DE2356112C3

DE2356112C3 - Magnetisierungseinrichtung für die Räder eines Schienenfahrzeugs

Info

Publication number: DE2356112C3
Application number: DE2356112A
Authority: DE
Inventors: Yvon Lesquin Dubreucq (Frankreich)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-10
Filing date: 1973-11-09
Publication date: 1980-10-16
Also published as: US3881578A; JPS5120086B2; BE824561A; CA1014080A; DE2356112A1; GB1410865A; IT1008597B; DE2356112B2; JPS5024916A

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetisierungseinrichtung für die Räder eines Schienenfahrzeuges mit im Bereich der unteren Hälften der Räder angeordneten und das jeweilige Rad in Form eines ovalen Ringes umfassenden Erregerwicklungen, wobei die Stromflußrichtungen in den Wicklungen der zueinander koaxialen Räder gegensinnig und in den Wicklungen sich diagonal gegenüberliegender Räder gleichsinnig sind.

Die nach dem Stand der Technik am häufigsten benutzte Bremsvorrichtung, die Klotzbremse auf dem Rad, ist bei hohen Geschwindigkeiten durch die Zunahme des Verschleißes der Klötze und durch das Auftreten von Punkten thermischer Ermüdung auf den Laufflächen in ihrer Anwendung begrenzt.

Die Bremskraft muß nämlich in allen Fällen unter der Blockierungsgrenze bleiben, da die Blockierung eine sehr schnelle Beschädigung der Räder nach sich ziehen würde.

Andere Bremsvorrichtungen, mit denen die Achsen abgebremst werden, ohne daß direkt auf die Lauffläche der Räder eingewirkt wiFd, beispielsweise die Scheibenbremsen, entlasten zwar das Rad teilweise, da sie die thermische Überbelastung an der Lauffläche des Rades vermeiden, sie sind jedoch auf einen maximalen Bremsverzögerungswert von 1—2 m/s² begrenzt, der ebenfalls vom Reibungskoeffizienten der Rad-Schienen-Haftung gegeben ist und praktisch von der Masse der zu bremsenden Achse unabhängig ist.

Darüber hinaus sind auch zwei andere Bremssysteme bekanntgeworden, bei denen die Bremskraft ohne über das Rad zu wirken direkt auf die Schiene ausgeübt wird. Diese Systeme beseitigen zwar den Nachteil des Grenzwerts der Rad-Schienen-Haftung, sie bringen jedoch andere Schwierigkeiten mit sich. Das eine bekannte System, bei dem die aktiven Flächen eines Elektromagneten direkt auf der Schiene schleifen, kann höchstens für Notbremsungen benutzt werden, da es

ίο starkem Verschleiß unterliegt. Das andere System, bei dem in der Schiene durch einen direkt darüber liegenden Elektromagneten Wirbelströme erzeugt werden, wirft in der Praxis Probleme auf, da es einen geringen Abstand zwischen den aktiven Flächen der Elektromagnete und der Schiene voraussetzt Diese Elektromagnete weisen nämlich ein beträchtliches Gewicht auf und müssen am Radgestell aufgehängt werden. Aus diesem Grunde sind sie von Höhenänderungen des Fahrgestells gegenüber der Schiene abhängig. Auf jeden Fall ist dabei zu gewährleisten, daß ihr Abstand jeweils dem Verschleiß der Räder angepaßt wird, was verständiicherweise zu Konstruktionen von beträchtlicher Kompliziertheit führt. Eine derartige Wirbelstrombremse ist in der DE-OS 20 35 781 beschrieben. In dieser Druckschrift ist insbesondere das Problem betrachtet, daß die Form des Schienenkopfprofils eine für die Entstehung von Wirbelströmen recht ungünstige Form aufweist und daß deshalb Maßnahmen getroffen werden müssen, um möglichst kleine Luftspalte zwischen den Elektromagneten und der Schiene sicherzustellen. Die sich daraus ergebenden besonderen Probleme, nämlich das Schleifen der Polflächen während der Bremsung beim Fahren über Unebenheiten werden dabei dadurch gelöst, daß an den Elektromagneten Kufen oder spezielle Räder angebracht sind, welche über die Polflächen vorstehen.

Ferner ist ein System zur örtlichen Verlangsamung eines Schienenfahrzeuges bekannt, bei dem der gerade befahrene Gleisabschnitt mit einer Erregerspule ausgerüstet ist, die auf einem magnetischen, im Schienenbelt angeordneten Querelement sitzt, das die beiden Schienen miteinander verbindet. Wenn dabei ein Fahrzeug auf diesen Gleisabschnitt gelangt, dann schließt sich der durch die Erregerwicklung in dem Querelement und den Schienen erzeugte Magnetfluß über die Räder und die Achse des Schienenfahrzeuges. Daraus ergibt sich eine Abbremsung des Fahrzeugs durch Wirbelströme, die sich in den Rädern und zu einem geringeren Teil auch in den Schienen aufbauen.

Ein derartiges System ist jedoch nur für die Abbremsung von Fahrzeugen in Rangierbahnhöfen brauchbar, keinesfalls jedoch für ein Eisenbahnnetz insgesamt, da die erforderlichen Einrichtungen wesentlich aufwendiger als die ansonsten üblichen Bremssysteme sind.

Eine Magnetisierungseinrichtung für die Räder eines Schienenfahrzeuges von der eingangs angeführten Art ist bereits aus der US-PS 6 71 482 bekannt, und dabei wird das durch die Erregerwicklung erzeugte Magnetfeld zur Adhäsionserhöhung, insbesondere zur Vermeh-

bo rung des Raddruckes von Triebfahrzeugen ausgenutzt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die bisher nur zur Adhäsionsvermehrung benutzte Magnetisierungseinrichtung so auszugestalten, daß sic als vollwertige Wirbelstrombremse eingesetzt werden

hs kann, trotz der Notwendigkeit sehr hoher Erregerströme nicht zu schwer und dennoch geeignet ist, den hohen auftretenden Bremskräften und auch den Wärmebeanspruchungen standzuhalten.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Verwendung als Wirbelstrombremse, wobei jede Erregerwicklung aus bandförmigen Aluminiumleitern gewickelt und zu einem selbsttragenden Körper verklebt ist, der über seine Endbereiche sandwichartig umfassende Halterungen mit dem abgefederten Fahrgestell verbunden ist

Diese Maßnahmen erbringen ein überraschend vorteilhaftes Bremsverhalten, da konstruktionsbedingt mit sehr hoh^-n Stromstärken gearbeitet werden kann, das Eigengewicht der Bremseinrichtungen nicht störend in Erscheinung tritt und dabei die auftretenden Wärmebeanspruchungen innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben. Die spezielle Art der Befestigung der aus bandförmigen Aluminiumieitern gewickelten Erregerwicklung ermöglicht eine optimale Übertragung der auftretenden Reaktionskräfte auf das abgefederte FahrgestelL

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist das untere Element der sandwichartigen Halterung als nach Lösen von Schraubverbindungen abnehmbares Blech ausgebildet. Dadurch kann die Erregerwicklung gegebenenfalls auf einfache Weise demontiert werden, und außerdem ergeben sich beim erneuten Einsetzen einer Erregerwicklung keinerlei Justierungs- oder Einstellschwierigkeiten.

Ein insbesondere in vertikaler Richtung besonders geringer Platzbedarf für die Wirbelstrombremse ergibt sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dann, wenn die sandwichartige Halterung aus rinnenartig ausgebildeten oberen und unteren Elementen besteht und die Länge von zur gegenseitigen Verspannung der Elemente vorgesehenen Bolzen nicht größer als der gegenseitige Abstand der Außenwandungen der Rinnenböden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Anordnung von Erregerwicklungen zur Ausbildung einer Wirbelstrombremse gemäß der Erfindung,

Fig.2 eine schcmalischc Darstellung der elektrischen Reihenschaltung dieser Wicklungen,

Fig.3 eine Teil-Draufsicht eines Fahrgestells mit einem mit einer Erregerwicklung ausgerüsteten Rad,

F i g. 4 eine Seitenansicht der Anordnung nach F i g. 3,

Fig.5 einen vergrößerten Schnilt entsprechend der LinieXI-XlvonFig.3,

Fig.6 eine im Maßstab verkleinerte Darstellung einer Abwandlung der Befestigung der Erregerwicklungen,

Fig.7 einen Schnitt nach der Linie XIII-XIlI von F i g. 6 in größerem Maßstab,

Fig.8A und 8B vergleichende Diagramme, die in Abhängigkeit von der Zeit einerseits die Abnahme der Geschwindigkeit und andererseits die gleichzeitige Änderung der Verlangsamung bei einer Haltebremsung eines normal belasteten Radgestells zeigt, wobei der Erregungsstrom konstant ist.

Fig.9 ein Diagramm, das schematisch die Schar der Kennlinien der Yerlangsamung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bei demselben Radgestell und bei drei Werten des Erregungsstroms zeigt, und

Fig. IO ein Diagramm, das die Erwärmung der Wicklungen während einer Haltcbremsung ausgehend von 200 km/h iii Abhängigkeit von dem Erregungsstrom zeigt.

In der Fig. I ist eit/ Radgestell eines Schienenfahrzeuges mit einer Wirbelstrombremse dargestellt, bei der der durch Pfeile dargestellte magnetische Sekundär kreis aus jeweils zwei Räderpaaren 8,14 und 10,12, den zwischen diesen Rädern befindlichen Schienenteilen 16 S und 18 und den Achsen 4, 6, die die koaxialen Räder verbinden, besteht. Die Räder, die Achsen und die Schienen bestehen aus magnetischem Metall. Die Erregerwicklungen 36, 38, 40, 42 sind durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise Laschen 44, an dem

m Fahrgestell befestigt und um die untere Hälfte der Räder herum angeordnet.

Bei dieser Anordnung sind die jeweiligen Strömungsrichtungen des Stroms in den Erregerwicklungen so gewählt, daß die in zwei koaxialen Rädern erzeugten parallelen Magnetflüsse so gerichtet sind, daß sie nicht einander entgegenwirken.

Wie Fig.2 zeigt, sind zu diesem Zweck die Erregerwicklungen, die auf den diagonal entgegengesetzten Rädern angeordnet sind, und zwar die

_'i) Erregerwicklungen 36 und 40 für die Räder 8 und 12, von Strömen derselben Richtung fi &: chflossen, während die Erregerwicklungen 38 und 42 der Räder <0 und 14 der anderen Diagonale von Strömen durchflossen werden, die untereinander dieselbe Richtung Fi haben,

>5 die jedoch der Richtung Fi der ersten Diagonale entgegengesetzt ist. Die Strömungsrichlungen des Stroms von zwei Erregerwicklungen zweier benachbarter Räder auf derselben Schiene müssen, selbst wenn diese Räder nicht zu demselben Radgestell gehören,

so entgegengesetzt sein.

Die Anordnung der Erregerwicklungen um die untere Hälfte der Räder herum, wie es in Fi g. 1 dargestellt ist, ist durch die bessere Ausnutzung des gesamten erzeugten Flusses sowohl hinsichtlich des Erhalts der

(-> verzögernden Wirbelströme als auch hinsichtlich der Erzeugung der Anziehungskräfte zwischen Schiene und Rädern besonders vorteilhaft.

Zur Veranschaulichung der Größenordnung der Bremskräfte, die mit der oben beschriebenen Vorrichtung erreicht werden, werden folgende Zahlen genannt; bei der in Fig. I gezeigten Vorrichtung beträgt die Bremskraft für ein Rad etwa 800 kg bei einer Erregerwicklung, die 10 kW verbraucht und ungefähr 50 kg wiegt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die F i g. 3, 4 und 5 eine praktische Ausführungsform der Erregerwicklungen und der Einrichtungen zu ihrer Befestigung um die Räder herum beschrieben, bei welcher die Erregerwicklungen leicht demontiert werden können

-,o und gleichzeitig ein möglichst geringes Gewicht haben.

Bei der in diesen Figuren dargestellten Vorrichtung ist der Querträger 35 an dem Längsträger 37 angeschweißt. Diese beiden Teile gehören zum Fahrgestpll und bilden dessen Chassis, das mittels Federn 39

-,-, aufgehängt ist, die auf den Radkasten 41 aufliegen, in denen sich die Achse 4 dreht, auf der das Rad 8 und die Bremsscheibe %A montiert ist. Die Erregerwicklung 36 umgibt das Rad 8 und besitzt einen rechteckigen Querschnitt. Sie besteht aus einem Band aus gewalztem

„ο Aluminium, da:, auf seinen beiden Flächen und seinen Schmalkanten über eine geringe Stärke von einigen Mikrometern oxydiert ist. Dieses Band wird zur Herstellung der Erregerwicklung um einen Formkern gewickelt, wobei jede Windung an die vorhergehende

tv-, mittels eines warm polymerisierbaren Epoxydharzes angeklebt wird, so daß .nan am Ende des Wickeivorgangs die Windungen mittels Klemmvorrichtungen zusammenpressen kann und diese Einheit ausbacken

kann, so daß nach dem Ausblicken und nach Beseitigung der Klemmvorrichtungen eine kompakte und feste Wicklung mit der gewünschten Form erhallen wird.

Die Stromzuführung unc! -abführung erfolgt über ein Kupferband, das an das Aluminium kalt angeschweißt ist und mit dem ein Kabel 43/i zur Stromzuleitung verbunden ist.

Die Aluminium-Kupfer-Verbindungen sind mit einem Schlitzband 43-4 umgeben. Die Erregerwicklung ist von einem Mantel 47 umgeben, der aus einer Bandwicklung eines isolierenden Bleches besteht, das mil einem Gemisch aus Harzen und mineralischen, abriebfesten Füllstoffen imprägniert ist. Dieses vorzugsweise kalt polymerisierbar Gemisch kann mit dem Pinsel auf die umwickelte Erregerwicklung aufgetragen werden. Dieser Mantel gewährleistet die Abdichtung und den Schutz der Erregerwicklung.

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voller Aluminiumkranz verhält, ist an dem Fahrgestell über als Bleche ausgebildete Bcfestigungsorgane mit oberen und unteren Elementen 49, 51, 53 und 55 befestigt, die jedes ihrer Enden sandwichartig ergreifen, wobei Schichten 56 aus synthetischem Gummi dazwischengelegt sind und eine Eestspannung durch Schrauben 57 vorgenommen wird, um die herum Hülsen 58 aus isolierendem Werkstoff zur Positionierung der Erregerwicklung 36 in der horizontalen Ebene dienen. Das obere Element 49 ist an dem Fahrgestell über einen Halter 59. der an dem Querträger 35 angeschweißt ist. und über einen Halter 60. der an dem Längsträger 37 angeschweißt ist. aufgehängt. Das obere Element 53 ist an dem Längsträger 37 über einen winkelförmigen Halter 61 aufgehängt, der durch ein Eckslück 62 verstärkt ist. Der Halter 61 und das obere Element 53 sind durch eine Schweißstelle 63 miteinander verbunden. Das untere Element 51 ist an einem Ende abgewinkelt und durch die Schrauben 64 an dem Halter 60 befestigt. Zum Abbau einer Achse genügt es also, das Kabel 43S aus dem Anschlußkasten 65 zu lösen und die Erregerwicklung 36 durch Abschrauben der Muttern 66 und der Schrauben 64 abzunehmen.

Lw H ι g.-5 ist zu bemerken, dali das Kad die oberen Elemente 49 und 53 passieren kann. Die Köpfe der Schrauben 53 sind extra flach und sitzen zum Teil in Aussparungen, die in den unteren Elementen 51 und 55 vorgesehen sind, damit der Höhenplatzbedarf über der Schiene 16, der sich an das Normmaß halten muß. verringert wird. In manchen Fällen nämlich kann die Beibehaltung eines Bremsklotzes 67/4 erwünscht sein, der eine zu starke Vergrößerung der Erregerwicklung 36 verhindert, deren vertikale Gesamtabmessung so gering wie möglich sein muß.

Diese Ausbildung der Erregerwicklung als ein selbsttragender, nur an seinen Enden aufgehängter Träger ist zweckmäßig hinsichtlich des Gewichts und des Platzbedarfs, der auch in der horizontalen Ebene durch den Durchgang zwischen dem Rad 8 und der Bremsscheibe 8Λ begrenzt ist. die zweckmäßigerweise zur Sicherheit beibehalten werden kann.

Die F i g. 6 und 7 zeigen eine Abwandlung der Befestigung der Erregerwicklung 36, die eine Verringerung des vertikalen Platzbedarfs ermöglicht. Die als Bleche ausgeführten oberen und unteren Elemente 67 und 68 sind in diesem Fall ausgebaucht und tragen Laschen, in die Schrauben 69 eingesetzt sind, deren Muttern 70 von unte ^geschraubt werden können. Im übrigen ist die Be.jstigung dieselbe wie bei der vorhergehenden Ausfuhrurisfcm. Diese Abwandlung bielet ferner den Vorteil, daß die Erregerwicklung besser gegen .Spritzwasser und dergleichen geschütz ist.

Das Diagramm der I ig. 8Λ zeigt die Kurve /"cinei

ί Bremsung aus 200 km/h, und zwar nur mittels der mil konstantem Strom erregten Erregerwicklungen Jei Wirbelstrombremse. Man sieht, daß der Bremsweg, dci durch den Wert der schraffierten Flächen C + /. dargestellt ist, nur um 4% größer als der durch die

ι» Fläche C allein dargestellte Bremsweg ist. den mar erhielte, wenn die Bremsung bis zum Stillstand konstant gewesen wäre. Diese Zunahme ist gering und wire durch die Erhöhung der maximalen Verlangsamunf weit ausgeglichen, die das Radgestell infolge dei

r, Erhöhung der Haftung und der direkten Bremsung durch die Schiene erhallen kann.

Die Kurve G des Diagramms von Fig. 8B zeigt dii Andrriing der Vprhingsamung während des Anhaliens Die Restverlangsamung wird durch die verschiedener Reibungen eines belasteten Radgestell bewirkt und da; progressive Verschwinden der Verlangsamung wahrem des zweiten Teils der Bremsung verhindert, daß dii Fahrgäste das unangenehme Gefühl eines Rucke empfinden.

.'") F i g. 9 zeigt bei H daß die Periode der progressiver Abnahme der Verlangsamung an den Höchstwert dei Vcrlai'rsamung angepaßt ist und daß dieser Höchst wer im wesentlichen zu dem Wert des Stroms /proportiona ist. und zwar auch bei hohen Werten wie 1.2 m/s^?.

ίο Fig. 10 zeigt bei H die Änderung der Erwärmung (-. der Wicklungen bei Anhallcvergängcn aus 200 km/h mit verschiedenen Stromstärken i, wobei natürlich die Anhaltezciten zunehmen, wenn /abnimmt.

Die beschriebene dynamische Wirbelstrombrcmsvor

is richtung kann als Hauplbrcmse anfallen Fjscnbahnfahr zeugen benutzt werden, bei denen eine elektrische Stromquelle zur Verfugung steht, ob sie nun über cir Schlcifstück abgenommen wird. cJcr von cinei elektrischen Maschine an Bord des Fahrzeugs kommt.

■«ο Der Aufbau der Erregerwicklungen kann durch die Wahl der Stärke des Aluminiumbandes an eine gegebene Spannung angcpaut werden, und zwai aufgrund des umgekehrten Verhältnisses der Spannung indem seine Breite konstant gehalten wird. Dank de«

4S Wickelverfahrens mit gegenseitiger Verklebung dci Windungen wird die mechanische Steifigkeit dei Erregerwicklung durch einen Spannungswechsel nichi beeinträchtigt. Dies wäre nicht der Fall, wenn die Erregerwicklung aus Draht hergestellt wäre. In dicscrr Fall müßte die Erregerwicklung von einem tarrer Gerippe getragen werden. Wenn insbesondere die Erregerwicklung aus Kupferdraht hergestellt ist, beträgt ihr Gewicht bei demselben Erregungsleistungsverbrauch wie bei der Erregerwicklung aus Aluminiumband etwa das Doppelte. Infolgedessen werden die durch die Beschleunigungen verursachten Kräfte verdoppelt während die durch die Bremsreaktionen verursachten Kräfte unverändert bleiben. Da die mechanische Steifigkeit einer solchen Erregerwicklung, selbst wenn sie korrekt imprägniert ist, schlecht ist, muß sie auf ihrer ganzen Länge von Versteifern getragen werden, die um das Gewicht nur um ein Minimum zu erhöhen, aus Lichtmetall, beispielsweise aus Aluminium, bestehen. Da diese Versteifer nicht an der Erzeugung des Magnetflusses teilnehmen, bi'tden sie gegenüber acr gemäß dci Erfindung vorgeschlagenen Lösung ein zusätzliches Totgewicht und einen zusätzlichen nutzlosen Platzbedarf. Um die Bedeutung der mechanischen Steifigkeit

der Erregerwicklung zu verstehen, muß in Betracht gezogen werden, daß die Reaktionskräfte der Wirbclströme in der Erregerwicklung selbst entstehen und daß sie in der Größenordnung einer Tonne (IO 000 Newton) liegen. Diese Kräfte, deren Richtung im wesentlichen zu

den Schienen parallel ist. müssen über die Erregerwicklung ihre Befestigungsorgane und ihre Halter auf das Chassis des Radgestells übertragen werden, so daß diese Teile besonders sorgfältig ausgebildet sein müssen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnunpen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Magnetisierungseinrichtup.g für die Räder eines Schienenfahrzeuges mit im Bereich der unteren Hälften der Räder angeordneten und das jeweilige Rad in Form eines ovalen Ringes umfassenden Erregerwicklungen, wobei die StromfluBrichtungen in den Wicklungen der zueinander koaxialen Räder gegensinnig und in den Wicklungen sich diagonal gegenüberliegender Räder gleichsinnig sind, gekennzeichnet durch die Verwendung als Wirbelstrombremse, wobei jede Erregerwicklung (36, 38, 40, 42) aus bandförmigen Aluminiumleitern gewickelt und zu einem selbsttragenden Körper verklebt ist, der über seine Endbereiche sandwichartig umfassende Halterungen (49, 51, 57; 33, 55, 57) mit dem abgefederten Fahrgesteil (35,37) verbunden ist.

2. Magnetisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Element (51) der Eandwtchartigen Halterung als nach Lösen von Schraubverbindungen (64, 66) abnehmbares Blech ausgebildet ist

3. Magnetisierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halterungen (49, 51, 57; 33, 55, 57) und dem Erregerwicklungs-Körper (2-5, 38, 40, 42) Schichten (56) aus elastischem Werkstoff angeordnet sind.

4. Magnetisicrungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sandwichartige Halterung aus rinnenartig ausgebildeten obei cn und unteren Elementen (67,68) besteht und daß die Länge von zur gegenseitigen Verspannung der Elemente vergesehenen Bolzen (69) nicht größer als der gegenseitige A'^tand der Außenwandungen der Rinnenböden ist.