-
Die Erfindung betrifft einen Isolator für ein Schienenfahrzeug zur Befestigung eines mit Hochspannung versorgten Bauteils an einer Außenseite eines Schienenfahrzeuges.
-
Für den Betrieb elektrischer Schienenfahrzeuge werden meist mit Mittel- oder Hochspannung versorgte Komponenten auf der Außenseite des Schienenfahrzeuges befestigt. Zu diesen Komponenten gehören zum Beispiel Stromabnehmer. Stromabnehmer zur Versorgung eines Schienenfahrzeuges mit elektrischer Energie über eine Oberleitung werden üblicherweise über Stützisolatoren auf dem Fahrzeugdach befestigt. Dabei haben die Isolatoren neben der mechanischen Befestigung des Stromabnehmers am Fahrzeugdach die Aufgabe, eine elektrische Isolierung des mit Spannung versorgten Stromabnehmers gegenüber dem an das Erdpotential angeschlossenen Fahrzeugdaches herzustellen. Ein Beispiel für einen derartigen Isolator zeigt die
EP 2 375 422 B1 .
-
Isolatoren auf Schienenfahrzeugen sind im Betrieb aerodynamischen Einflüssen ausgesetzt. Der Fahrtwind erzeugt im Zusammenspiel mit den Isolatoren aerodynamische Schwingungen und Kräfte, die u.a. Lärm erzeugen und in einem größeren Luftwiderstand resultieren können. Die
JP2002-329422A offenbart einen Isolator mit einem elliptisch gestalteten Querschnitt und unterschiedlich ausgestalteten Isolatorschirmen, wodurch der Luftwiderstand und die Geräuschentwicklung verringert werden kann. Die
EP 1 528 576 A2 verbessert die akustischen Eigenschaften des in der
JP2002-329422A beschriebenen Isolator durch eine weitere Variation der Durchmesser der Isolatorschirme.
-
Besondere Nachteile bei der Verwendung üblicher Isolatoren können entstehen, wenn diese beweglich auf dem Fahrzeug angeordnet sind. Dies ist bei dem in der
DE 10 2008 032 588 A1 beschriebenen Stromabnehmer der Fall. Indem der Unterarm des Stromabnehmers als Isolator wirkt, sind je nach Stellung des Stromabnehmers unterschiedliche aerodynamische Effekte zu erwarten. Ein Nachteil bei der Verwendung bekannter Isolatoren ist, dass im Fahrtwind aerodynamische Effekte wie Wirbel auftreten können, die zu erhöhter Lärmentstehung und zu mechanischen Belastungen der Isolatorschirme führen können. Die aerodynamischen Effekte treten dabei nicht nur unmittelbar am Isolator, sondern auch an benachbarten Komponenten des Stromabnehmers auf. Aufgrund der entstehenden Wirbel können Isolatorschirme aus weichen Materialien wie Silikonwerkstoffen leicht in Schwingung geraten, wodurch im Dauerbetrieb ein erhöhter Verschleiß entsteht. Des Weiteren wirken Kräfte auf den Stromabnehmer, die sich nachteilig auf die zwischen Stromabnehmer und Oberleitung wirkende Kontaktkraft auswirken können.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die an Isolatoren auftretenden, den Fahrbetrieb nachteilig beeinflussenden aerodynamischen Effekte und die Lärmentstehung zu verringern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Isolator nach Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe mit einem Stromabnehmer nach Anspruch 8 und einem Schienenfahrzeug nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
-
Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einem Isolator für ein Schienenfahrzeug zur Befestigung eines mit Hochspannung versorgten Bauteils an einer Außenseite eines Schienenfahrzeuges, wobei der Isolator ein in wenigstens einer Strömungsrichtung wirkendes Luftleitprofil aufweist. Idealerweise ist das Luftleitprofil derart ausgestaltet, dass dieses in einer Montageposition auf einem Schienenfahrzeug ein im Fahrtwind des Schienenfahrzeuges wirkendes Luftleitprofil aufweist.
-
Ein Luftleitprofil ermöglicht eine gezielte Ausrichtung der Luftströmung. Durch ein Luftleitprofil können Verwirbelungen der Luftströmung vermieden werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Luftleitprofil derart ausgestaltet, dass ein neutrales aerodynamisches Verhalten bewirkbar ist. Ein neutrales aerodynamisches Verhalten bedeutet, dass im Fahrbetrieb weder ein Auf- noch ein Abtrieb erzeugbar ist. Idealerweise ist eine definierte neutrale Umströmung des Isolators vorgesehen, um Schwingungen des Isolators, Luftwirbel und/oder den Luftwiderstand zu verringern.
-
Alternativ kann ein Auf- oder Abtrieb angestrebt sein bzw. das Luftleitprofil derart gestaltet sein, dass im Fahrbetrieb ein Auf- und/oder Abtriebs erzeugt wird.
-
Indem der Isolator ein Luftleitprofil aufweist, kann der Luftwiderstand des Isolators auf dem Schienenfahrzeug verringert werden. Des Weiteren können auf den Isolator wirkende aerodynamische Kräfte gesteuert und/oder verringert werden. Schwingungen, die aufgrund von periodisch wechselnden Druckunterschieden im Fahrtwind entstehen, können reduziert werden. Dies führt zugleich zu einer geringeren mechanischen Belastung, die aus diesen Schwingungen resultiert. Es ist somit möglich, durch das Luftleitprofil die Lebensdauer des Isolators zu erhöhen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein nicht leitender oder elektrisch isolierender Abschnitt der Außenfläche des Isolators das Luftleitprofil bilden. Das Luftleitprofil kann wie ein klassischer Isolatorschirm im Kriechweg angeordnet sein und somit zumindest abschnittsweise eine Verlängerung des Kriechweges bewirken.
-
Das Luftleitprofil weist gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung zur wirksamen Steuerung der Luftströmung eine Leitfläche auf. Die Leitfläche kann isolierend ausgestaltet sein und eine Verlängerung des Kriechweges bilden.
-
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann das Luftleitprofil derart ausgestaltet sein, dass durch den Isolator in einer Betriebsposition des Isolators in einer Luftströmung ein Auf- und/oder Abtrieb erzeugbar ist. Der Isolator kann somit zur Steuerung der Kontaktkraft zwischen Oberleitung und Schleifleiste eingesetzt werden. Weist beispielsweise der Stromabnehmer die Eigenschaft auf, bei hoher Geschwindigkeit die Kontaktkraft zu verringern, kann ein durch das Luftleitprofil erzeugbarer Auftrieb den entstehenden Verlust der Kontaktkraft kompensieren. Gleichermaßen kann ein durch das Luftleitprofil erzeugbarer Abtrieb einer unzulässigen Vergrößerung der Kontaktkraft entgegenwirken. Die Betriebsposition des Isolators entspricht seiner Position in montiertem Zustand auf einem Schienenfahrzeug bzw. der Position, welche der Isolator im Betrieb des Schienenfahrzeugs einnimmt. In der Betriebsposition kann der Isolator senkrecht oder schräg zur Fahrtrichtung angeordnet sein.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Isolators kann das Luftleitprofil ein Flügelprofil bilden. Durch ein Flügelprofil kann der von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges abhängige Auf- oder Abtrieb des Luftleitprofils bei gleichen Abmessungen des Luftleitprofil erhöht werden. Zudem können bei Wahl eines passenden Flügelprofils ungünstige Strömungsverhältnisse, die zu einem erhöhten Luftwiderstand oder zu einer erhöhten Geräuschentwicklung führen können, vermieden werden.
-
Die meisten Schienenfahrzeuge, insbesondere für den Hochgeschwindigkeitsverkehr, sind für den Betrieb in zwei Fahrtrichtungen ausgestaltet. Entsprechend ist das Luftleitprofil vorzugsweise für eine Verwendung in zwei Fahrtrichtungen ausgestaltet. So kann das Luftleitprofil in einer und/oder zwei Fahrtrichtungen einen Auf- oder einen Abtrieb erzeugen.
-
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung des Isolators kann das Luftleitprofil symmetrisch ausgestaltet sein. Die Symmetrie ist bevorzugt bezüglich einer Mittenebene des Luftleitprofils vorgesehen, die quer zu einer Fahrtrichtung bzw. quer zur Längserstreckung des Fahrzeuges verläuft.
-
Isolatoren für die elektrische Isolierung von Leitern im Hoch- oder Mittelspannungsbereich sind häufig mit Isolatorschirmen versehen, um eine Verlängerung der Kriechstrecke zu bewirken. Isolatorschirme weisen üblicherweise eine radiale Erstreckung auf, wodurch sich die durch einen Kriechstrom überbrückbare Strecke deutlich verlängert. Ein Isolator kann mehrere Isolatorschirme aufweisen, die übereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Isolatorschirmen ein Luftspalt vorgesehen ist, der Spannungsüberschläge zwischen den Isolatorschirmen verhindert. Der somit für den Isolatorschirm vorhandene Raum kann genutzt werden, um in den Isolatorschirm ein Luftleitprofil zu integrieren. Je nach Formgestaltung und Anstellwinkel des Luftleitprofils ist für den Isolatorschirm idealerweise ein vergrößertes Volumen vorgesehen. Der Abstand zwischen einem als Luftleitprofil ausgestalteten Isolatorschirm und benachbarten Isolatorschirmen kann entsprechend vergrößert sein.
-
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann der Isolator einen Isolatorkörper mit einer Längsachse aufweisen und der Isolatorschirm an dem Isolatorkörper angeordnet sein, wobei der Isolatorschirm in wenigstens einer Richtung geneigt zur Längsachse verlaufen kann. Der Isolatorschirm kann damit einen Anstellwinkel aufweisen, durch den der Isolatorschirm im Fahrtwind einen Auftrieb oder einen Abtrieb erzeugt.
-
Es kann zum Beispiel ein im Wesentlichen zylindrisch geformter Isolatorkörper vorgesehen sein, an dem der wenigstens eine Isolatorschirm angeordnet ist. Der im Wesentlichen zylindrisch geformte Isolatorkörper kann eine Längsachse aufweisen, wobei der wenigstens eine Isolatorschirm geneigt zur Längsachse verläuft.
-
In einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Stromabnehmers umfasst dieser einen erfindungsgemäßen Isolator. Der Stromabnehmer kann eine Schleifleiste und wenigstens einen Arm aufweisen. Der Isolator ist vorzugsweise an dem Arm angeordnet oder in den Arm integriert ist. Es kann wenigstens ein Ober- und wenigstens ein Unterarm vorgesehen sein, wobei der Isolator in den Ober- und/oder Unterarm integriert ist.
-
Der Arm des Stromabnehmers, an welchem der Isolator angeordnet ist, kann ein Ober- und/oder Unterarm sein. Der Isolator kann mit dem Arm, an dem der Isolator angeordnet ist, aerodynamisch zusammenwirken. Beispielsweise kann durch den Isolator in Zusammenwirkung mit dem Ober- und/oder dem Unterarm ein Auf- oder Abtrieb erzeugbar sein.
-
Der Arm, an welchem der Isolator angeordnet ist, erstreckt sich bevorzugt entlang einer Längsachse, wobei der Isolatorschirm im Wesentlichen schräg zur Längsachse verläuft. Die Längsachse des Arms des Stromabnehmers kann sich in einer Betriebsposition, in welcher die Schleifleiste auf der standardisierten Höhe einer Oberleitung angeordnet ist, schräg zur Fahrtrichtung erstrecken. Der schräg zur Längsachse verlaufende Isolatorschirm kann sich in der Betriebsposition des Stromabnehmers im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung erstrecken. Entsprechend kann in einer Betriebsposition, in welcher die Schleifleiste an einer Oberleitung anliegt, sich der Isolatorschirm im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung erstrecken.
-
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist der Isolatorschirm in einer Betriebsposition, in welcher die Schleifleiste auf der standardisierten Höhe einer Oberleitung angeordnet ist oder an einer Oberleitung anliegt, einen Neigungswinkel zur Fahrtrichtung auf. Der Neigungswinkel wirkt entsprechend einem Anstellwinkel. Somit können die im Fahrtwind entstehenden aerodynamischen Kräfte in einem Auf- oder Abtrieb resultieren.
-
Der Isolator und/oder der Isolatorschirm bilden in einer Betriebsposition, in welcher die Schleifleiste an einer Oberleitung anliegt, bevorzugt eine Leitfläche, die um einen Neigungswinkel in und/oder entgegen der Fahrtrichtung und/oder zur lokalen Hauptströmungsrichtung geneigt angeordnet ist.
-
In einer weiteren Variante der Erfindung bildet der Isolator eine Windleitvorrichtung zur Einstellung der zwischen der Schleifleiste und einer Oberleitung wirkenden Kontaktkraft, wobei durch den Isolator im Fahrtwind ein auf die Schleifleiste wirkender Auf- und/oder Abtrieb erzeugbar ist. Die Kontaktkraft zwischen Oberleitung und Schleifleiste eines Stromabnehmers kann im Betrieb eines Schienenfahrzeuges aufgrund der auftretenden aerodynamischen Kräfte schwanken. Es werden Windleitvorrichtungen verwendet, um einen im Fahrtwind auftretenden Auf- und/oder Abtrieb zu kompensieren. Indem der Isolator eine integrierte Windleitvorrichtung bildet, kann auf eine weitere Windleitvorrichtung verzichtet werden. Es kann folglich Gewicht und Material gespart werden.
-
In einer Betriebsposition des Stromabnehmers, in welcher der Stromabnehmer an einer Oberleitung anliegt, bildet bevorzugt der wenigstens eine von dem Isolator umfasste Isolatorschirm des Stromabnehmers die Windleitvorrichtung.
-
In einer bevorzugten Variante der Erfindung kann die Kontaktkraft über eine Kontaktkraftsteuerung einstellbar sein, wobei die Kontaktkraftsteuerung einen Stromabnehmerantrieb ansteuert. Um z.B. einer überhöhten Kontaktkraft entgegenzuwirken, kann das Luftleitprofil derart ausgestaltet sein, dass die Kontaktkraft permanent verringert wird, wobei die Kontaktkraftsteuerung die Kontaktkraft über den Stromabnehmerantrieb bis auf den erforderlichen Wert erhöht.
-
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann am Ober- und/oder Unterarm des Stromabnehmers eine zusätzliche Windleiteinrichtung angeordnet sein. Die zusätzliche Windleiteinrichtung kann einen zusätzlichen Auf- oder Abtrieb erzeugen, der eine kontinuierliche oder stärkere Kontaktkraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung gewährleistet.
-
Der erfindungsgemäße Stromabnehmer kann eine Lenkerstange aufweisen, über die der Stromabnehmer antreibbar ist. Die Lenkerstange kann einen weiteren Isolator aufweisen, wobei dieser ein Windleitprofil bilden kann. Zusätzlich kann der Isolator der Lenkerstange eine Windleitvorrichtung bilden.
-
Figurenliste
-
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen erfindungsgemäße Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Isolators;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Isolators;
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromabnehmers in angehobener Position.
-
Im Folgenden werden zunächst unter Bezugnahme auf die 1 und 2 zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Isolators beschrieben.
-
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Isolators 1. Der Isolator 1 ist für einen Betrieb in eine Fahrtrichtung F ausgestaltet. Der Isolator 1 weist eine erste Befestigungsschnittstelle 2, eine zweite Befestigungsschnittstelle 3 und einen die beiden Befestigungsschnittstellen 2, 3 verbindenden Isolatorkörper 4 auf. Die Befestigungsschnittstellen 2, 3 dienen der Befestigung anzuordnender Hochspannungskomponenten auf einem Schienenfahrzeug, wobei zwischen den Befestigungsschnittstellen 2, 3 die zu isolierende Potentialdifferenz anliegt.
-
Der Isolator 1 ist zudem mit drei Isolatorschirmen 5 versehen, welche den Kriechweg des Isolators verlängern. Die Isolatorschirme 5 sind einstückig gemeinsam mit dem Isolatorkörper 4 aus einem isolierenden Material gefertigt. Insbesondere die Außenseite der Isolatorschirme 5 ist nichtleitend bzw. isolierend ausgestaltet. Das Material kann insbesondere Silikon umfassen.
-
Der Isolator 1 weist in einer Strömungsrichtung wirkende Luftleitprofile 6 auf. Bei einer Bewegung des Isolators 1 in Fahrtrichtung F entsteht eine Luftströmung, deren Strömungsrichtung der Fahrtrichtung F entgegengesetzt ist.
-
Die Isolatorschirme 5 weisen jeweils ein Luftleitprofil 6 auf, das bei einer der Fahrtrichtung F entgegengesetzten Strömung gegenüber der Gestaltung herkömmlicher Isolatorschirme 5 einen verringerten Strömungswiderstand aufweist. Die Luftleitprofile 6 bilden Flügelprofile mit einer Profilnase 7, einer Oberseite 8 und einer Unterseite 9. Die gegenüber der Krümmung der Unterseite 9 stärkere Krümmung der Oberseite 8 ermöglicht die Erzeugung eines Auftriebs. Wird ein Isolator 1 auf der Außenseite eines Schienenfahrzeuges montiert, insbesondere auf einem Fahrzeugdach, kann im Fahrtwind geschwindigkeitsabhängig ein Auftrieb erzeugt werden. Aufgrund der richtungsabhängigen Gestaltung des Isolators 1 ist die Wirkung der Luftleitprofile 6 als Flügelprofil bei einer Bewegung in Fahrtrichtung F am effizientesten.
-
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Isolators 10, wobei dieser mit richtungsunabhängigen Luftleitprofilen 11 versehen ist. Der Einfachheit halber werden für entsprechende Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Entsprechend dem Isolator 1 der 1 ist an dem Isolator 10 eine erste Befestigungsschnittstelle 2 und eine zweite Befestigungsschnittstelle 3 angeordnet. Zwischen den Befestigungsschnittstellen 2, 3 sind Isolatorschirme 12 positioniert.
-
Die Isolatorschirme 12 sind an ihrem Rand mit Profilnasen 13 versehen, die in- und entgegen der Fahrtrichtung F weisen, um unabhängig von der Fahrtrichtung die gleichen aerodynamischen Eigenschaften zu erreichen. Die Profilnasen 13 weisen im Wesentlichen das typische Profil einer Profilnase eines Flügels auf. Somit ist in und entgegen der Fahrtrichtung F ein Auftrieb erzeugbar.
-
Aufgrund der relativ stumpfen Formgebung und einer relativ großen Dicke D der Isolatorschirme 12 ist zudem eine hohe Steifigkeit gegeben, die eine Schwingungserregung aufgrund von Wirbeln weitestgehend ausschließt. Die Isolatorschirme 12 weisen dazu insbesondere an ihren Rändern eine im Verhältnis zu üblichen Isolatoren erhöhte Dicke auf. Der Rand eines Isolatorschirmes 12 kann einen Radius aufweisen, der nur geringfügig kleiner als Hälfte der Dicke D des Isolators ist.
-
3 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stromabnehmers 14. Der Stromabnehmer 14 ist auf dem Dach eines Schienenfahrzeuges 23 beweglich befestigt. Der Stromabnehmer 14 weist einen Unterarm 15, einen Oberarm 19, eine Lenkerstange 24 und eine Stromabnehmerwippe 20 auf.
-
In den Unterarm 15 des Stromabnehmers 14 ist ein Isolator 16 integriert. Der Isolator 16 ist mit Isolatorschirmen 17, 18 versehen, die beabstandet an dem Unterarm 15 angeordnet sind.
-
Der Unterarm 15 ist gelenkig mit dem Oberarm 19 verbunden. Der Oberarm 19 trägt an seinem oberen Ende die Stromabnehmerwippe 20, die mit Schleifleisten 21 versehen ist. Die Schleifleisten 21 liegen an einer Oberleitung 22 an, über welche die Stromversorgung des Fahrzeuges erfolgt.
-
Die dargestellte Position des Stromabnehmers 14 bildet die Betriebsposition des Stromabnehmers 14. Die Isolatorschirme 17, 18 verlaufen in der Betriebsposition des Stromabnehmers im Wesentlichen parallel zur Fahrtrichtung F, so dass der Strömungswiderstand im Fahrtwind verringert sind. Des Weiteren können die Isolatorschirme 17, 18 Flügelprofile bilden, die einen Auf- oder Abtrieb erzeugen und somit die Kontaktkraft zwischen der Oberleitung 22 und den Schleifleisten 21 einstellen. Der Unterarm
-
Die beschriebenen und dargestellten spezifischen Ausführungsformen sind für die Ausführung der Erfindung nicht bindend, sondern können im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet modifiziert werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- D
- Dicke (Isolatorschirm)
- F
- Fahrtrichtung
- L
- Längsachse (Isolatorkörper)
- 1
- Isolator
- 2
- Erste Befestigungsschnittstelle
- 3
- Zweite Befestigungsschnittstelle
- 4
- Isolatorkörper
- 5
- Isolatorschirm
- 6
- Luftleitprofil
- 7
- Profilnase
- 8
- Oberseite
- 9
- Unterseite
- 10
- Isolator
- 11
- Luftleitprofil
- 12
- Isolatorschirm
- 13
- Profilnase
- 14
- Stromabnehmer
- 15
- Unterarm
- 16
- Isolator
- 17
- Isolatorschirm
- 18
- Isolatorschirm
- 19
- Oberarm
- 20
- Stromabnehmerwippe
- 21
- Schleifleiste
- 22
- Oberleitung
- 23
- Schienenfahrzeug
- 24
- Lenkerstange
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2375422 B1 [0002]
- JP 2002329422 A [0003]
- EP 1528576 A2 [0003]
- DE 102008032588 A1 [0004]
