzips;
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10 ein
elektrisches Blockschaltbild des Antriebssystems in 1.
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1 zeigt
eine Modellstraßenanlage 1 mit einem erfindungsgemäßen
elektromagnetischen Antriebssystem, bei dem auf einer als Einbahnstraße ausgebildeten
Führungsbahn 11 Modellfahrzeuge 12 in
Pfeilrichtung durch ein magnetisches Wander- und Führungsfeld
bewegbar angeordnet sind. Das magnetische Wander- und Führungsfeld
wird durch ein in die Führungsbahn 11 integriertes
Flachspulensystem 11s aus Flachspulen 11f erzeugt
(siehe 6a, 6b). Das
magnetische Wander- und Führungsfeld nimmt die Modellfahrzeuge 12 über
unter dem Fahrzeugboden angeordnete Magneteinrichtungen 12m mit
(siehe 2 und folgende). Die Führungsbahn 11 ist
in eine schematisch angeordnete Modelllandschaft eingebettet und
in einem Abschnitt als eine Tunnelstrecke ausgebildet. Die Modellstraßenanlage 1 kann
für die Präsentation von Modellfahrzeugen oder
als Teil einer Modellbahnanlage vorgesehen sein. Bevorzugt können
die Modellfahrzeuge im Maßstab 1:87 aus Kunststoff ausgebildet
sein. Dieser Maßstab entspricht der Modellbahnspurweite HO.
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Die
Modellfahrzeuge 12 sind mit Abstand zueinander auf der
Führungsbahn 11 angeordnet, die einen als Straßenbelag
ausgebildete Oberflächendekoration aufweisen kann. Die
in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
geschlossen einstückig ausgebildete Führungsbahn 11 kann
auch aus Teilstücken zusammengesetzt sein, die vorteilhafterweise
als Geraden- und Bogenabschnitte ausgebildet sind. Die Geraden-
und Bogenabschnitte können Teil eines vorzugsweise modularen
Fahrbahnsystems sein und über mechanische und elektrische
Kopplungsstellen verfügen, die vorzugsweise als Steckverbindungen
ausgebildet sein können. Weiter können zwei oder
mehr parallel verlaufende Führungsbahnen 11 vorgesehen
sein, um beispielsweise eine zwei- oder mehrspurige Straße
nachzubilden. Es ist so ein Gegenverkehr auf zwei parallelen Führungsbahnen
möglich oder auch unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten
auf unterschiedlichen Führungsbahnen.
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Das
in die Führungsbahn 11 integrierte Flachspulensystem 11s ist
elektrisch mit einer Steuerungseinrichtung 13 verbunden,
die eine regelbare Dreiphasenwechselspannung bereitstellt und einen von
Null auf Maximalgeschwindigkeit und in der Fahrtrichtung einstellbaren
Fahrregler aufweist, der mittels eines um eine Nullstellung drehbaren
Einstellknopfes 13e bedienbar ist. Weiter weist die Steuerungseinrichtung 13 einen
Netzschalter 13s auf, der die Steuerungseinrichtung 13 mit
dem Netz verbindet oder von dem Netz trennt. Die Steuerungseinrichtung 13 kann
auch über eine digitale Schnittstelle verfügen oder
für den Einsatz mit einer Fernbedienung vorgesehen sein.
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2 zeigt
einen schematischen Schnitt durch die Führungsbahn 11,
um den Aufbau der als Mehrschichtkörper ausgebildeten Führungsbahn 11 zu
verdeutlichen. Dabei ist insbesondere die Dicke der Führungsbahn
und der Schichten der Führungsbahn im Verhältnis
zu dem aufgesetzten Modellfahrzeug 12 stark überhöht
dargestellt.
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Die
Führungsbahn 11 weist eine Dicke in der Größenordnung
eines Millimeters auf. Auf einer Trägerfolie 111,
die elastisch oder starr ausgebildet sein kann, sind in aufsteigender
Reihenfolge eine erste Kleberschicht 112, eine erste Flachspulenschicht 113,
eine zweite Kleberschicht 114, eine zweite Flachspulenschicht 115,
eine dritte Kleberschicht 116 und eine Dekor- oder Grundierungsschicht 117 angeordnet.
Die Kleberschichten können als Heißkleberschichten
ausgebildet sein und zugleich als Isolierschichten vorgesehen sein,
um die elektrisch leitenden Flachspulenschichten 113 und 115 voneinander elektrisch
zu isolieren. Die Flachspulenschichten bilden das Flachspulensystem 11s,
das weiter unten näher beschrieben ist. Die einzelnen Schichten
können Dicken im Mikrometerbereich aufweisen, beispielsweise
in der Größenordnung von 50 bis 100 μm,
wobei die Dicke der zwei Flachspulenschichten 113, 115 entsprechend
der Strombelastung ausgewählt sein muss und gegebenenfalls
dicker als vorgenannt ausgebildet sein kann. Es können
weitere Schichten vorgesehen sein, beispielsweise um Steuersignale
zu übertragen oder um integrierte Bauelemente aufzunehmen.
Es ist aber auch möglich, Schichten fortzulassen, beispielsweise
nur eine Flachspulenschicht vorzusehen. Anstelle der Dekor- oder
Grundierungsschicht 117 kann auch eine abziehbare Schutzfolie
vorgesehen sein, um eine eigene Dekorfolie aufbringen zu können,
wobei die eigene Dekorfolie vorzugsweise als eine Selbstklebefolie ausgebildet
sein kann.
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Die
Führungsbahn 11 kann auf einem in 1 und 2 nicht
dargestellten Bettungskörper aufgebracht sein, der die
mechanische Stabilität der Führungsbahn erhöhen
kann und gegebenenfalls Steckverbinder aufweisen kann. In diesem
Fall kann entweder die Trägerfolie 111 durch den
Bettungskörper ersetzt sein oder die Trägerfolie 111 auf
den Bettungskörper aufgeklebt sein oder in anderer Weise mit
dem Bettungskörper verbunden sein.
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Wie
in 3 zu sehen, sind die Modellfahrzeuge 12 auf
der Führungsbahn 11 so angeordnet, dass die Mittelachsen
der Führungsbahn 11, der Modellfahrzeuge 12 und
der an den Fahrzeugböden angeordneten Magneteinrichtungen 12m im
Betrieb zusammenfallen. Die Magneteinrichtungen 12m werden
durch das Wander- und Führungsfeld des in 3 nicht
dargestellten Flachspulensystems 11s über dem
Flachspulensystem zentriert. Wie in 3 zu erkennen,
sind die Magneteinrichtungen 12m im Bereich der Vorderachsen
der Modellfahrzeuge 12 angeordnet, so dass die Modellfahrzeuge 12 nach dem
Prinzip des Vorderachsantriebs bewegt werden, und daher auch längere
Modellfahrzeuge nicht aus der Spur brechen können. Es ist
aber auch möglich, sowohl im Bereich der Vorderachse als
auch im Bereich der Hinterachse(n) Magneteinrichtungen 12m vorzusehen,
wie am Beispiel des in 3 vorderen, relativ langen Modellfahrzeugs
dargestellt. In diesem Fall dient die im Bereich der Vorderachse
angeordnete Magnetanordnung vorzugsweise zum Lenken des Modellfahrzeugs
und die im Bereich der Hinterachse(n) angeordnete Magneteinrichtung
vorzugsweise zum Antrieb des Modellfahrzeugs. Bei dem Modellfahrzeug
kann es sich beispielsweise um das Modell eines Sattelschlepper-Lastkraftwagens
oder eines Busses handeln
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Aufeinander
folgende Modellfahrzeuge 12 sind mit einem konstanten Fahrzeugabstand
a auf der Führungsbahn angeordnet, wobei der Fahrzeugabstand
a während des Betriebs konstant ist, jedoch beim Aufsetzen
der Modellfahrzeuge wählbar ist. Der einmal eingestellte
Fahrzeugabstand ist jederzeit durch manuellen Eingriff veränderbar.
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Vorzugsweise
weist die Magneteinrichtung 12m zwei oder drei Permanentmagnete
auf, die mit wechselnder magnetischer Polarität hintereinander angeordnet
sind. Die Magnete sind vorzugsweise ohne Luftspalt dicht an dicht
angeordnet. Die magnetische Achse der Magnete ist senkrecht zum
Fahrzeugboden ausgerichtet und damit bei aufgesetztem Fahrzeug auch
senkrecht zu der Oberseite der Führungsbahn. Folglich verlaufen
die magnetischen Achsen der Permanentmagnete und der Flachspulen 11f des
Flachspulensystems 11s parallel zueinander. Die Permanentmagnete
sind vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) mit einer Remanenzfeldstärke
von etwa 1,26 bis 1,29 Tesla ausgebildet. Typische Abmessungen sind
(6 × 3 × 2) mm (L × B × H).
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Bevorzugt
sind Magneteinrichtungen mit 2 bis 4 Magneten, die gegenüber
einer nur aus einem Magneten bestehenden Magneteinrichtung eine
ruckelfreie Bewegung des Modellfahrzeugs ermöglichen. Magneteinrichtungen
mit zwei Magneten können für kleine Modellfahrzeuge,
wie beispielsweise Modelle von Personenkraftwagen vorgesehen sein. Für
im Modellfahrzeuge mit kleinerem Maßstab als 1:87 bzw.
Spurweite HO in den Spurweiten TT, N und Z (12 mm, 9 mm und 6 mm
Spurweite bzw. Maßstab 1:120, 1:160, 1:220 und 1:500) können
kleinere Magnete vorgesehen sein, für Modellfahrzeuge mit
größerem Maßstab, wie Spurweite 0 und
1 (32 mm und 45 mm bzw. Maßstab 1:43 und 1:32) können
größere Magnete und/oder mehr als 4 Magnete vorgesehen sein.
Es ist auch möglich, die Magneteinrichtung 12m in
das Modellfahrzeug zu integrieren, insbesondere wenn der Bodenabstand
bei kleinen Maßstäben, wie 1:160, 1:220 oder 1:500
zu gering ist, um die Magneteinrichtung 12m am Fahrzeugboden
anzuordnen.
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Die 4 und 5 zeigen
nun Anordnungsvarianten der Magneteinrichtung. In der in 4 dargestellten
Variante ist zwischen der Unterseite der Magneteinrichtung 12m und
der Oberseite der Führungsbahn 11 ein Luftspalt
a ausgebildet, so dass der Rollwiderstand des Modellfahrzeugs 12 nicht
erhöht ist. Das Modellfahrzeug 12 rollt ohne nennenswerten
Widerstand auf der Führungsbahn 11 ab. Allerdings
ist bei der Montage der Magneteinrichtung 12 am Fahrzeugboden
dafür Sorge zu tragen, dass ein für die zuverlässige
Funktion ausreichend geringer Luftspalt a eingestellt wird. Dazu kann
die Magneteinrichtung 12 bei der Montage auf eine Zwischenlage
aufgelegt werden, deren Dicke dem Luftspalt a entspricht und der
Abstand zwischen der Oberseite der Magneteinrichtung 12 und
dem Fahrzeugboden durch die Dicke einer Kleberschicht ausgeglichen
werden. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Zwischenlage
als eine Folie ausgebildet ist, die nach dem Aushärten
des Klebers von der Unterseite der Magneteinrichtung 12 abgezogen wird.
Damit ist auch gewährleistet, dass die Magnete der Magneteinrichtung 12 vor
der Montage in ihrer Lage fixiert und wie erforderlich zueinander
angeordnet sind.
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In
der in 5 dargestellten Variante ruht die Magneteinrichtung 12 auf
der Oberseite der Führungsbahn 11. Um das Reibungsverhalten
zu verbessern, kann die Unterseite der Magneteinrichtung 12 mit
einem Gleitbelag beschichtet sein, beispielsweise einer Polyethylen-Folie
oder dergleichen. Um ein Rollen der Räder des Modellfahrzeugs
zu ermöglichen, müssen die Räder mit
senkrechtem Spiel oder senkrecht federnd gelagert sein. Insbesondere
bei größeren Modellfahrzeugen könnte
auch die federnde Anbringung der Magneteinrichtung 12 vorgesehen
sein.
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Die 6a und 6b zeigen
den Aufbau des Flachspulensystems im Einzelnen.
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In 6a bilden
zwei übereinander angeordnete Flachspulenschichten das
Flachspulensystem 11s, wobei die Flachspulenschichten in
der Längsachse zueinander versetzt angeordnet sind. Zur
Verdeutlichung des Versatzes sind Spulenmittelpunkte M1 bis M3 dreier
Flachspulen hervorgehoben.
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In 6b ist
zu erkennen, dass die Flachspulenschicht aus hintereinander angeordneten
Flachspulen 111 gebildet ist und dass es sich bei den Flachspulen 11f um
Luftspulen handelt. Die Flachspulen 11f weisen im Betrieb
mit Maximalstrom vorzugsweise eine magnetische Feldstärke
von mindestens 0,1 Tesla auf. Die magnetische Achse der Flachspulen 11f ist
senkrecht zu der Oberseite des Flachspulensystems 11s bzw.
der Führungsbahn 11 gerichtet.
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Die 7a und 7b zeigen
Schaltungsanordnungen zur Schaltung der Flachspulen 11f in
einem Dreiphasen-Wechselspannungssystem mit den Phasen u, v, w,
wie es für den Betrieb des erfindungsgemäßen Antriebssystems
vorgesehen ist und von der in 1 und weiter
unten in 10 beschriebenen Steuerungseinrichtung 13 bereitgestellt
wird. Es sind drei Flachspulensysteme 11su bis 11sw vorgesehen,
wobei die Flachspulensysteme 11su bis 11sw in
einem Sternpunkt miteinander verbunden sind und die freien Endpunkte
der Flachspulensysteme mit den Phasen u, v und w verbunden sind.
Die Phasen sind jeweils um 120° zueinander phasenverschoben.
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In
dem in 7a dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Flachspulen 11f eines jeden Flachspulensystems
elektrisch in Reihe geschaltet, so dass jede der Flachspulen 11f eines
Flachspulensystems von dem gleichen Strom durchflossen ist.
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In
dem in 7b dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Flachspulen 11f eines jeden Flachspulensystems
elektrisch parallel geschaltet, so dass an jede der Flachspulen 11f eines
Flachspulensystems die gleiche Spannung abfällt, jedoch
der durch die Flachspule fließende Strom vom Widerstand
der Flachspule abhängt. Folglich können sich die
magnetischen Feldstärken der Flachspulen 11f eines
Flachspulensystems fertigungsbedingt voneinander unterscheiden.
Deshalb kann die in 7a dargestellte Ausführung
bevorzugt sein, weil die magnetische Feldstärke der Feldspulen 11f eines Flachspulensystems
gleich ist und folglich eine gleichmäßigere Bewegung
der Modellfahrzeuge eintritt.
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Die 8a bis 8g zeigen
nun in phasenweisen Prinzipdarstellungen das Zusammenwirken eines
Modellfahrzeugs 12 mit dem Flachspulensystem 11s der
Führungsbahn 11. Das Flachspulensystem 11s besteht,
wie in 7a beschrieben, aus drei Flachspulensystemen 11su bis 11sw,
deren einzelne Flachspulen mit u, v, w bezeichnet sind. Von (Maximal-)Strom
durchflossene Flachspulen sind geschwärzt dargestellt.
Wie in 8a zu erkennen, weist das Flachspulensystem 11s zwei
Flachspulenschichten 113 und 115 auf, wobei die
Flachspulenschichten um einen halben Spulenabstand zueinander versetzt übereinander
angeordnet sind. Die Magneteinrichtung 12m des Modellfahrzeugs 12 besteht in
dem in 8a bis 8g dargestellten
Beispiel zur übersichtlicheren Darstellung aus einem Magnet, der
in der Ausgangsposition des Modellfahrzeugs 12m so über
einer Flachspule u der Flachspulenschicht 115 angeordnet
ist, dass die magnetischen Achsen der Flachspule u und des Magnets
fluchten. Die Flachspulen u, v, w sind in der Reihenfolge u, v, w
so in den beiden übereinander angeordneten Flachspulenschichten 113, 115 angeordnet,
dass zwei benachbarte Flachspulen in unterschiedlichen Flachspulenschichten
angeordnet sind. Der Abstand zweier benachbarter Flachspulen einer
Flachspulenschicht 113 bzw. 115 ist in den 8a bis 8g mit a
bezeichnet, somit sind die magnetischen Achsen zweier im elektrischen
Verbund benachbarter Flachspulen im Abstand a/2 angeordnet. In dem
in 8a bis 8g dargestellten
Ausführungsbeispiel legt das Modellfahrzeug 12 einen
Weg s = 3a zurück. Das ist zugleich der Abstand, in dem
sich die Anordnung der Flachspulen u, v, w wiederholt.
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In 8a sind
die mit u bezeichneten Flachspulen 11f vom (Maximal-)Strom
durchflossen.
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In 8b sind
die mit v bezeichneten Flachspulen 11f vom (Maximal-)Strom
durchflossen, und das Modellfahrzeug 12 hat 1/6 des Weges
zurückgelegt, nämlich s = a/2.
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In 8c sind
die mit w bezeichneten Flachspulen 11f vom (Maximal-)Strom
durchflossen, und das Modellfahrzeug 12 hat 1/3 des Weges
zurückgelegt, nämlich s = a.
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Die
folgenden 8d bis 8f entsprechen
den 8a bis 8c, mit
dem Unterschied, dass das Modellfahrzeug 12 1/2, 2/3 bzw.
5/6 des Weges zurückgelegt hat.
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In 8g nimmt
das Modellfahrzeug in Bezug auf das Flachspulsystem 11s eine
zu 8a analoge Position ein, mit dem Unterschied,
dass das Modellfahrzeug nun den Weg s = 3a zurückgelegt hat.
Die Ausgangsposition des Modellfahrzeugs 12 ist zum Vergleich
mit unterbrochenen Strichlinien dargestellt.
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Die 9a bis 9c zeigen
nun in phasenweisen Prinzipdarstellungen den Bewegungsablauf eines
Modellfahrzeugs 12 mit einer aus drei Magneten gebildeten
Magneteinrichtung 12m. Die drei Magnete der Magneteinrichtung 12m sind
mit abwechselnder magnetischer Polarität hintereinander
angeordnet.
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Das
Modellfahrzeug 12 nimmt in 9a eine Ausgangsposition
ein, bei der die Hinterkante des letzten, der Hinterachse des Modellfahrzeugs 12 zugewandten
Magnets über der magnetischen Achse der stromdurchflossenen
Flachspule u angeordnet ist und von ihr abgestoßen wird.
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Folglich
nimmt das Modellfahrzeug 12 weiter die in 9b gezeigte
Position ein, bei der die auf die Flachspule u folgende Flachspule
v noch nicht vom vollen Strom durchflossen ist, die Flachspule u
jedoch bereits stromlos ist und die besagte Hinterkante des letzten
Magnets nun über der magnetischen Achse der Flachspule
v angeordnet ist. Das Modellfahrzeug 12 hat den Weg s =
a/2 zurückgelegt.
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In 9c hat
das Modellfahrzeug 12 den Weg s = a zurückgelegt,
und die besagte Hinterkante des letzten Magnets ist nun über
der magnetischen Achse der Flachspule w angeordnet.
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Im
Vergleich zu dem in den 8a bis 8g dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Bewegungsablauf noch gleichmäßiger,
weil ein Zwischenschritt eingefügt ist und die Schrittweite
nun nicht mehr s = a, sondern s = a/2 beträgt.
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10 zeigt
ein Blockschaltbild des Antriebssystems 1. Die Steuereinheit 13 weist
eine Spannungsversorgungseinheit 131, einen Microcontroller 132,
eine Eingabeeinheit 133, eine Signalformungseinheit 134 und
einen Verstärker 135 auf. Die Spannungsversorgungseinheit 131 ist
mit einem Stromnetz 136 verbunden. Die Eingabeeinheit 133 weist,
wie in 1 dargestellt, als Eingabeglied einen Einstellknopf 13e auf,
mit dem die Geschwindigkeit der Modellfahrzeuge von Null bis zu
einer Maximalgeschwindigkeit einstellbar ist und weiter die Fahrtrichtung
umkehrbar ist. Die Geschwindigkeit wird dabei durch Pulsweiten eines
Wechselspannungssignals vorgegeben. Die Eingabeeinheit 133 ist mit
dem Eingang des Microcontrollers 132 verbunden, dessen
Ausgang über die Signalumformungseinheit 134 mit
dem Eingang des Verstärkers 135 verbunden. Der
Verstärker 135 verstärkt das von der Signalumformungseinheit 134 geformte
Wechselspannungssignal so, dass es einen für den Betrieb der
Modellfahrzeuge ausreichenden Strom durch das Flachspulensystem 11s treiben
kann. Wie bereits erläutert, ist das Flachspulensystem 11s magnetisch an
die Magneteinrichtung 12m des Modellfahrzeugs gekoppelt.
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- 1
- Modellstraßenanlage
- 11
- Führungsbahn
- 11f
- Flachspule
- 11s
- Flachspulensystem
- 11su
- Flachspulensystem
(für Phase u)
- 11sv
- Flachspulensystem
(für Phase v)
- 11sw
- Flachspulensystem
(für Phase w)
- 12
- Modellfahrzeug
- 12m
- Magneteinrichtung
- 13
- Steuerungseinrichtung
- 13e
- Einstellknopf
- 13s
- Netzschalter
- 111
- Trägerfolie
- 112
- erste
Kleberschicht
- 113
- erste
Flachspulenschicht
- 114
- zweite
Kleberschicht
- 115
- zweite
Flachspulenschicht
- 116
- dritte
Kleberschicht
- 117
- Dekor-
oder Grundierungsschicht
- 131
- Spannungsversorgungseinheit
- 132
- Microcontroller
- 133
- Eingabeeinheit
- 134
- Signalformungseinheit
- 135
- Verstärker
- 136
- Stromnetz
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2218106 [0004]
- - DE 202005013410 U1 [0005]
- - DE 4302927 C2 [0006]