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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines
wieder lösbaren elektrischen Kontaktes zwischen einem stationären
Energieversorgungssystem, im Weiteren als erster Kontaktpartner
bezeichnet, und einem mittels elektrischer Energie angetriebenen
und mit dem ersten Kontaktpartner elektrisch verbundenen Fahrzeug,
im Weiteren als zweiter Kontaktpartner bezeichnet, mit einer Kontaktanordnung,
die aus einem kontaktfreien Zustand in einen beide Kontaktpartner
elektrisch verbindenden Zustand reversibel überführbar
ist.
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Stand der Technik
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Die Übertragung
elektrischer Energie von einem wegseitig angeordneten, in der Regel
stationär ausgebildeten Energieversorgungssystem in ein
relativ dazu bewegliches Fahrzeug mit elektromotorischem Antrieb
ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte Technologie, die den Vorteil
in sich birgt, dass derart angetriebene Fahrzeuge nicht notwendigerweise
weder Aggregate zur Erzeugung elektrischer Energie noch einen für
die Fortbewegung erforderlichen Energievorrat, beispielsweise in
Form von Kraftstoff, mitführen müssen.
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Fahrzeuge
der vorstehend genannten Art betreffen vor allem elektrische Bahnfahrzeuge,
Oberleitungsbusse, Werk- und sogenannte „Schaustellerbahnen” sowie
fahrerlose Transportsysteme, die alle zum Zwecke ihrer Fortbewegung
elektrische Energie über einen Stromabnehmer von einem
wegseitig stationär angebrachten Energieversorgungssystem,
das vorzugsweise in Form eines Fahrleitungsdrahtes oder einer Stromschiene
ausgebildet ist, aufnehmen. In Abhängigkeit des jeweiligen
Fahrzeuges sind die Stromabnehmersysteme in Bezug auf Erdungs-, Spurführungs-
und Leistungsübertragungsanforderungen baulich verschiedenartig
ausgeführt.
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Beispielsweise
im Falle elektrischer Stadtbahnen und Oberleitungsbusse sind für
deren Stromaufnahme Fahrdrähte oder Stromschienen wegseitig längs
der Fahrwege installiert und für die Nennstrombelastungen
der Fahrzeuge im Fahr- und Bremsbetrieb entsprechend ausgelegt.
Aufgrund der Fahrtbewegung des jeweiligen Fahrzeuges entsteht für
die Kontaktstelle zwischen dem wegseitig und dem fahrzeugseitig
vorgesehenen elektrischen Kontaktpartner eine Relativbewegung in
Fahrtrichtung. Angesichts der Tatsache, dass insbesondere im Zustand der
positiven oder negativen Beschleunigung des Fahrzeuges der damit
verbundene Antriebs- oder Bremsstrom, der an der Kontaktstelle zwischen
beiden Kontaktpartnern fließt, bei üblichen elektrisch
angetriebenen Schienenfahrzeugen in der Größenordnung
von einigen 1000 Ampere liegt, liegt es auf der Hand, dass die Kontaktpartner,
aufgrund des vorhandenen Übergangswiderstandes an der Kontaktstelle starken
Erhitzungserscheinungen unterworfen sind. Eine mögliche
bekannte Maßnahme zur Reduzierung der thermischen Belastung
der Kontaktanordnung betrifft die Ausbildung des Fahrdrahtes, der
in Fahrtrichtung zumindest längs jener Fahrleitungsbereiche,
längs der das Fahrzeug häufig abbremst oder beschleunigt,
in Zick-Zack-Form ausgebildet ist, wodurch der fahrzeugseitige Kontaktpartner
durch diese Art der Fahrdrahtverlegung zusätzlich eine
Relativbewegung quer zur Fahrtrichtung erfährt. Sowohl durch
die Längs- als auch Querrelativbewegungen beider Kontaktpartner
zueinander ergeben sich für die Kontaktpartner in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit im Normalbetrieb eher kurze Erwärmungszeiten.
Darüber hinaus dient die Zick-Zack-Verlegung dafür,
einen größeren Bereich der am Stromabnehmer vorgesehenen
Kohleschleifleiste/-n auszunutzen und somit letztlich den mechanischen
Verschleiß der Kohleschleifleiste/-n zu minimieren.
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Anders
stellt sich die Situation bei Fahrzeugstillstand dar, während
dem eine Stromübertragung über einen längeren
Zeitraum an einer ortsfesten Kontaktstelle erfolgt und infolgedessen
sich die Erwärmungszeit an der Kontaktstelle verlängert. Zwar
ist bei üblichen elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen
mit externer Energiezuführung während des Fahrzeugstillstandes
ein weitaus geringerer Strombezug nötig, der lediglich
dem Betrieb elektrischer Fahrzeughilfsaggregate dient und im Hinblick auf
eine Erhitzung der Kontaktpaarung als unkritisch zu bezeichnen ist,
doch erfahren Kontaktpaarungen insbesondere bei moderneren Fahrzeugsystemen, die
gestiegenen Komfortansprüchen gerecht werden, z. B. in
Straßenbahnfahrzeugen sowie beim Laden eines Traktionsenergiespeichers
im Fahrzeugstillstand etc., eine wesentlich höhere Strombelastung und
eine damit verbundene deutlich gestiegene Kontakterwärmung
im Fahrzeugstillstand. In diesen Fällen der Hochstromübertragung
kommt es an der Übertragungsstelle zwischen dem Fahrdraht
bzw. der Stromschiene und dem fahrzeugseitig angebrachten Stromabnehmer
im Folge einer ungenügenden Kontaktqualität, beispielsweise
hervorgerufen durch die für den Fahrbetrieb konzipierten
Parameter Kontaktfläche und Kontaktdruck, zu sehr großen
Erwärmungen. So besteht insbesondere bei einer Hochstromübertragung
im Fahrzeugstillstand die Gefahr der Zerstörung eines oder
beider Kontaktpartner im Wege thermischer Überlastung,
die letztlich zu Einbränden in den in Stromabnehmersystemen
verwendeten Kohleschleifleisten führt und auch eine Verkürzung
der Lebensdauer der Fahrdrähte an den Haltepunkten zur
Folge hat. Im Extremfall können Fahrdrahtrisse auftreten.
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Das
vorstehend beschriebene Problem der lokalen Überhitzung
der Kontaktpaarung zwischen Stromabnehmersystem und wegseitig angeordnetem Fahrdraht
bzw. Stromschiene, das sich insbesondere bei modernen Fahrzeugsystemen
im Stillstand ergibt, lässt sich mit dem Übergangswiderstand
zwischen beiden Kontaktpartnern erklären, der zu einem Verlustleistungseintrag
an der Kontaktstelle und einer damit verbundenen starken lokalen
Erhitzung führt. Um den aufgrund des Übergangswiderstandes verursachten
Verlustleistungseintrag an der Kontaktstelle möglichst
gering zu halten, gilt es Maßnahmen zu treffen, den Übergangswiderstand
zu reduzieren. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, indem der Kontaktdruck
zwischen dem Fahrdraht bzw. der Stromschiene und dem Stromabnehmer
erhöht wird und/oder zum anderen durch Vergrößerung
der Kontaktfläche zwischen beiden Kontaktpartnern.
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Befindet
sich hingegen das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug in Fahrt,
so lässt sich eine andauernde Erhöhung des Kontaktdruckes
zwischen dem fahrzeugseitigem Stromabnehmersystem und dem wegseitig
vorgesehenen Energieversorgungssystem aus fahrleitungstechnischen
und betrieblichen Gründen und insbesondere mit Rücksicht
auf den mechanischen Verschleiß der Kontaktpaarung nicht
umsetzen, so dass die vorstehend zitierten Maßnahmen zur
Verringerung des Übergangswiderstandes lediglich zeitweise
und insbesondere im Falle des Fahrzeugstillstandes zu ergreifen
sind.
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Demzufolge
gilt es Systeme zur Hochstromübertragung zwischen elektromotorisch
angetriebenen Fahrzeugen und wegseitig installierten Energieversorgungssystemen
zu schaffen, mit denen eine Vergrößerung der Kontaktfläche
und gegebenenfalls eine Erhöhung des Kontaktdruckes zeitweise
zuschaltbar sind und dies vorzugsweise bei Fahrzeugstillstand.
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Aus
der
EP 1 419 925 B1 ist
ein Scherenstromabnehmersystem für Schienenfahrzeuge zu entnehmen,
an dem eine Zusatzkontaktstelle in Form einer aktorisch antreibbaren
Kontaktleiste angebracht ist, die bei Fahrzeugstillstand gegen den
Fahrdraht gedrückt wird. Jedoch tragen derartige am schwenkbar
gelagerten Stromabnehmersystem zusätzlich angebrachte Einrichtungen
zur Erhöhung des Gewichtes des beweglich gelagerten Schwenkarmteils
bei, die jedoch negative Auswirkungen auf das dynamische Schwenkverhalten
des Stromabnehmersystems haben. Hierdurch ist eine Verkürzung
der Lebensdauer der stromabnehmerseitig angebrachten Schleifkohlen
durch erhöhte Lichtbogenbildung zu erwarten. Zudem bedürfen
die zur Auslenkung der Zusatzleiste erforderlichen Aktoren Zusatzaggregate
zur Bereitstellung von Arbeitsmedien, beispielsweise von Druckluft.
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In
der
DE 7 39 959 ist ein
Stromabnehmer für elektrische Betriebsfahrzeuge beschrieben,
an dem gleichfalls wie im vorstehenden Fall eine Zusatzeinrichtung
am schwenkbar gelagerten Stromabnehmersystem angebracht ist, durch
die eine Kontaktflächenvergrößerung sowie
Erhöhung des Kontaktdruckes zwischen Stromabnehmersystem
und Fahrleitung erzielbar ist. Neben einer zusätzlich federkraftbeaufschlagten
Zusatzleiste, die gegen den Fahrdraht gepresst wird, ist ein Schwenkmechanismus
für die am Stromabnehmer angebrachten Schleifstücke beschrieben,
die aus einem Ausgangszustand für den Fahrbetrieb in eine
um 90° gedrehte Position geschwenkt werden können,
in der die Schleifstücke mit einem erhöhten Anpressdruck
und vergrößerten Kontaktflächen an dem
Fahrdraht angrenzen. Jedoch tragen die am Stromabnehmer vorgenommenen
Zusatzmodifikationen erheblich zur Gewichtserhöhung des
Stromabnehmersystems bei und haben gleichwohl auch die vorstehend
erläuterten negativen Auswirkungen.
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Der
US 4 158 892 A ist
eine Ladestation für Fahrzeuge mit einer wieder aufladbaren
Batterie zu entnehmen. Die Ladestation weist hierbei federgelagerte
Kontaktarme auf, die in einer Ladeposition gegen entsprechende am
Dachbereich des Fahrzeuges angebrachte Kontaktflächen zur
Anlage gebracht werden. Die mit dem Fahrzeug in Kontakt bringbaren Elektrodenkörper
sind rollenförmig ausgebildet und ermöglichen
auf der einen Seite ein schadloses Abrollen an der Außenkontur
des Fahrzeuges, stellen jedoch andererseits aufgrund der Rollenkontur
eine nur geringe Kontaktfläche, in Form eines Linienkontaktes,
mit den fahrzeugseitig angebrachten Kontaktbereichen her. Ein derartiger
Linienkontakt ist vergleichbar mit einer Kontaktpaarung des vorstehend erläuterten
Falles zwischen einer Fahrdrahtanordnung und einem Stromabnehmersystem.
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Darüber
hinaus ist eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten Kontaktmechanismen
zum Wiederaufladen fahrzeugseitiger Energiespeicher für den
elektromotorischen Antrieb von Fahrzeugen bekannt. Repräsentativ
sei hierzu auf die
DE
29 29 067 A1 ,
DE
10 2004 048 226 A1 sowie
DE 10 2004 006 259 B3 verwiesen.
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Der
in der
DE 29 29 067
A1 beschriebene Batterieladeanschluss für Elektromobile
weist eine schiefe Ebene auf, längs der das Fahrzeug gegen eine
ortsfeste Stromschiene rollt, mit der ein, am Fahrzeug befindliches,
starres Gegenelement in Kontakt gebracht wird. Die Kontaktkraft
wird über einen zuladungs- sowie neigungswinkelabhängigen Anteil
des Fahrzeuggewichtes erzeugt.
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In
der
DE 10 2004
048 226 A1 ist ein Ladevorgang für ein Elektromobil
beschrieben, bei dem eine definierte Fahrzeugposition für
den Ladevorgang relativ zu einem speziell ausgebildeten Bordstein,
in dem Ladeelektrodenflächen integriert sind, eingenommen
wird. In dieser Park- und Ladeposition werden fahrzeugseitige Kontaktelektroden
hydraulisch oder pneumatisch unterstützt zum Zwecke der Kontaktausbildung
mit den bordsteinseitig vorgesehenen Elektrodenflächen
ausgefahren.
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In
der
DE 10 2004
006 259 B3 ist eine Kontaktanordnung zwischen einer Batterie
und einer elektrischen Leitung beschrieben, mit der in Havariefällen
eine elektrotechnische Abkopplung zwischen Batterie und elektrischer
Leitung bewerkstelligt werden kann. Ein Kontaktpartner ist hierbei
mit einem Elektromagnet versehen, der andere Kontaktpartner sieht
einen Permanentmagnet vor. Der Permanentmagnet sowie der Kern des
Elektromagneten sind derart aufeinander abgestimmt, dass im Falle
der Bestromung des Elektromagneten eine magnetische Anziehungskraft
zwischen beiden Kontaktpartnern dominiert und im Falle ohne Bestromung
des Elektromagneten eine magnetische Abstoßungskraft zwischen
beiden Kontaktpartnern vorherrscht. Eine zuverlässige Funktionsweise
dieser Kontaktanordnung kann jedoch nur dann gewährleistet
werden, wenn beide Kontaktpartner mit hoher Genauigkeit zueinander
lagebestimmt positioniert sind. Eine mögliche übertragende
Anwendung auf elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge der eingangs
erläuterten Art zu Zwecken einer kontrolliert gesteuerten
Kontaktierung zwischen einem fahrzeugseitig und einem wegseitig
vorgesehenen Kontaktpartner scheitert bereits aufgrund der nur unzureichenden
Positionsgenauigkeit zwischen Fahrzeug und wegseitigem Energieversorgungssystem.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung
eines wieder lösbaren elektrischen Kontaktes zwischen einem
stationären Energieversorgungssystem, im weiteren als erster
Kontaktpartner bezeichnet, und einem mittels elektrischer Energie
angetriebenen und mit dem ersten Kontaktpartner elektrisch verbundenen
Fahrzeug, im weiteren als zweiter Kontaktpartner bezeichnet, mit
einer Kontaktanordnung, die aus einem kontaktfreien Zustand in einen
beide Kontaktpartner elektrisch verbindenden Zustand reversibel überführbar
ist, derart weiterzubilden, dass eine Kontaktverbesserung zwischen
beiden Kontaktpartnern vorzugsweise im Zustand des Stillstandes
des Fahrzeuges sowohl durch Erhöhung des Kontaktdruckes
sowie auch durch Vergrößerung der Kontaktfläche
zwischen beiden Kontaktpartnern ohne die zum Stand der Technik erläuterten
Nachteile ermöglicht werden soll.
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Die
hierfür zu treffenden Maßnahmen sollen insbesondere
keine negativen Auswirkungen auf bestehende Stromabnehmersysteme
sowie deren im Fahrbetrieb vorhandenen dynamischen Eigenschaften
haben. Auch dürfen keine Beeinträchtigungen des
Fahr- und Bewegungsablaufes des Fahrzeuges durch die zu treffenden
Maßnahmen entstehen, insbesondere soll lediglich eine mit üblichen Positionierungssystemen
erreichbare Genauigkeit bezüglich der Längenpositionierung
des Fahrzeuges relativ zu dem wegseitig stationär vorgesehenen
Energieversorgungssystem erforderlich sein. Auch sollte es möglich
sein, bereits im Einsatz befindliche Fahrzeuge sowie die vorhandenen
wegseitig installierten Energieversorgungssysteme in lösungsgemäßer
Weise nachträglich zu modifizieren und dies unter Verwendung
möglichst einfacher und kostengünstiger Mittel.
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Die
Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist
im Anspruch 1 sowie 9 angegeben. Die die lösungsgemäße
Vorrichtung in vorteilhafter Weise weiterbildenden Merkmale sind
in den Unteransprüchen sowie in der Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Ausfuhrungsbeispiele erläutert.
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Lösungsgemäß ist
eine Vorrichtung zur Herstellung eines wieder lösbaren
elektrischen Kontaktes mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches
1 derart ausgebildet, dass die Kontaktanordnung zumindest einen
ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Körper
an einem der beiden Kontaktpartner vorsieht. An dem anderen Kontaktpartner, der
vorzugsweise fahrzeugseitig angebracht ist, ist eine Elektromagnetanordnung
vorgesehen, die derart auslenkbar gelagert ist oder mit einem auslenkbaren
Mittel derart in Wirkverbindung tritt, dass bei Aktivierung der
Elektromagnetanordnung die Elektromagnetanordnung selbst oder das
Mittel magnetkraftgetrieben einen ausgelenkten Zustand einnimmt,
in dem der elektrische Kontakt zwischen beiden Kontaktpartnern hergestellt
ist. Schließlich ist wenigstens ein Aktor vorgesehen, der
bei Deaktivierung der Elektromagnetanordnung eine die Elektromagnetanordnung
oder das Mittel in den kontaktfreien Zustand rückführende
Kraft generiert.
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Eine
Aktivierung der Elektromagnetanordnung erfolgt vorzugsweise automatisch
oder manuell kurz vor Erreichen oder ausschließlich im
Zustand des Fahrzeugstillstandes, in dem das elektromotorisch angetriebene
Fahrzeug relativ zum wegseitig installierten Teil der Kontaktanordnung
eine vordefinierte Halteposition einnimmt. Im Falle eines Zuges orientiert
sich der Zugführer bspw. an wegseitigen Markierungen, mit
denen eine Haltegenauigkeit des Zuges in Fahrtrichtung von ca. plus/minus
0,5 Meter möglich ist.
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Zumindest
im Bereich der Halteposition gilt es, die vorstehend erläuterten
Kontaktpartner einerseits in Form des ferromagnetischen, elektrisch
leitfähigen Körpers und andererseits in Form der
Elektromagnetanordnung in Fahrtrichtung derart in Deckung zu bringen,
so dass sie in der vorstehend beschriebenen Weise in Wechselwirkung
zu treten vermögen. Hierbei ist es grundsätzlich
frei wählbar, entweder die Elektromagnetanordnung fahrzeugseitig und
den ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Körper
stationär wegseitig vorzusehen oder umgekehrt. Im Weiteren
sei zu Zwecken einer konsistenten Beschreibung des Lösungsgedanken
angenommen, dass die Elektromagnetanordnung fahrzeugseitig und der
ferromagnetische, elektrisch leitfähige Körper
wegseitig längs eines Fahrleitungsdrahtes oder einer Stromschiene
angebracht sind.
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Zur
Vermeidung einer Beeinflussung der Schwenkdynamik eines an sich
bekannten Stromabnehmersystems gilt es, die Elektromagnetanordnung fahrzeugseitig
möglichst unabhängig zumindest von den beweglichen
bzw. schwenkbaren Teilen des Stromabnahmesystems anzubringen. Demgegenüber
ist der ferromagnetische, elektrisch leitfähige Körper
wegseitig, beispielsweise längs einer Fahrdrahtleitung
als plattenförmiges Bauteil angebracht oder längs
einer Stromschiene integriert. Der ferromagnetische, elektrisch
leitfähige Körper weist in Fahrtrichtung eine
Plattenlängserstreckung auf, durch die die Positioniergenauigkeit
des Fahrzeuges für die Einnahme der Halteposition bestimmt
wird. Üblicherweise sollte die Plattenlängserstreckung
einen Meter nicht unterschreiten.
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Befindet
sich das Fahrzeug und die an diesem fest angebrachte Elektromagnetanordnung
in der eingenommenen Halteposition, so stehen sich der ferromagnetische,
elektrisch leitfähige Körper und die fahrzeugseitig
angebrachte Elektromagnetanordnung lediglich durch einen Luftspalt
getrennt einander gegenüber. Der Luftspalt beträgt
hierbei einige Zentimeter. Solange die Elektromagnetanordnung nicht
aktiviert, d. h. nicht bestromt wird, herrschen keinerlei Magnetkräfte
zwischen beiden Kontaktpartnern. Erst durch ein manuell oder automatisch
auslösbares Fernbetätigungssignal wird die Elektromagnetanordnung
bestromt, so dass sich beide Kontaktpartner im Wege der sich ausbildenden
Magnetkräfte einander anziehen. Durch die durchaus hohen
Magnetkräfte wird die Elektromagnetanordnung somit schlagartig
mit großer Kraft gegen den ferromagnetischen, elektrisch
leitfähigen Körper gepresst.
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Die
im Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung sieht eine sich längs
einer Linearachse auslenkbar gelagerte Elektromagnetanordnung vor
und geht im Wesentlichen davon aus, dass der wegseitig vorgesehene
ferromagnetische, elektrisch leitfähige Körper
raumstabil angeordnet ist. Im Falle einer Aktivierung der Elektromagnetanordnung
bewegt sich somit die Elektromagnetanordnung in Richtung auf den räumlich
ruhenden ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Körper
zu und tritt schlussendlich mit diesem mittel oder unmittelbar in
elektrischen Kontakt. Zudem tragen die zwischen dem ferromagnetischen, elektrisch
leitfähigen Körper und der Elektromagnetanordnung
wirkenden Magnetkräfte zu einem erhöhten Kontaktdruck
und letztlich zu einer Verminderung des Übergangswiderstandes
zwischen beiden Kontaktpartnern bei.
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Zur
Beschreibung konkreter Realisierungsformen für eine auslenkbare
Lagerung der Elektromagnetanordnung bzw. eines mit Hilfe der Elektromagnetanordnung
auslenkbaren Mittels für einen aktiven Kontaktschluss mit
dem ansonsten wegseitig fixierten ferromagnetischen, elektrisch
leitfähigen Körpers wird auf die nachfolgenden
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren verwiesen.
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Eine
alternative Lösungsform sieht demgegenüber eine
Elektromagnetanordnung vor, die im Unterschied zur vorstehend erläuterten
Vorrichtung nicht auslenkbar angeordnet ist. Auch bei dieser alternativen
Lösungsform für eine Vorrichtung zur Herstellung
eines wieder lösbaren elektrischen Kontaktes nach den Merkmalen
des Oberbegriffes des Anspruches 1 weist die Kontaktanordnung wenigstens einen
ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Körper
an einem der beiden Kontaktpartner auf. Beabstandet zu dem ferromagnetischen,
elektrisch leitfähigen Körper des einen Kontaktpartners
ist am anderen Kontaktpartner eine Elektromagnetanordnung vorgesehen,
die bei Aktivierung der Elektromagnetanordnung den ferromagnetischen,
elektrisch leitfähigen Körper durch Magnetkraft
getrieben in einen ausgelenkten Zustand überführt,
in dem der elektrische Kontakt zwischen beiden Kontaktpartnern hergestellt wird.
Verbunden mit dem ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen
Körper ist eine Aktoreinheit oder steht zumindest mit dieser
derart in Wirkverbindung, dass bei Deaktivierung der Elektromagnetanordnung eine
den ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Körper
in den kontaktfreien Zustand rückführende Kraft
generiert wird.
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Bei
der alternativen Lösungsvariante der Vorrichtung sei angenommen,
dass der ferromagnetische, elektrisch leitfähige Körper
orthogonal zur Fahrtrichtung des Fahrzeuges beweglich angebracht ist,
um bei Aktivierung der Elektromagnetanordnung von den Magnetkräften
zu Zwecken der Kontaktbildung mit der Elektromagnetanordnung ausgelenkt
zu werden.
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Um
sicherzustellen, dass bei Deaktivierung der Elektromagnetanordnung
der ferromagnetische, elektrisch leitfähige Körper
möglichst verzögerungsfrei in seine Ausgangsposition
zurück überführt wird, dient beispielsweise
eine als Feder ausgebildete Aktoreinheit, die rückseitig
am ferromagnetischen Körper angebracht ist.
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Betont
sei auch in diesem Fall die Möglichkeit der Anbringung
des auslenkbar gelagerten ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen
Körpers am Fahrzeug und der Elektromagneteinheit als integraler Bestandteil
am wegseitig vorgesehenen Energieversorgungssystem. Auch ist es
denkbar, die erste und zweite Lösungsvariante zu kombinieren,
indem sowohl die Elektromagneteinheit im eingangs erläuterten
Sinne als auch der ferromagnetische, elektrisch leitfähige
Körper auslenkbar gelagert sind. Auf diese Weise lassen
sich größere gegenseitige Abstände überbrücken.
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Beide
lösungsgemäßen Vorrichtungsvarianten
vermögen an der Kontaktstelle zwischen beiden Kontaktpartnern
durch die Ausnutzung einer regelbaren magnetischen Kraftwirkung
einen, verglichen mit einem für den Fahrbetrieb konzipierten
Stromübertragungssystem, wesentlich höheren Kontaktdruck zu
realisieren. So ist die Regelung des Kontaktdruckes mittels der
Kontaktkraft an der Kontaktstelle über die Amplitude des
die Windungen der Elektromagnetanordnung durchfließenden
Stroms auf einfache Weise möglich. Hierfür gilt
die Gleichung für die Berechnung der magnetischen Kraft
F:
F = I × L × B, mit der elektrischen Stromstärke
I, der Länge der elektromagnetischen Spule L und der magnetische
Feldstärke B. Mit der Berechnungsvorschrift für
die magnetische Feldstärke B: B = μ0 × μr × I × n/Lgilt: F = I2 × n × μ0 × μr.
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Dabei
bezeichnen die zusätzlichen Variablen n die Windungszahl
der elektromagnetischen Spule, μ0 die
magnetische Feldkonstante und μr die
Permeabilität des von der elektromagnetischen Spule umschlossenen
Raumes.
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Mit
der lösungsgemäßen Vorrichtung lassen sich
die folgenden Vorteile erzielen:
- – Durch
die nur bei Fahrzeugstillstand geschlossene Kontaktstelle kann eine,
gegenüber für den Fahrbetrieb konzipierten Stromübertragungssystemen,
wesentlich vergrößerte elektrisch leitfähige
Kontaktfläche realisiert werden.
- – Durch die Vergrößerung von Kontaktdruck
und Kontaktfläche kann eine neue Kontaktpaarung mit einem
sehr keinen Übergangswiderstand an der Kontaktstelle realisiert
werden. Hierdurch wird eine Hochstromübertragung mit geringerer
Erwärmung der Kontaktstelle möglich und es können
für die Kontaktpartner weniger gut elektrisch leitfähige
Materialien, insbesondere Stahl, eingesetzt werden.
- – Durch die lösungsgemäße
Vorrichtung kann die Stillstandsstrombelastung von am Fahrzeug installierten
Stromübertragungssystemen entscheidend reduziert werden.
Damit wird es möglich, die Lebensdauer dieser Komponenten
wesentlich zu erhöhen.
- – Für die Funktion der lösungsgemäßen
Vorrichtung ist lediglich eine mit üblichen Positionierungssystemen
erreichbare Genauigkeit bezüglich der Längspositionierung
des Fahrzeuges erforderlich.
- – Die lösungemäße Vorrichtung
hat keine Erhöhung der Masse des beweglich gelagerten Schwenkarmteils
eines Stromabnehmers zur Folge und beeinflusst nicht dessen dynamisches
Verhalten.
- – Die lösungsgemäße Vorrichtung
ist aufgrund ihrer neuartigen technologischen Eigenschaften insbesondere
für die schnelle Aufladung fahrzeugseitiger Elektroenergiespeicher
während regulärer Betriebshalte geeignet.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 Längsschnittdarstellung
durch eine lösungsgemäß ausgebildete
Kontaktanordnung mit auslenkbarer Elektromagnetanordnung,
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2 Längsschnittdarstellung
gemäß 1 mit auslenkbarem, ferromagnetisch,
elektrisch leitfähigem Körper relativ zu einer
nicht auslenkbaren Elektromagnetanordnung,
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3 Längsschnittdarstellung
vergleichbar zu 1 mit zusätzlicher
perforierter, gut elektrisch leitfähiger Platte,
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4 Längsschnittdarstellung
durch eine lösungsgemäß ausgebildete
Kontaktanordnung mit relativ zu einer Elektromagnetanordnung beweglich
angeordnetem Zuganker.
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Wege zur Ausführung der Erfindung,
gewerbliche Verwendbarkeit
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel illustriert, bei dem an einem Fahrzeugteil 1 eine
aus elektrisch isolierendem Material und einseitig offen ausgebildete
Führungshülse 4 fest angebracht ist.
Innerhalb der Führungshülse 4 sind längs
zur Linearachse A, die senkrecht zur Fahrtrichtung F des Fahrzeuges 1 orientiert
ist, eine Elektromagnetanordnung 7 sowie eine diese kappenartig
umgebende, aus elektrisch leitfähigem Material bestehende
Einheit 5 beweglich angeordnet. Die Elektromagnetanordnung 7 weist
ihrerseits einen Magnetkern sowie eine Anzahl den Magnetkern zumindest
bereichsweise umgebende Windungen auf, die über eine flexible
Anschlussleitung 8 mit einer externen Stromquelle (nicht
dargestellt) für eine manuell oder automatisch auslösbare Bestromung
verbunden sind. Die aus elektrisch sehr gut leitfähigem
Material bestehende, kappenartig ausgebildete Einheit 5 weist
vorzugsweise an ihrer einem wegseitig installierten, ferromagnetischen
und elektrisch leitfähigen Körper 2 zugewandten
Seite eine Ausnehmung 5' auf, durch die sich die mittels der
Elektromagnetanordnung 7 im Falle der Bestromung erzeugbaren
Magnetlinien ungeschwächt hindurch ausbreiten können.
Auch könnte der Bereich der Ausnehmung 5' mit
einem Material verfüllt sein, das keine oder weitgehend
keine das Magnetfeld schwächende Wirkung besitzt. Ferner
ist an der kappenförmig ausgebildeten Einheit 5 eine
flexible Starkstromableitung 6 vorgesehen, über
die im Falle der Kontaktierung die Starkstromabführung
zu einem fahrzeugseitigen Zwischenkreis bzw. zu einem direkt oder
indirekt im Fahrzeug 1 installierten, elektrischen Energiespeichersystem
erfolgt.
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Die
Elektromagnetanordnung 7 sowie die, die Elektromagnetanordnung 7 radial
fest umgebende, kappenförmig ausgebildete Einheit 5 schließt
mit der Innenwand der Führungshülse 4 gasdicht
ab. Wird in diesem Fall die Elektromagneteinheit 7 sowie die
diese kappenartig umgebende Einheit 5 relativ zur Führungshülse 4 ausgelenkt,
so bildet sich in Abhängigkeit des Hubes der Elektromagnetanordnung 7 zwischen
dieser und dem Boden der Führungshülse 4 ein
Zwischenraum 9 aus, in dem sich in Abhängigkeit
des Auslenkungszustandes der Elektromagnetanordnung 7 ein
entsprechender Unterdruck einsteht.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist zusätzlich
innerhalb der Führungshülsenwand eine Öffnung 12 vorgesehen,
die mit einer Unterdruckquelle (nicht dargestellt) verbunden ist,
um die Stärke des sich innerhalb des Zwischenraumes 9 ausbildenden
Unterdruckes extern zu beeinflussen bzw. vorzugeben.
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Die
in 1 dargestellte fahrzeugseitig angeordnete Elektromagnetanordnung 7 relativ
zu einem wegseitig stationär angeordneten, ferromagnetischen,
elektrisch leitfähigen Körper 2 stellt
die Halteposition des Fahrzeuges 1 dar. Es sei angenommen, dass
innerhalb der Halteposition der Fahrdraht die Form und die Gestalt
eines ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Plattenkörpers 2 annimmt,
deren Plattenoberfläche der in 1 illustrierten
Elektromagnetanordnung 7 zugewandt ist. Wie bereits eingangs
erläutert, soll die in Fahrtrichtung F orientierte Plattenlänge
einen Meter nicht unterschreiten, um den Genauigkeitsanforderungen
für das Erreichen einer korrekten Halteposition des Fahrzeuges
auch mit den bislang eingesetzten Positionierungssystemen entsprechen
zu können.
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Es
sei ferner angenommen, dass der ferromagnetische, elektrisch leitfähige
Plattenkörper 2 mit einem Leistungsanschluss 3 verbunden
ist, um elektrische Verbraucher des Fahrzeuges 1 mit elektrischer
Energie aus einem wegseitigen Energieversorgungssystem versorgen
zu können.
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Nach
Erreichen der in 1 illustrierten Halteposition
zwischen dem Fahrzeug 1 und dem wegseitig vorgesehenen,
ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Plattenkörper 2 erfolgt
die elektrische Aktivierung der Elektromagnetanordnung 7 über
deren Anschlussleitung 8 mittels einer nicht weiter dargestellten
externen Energieversorgungseinrichtung. Das durch die Elektromagnetanordnung 7 hervorgerufene
Magnetfeld wechselwirkt mit dem ferromagnetischen Plattenkörper 2 unter
Ausbildung sich gegenseitig anziehender Magnetkräfte, wodurch die Elektromagnetanordnung 7 und
mit dieser die elektrisch leitfähige, kappenartig ausgebildete
Einheit 5 in Richtung des Plattenkörpers 2 ausgelenkt werden,
bis sich ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen der
elektrisch leitfähigen, kappenförmig ausgebildeten
Einheit 5 und dem ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen
Plattenkörper 2, der in diesem Ausführungsbeispiel
fest angeordnet ist, einstellt. Die zwischen der Elektromagnetanordnung 7 und
der ferromagnetischen Platte 2 herrschende Magnetkraft überwiegt
der seitens des Unterdruckes innerhalb des Zwischenraumes 9 auf
die Elektromagnetanordnung 7 rückführenden
Kraft, solange die Elektromagnetanordnung bestromt bleibt. Die Magnetkraft
der Elektromagnetanordnung ist dabei derart groß gewählt,
um die Summe der Gewichtskräfte aller beweglich angeordneten
Komponenten 5 bis 8 – dies gilt selbstverständlich
lediglich bei einer vertikalen Anordnung gemäß der
Illustration in 1 – und der sich im
Hohlraum 9 aufbauenden Unterdruckkraft zu überwinden,
und darüber hinaus insbesondere auch eine hinreichend große
Andruckkraft an den wegseitigen Kontaktpartner 2 bereitzustellen.
Auch ist es möglich alternativ zur oder in Kombination
mit der Unterdruckkraft eine die Elektromagnetanordnung rückstellende
Kraft durch einen geeignet platzierten Permanentmagneten zu erzeugen.
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Wird
die Elektromagnetanordnung 7 stromlos geschaltet, so fällt
das Magnetfeld in sich zusammen. Die Elektromagnetanordnung 7 sowie
die elektrisch leitfähige, kappenartig ausgebildete Einheit 5 bewegen
sich durch den Abbau des Unterdruckes – sowie aufgrund
der vertikalen Anordnung zusätzlich befördert
durch die Gewichtskraft sämtlicher beweglicher Teile 5 bis 8 – wieder
in die untere ursprüngliche Position. Auf diese Weise wird
der mechanische Kontakt zwischen der elektrisch leitfähigen,
kappenförmig ausgebildeten Einheit 5 und dem ferromagnetischen,
elektrisch leitfähigen Plattenkörper 2 kontrolliert
aufgehoben.
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Anstelle
oder in Kombination mit dem gasdicht eingeschlossenen Hohlraum 9,
in dem sich in Abhängigkeit des Bewegungszustandes der
Elektromagnetanordnung 7 ein unterschiedlich stark ausgebildeter
Unterdruck einstellt, kann auch eine Federanordnung, die zwischen
dem Fahrzeug 1 und der Unterseite der Elektromagnetanordnung 7 eingebracht ist,
für eine rückstellende bzw. zusätzlich
rückführende Kraft vorgesehen werden.
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Nicht
notwendigerweise ist eine in 1 dargestellte
vertikale Anordnung der Elektromagnetanordnung bspw. auf dem Dach
eines Fahrzeuges 1 erforderlich. Auch ist es denkbar, eine
derartige Kontaktanordnung seitlich an einem Fahrzeug anzubringen,
insbesondere in jenen Fällen, in denen eine Stromabnahme
von einer seitlich zur Fahrstrecke angebrachte Stromschiene zu erfolgen
hat. Auch in diesem Fall vermögen bei Aktivierung der Elektromagnetanordnung
die sich dabei einstellenden magnetischen Verhältnisse
die Elektromagnetanordnung 7 samt der kappenförmig,
elektrisch leitfähigen Einheit 5 gegen einen seitlich
angebrachten ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen
Plattenkörper 2 zu treiben, um einen elektrischen
Flächenkontakt zu diesem herzustellen. Durch den sich innerhalb
des Hohlraums 9 ausbildenden Unterdruck wird die stromlose Elektromagnetanordnung
gleichfalls sicher in eine seitlich rückwärtige
Position zurückgeführt.
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In 2 ist
eine lösungsgemäße alternative Ausführungsform
der Kontaktanordnung dargestellt, bei der die Elektromagneteinheit 7 fest
innerhalb der Führungshülse 4 und mit
dieser fest relativ zum Fahrzeug 1 angebracht ist. In gleicher
Weise wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann
die Elektromagnetanordnung über die Anschlussleitung 8 bestromt werden,
die in diesem Fall nicht notwendigerweise flexibel ausgestaltet
sein muss. Im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen Fall ist der
ferromagnetische, elektrisch leitfähige Plattenkörper 2 nicht
fix, sondern derart beweglich angeordnet, so dass dieser in Wechselwirkung
mit dem durch die Elektromagnetanordnung 7 generierten
Magnetfeld tritt und eine in Richtung der Elektromagnetanordnung 7 orientierte anziehende
Kraft erfährt, die den Plattenkörper 2 in Richtung
der Elektromagnetanordnung 7 bis zum Kontaktschluss mit
der Oberfläche der elektrisch leitfähigen, kappenförmig
ausgebildeten Einheit 5 auslenkt.
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Am
rückwärtigen Plattenkörper 2 sind
Federelemente 11 vorgesehen, die den Plattenkörper 2 im Falle
eines in sich zusammenfallenden Magnetfeldes in die rückwärtige
Position überführen, um insbesondere sicher zu
stellen, dass sich der Kontakt beim Anfahren des Fahrzeuges 1 wieder
löst. Auch ist es denkbar durch rückwärtig
zum Plattenkörper 2 einen Permanentmagnet oder
mehrere Permanentmagnete anzuordnen, der bzw. die die auf den Plattenkörper 2 einwirkenden
rückstellenden Kräfte mittels Magnetkraft zu erzeugen
in der Lage ist.
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Das
in 3 illustrierte Ausführungsbeispiel zeigt
vergleichbar mit dem Ausführungsbeispiel in 1 eine
längs der Linearachse A auslenkbare Elektromagneteinheit 7.
Anordnung und Aufbau der Elektromagneteinheit 7 sowie aller
mit dieser verbundenen Komponenten 1, 4, 5, 6, 8, 9 und 12 sind
mit dem Ausführungsbeispiel in 1 identisch,
bedürfen daher keiner wiederholten Beschreibung.
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Zusätzlich
zu dem, gegenüber der Elektromagnetanordnung 7 beabstandet
angeordneten, ferromagnetischen Plattenkörper 2',
der in dieser Ausführungsvariante nicht notwendiger Weise über
die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit verfügen muss,
weist dieser, der Elektromagnetanordnung 7 zugewandt, eine
sehr gut elektrisch leitfähige, mit Durchgangsöffnungen
versetzte Platte 10 auf, die beispielsweise aus Kupfer
oder einem ähnlich gut elektrisch leitfähigem
Material besteht, und für einen besonders guten Flächenkontakt
mit einem sehr geringen Übergangswiderstand sorgt.
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Die
innerhalb der Platte 10 vorgesehenen Durchgangsöffnungen
dienen insbesondere für eine möglichst ungeschwächte
magnetische Wechselwirkung zwischen der auslenkbaren Elektromagnetanordnung 7 und
der zumindest ferromagnetischen Platte 2'.
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Nur
der Vollständigkeit halber sei auf die Möglichkeit
hingewiesen, dass die in 3 dargestellte Ausführungsform
auch im Sinne einer in 2 illustrierten Ausführung
derart modifiziert werden kann, indem die Kombination aus der elektrisch
gut leitfähigen Platte 10 und dem zumindest ferromagnetischen
Plattenkörper 2' beweglich gegenüber
einer fest angeordneten Elektromagneteinheit 7 angeordnet
sein kann.
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In 4 ist
der zumindest ferromagnetische Plattenkörper 2' in
gleicher Weise wie in 3 mit der sehr gut elektrisch
leitfähigen Platte 10 kombiniert. Auch in diesem
Falle sei angenommen, dass die Platten 2 und 10 räumlich
fixiert angebracht sind. Lediglich optional kann die Plattenkombination 2' und 10 auch
beweglich angeordnet sein.
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Demgegenüber
ist an einem Fahrzeug 1 eine Führungshülse 4 fest
angebracht, in gleicher Weise, wie dies bereits bei allen vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall ist. Zudem
sei angenommen, dass die Elektromagnetanordnung 7 relativ zur
Führungshülse 4 sowie dem Fahrzeug 1 gleichsam
fest, d. h. unbeweglich angebracht ist. Die Elektromagneteinheit 7 umschließt
einen Zuganker 13, dessen Querschnittsform aus 4 zu
entnehmen ist. Der Zuganker 13 ist relativ zur Magneteinheit 7 axial
beweglich längs zur Linearachse A angeordnet. Im Falle
einer stromlosen Elektromagnetanordnung 7 nimmt der Zuganker 13 eine
in der Führungshülse 4 untere Position
ein. Wird die Elektromagnetanordnung 7 über die
Anschlussleitungen 8 bestromt, so wechselwirkt der Zuganker 13 derart,
dass dieser längs zur Linearachse A senkrecht nach oben
angehoben wird, wobei sich innerhalb der Führungshülse 4 der
vorstehend erläuterte Hohlraum unter Unterdruck ausbildet.
Die wirkenden magnetischen Anziehungskräfte zwischen dem
Zuganker 13 und dem zumindest ferromagnetischen Plattenkörper 2' überwiegen
gegenüber den rückführenden Kräften,
so dass es zu einem innigen körperlichen und elektrischen Kontakt
zwischen dem oberen Flächenbereich des Zugankers 13 und
der perforiert ausgeführten, sehr gut elektrisch leitfähigen
Platte 10 kommt. Die Hochstromübertragung seitens
der elektrisch leitfähigen Platte 10 und dem Zuganker 13 wird über
die Ableitung 6 zu einem im Fahrzeug getragenen Aggregat abgeführt.
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Die
in 4 dargestellte Ausführungsvariante hat
den Vorteil, dass der Magnetkern selbst keine Erschütterungen
erfährt, zumal lediglich der Zuganker 13 gegen
die wegseitig angeordnete Plattenanordnung stoßartig getrieben
wird. Eine derartige Konstruktion ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn das Material des Elektromagnetkerns aus stoßempfindlichem,
pulvergesintertem Material besteht. In diesen Fällen gilt
es, die Elektromagnetanordnung möglichst erschütterungsfrei
zu lagern.
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Selbstverständlich
ist es auch denkbar, die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen
illustrierte Elektromagnetanordnung wegseitig fest zu installieren
und den ferromagnetisch, elektrisch leitfähigen Plattenkörper 2 an
einem Fahrzeug vorzusehen. In einem solchen Fall ist es erforderlich,
die Elektromagnetanordnung längs der Hochstrom führenden Fahrleitung
bzw. Stromschiene zu integrieren.
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Insbesondere
an Fahrzeugen, die gegenüber dem Untergrund isoliert sind,
wie es bei gummibereiften Fahrzeugen der Fall ist, ist es aus erdungstechnischen
Gründen vorteilhaft, mehrere der beschriebenen Kontaktvorrichtungen
am Fahrzeug und der Strecke anzubringen. So gilt es für
jeweils alle Pole des Stromsystems der Energieversorgung wenigstens
eine lösungsgemäße Kontaktanordnung vorzusehen.
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- ferromagnetischer,
elektrisch leitfähiger Körper, Plattenkörper
- 2'
- ferromagnetischer
Körper
- 3
- Hochstromanschluss
- 4
- Führungshülse
- 5
- elektrisch
leitfähige Kappe
- 5'
- Aussparung
- 6
- Hochstromableitung
- 7
- Elektromagnetanordnung
- 8
- Anschlussleitung
- 9
- Volumen,
Zwischenraum, Hohlraum
- 10
- elektrisch
gut leitfähige, perforierte Platte
- 11
- Federelemente
- 12
- Unterdruckleitung
- 13
- Zuganker
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1419925
B1 [0009]
- - DE 739959 [0010]
- - US 4158892 A [0011]
- - DE 2929067 A1 [0012, 0013]
- - DE 102004048226 A1 [0012, 0014]
- - DE 102004006259 B3 [0012, 0015]