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Die Erfindung betrifft eine Stromübertragungsvorrichtung zur stationären Aufladung elektrischer Energiespeicher von Fahrzeugen und/oder zur mobilen Versorgung elektrischer Antriebe von Fahrzeugen, wobei die Stromübertragungsvorrichtung eine Kontakteinheit mit einem Hebelarmsystem und zumindest einem elektrischen Kontaktelement umfasst, wobei das Kontaktelement mit über einem Fahrzeug angeordneten, stromführenden Kontaktflächen kontaktierbar ist, wobei das Kontaktelement mittels des Hebelarmsystems zwischen einer Ausfahrstellung zur Stromübertragung und einer Einfahrstellung zur Stromunterbrechung positionierbar ist, wobei die Stromübertragungsvorrichtung eine Antriebseinheit zum Antrieb des Hebelarmsystems umfasst, wobei die Antriebseinheit einen Verstellantrieb und eine mit dem Verstellantrieb zusammenwirkende Federeinrichtung aufweist.
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Derartige Stromübertragungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden auch als sogenannter Stromabnehmer bezeichnet. Diese Stromübertragungsvorrichtungen können auch in Verbindung mit schienengebundenen Fahrzeugen oder Bussen und einem Fahrdraht bzw. einer Oberleitung eingesetzt werden. Weiter ist es bekannt Fahrzeuge an einer Station oder Haltestelle mit einem Ladekontakt zu verbinden, um einen Energiespeicher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs aufzuladen. In Verbindung mit einem Fahrdraht wird eine Stromübertragungsvorrichtung beispielsweise dreimal täglich in eine Ausfahrstellung angehoben bzw. in eine Einfahrstellung mittels einer pneumatischen Antriebseinheit bzw. eines Verstellantriebes abgesenkt, um ein elektrisches Kontaktelement für den Fahrdraht in Kontakt zu bringen bzw. von dem Fahrdraht zu trennen. Bei Fahrzeugen mit Ladekontakten ist hingegen ein wesentlich häufigerer Wechsel zwischen der Ausfallstellung und der Einfahrstellung, beispielsweise 500 Zyklen täglich, erforderlich, da an jeder Haltestelle des Fahrzeugs ein kurzzeitiger Ladevorgang erfolgt. Auch bei einem Betrieb eines Schienenfahrzeugs mit dritter Schiene und unter Fahrdraht bzw. Oberleitung erfolgt ein häufiger Wechsel zwischen beiden Systemen, wobei ein Verstellantrieb ein Kontaktelement einer Stromübertragungsvorrichtung mit dem Fahrdraht kontaktiert. Eine Lebensdauer einer Stromübertragungsvorrichtung zur Herstellung eines Ladekontaktes bzw. beim kombinierten Betrieb unter Fahrdraht und mit dritter Schiene ist somit gegenüber einer Lebensdauer einer Stromübertragungsvorrichtung zur Kontaktierung eines Fahrdrahts wesentlich herabgesetzt. Somit ist ein häufiger Austausch der Stromübertragungsvorrichtung bzw. von gegebenenfalls verschlissenen Komponenten erforderlich. Auch müssen Wartungsintervalle wesentlich verkürzt werden, was insgesamt zu hohen Betriebskosten führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromübertragungsvorrichtung vorzuschlagen, die eine verlängerte Lebensdauer bei niedrigen Betriebskosten aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Stromübertragungsvorrichtung zur stationären Aufladung elektrischer Energiespeicher von Fahrzeugen und/oder zur mobilen Versorgung elektrischer Antriebe von Fahrzeugen umfasst die Stromübertragungsvorrichtung eine Kontakteinheit mit einem Hebelarmsystem und zumindest einem elektrischen Kontaktelement, wobei das Kontaktelement mit einen Fahrzeug zugeordneten, stromführenden Kontaktflächen kontaktierbar ist, wobei das Kontaktelement mittels des Hebelarmsystems zwischen einer Ausfahrstellung zur Stromübertragung und einer Einfahrstellung zur Stromunterbrechung positionierbar ist, wobei die Stromübertragungsvorrichtung eine Antriebseinheit zum Antrieb des Hebelarmsystems umfasst, wobei die Antriebseinheit einen Verstellantrieb und eine mit dem Verstellantrieb zusammenwirkende Federeinrichtung aufweist, wobei der Verstellantrieb einen bürstenlosen Elektromotor aufweist.
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Die Stromübertragungsvorrichtung ist demnach zur permanenten Versorgung elektrisch angetriebener Fahrzeuge über einen Fahrdraht oder auch zur Herstellung eines Ladekontaktes an beispielsweise einer Haltestelle prinzipiell geeignet. Die Anzahl der stromführenden Kontaktflächen bzw. der Ladekontakte oder des Fahrdrahts ist dabei nicht von Bedeutung. Die Stromübertragungsvorrichtung kann demnach ein oder mehrere elektrische Kontaktelemente umfassen, die mittels des Hebelarmsystems in die Ausfahrstellung gebracht und dann mit Ladekontakten oder dem Fahrdraht zur Stromübertragung kontaktiert werden. In der Einfahrstellung wird das oder die Kontaktelemente bewegt bzw. abgesenkt oder angehoben und so von über oder seitlich neben dem Fahrzeug befindlichen Ladekontakten bzw. dem Fahrdraht getrennt. Das Hebelarmsystem führt demnach eine Bewegung des oder der Kontaktelemente oberhalb des oder seitlich neben dem Fahrzeug aus, die in vertikaler bzw. horizontaler Richtung verläuft, jedoch auch horizontale bzw. vertikale Bewegungsanteile, beispielsweise durch Verschwenken der Kontaktelemente, umfassen kann.
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Zur Ausführung der Bewegung weist die Stromübertragungsvorrichtung die Antriebseinheit auf, die auf das Hebelarmsystem wirkt. Die Antriebseinheit weist Ihrerseits den Verstellantrieb, der mit der Federeinrichtung zusammenwirkt, auf. Der Verstellantrieb und die Federeinrichtung bewirken jeweils Kräfte, die einander entgegengesetzt auf das Hebelarmsystem wirken. Je nachdem, ob eine Kraft des Verstellantriebes größer ist als eine Kraft der Federeinrichtung oder umgekehrt, wird das Hebelarmsystem bzw. das Kontaktelement in die Ausfahrstellung oder in die Einfahrstellung bewegt. Auch kann eine Kraft des Verstellantriebs immer größer sein als eine Kraft der Federeinrichtung, wenn der Verstellantrieb eine Bewegung in entgegengestzte Richtungen bewirken kann. Insbesondre dadurch, dass der Verstellantrieb einen bürstenlosen Elektromotor aufweist, können besonders viele Bewegungszyklen ausgeführt werden. Ein bürstenloser Elektromotor erfordert wesentlich weniger und längere Wartungsintervalle als ein bürstenbehafteter Elektromotor bei gleichen mechanischen Leistungsdaten. So ist es insgesamt möglich, eine Stromübertragungsvorrichtung auszubilden, deren Wartungsintervalle verlängert sind bzw. Lebensdauer verlängert ist. Als bürstenloser Motor bzw. Elektromotor ohne Schleifkontakte zwischen Rotor und Stator kann beispielsweise eine Drehstrom-Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer oder auch eine Synchronmaschine mit elektronischer Drehfelderzeugung bzw. ein bürstenloser Gleichstrommotor eingesetzt werden.
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Die Federeinrichtung kann zumindest eine Zugfeder oder eine Druckfeder aufweisen, die eine Federkraft auf das Hebelarmsystem bewirkt. Vorzugsweise kann eine Zugfeder verwendet werden, da eine Zugfeder besonders einfach an dem Hebelarmsystem angeschlossen werden kann. Auch kann vorgesehen sein, dass die Federeinrichtung eine Mehrzahl von Federn aufweist, und die Federkraft permanent auf das Hebelarmsystems wirkt. Die Feder kann demnach in jeder Stellung des Hebelarmsystems vorgespannt sein. Eine derartige Federeinrichtung ist besonders robust sowie einfach und kostengünstig herstellbar.
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In einer Ausführungsform kann der Verstellantrieb ein Hubantrieb zum Ausfahren des Kontaktelements sein, der mechanisch mit der Federeinrichtung zusammenwirkt. Bei dem Hubantrieb kann dann durch eine Betätigung des Verstellantriebs ein Ausfahren des Kontaktelements bzw. des Hebelarmsystems bewirkt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Verstellantrieb ein Senkantrieb zum Absenken des Kontaktelements sein, der mechanisch mit der Federeinrichtung zusammenwirkt. Der Verstellantrieb dient dann zum Absenken des Kontaktelements bzw. des Hebelarmsystems. Die Federeinrichtung dient dann umgekehrt bei dem Hubantrieb zum Absenken des Kontaktelements und bei dem Senkantrieb zum Ausfahren des Kontaktelements. In beiden Fällen ist dann eine durch den Verstellantrieb auf das Hebelarmsystem bewirkte Kraft zum Ausfahren oder zum Absenken stets größer als eine Federkraft der Federeinrichtung und umgekehrt.
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Vorteilhaft kann der Verstellantrieb eine Kugelgewindespindel oder eine Trapezgewindespindel aufweisen, die einen Linearantrieb zum Antrieb des Hebelarmsystems ausbildet, und an die der Elektromotor gekoppelt sein kann. Der Elektromotor kann demnach die Kugelgewindespindel oder die Trapezgewindespindel antreiben, so dass eine Drehbewegung des Elektromotors in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird. Die translatorische Bewegung kann dann wiederum zur Betätigung des Hebelarmsystems dienen. Insbesondere kann durch die Verwendung der Kugelgewindespindel oder der Trapezgewindespindel eine Lebensdauer des Verstellantriebes verlängert werden, da beide Spindeln vergleichsweise robust sind. Der Linearantrieb kann folglich aus der betreffenden Spindel und einer entsprechend angepassten Spindelmutter ausgebildet sein, wobei die Spindel oder auch die Spindelmutter an eine Kolbenstange angeschlossen sein kann, die auf das Hebelarmsystem wirkt.
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Der Verstellantrieb kann weiter eine Bremseinrichtung aufweisen. Insbesondere wenn eine Kugelgewindespindel verwendet wird, kann der Verstellantrieb dann nicht selbsthemmend sein. Weiter kann mit der Bremseinrichtung sichergestellt werden, dass keine unbeabsichtigte Bewegung des Hebelarmsystems erfolgt. Die Bremseinrichtung kann als federbetätigte elektrische Ruhestrombremse, als elektromagnetische Permanentmagnet-Ruhestrombremse, als elektromagnetische Arbeitsstrombremse oder als mechanische Bremse, wie zum Beispiel als eine Schlingfederbremse, ausgebildet sein.
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Weiter kann der Verstellantrieb ein Getriebe aufweisen, an das der Elektromotor gekoppelt ist. Vorzugsweise kann mit dem Getriebe eine Drehzahl des Elektromotors gemindert und damit eine Kraftwirkung erhöht werden. Sofern der Verstellantrieb eine Spindel aufweist, kann das Getriebe zwischen dem Elektromotor und der Spindel angeordnet sein. In diesem Fall kann das Getriebe so ausgebildet sein, dass der Elektromotor parallel zur Spindel, unmittelbar neben dieser angeordnet ist. Der Verstellantrieb kann so besonders kompakt ausgebildet werden.
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Der Verstellantrieb kann darüber hinaus eine Regeleinrichtung aufweisen. Die Regeleinrichtung kann beispielsweise eine Regelelektronik für den Elektromotor sein. Die Regelelektronik kann so ausgebildet sein, dass der bürstenlose Elektromotor, ähnlich wie ein bürstenbehafteter Elektromotor, über zwei Pole angesteuert werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Regelelektronik direkt in dem Elektromotor integriert ist.
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Auch kann die Regeleinrichtung so ausgebildet sein, dass ein Steuersignal für einen Gleichstrom-Permanetmagnetmotor von der Regeleinrichtung verarbeitbar ist, wobei der bürstenlose Elektromotor dann mittels der Regeleinrichtung ansteuert werden kann. Die Regelelektronik kann demnach das Steuersignal für den Gleichstrom-Permanetmagnetmotor „übersetzen” bzw. zur Ansteuerung des Gleichstrom-Permanetmagnetmotors verwenden. Dadurch wird die Stromübertragungsvorrichtung auch an Fahrzeugen einfach einsetzbar, die alleine ein Steuersignal für Gleichstrom-Permanetmagnetmotoren bereitstellen.
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Weiter ist es möglich, die Regelelektronik so auszubilden, dass eine maximale Drehzahl des Elektromotors erst nach einer bestimmten Laufzeit, erreicht wird. So kann die Regeleinrichtung so ausgebildet sein, dass eine maximale Drehzahl des Elektromotors erst nach einer Laufzeit des Elektromotors von 0 bis 7 Sekunden, vorzugsweise 1 bis 3 Sekunden, erreicht wird. Dadurch können eine unmittelbare Kraftwirkung sowie Schwingungen des Verstellantriebs und des Hebelarmsystems vermieden bzw. vermindert werden. Das so geregelte Anlaufen des Elektromotors bewirkt dann ebenfalls eine Verlängerung einer Lebensdauer der Stromübertragungsvorrichtung.
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Die Stromübertragungsvorrichtung kann weiter eine Rahmeneinheit zur Anordnung der Stromübertragungsvorrichtung an einem Fahrzeug umfassen. Die Rahmeneinheit kann über Dämpfer, Füße und/oder Isolatoren auf einem Fahrzeugdach einfach montiert werden. Die Stromübertragungsvorrichtung wird so auch besonders einfach auswechselbar.
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Ein unterer Arm des Hebelarmsystems und der Verstellantrieb können an der Rahmeneinheit schwenkbar befestigt sein. Die Rahmeneinheit kann somit auch als Befestigungsbasis für das Hebelarmsystem und den Verstellantrieb dienen.
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Die Stromübertragungsvorrichtung kann auch zur Anordnung an einer Ladestation oberhalb eines Fahrzeugs ausgebildet sein.
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Das Hebelarmsystem kann als ein Einarmsystem oder als mehrteiliges Scherensystem, vorzugsweise mit einer Parallelogrammführung oder als ein Pantograf ausgebildet sein. Das Einarmsystem kann dann eine Parallelogrammführung zur Ausführung einer definierten Bewegung des Kontaktelements umfassen, wobei das Scherensystem in Art eines Pantografs ausgebildet sein kann.
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Nachfolgend werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Stromübertragungsvorrichtung;
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2 eine Detailansicht aus 1;
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3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Stromübertragungsvorrichtung;
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4 eine Detailansicht aus 3.
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Eine Zusammenschau der 1 und 2 zeigt eine Stromübertragungsvorrichtung 10, die auf einem Dach eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs befestigt werden kann. Die Stromübertragungsvorrichtung 10 umfasst im Wesentlichen eine Kontakteinheit 11 mit einem Hebelarmsystem 12 und zwei Kontaktelementen 13, die zur Kontaktierung eines hier nicht dargestellten Fahrdrahtes ausgebildet sind. Weiter umfasst die Stromübertragungsvorrichtung eine Antriebseinheit 14 mit einem Verstellantrieb 15 sowie einer Federeinrichtung 16.
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Das Hebelarmsystem 12 ist als ein Einarmsystem 17 mit einem unteren Arm 18 und einer Parallelogrammführung 19 für einen oberen Arm 20 ausgebildet. Insbesondere der untere Arm 18 ist an einer Rahmeneinheit 21 zusammen mit dem Verstellantrieb 15 schwenkbar befestigt. Die Antriebseinheit 14 ist so ausgebildet, dass der Verstellantrieb 15 auf einen Hebel 22 des unteren Arms 18 eine Kraft bewirken kann, die größer ist als eine Kraft, die von einer Zugfeder 23 der Federeinrichtung 16 auf einen Hebel 24 am unteren Arm 18 ausgeübt wird. Dadurch können die Kontaktelemente 13 von der hier dargestellten Ausfahrstellung in eine Einfahrstellung bewegt werden.
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Der Verstellantrieb 15 umfasst einen bürstenlosen Elektromotor 25, ein daran angeschlossenes Getriebe 26 sowie einen Linearantrieb 27 mit einer hier nicht sichtbaren Trapezgewindespindel. Die Trapezgewindespindel ist über das Getriebe 26 und den bürstenlosen Elektromotor 25 derart drehbar, dass hier eine ebenfalls nicht dargestellte Spindelmutter eine Linearbewegung bzw. Betätigung einer Antriebsstange 28, die unmittelbar auf den Hebel 22 wirkt, bewirken kann. Der bürstenlose Elektromotor 25 ist über eine Anschlussleitung 29 mit einer Stromversorgung verbunden.
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Eine Zusammenschau der 3 und 4 zeigt eine weitere Stromübertragungsvorrichtung 30 mit einer Kontakteinheit 31 und einem Hebelarmsystem 32. Die Kontakteinheit 31 umfasst Ladekontaktelemente 33 zur Kontaktierung einer hier nicht dargestellten Ladestation an einer Haltestelle. Die Stromübertragungsvorrichtung 30 umfasst weiter eine Antriebseinheit 34 mit einem Verstellantrieb 35 und einer Federeinrichtung 36.
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Das Hebelarmsystem 32 ist als ein Einarmsystem 37 mit einem Arm 38 und einem Ladekontaktarm 39 sowie einer Parallelogrammführung 40 ausgebildet. Der Arm 38 ist verschwenkbar an einer Rahmeneinheit 41, wie auch der Verstellantrieb 35, angeordnet. Der Verstellantrieb 35 wirkt mit einer Antriebsstange 42 auf einen Hebel 43 an dem Arm 38, wobei Zugfedern 44 der Federeinrichtung 36 an einem Hebel 45 an dem Arm 38 befestigt sind und eine Gegenkraft bewirken.
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Der Verstellantrieb 35 umfasst einen bürstenlosen Elektromotor 46, der an ein Getriebe 47 angeschlossen ist, welches wiederum mit einem Linearantrieb 48 verbunden ist. Der Linearantrieb 48 umfasst seinerseits eine Trapezgewindespindel, die hier nicht sichtbar in einem Gehäuse 49 des Linearantriebs 48 aufgenommen ist und auf die Antriebsstange 42 über eine Mutter wirkt. Durch eine Bewegung der Antriebsstange 42 kann somit die Kontakteinheit 31 bzw. die Ladekontaktelemente 33 in die eine hier dargestellte Ausfahrstellung und in eine Einfahrstellung bewegt werden.
