DE10311567B3

DE10311567B3 - Seismischer Generator und Fahrzeug mit einem seismischen Generator

Info

Publication number: DE10311567B3
Application number: DE2003111567
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Talke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: AT502573B1; AT502573A1; CH697019A5

Abstract

Zur Stromversorgung von Geräten und Kommunikationseinrichtungen auf mobilen Einrichtungen wird ein seismischer Generator vorgeschlagenn, bei dem eine seismische Masse (2) in einem Gehäuse (1) eingespannt wird. In Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) liegen sich Magnete (3, 22), die an der seismischen Masse (2) befestigt sind, und Magnete (4, 20), die am Gehäuse (1) befestigt sind, mit gleichen Polen gegenüber. Durch die Bewegung der seismischen Masse (2) werden in Spulen (7), die im Magnetkreis angeordnet sind, elektrische Spannungen induziert, die zur Stromversorgung genutzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen seismischen Generator, insbesondere zur Stromversorgung mobiler Geräte, sowie ein Fahrzeug mit einem seismischen Generator, insbesondere einen Güterwagen.
Die Stromversorgung von Geräten und Kommunikationseinrichtungen auf Güterwagen ist bisher nur unbefriedigend gelöst. Grundsätzlich ist es zwar möglich, von der Lokomotive aus mittels Kabeln elektrische Energie zu den Güterwagen zu übertragen, allerdings bedeuten diese Kabel zusätzlichen Aufwand beim Zusammenstellen und Trennen von Güterzügen und sie sind zudem anfällig gegenüber Witterungseinflüssen. Bis auf wenige Ausnahmen (Maschinenkühlwagen, Kippwagen usw.) werden Güterwagen nicht mit bordeigenen Stromversorgungen ausgestattet. Die Anforderungen an eine solche Stromversorgung wären folgendermaßen:

– eine Energiebereitstellung sollte für mindestens zwei Jahre gewährleistet sein,
– die Energiebereitstellung sollte während der Fahrt des Güterwagens und während des Stillstands erfolgen,
– es sollte sich um wartungsfreie Anordnungen für mindestens zwei Jahre handeln,
– es sollten standardisierte Spannungen abgegeben werden (P12V oder P24V DC),
– die Anordnungen sollten betriebsfähig bleiben unter den Einsatzbedingungen eines Güterwagens in Europa (–40°C bis 70°C) und
– es sollte eine einfache, vandalismus- und diebstahlsichere Montage an vorgegebenen Stellen möglich sein.

Bekannt sind dafür Lösungen in Form eines Achsgenerators für Kippwagen, eines Luftturbinengenerators an Güterwagen bis 160 km/Std., Solarzellengeneratoren in Verbindung mit Ortungs- und Kommunikationssystemen sowie auf elektromagnetischen Prinzipien beruhende seismische Generatoren, beispielsweise aus DE 195 20 521 oder aus US 5,945,749 .

Allgemein ist für eine solche Stromversorgung bisher die Energie von Primärzellen mit Lebensdauerzyklen von ca. bis zu 6 Monaten verwendet worden. Andere Verfahren, die ihre Primärenenergie anderen Quellen entnehmen, sind durch die Verwendung von Akkumulatoren gekennzeichnet. In der Regel besitzen die vorhandenen Einrichtungen für die Stromversorgung von Geräten und Kommunikationseinrichtungen auf Güterwagen ein ausgefeiltes Powermanagement, das den Leistungsbedarf und den Energiebedarf deutlich minimiert. Nur auf diese Weise sind mit handelsüblichen Primärbatterien Einschaltzeiten bis zu 6 Monaten erreichbar. Die bisherigen Anordnungen sind daher durch hohen technischen Aufwand und einen nicht unerheblichen Wartungsbedarf gekennzeichnet. Der Achsgenerator und die Luftturbine verursachen hohe Kosten, der Solargenerator ist wartungsintensiv. Diese aus DE 195 20 521 bekannte Einrichtung zum Umwandeln von Schwingungsbewegung in elektrische Energie weist ein Gehäuse und eine mittels Federn in dem Gehäuse gehaltene Magnetträgerstruktur auf. Die Federn lassen als Reaktion auf die Schwingungsbewegung eine Hin- und Herbewegung der Magnetträgerstruktur relativ zum Gehäuse lediglich in Richtung der Schwingungsachse – parallel zu den Seitenwänden des Gehäuses – zu. Seitlich an der Magnetträgerstruktur sind eine Reihe von Permanentmagneten angeordnet, die in Wechselwirkung mit an der Seitenwand des Gehäuses angeordneten Spulensätzen stehen, in denen durch Bewegung der Magnetträgerstruktur eine elektrische Spannung induziert wird.

Aus US 5,945,79 ist ein weiterer seismischer Generator nach dem magnetodynamischen Prinzip bekannt, bei dem ein lediglich in vertikaler Richtung schwingender Magnetkolben in einer Spule schwingt. Dabei ist zusätzlich eine pneumatische Bewegungsmöglichkeit für den Magnetkolben gegeben, um auch bei stehendem Güterwagen Strom zu erzeugen.

Ein gattungsgemäßer seismischer Generator ist aus der US 5,347, 186 bekannt, bei dem die seismische Masse selbst als Magnet ausgebildet ist. Dieser Magnet ist an einem Zylinder so angeordnet, dass er sich nur in Zylinderlängsrichtung bewegen kann. Der Zylinder weist an seinen Stirnseiten jeweils einen weiteren Magnet auf, wobei sich alle drei Magnete mit den gleichen Polen gegenüberstehen. Im Magnetfeld aller drei Magnete sind Spulen angeordnet, die zum Abgreifen von elektrischer Energie an eine elektrische Schaltung angeschlossen sind. Die feststehenden Spulen sind dabei jeweils den weiteren Magneten zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt so, dass zu jeder Spule der unmittelbar gegenüberliegende weitere Magnet gehört.

Die US 5,818,132 offenbart ebenfalls einen seismischen Generator, bei dem zur Verbesserung des Wirkungsgrades die Masse des beweglichen Magneten durch ein Zusatzgewicht erhöht ist.

Die seismischen Generatoren nach magnetodynamischen Prinzip versprechen eine wartungsfreie Nutzung bei allerdings noch hohem technischem Aufwand für die Realisierung.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen seismischen Generator anzugeben, um eine preiswerte und einfach zu re alisierende Stromversorgung für mobile Geräte zu ermöglichen, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen seismischen Generator.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen seismischen Generator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Beim erfindungsgemäßen Generator stehen sich der erste und der zweite Magnet, der am Gehäuse bzw. an der seismischen Masse angeordnet ist, in der Bewegungsrichtung der seismischen Masse mit den gleichen Polen gegenüber. Dadurch ist zunächst eine besonders einfache konstruktive Gestaltung möglich. Eine Erhöhung der abzugreifenden elektrischen Energie wird dadurch erzielt, dass mindestens eine Spule um einen mit einem der beiden Pole des zweiten Magneten in Verbindung stehenden Polschuh gewickelt ist und dass an jedem der beiden Pole des zweiten Magneten je ein Polschuh angeordnet ist, um den jeweils eine Spule gewickelt ist sowie dass der Weicheisenkern auch zwischen die beiden Pole des vierten Magneten ragt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 sind an den gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse jeweils Magnetpaare zwischen Gehäuse und seismischer Masse angeordnet. Dadurch lässt sich die elektrische Energieumsetzung weiter verbessern.

Gemäß Anspruch 3 ergibt sich eine symmetrische Anordnung dadurch, dass insgesamt vier Spulen zur elektrischen Energieumsetzung vorhanden sind.

Eine weitere Verbesserung der elektrischen Energieumsetzung ergibt sich gemäß Anspruch 4 dadurch, dass der Weicheisenkern auch zwischen die beiden Pole des vierten Magneten ragt.

In vorteilhafter Weise lässt sich gemäß Anspruch 5 dadurch, dass eine mit den Spulen verbundene Signalauswerteeinrichtung vorgesehen ist, die Bewegung der seismischen Masse analysieren und somit diese Bewegung zu weiteren Auswertungszwecken zur Verfügung stellen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausstattung eines Fahrzeuges mit einem solchen seismischen Generator, bei dem gemäß Anspruch 6 die Bewegungsrichtung der seismischen Masse vertikal zu einer Fahrwegebene des Fahrzeugs ist, da in dieser Richtung die größten Auslenkungen zu erwarten sind.

Gemäß Anspruch 7 kann in vorteilhafter Weise durch die Signalauswerteeinrichtung die Bewegung der seismischen Masse derartig ausgewertet werden, dass auf die Beschaffenheit des Fahrweges des Fahrzeugs rückgeschlossen werden kann. Somit lassen sich bei einem Güterwagen als Fahrzeug beispielsweise Flachstellen, Schienenbrüche oder Entgleisungen detektieren.

In den Figuren der Zeichnung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt 1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen seismischen Generator in einem ersten Ausführungsbeispiel und
2 einen schematischen teilweisen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen seismischen Generator in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In 1 ist dargestellt, wie in einem Gehäuse 1 eine seismische Masse 2, an der jeweils an der Unter- und an der Oberseite ein erster Magnet 3 und ein dritter Magnet 22 angeordnet sind, mit Hilfe von Befestigungsvorrichtungen 9 gehalten wird. Am Gehäuse 1 sind ein zweiter Magnet 4 und ein vierter Magnet 20 so angeordnet, dass sie in Bewegungsrichtung der seismischen Masse 2 (in 1 durch einen Peil 21 angedeutet), mit den gleichen Polen dem ersten Magneten 3 und dem dritten Magneten 22 gegenüberliegen. Der magnetische Nord- und Südpol des zweiten Magneten 4 und des vierten Magneten 20 sind durch Weicheisenstücke 8 bzw. 23 miteinander verbunden. An den Polen der am Gehäuse befestigten zweiten Magneten 4 und vierten Magneten 20 sind Polschuhe 5 aus Weicheisen ange ordnet, um die jeweils eine Spule 7 gewickelt ist. Die Enden der Spulen 7 sind – nicht dargestellt – geeignet mit Wandlern, Speichern und Stabilisierungsschaltungen verbunden, durch die eine Konstantspannung an Verbraucher abgegeben werden kann.
Die Befestigungsvorrichtung 9 kann dabei als Gelenkkinematik (Parallelogramm-Gelenke), als Blattfedereinspannung oder als seitliche Rollenführung ausgebildet sein. Wichtig dabei ist, dass eine Parallelführung der seismischen Masse 2 sichergestellt wird. Für die Bemessung der Parallelführung ist eine minimale Kraftwirkung in vertikaler Richtung 21 erforderlich, da sonst der Wirkungsgrad des seismischen Generators stark absinkt. Als permanentmagnetische Materialien für die ersten, zweiten, dritten und vierten Magnete sind alle Materialien geeignet, die bei relativ geringer Magnetweglänge einen ausreichenden Magnetfluss erzeugen (z. B. Oxidkeramik, Aluminium-Nickel-Kobalt, seltene Erden-Magnete).
Die Spulen 7 auf den Polschuhen 5 können Drahtspulen oder Folienwickel sein. Folienwickel sind wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchung zweckmäßiger.
Jeweils zwei Magnete bilden am Gehäuse 1 und an der seismischen Masse 2 je einen magnetischen Kreis. Die Energieumwandlung erfolgt durch die Bewegung der seismischen Masse 2 gegen die abstoßende Kräfte der ungleichen Pole der Magnete 20, 22, 3, 4. Als Folge davon wird der magnetische Fluss im feststehenden Magnetkreis geändert und in den Spulen 7 eine Spannung induziert. Der besondere Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist die Einspannung der seismischen Masse 2 durch die abstoßenden Kräfte der gegenüberliegenden Magnete. Damit werden unerwünschte Berührungen der seismischen Masse 2 mit dem feststehenden Magnetsystem 20, 4 bei geeigneter Abstimmung vermieden. Dadurch kann auch ein Zusammenkleben der Magnetpole bei den notwendigen kleinen Luftspalten 6 zwischen den gegenüberliegenden Polen vermieden werden.
Neben der Nutzung zur Stromversorgung mobiler Geräte ist die von den Spulen 7 abgegebene Spannung bei entsprechender Kalibrierung zur laufenden Bestimmung der Vertikalbeschleunigung eines mit einem solchen seismischen Generators ausgestatteten Fahrzeuges, insbesondere eines Güterwagens, nutzbar. So lassen sich in einer nicht dargestellten Signalauswerteeinrichtung bei entsprechender Bewertung besondere Ereignisse detektieren (Flachstellen, Schienenbrüche, Entgleisungen).
In 2 ist dargestellt, wie eine Verstärkung der magnetischen Flussänderungen durch ein von der seismischen Masse 2 angetriebenes Weicheisenstück 10, welches im Luftspalt zwischen den Polschuhen 5 des zweiten Magneten 4 angeordnet ist, verändert wird. Dadurch werden zwar die abstoßenden Kräfte vermindert, bei geeigneter Abstimmung der Luftspalte ist allerdings die verstärkende Wirkung des Weicheisenstücks 10 als Anker nutzbar.

Claims

Seismischer Generator mit einer in einem Gehäuse (1) derartig eingespannten seismischen Masse (2), dass sich diese nur in einer Bewegungsrichtung (21) bewegen kann, mit mindestens einem ersten Magneten (3) und mit mindestens einem zweiten Magneten (4), der mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, mit mindestens einer Spule (7), die im Magnetfeld der Magneten (3,4) angeordnet ist und mit einer mit der mindestens einen Spule (7) elektrisch verbundenen elektrischen Schaltung, an der eine elektrische Energie abgreifbar ist, wobei der erste und der zweite Magnet (3,4) sich in der Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) mit den gleichen Polen gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (3) mit der seismischen Masse (2) verbunden, an jedem der beiden Pole des zweiten Magneten (4) je ein Polschuh (5) angeordnet und um die beiden Polschuhe (5) jeweils eine Spule (7) gewickelt ist und dass ein Weicheisenpolschuh (10) derartig geformt und an der seismischen Masse (2) derartig befestigt ist, dass dieser zwischen die beiden Pole des zweiten Magneten (4) ragt.
Seismischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem ersten Magneten (3) gegenüberliegenden Seite der seismischen Masse (2) ein dritter Magnet (22) angeordnet ist, dass dem dritten Magneten (22) in Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) gegenüberliegend am Gehäuse (1) gleichpolig ein vierter Magnet (20) angeordnet ist und dass in jedem der Magnetkreise zwischen ersten (3) und zweitem (4) sowie zwischen dritten (22) und viertem Magnet (20) mindestens je eine mit der elektrischen Schaltung verbundene Spule (7) angeordnet ist.
Seismischer Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Pol des vierten Magneten (20) je ein Polschuh (5) angeordnet ist, dass um jeden Polschuh (5) eine mit der elektrischen Schaltung verbundene Spule (7) gewickelt ist.
Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Weicheisenpolschuh (10) auch zwischen die beiden Pole des vierten Magneten (23) ragt.
Seismischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den Spulen (7) verbundene Signalauswerteeinrichtung vorgesehen ist, die derartig ausgestaltet ist, dass die Bewegungen der seismischen Masse (2) registriert und ausgewertet werden.
Fahrzeug mit einem seismischen Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) vertikal zu einer Fahrwegebene des Fahrzeugs ist.
Fahrzeug mit einem seismischen Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (21) der seismischen Masse (2) vertikal zu einer Fahrwegebene des Fahrzeugs ist und dass die Signalauswerteeinrichtung derartig ausgebildet ist, dass aus der Auswertung der Bewegungen der seismischen Masse (2) auf die Beschaffenheit des Fahrweges des Fahrzeugs rückgeschlossen wird.