DE2916558C2

DE2916558C2 -

Info

Publication number: DE2916558C2
Application number: DE2916558A
Authority: DE
Inventors: John G. Orinda Calif. Us Bolger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-25
Filing date: 1979-04-24
Publication date: 1989-11-02
Also published as: SE7903599L; IT1165667B; FR2424145B1; US4331225A; FR2424145A1; GB2020451B; DE2916558A1; GB2020451A; NL7903237A; NL190233C; NL190233B; IT7967873A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches ist bekannt durch die US-PS 39 14 562.

Die Verunreinigung der Atmosphäre, die durch die zahlreichen vorhandenen Brennkraftmaschinen hervorgerufen wird, hat zu umfangreichen Forschungsarbeiten geführt, deren Ziel in der Entwicklung von Fahrzeugantrieben besteht, die nicht zu einer Verschmutzung der Atmosphäre beitragen. Zu den vorgeschlagenen Alternativen gehört die Verwendung elektrisch angetriebener Fahrzeuge mit Batterien als Energiequellen. Zwar werden solche Fahrzeuge seit einiger Zeit bei besonderen Fahrstrecken verwendet, z. B. in Form von Golfwagen, Gabelstaplern u. dgl., doch eignen sich die bekannten Batterien nicht zur Verwendung als Primärenergiequellen zum Antreiben von Fahrzeugen für allgemeine Zwecke. Die bekannten Batterien haben nicht nur eine unzureichende Ampèrestunden- Kapazität, um eine längere Benutzung zu ermöglichen, sondern ihr hohes Gewicht steht einer Verwendung als Primärenergiequelle bei Fahrzeugen entgegen.

Eine mögliche Lösung des Problems, die sich bei der Verwendung bekannter Batterien ergebenden Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde in der US-PS 8 74 411 vorgeschlagen, gemäß welcher ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit Batterien ausgerüstet werden sollte, mittels welcher das Fahrzeug bei der Fahrt auf Fahrbahnen der üblichen Art angetrieben werden sollte. Ferner wurde eine auf besondere Weise vorbereitete Fahrbahn vorgeschlagen, zu der ein oder mehrere Leiter gehören, die induktiv mit einem auf dem Fahrzeug angeordneten Aufnehmer gekoppelt sind, um den Betrieb des Fahrzeugs auf der vorbereiteten Fahrbahn zu ermöglichen und eine Energiespeichereinrichtung aufzuladen, z. B. Fahrzeugbatterien, oder eine andere Energiespeichereinrichtung, z. B. ein Schwungrad.

In der eingangs genannten US-PS 39 14 562 ist ein elektrisch antreibbares Fahrzeug beschrieben, bei dem Batterien vorhanden sind, die dazu dienen, das Fahrzeug bei der Fahrt auf gewöhnlichen Fahrbahnen anzutreiben, und das eine Einrichtung aufweist, die es ermöglicht, Energie von einem in eine vorbereitete Fahrbahn eingebetteten Leiter aufzunehmen, mittels welcher das Fahrzeug angetrieben wird und die Batterien aufgeladen werden können. Eine vorbereitete Fahrbahn mit einem durchgehenden Leiter zum Zuführen von Energie zu einem Elektrofahrzeug ist in der US-PS 40 07 817 beschrieben. Gemäß dieser US-Patentschrift weist das Fahrzeug eine Einrichtung auf, die es ermöglicht, die Energieaufnahmeeinrichtung abzusenken, um einen kleinen Luftspalt gegenüber dem Leiter einzustellen, wenn das Fahrzeug auf einer vorbereiteten Fahrbahn betrieben wird, und die Energieaufnahmeeinrichtung anzuheben, um einen den normalerweise anzutreffenden Hindernissen entsprechenden Spielraum für den Fall zu schaffen, daß das Fahrzeug auf einer normalen Fahrbahn betrieben wird. Jedoch wird bei diesem mit induktiver Kopplung arbeitenden Fahrzeugsystem die Induktivität der Kopplung ständig durch senkrechte Verlagerungen beeinflußt, die durch Unregelmäßigkeiten der Fahrbahn sowie durch die Radaufhängung hervorgerufen werden, so daß sich der Luftspalt ständig verändert, was zu entsprechenden Schwankungen des Energieflusses führt. Ferner ergeben sich Veränderungen der Induktivität als Folge seitlicher Verlagerungen, die auf bei der Lenkung auftretende Fehler zurückzuführen sind. Bei diesem bekannten Fahrzeug ist eine Einrichtung vorhanden, die dazu dient, automatisch den gewünschten Luftspalt zwischen dem in die Fahrbahn eingebetteten Leiter und der Energieaufnahmeeinrichtung aufrechtzuerhalten. Zu dieser Einrichtung gehört eine elektrische Schaltung mit mechanischen Servoeinrichtungen, mittels welcher die Energieaufnahmeeinrichtung gegenüber dem Fahrbahnleiter nach Bedarf gehoben bzw. gesenkt wird, um die Breite des Luftspaltes auch bei einer ungleichmäßigen Fahrbahn konstant zu halten. Jedoch führt die Verwendung von Servoeinrichtungen zum Verstellen der Energieaufnahmeeinrichtung und zur Regelung der Breite des Luftspaltes innerhalb enger Grenzen zur Erzielung einer wirtschaftlichen Übertragung von Energie von dem Fahrbahnleiter zum Fahrzeug zu Problemen und Nachteilen, z. B. zu einer Erhöhung des Fahrzeuggewichts und zu einem größeren Aufwand für die Wartung. Ferner benötigt man bei hohen Fahrgeschwindigkeiten eine sehr empfindliche und relativ komplizierte Einrichtung zum Ausgleichen plötzlicher Veränderungen der Fahrbahnhöhe oder des Vorhandenseins kleiner Hindernisse auf der Fahrbahn.

Bei anderen elektrischen Fahrzeugen, z. B. Eisenbahnzügen, war es in bestimmten Fällen erwünscht, die Energieaufnahmeeinrichtung in ihrer unteren Stellung festzulegen, um die Notwendigkeit der Verwendung einer Einrichtung zum Heben und Senken zu vermeiden. Jedoch benötigt man hierbei als Ersatz für die erwähnte Servoeinrichtung eine andere Einrichtung zum Regeln der Übertragung von Energie von dem Fahrbahnleiter über einen festen Luftspalt zu der Energieaufnahmeeinrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Fahrzeug zur Verwendung bei einem System zu schaffen, bei dem ein Fahrbahnleiter vorhanden ist, wobei das Fahrzeug eine Energieaufnahmeeinrichtung aufweist, die es ermöglicht, dem Fahrbahnleiter Energie mit einer vorbestimmten gleichmäßigen Durchsatzgeschwindigkeit zu entnehmen, ohne daß schnelle physikalische Bewegungen erforderlich sind, um kleine Veränderungen des Luftspaltes auszugleichen, die auf Unregelmäßigkeiten bei der Fahrbahn oder dem Fahrzeug zurückzuführen sind. Ferner soll eine Einrichtung zum Regeln der Übertragung elektrischer Energie geschaffen werden, die es ermöglicht, einen vorbestimmten Fluß elektrischer Energie von einem Fahrbahnleiter zu einer Energieaufnahmeeinrichtung auf einem Fahrzeug aufrechtzuerhalten, und die automatisch die Kapazität der Energieaufnahmeeinrichtung variiert, um eine gleichmäßige Übertragung von Energie auf das sich bewegende Fahrzeug zu gewährleisten. Schließlich soll ein elektrisches Fahrzeug- und Fahrbahnsystem geschaffen werden, bei dem es möglich ist, die Zahl der in der Fahrbahn benötigten Ampèrewindungen dadurch zu verringern, daß die Einrichtung des Fahrzeugs zum Regeln der Übertragung elektrischer Energie kapazitiv gespeicherte Energie zur Kompensation abgibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst durch dessen kennzeichnende Merkmale.

Zwar ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug vorzugsweise mit einer Energiespeichereinrichtung, z. B. einer Batterie, versehen, damit Energie für den Fall zur Verfügung steht, wenn sich das Fahrzeug außerhalb der elektrifizierten Fahrbahn bewegt, doch ist gemäß der Erfindung auch an Fahrzeuge gedacht, bei denen keine solche Energiespeichereinrichtung vorhanden ist. Hierbei kann es sich z. B. um in Bergwerken zu benutzende Fahrzeuge oder andere Fahrzeuge für den Personen- oder Gütertransport handeln, die sich ausschließlich längs eines eine geschlossene Schleife bildenden Fahrbahnsystems bewegen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, bei dem sich die Energieaufnahmeeinrichtung in ihrer unteren Stellung befindet;

Fig. 2 den vergrößerten Teilschnitt 2-2 in Fig. 1, aus dem die Fahrbahn und die Energieaufnahmeeinrichtung ersichtlich sind;

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt der magnetischen Teile des Fahrbahnleiters und der Energieaufnahmeeinrichtung;

Fig. 4a bis Fig. 4c jeweils ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehungen zwischen den magnetomotorischen Kopplungskräften;

Fig. 5 eine Darstellung zur Veranschaulichung der grundsätzlichen Beziehungen zwischen den Kopplungskräften bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Kompensationskondensators;

Fig. 6 ein Fahrzeug mit einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Energieaufnahmeeinrichtung mit getrennten Leistungs- und Regelwicklungen versehen ist;

Fig. 7 den Schnitt 7-7 in Fig. 6;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, das mit einer Fahrbahn 12 zusammenarbeitet, der eine Energiequelle 14 zum Übertragen von Energie zu dem Fahrzeug zugeordnet ist. Zu dem Fahrzeug 10 gehören als Hauptbestandteile ein Fahrgestell 16, zwei lenkbare Vorderräder 8, zwei Hinterräder 20, die mit Hilfe eines Elektromotors 22 antreibbar sind, eine Energieaufnahmeeinrichtung 24 zum Aufnehmen von Energie aus der Energiequelle 14, eine Energiespeichereinrichtung 26 in Form einer Batterie, eine Verbindungseinrichtung 28 zum Verbinden der Energieaufnahmeeinrichtung 24 und der Energiespeichereinrichtung 26 mit dem Elektromotor 22 derart, daß das Fahrzeug 10 angetrieben wird, eine Einrichtung 30 zum Heben und Senken der Energieaufnahmeeinrichtung 24 gegenüber der Fahrbahn 12 sowie gekoppelte Energieregeleinrichtungen 32 zum Aufrechterhalten einer dem Fahrzeug zuzuführenden vorbestimmten Spannung.

Während sich das Fahrzeug längs der Fahrbahn 12 bewegt, wird die Einrichtung 30 zum Heben und Senken der Energieaufnahmeeinrichtung so betätigt, daß die Energieaufnahmeeinrichtung 24 der Energiequelle 14 nahe benachbart bleibt, um den Luftspalt möglichst klein zu halten. Von der Energiequelle 14 aus wird Energie induktiv zu der Energieaufnahmeeinrichtung 24 übertragen und durch die Verbindungseinrichtung 28 der Energiespeichereinrichtung 26 und/oder dem Elektromotor 22 zugeführt. Während der Fahrt längs der Fahrbahn 12 kann eine ausreichende Energiemenge auf induktivem Wege der Energieaufnahmeeinrichtung 24 zugeführt werden, um die Energiespeichereinrichtung 26 bzw. die Batterie aufzuladen und den Elektromotor 22 zu treiben. Die Energieaufnahmeeinrichtung kann so angeordnet werden, daß der Luftspalt zwischen ihr und dem Kern der Energiequelle 14 relativ klein gehalten wird, um die Energieübertragungsleistung der dazwischen vorhandenen induktiven Kopplung zu verbessern.

Bewegt sich das Fahrzeug 10 längs einer normalen Fahrbahn, die nicht mit einem Stromleiter versehen ist, wird die Einrichtung 30 betätigt, um die Energieaufnahmeeinrichtung 24 anzuheben, damit das Fahrzeug 10 eine ausreichende Bodenfreiheit erhält, um ein Anstoßen an normalerweise anzutreffende Hindernisse, wie Rinnsteine, Parkrampen u. dgl., zu vermeiden. In diesem Fall wird das Fahrzeug 10 von dem Elektromotor 22 angetrieben, der durch die Energiespeichereinrichtung 26 gespeist wird. Somit ist es bei dem Fahrzeug nach Bedarf möglich, einen kleinen Luftspalt zwischen induktiv gekoppelten Elementen einzustellen, damit das Fahrzeug auf einer vorbereiteten Fahrbahn betrieben werden kann, und es läßt sich eine erhebliche Bodenfreiheit herstellen, wenn das Fahrzeug auf einer gewöhnlichen Fahrbahn betrieben werden soll.

Bei dem Fahrzeug nach der US-PS 39 14 562 wird die Energieaufnahmeeinrichtung auf die in den Boden eingebettete Energiequelle zu bzw. von ihr weg bewegt, um auch bei Unregelmäßigkeiten der Fahrbahnoberfläche einen optimalen Luftspalt aufrechtzuerhalten. Bei dem Fahrzeug nach der vorliegenden Erfindung ist dagegen eine solche mechanische Betätigung nicht erforderlich, d. h. die Energieaufnahmeeinrichtung 24 wird in eine feste Laufstellung gegenüber der mit der Energiequelle versehenen Fahrbahn abgesenkt, wobei ihre tiefste Stellung durch einen nicht dargestellten mechanischen Anschlag bestimmt wird. In dieser festen Laufstellung wird die Energieaufnahmeeinrichtung in einer ausreichenden Höhe gehalten, um ein Anstoßen an Hindernissen auf der Fahrbahn zu vermeiden und gleichzeitig einen vorbestimmten Luftspalt gegenüber der Energiequelle in der Fahrbahn aufrechtzuerhalten. Wenn physikalische Veränderungen der Fahrbahnoberfläche eintreten oder wenn andere Faktoren, z. B. eine Veränderung des Zustandes der Fahrzeugräder, zu einer Veränderung des Luftspaltes gegenüber dem optimalen Wert führen, werden solche Veränderungen gemäß der vorliegenden Erfindung automatisch ausgeglichen, ohne daß eine Bewegung der Energieaufnahmeeinrichtung herbeigeführt wird.

In Fig. 2 ist die auf besondere Weise vorbereitete Fahrbahn oder Verkehrsfläche 12 dargestellt, die mit weiteren Einzelheiten in der US-PS 40 07 817 beschrieben ist. Gemäß der Erfindung ist daran gedacht, daß stark befahrene Fernstraßen und Autobahnen in der Umgebung größerer Städte in der nachstehend beschriebenen Weise umgebaut werden könnten. Typische Berufspendler, die ein erfindungsgemäßes Fahrzeug benutzen, würden das Fahrzeug mit Hilfe der Batterie betreiben, bis sie zu der vorbereiteten Fahrbahn gelangen. Danach würde das Fahrzeug mit Energie betrieben, die der Energiequelle 14 auf induktivem Wege entnommen wird. Die aufgenommene Energie, welche den unmittelbaren Bedarf des Fahrzeugs überschreitet, könnte zum Aufladen der Batterie verwendet werden. Nach dem Verlassen der vorbereiteten Fahrbahn würde das Fahrzeug erneut mit der aus der Batterie entnommenem Strom betrieben. Auf diese Weise läßt sich die Energiespeichereinrichtung 26 periodisch aufladen, so daß sich das Fahrzeug innerhalb eines ausreichenden Entfernungsbereichs außerhalb der vorbereiteten Fahrbahn 12 betreiben läßt.

Um die Fahrbahn 12 herzustellen, kann man eine Zwischenschicht aus Beton auf eine schon vorhandene Fahrbahnfläche 36 aufbringen, um eine schon vorhandene Schnellstraße abzuändern, oder man kann eine solche Zwischenschicht beim Bau einer neuen Schnellstraße vorsehen. Ein Stromquellenleiter 38, der aus Abschnitten aus Aluminium od. dgl. bestehen kann, wird in die Zwischenschicht 34 eingebettet und zu diesem Zweck in einer Vertiefung eines Energiequellenkerns 40 angeordnet, wobei letztere aus Transformatorblechen aus Stahl bestehen kann und einen nach unten versetzten Kernabschnitt 42 sowie zwei erhöht angeordnete seitliche Kernabschnitte 44 aufweist, die Magnetpole bilden. Der Stromquellenleiter 38 ist von einem Isolierteil 46 umschlossen, der einen elektrischen Kontakt zwischen dem Stromquellenleiter und dem Energiequellenkern 40 verhindert. Gemäß Fig. 2 ist der mittlere Abschnitt des Isolierteils 46 etwas höher angeordnet, um einen Kurzschluß des Magnetflusses für den Fall möglichst zu vermeiden, daß ein Streifen aus Eisen oder ein anderer Fremdkörper aus ferromagnetischem Material in der Querrichtung zur Anlage an den als Magnetpole wirkenden seitlichen Kernabschnitten 44 kommt.

Die Energie zum Speisen des Stromquellenleiters 38 wird vorzugsweise einer einen konstanten Strom liefernden Quelle entnommen, so daß sich die Spannung erhöht und sich die Phase des Stroms verändert, sobald die Belastung durch Fahrzeuge zunimmt. Zu diesem Zweck kann ein Wechselstrom einer Hochspannungsleitung entnommen werden, die sich parallel zu der Fahrbahn 12 erstreckt oder sie periodisch kreuzt. Zwar könnte man einen Wechselstrom mit einer beliebigen Frequenz verwenden, doch erscheint gegenwärtig eine Frequenz zwischen 100 und 400 Hz als besonders zweckmäßig.

Zu der Energieaufnahmeeinrichtung 24 gehört ein Aufnahmekern 50 mit einem erhöht angeordneten Mittelabschnitt 52 und zwei seitlichen Abschnitten 54, die in einem kleineren Abstand von der Fahrbahn 12 angeordnet sind und Magnetpole bilden. Die Breite des Aufnahmekerns 50 entspricht einem erheblichen Teil der Breite des Fahrzeugs 10 und überschreitet die Breite des Aufnahmekerns 40, damit sich in der Querrichtung ein Toleranzbereich ergibt, so daß sich das Fahrzeug in einem begrenzten Ausmaß in der Querrichtung bewegen kann, ohne daß sich eine bemerkbare Verringerung der von der Energiequelle 14 zu der Energieaufnahmeeinrichtung 24 übertragenen Energie ergibt. Der Aufnahmekern 50 ist als Profil aus Stahl hergestellt, dessen Länge einem erheblichen Teil der Länge des Fahrzeugs 10 entspricht. Der Mittelabschnitt 52 des Kerns ist von einer Aufnahmewicklung 56 umschlossen.

Somit weist die Energieaufnahmeeinrichtung 24 eine Polfläche von erheblicher Größe auf, so daß es mit Hilfe eines Magnetfeldes von geringer Flußdichte möglich ist, eine erhebliche Energiemenge auf das Fahrzeug 10 zu übertragen. Hieraus ergeben sich verschiedene Vorteile. Die auf die Energieaufnahmeeinrichtung 24 wirkende nach unten gerichtete Kraft ist proportional zum Quadrat der Flußdichte. Daher wird die Radaufhängung des Fahrzeugs nur geringfügig durch magnetische Kräfte beeinflußt, wenn sich das Fahrzeug längs der Fahrbahn 12 und nicht längs einer normalen Straßenfahrbahn bewegt. Bei einer geringen Flußdichte kommt man außerdem mit einer annehmbaren Bodenfreiheit aus, ohne daß auf der Primärseite eine übermäßig große Durchflutung bzw. Anzahl von Ampèrewindungen vorhanden zu sein braucht. Daher kommt man mit einem kleineren Leiterquerschnitt aus, wodurch sich die Kosten verringern. Eine geringe Flußdichte ist ferner deshalb vorteilhaft, weil die Heizwirkung des Magnetfeldes in das Feld streuenden Teilen aus Stahl annähernd eine Funktion des Quadrats der Flußdichte ist.

Der die Energiequelle 14 mit der Energieaufnahmeeinrichtung 24 koppelnde magnetische Kreis 58 ist in Fig. 3 dargestellt. Der durch die Aufnahmewicklung 56 fließende Strom wird durch die Nettomenge des gekoppelten Magnetflusses bestimmt, denn die Spannung in der Sekundärwicklung wird auf eine noch zu erläuternde Weise durch die Energiespeichereinrichtung 26 in Form einer Batterie bestimmt. Der durch die als Sekundärwicklung fungierende Aufnahmewicklung 56 fließende Strom ist vektoriell dem Strom der Energiequelle 14 entgegengesetzt. Daher ergibt sich eine Selbstbegrenzung der durch Kopplung übertragenen Energie, und es ist möglich, eine Regelung durch Verstellen des Luftspalts zwischen dem Energiequellenkern 40 und der Energieaufnahmeeinrichtung 24 zu bewirken.

Der Ausdruck "Batterie" bezeichnet hier jede Einrichtung zum Speichern elektrischer Energie, z. B. konventionelle Blei- Säure-Sammler, Alkalibatterien, Brennstoffzellen, Schwungräder u. dgl.

Gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist die Aufnahmewicklung 56 über die Verbindungseinrichtung 28 angeschlossen, um dem Elektromotor 22 elektrische Energie zuzuführen. Zu der Verbindungseinrichtung 28 gehören zwei Leitungen 60 und 62, die zu einer Gleichrichterbrücke 64 führen, die durch Leitungen 66, 68 mit zwei weiteren Leitungen 70, 72 verbunden ist. Die Leitungen 70 und 72 erstrecken sich zwischen der Energiespeichereinrichtung 26 und einer Motorsteuereinrichtung 74.

Die in der US-PS 39 14 562 beschriebene Motorsteuereinrichtung 74 dient dazu, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 in beiden Fahrtrichtungen zu regeln. Ihr werden Steuersignale von einer manuell zu betätigenden Einrichtung 88 aus zugeführt, die zweckmäßig nahe dem Fahrersitz angeordnet ist. Ein Pedal 76 für eine handbetätigte Drosseleinrichtung der manuell zu betätigenden Einrichtung 88 führt dem Motor ein Drehmomentbefehlssignal zu. Zu der Einrichtung 88 gehört ferner eine Stellungsregeleinrichtung, die mit einem Motor 78 gekuppelt ist, welcher das Gestänge zum Absenken der Energieaufnahmeeinrichtung 24 in ihre feste untere Laufstellung gegenüber der Fahrbahn antreibt. Wird das Fahrzeug auf einer normalen Fahrbahn betrieben, kann die Energieaufnahmeeinrichtung 24 mit Hilfe des Gestänges angehoben werden.

Wenn die Energieaufnahmeeinrichtung 24 in ihre feste untere Laufstellung abgesenkt worden ist, so daß nur ein kleiner Luftspalt zwischen ihr und dem Fahrbahnleiter vorhanden ist, wird die in dem Fahrbahnleiter herrschende Spannung induktiv mit der Energieaufnahmeeinrichtung gekoppelt, so daß sie für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden kann, wobei ihre Höhe mit Hilfe der Energieregeleinrichtung 32 geregelt wird. Diese Einrichtung arbeitet mit einer Gruppe 80 von Kondensatoren 82 zusammen, die gemäß Fig. 1 parallelgeschaltet und an zwei Leitungen 84 und 86 angeschlossen sind, welche mit den Leitungen 60 und 62 verbunden sind, die von der Gleichrichterbrücke 64 ausgehen. Mit jedem Kondensator 82 ist eine Schalteinrichtung 90, z. B. ein Triac, in Reihe geschaltet. Die Gatter- oder Steuerklemme jedes Triacs ist mit der Energieregeleinrichtung 32 verbunden, die als gesonderte elektronische logische Schaltung oder in Form eines handelsüblichen Mikroprozessors ausgebildet sein kann. Diese Energieregeleinrichtung erhält Eingangssignale von anderen Elementen der Antriebseinrichtung des Fahrzeugs. Über eine Leitung 94 wird ein erstes Eingangssignal der Energieregeleinrichtung 32 von einem Wandler 96 aus zugeführt, der an die Leitung 72 angeschlossen ist, die die Energiespeichereinrichtung 26 mit der Motorsteuereinrichtung 74 verbindet. Ein zweites Eingangssignal wird über eine Leitung 98 direkt von einem Fühler 100 aus zugeführt, der auf der Energiespeichereinrichtung angeordnet ist und dazu dient, ihren Ladungszustand zu ermitteln. Ein drittes Signal wird als Rückkopplungssignal der Energieregeleinrichtung 32 über eine Leitung 102 zugeführt, mittels welcher die an die Gruppe 80 angelegte Spannung gemeldet wird.

Die Hauptaufgabe der Energieregeleinrichtung 32 besteht zunächst darin, zu gewährleisten, daß die über die Energieaufnahmeeinrichtung 24 zugeführte Energie eine Spannung erzeugt, deren Höhe ausreicht, um den Elektromotor 22 des Fahrzeugs zu treiben und ggf. auch einen Ladestrom für die Energiespeichereinrichtung 26 zu liefern. Die in einem bestimmten Zeitpunkt benötigte Energie kann in Abhängigkeit von mehreren Faktoren variieren, z. B. der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, der Steigung der Fahrstrecke, der Zuladung und der durch den Fahrer mit Hilfe des Pedals 76 und der zugehörigen Leitung 77 nach Fig. 1 abgerufenen Leistung. Die zweite Aufgabe der Energieregeleinrichtung besteht in der Modulation des Ladestroms, der zum Aufladen der Energiespeichereinrichtung 26 dient, wenn eine solche vorhanden ist, und zwar so weit, wie es ohne Verursachung eines Schadens geschehen kann. Diese beiden Hauptaufgaben werden ohne Rücksicht auf unterschiedliche Betriebsbedingungen des Fahrzeugs und des Zustands der Energiespeichereinrichtung erfüllt. Ohne Rücksicht darauf, ob eine Batterie oder ein Schwungrad oder eine andere mit einer konstanten Spannung arbeitende Energiespeichereinrichtung vorhanden ist, richtet sich der zugeführte oder entnommene Strom weitgehend nach der an die Last angelegten Spannung. Bei einer Batterie wird die Stärke des Ladestroms durch den Ladungszustand der Batterie bestimmt. Ist die Batterie weitgehend entladen worden, kann sie mit einem ziemlich starken Strom wieder aufgeladen werden. Nachdem sie nahezu vollständig aufgeladen worden ist, kann sie nur noch eine sehr geringe Ladung aufnehmen, ohne beschädigt zu werden oder Gas zu entwickeln. Ist ein Schwungrad vorhanden und hat sich die Drehzahl des Schwungrades weitgehend verringert, kann das Schwungrad sehr schnell Energie aufnehmen, bis es sich der konstruktiv zulässigen höchsten Drehzahl nähert. Danach muß die Energiezufuhr so moduliert werden, daß nur der jeweilige Energieverlust ausgeglichen wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Energieregeleinrichtung dient der Wandler 96 dazu, den Strom zu fühlen, der durch die Leitung 72 zu der Energiespeichereinrichtung fließt oder letzterer über diese Leitung entnommen wird. Besteht z. B. ein Betriebszustand, bei dem der Elektromotor 22 mehr Strom benötigt, als es dem jeweiligen Betriebszustand der Energieaufnahmeeinrichtung 24 entspricht, wird Energie der Batterie bzw. dem Schwungrad entnommen, um die Differenz auszugleichen. Der Wandler 96 erkennt hierbei, daß der Energiespeichereinrichtung Energie entnommen wird, und er meldet der Energieregeleinrichtung bzw. dem Mikroprozessor, daß die Abgabe eines stärkeren Stroms durch die Energieaufnahmeeinrichtung 24 erforderlich ist. Hierauf spricht der Mikroprozessor an, um eine höhere Kapazität in den Stromkreis der Energieaufnahmeeinrichtung zu schalten. Zu diesem Zweck erzeugt er ein Signal, das einer oder mehreren der Schalteinrichtungen 90 zugeführt wird, um die Ausgangsspannung der Energieaufnahmeeinrichtung zu steigern. Wird die Spannung hinreichend hoch, beginnt die Batterie, Energie aufzunehmen und sich aufzuladen, statt die fehlende Energie für den Antriebsmotor zu liefern. Bei dem anderen Eingangsparameter, der für den Mikroprozessor von Bedeutung sein kann, handelt es sich um das Signal des Fühlers 100, der bei der Verwendung einer Batterie ein dem Ladungszustand entsprechendes Ausgangssignal liefert, mittels dessen der Mikroprozessor so programmiert wird, daß er den Ladestrom auf einen Wert begrenzt, bei dem sich die Batterie ohne Gefahr einer Beschädigung aufladen läßt.

Die elektrische Wirkung des Ein- oder Ausschaltens eines Kondensators 82 bei der Leistungsregelschaltung zur Regelung der der Energieaufnahmeeinrichtung zu entnehmenden Spannung ist in Fig. 4a bis 4c graphisch dargestellt. Diese Figuren zeigen die Phasen- und Größenbeziehung der Ausgangs-Durchflutung NI _e, der Stromquellen-Durchflutung NI _s, der Last-Durchflutung NI _L und der durch den Kondensator-Strom erzeugten Durchflutung NI _c.

Die Energiequelle 14 in der Fahrbahn arbeitet normalerweise mit einem konstanten Strom, so daß dann, wenn der Energieaufnahmeeinrichtung 24 kein Strom entnommen wird, der Strom der Energiequelle die einzige Durchflutung liefert, wobei diese in der Aufnahmeeinrichtung eine bestimmte Spannung induziert. Mit anderen Worten, der erzeugte Fluß befindet sich direkt in Phase mit der Durchflutung NI _s aus dem Strom der Energiequelle, so daß er in der Energieaufnahmeeinrichtung eine Spannung E _I induziert, die um 90° gegenüber dem Strom der Energiequelle phasenverschoben ist, wie es in Fig. 4a gezeigt ist. Wird die Aufnahmeseite der Kopplungseinrichtung belastet, beginnt eine dem magnetischen Kreis gemeinsame Durchflutung, und es ist erforderlich, eine vektorielle Addition der Durchflutung in der Energiequelle und der Durchflutung in der Last (NI _L ) durchzuführen, um festzustellen, welche resultierende Durchflutung NI _e in der Kopplungsschaltung vorhanden ist. Gemäß Fig. 4b tendiert die vektorielle Addition der beiden Komponenten NI _s und NI _L dahin, die resultierende Durchflutung NI _e in der Schaltung zu verringern, da die Last-Durchflutung praktisch vektoriell von der Energiequellen-Durchflutung subtrahiert wird. Da die resultierende Durchflutung eine Verrringerung erfahren hat, ist auch die induzierte Spannung E _I verringert worden. Um die induzierte Spannung wieder auf ihre ursprüngliche Größe zu bringen oder sie sogar auf eine Betriebsspannung zu erhöhen, die über der Spannung bei der Last Null liegt, wird der Aufnahmeschaltung eine Kapazität zugeschaltet, wie es in Fig. 4c gezeigt ist. Wenn dies geschieht, erfolgt eine Durchflutung in der Aufnahmeschaltung, die direkt in Phase mit der resultierenden Durchflutung steht und sich daher zu der angekoppelten oder induzierten Spannung addiert und sie erhöht. Gemäß der Erfindung wird das Hinzufügen oder Wegnehmen kapazitiver Ströme auf der Aufnahmeseite zur Veränderung der resultierenden Durchflutung in dem magnetischen Kreis und damit zur Regelung der induzierten Spannung mit Hilfe der Kondensatoren 82 bewirkt, wobei die zugehörigen Triacschalter durch entsprechende Signale der Leistungsregeleinrichtung bzw. des Mikroprozessors getriggert werden. Die Kondensatoren dienen nicht nur dazu, die Zufuhr einer Spannung zu der Energiespeichereinrichtung oder dem Antriebsmotor zu steuern, wie es vorstehend beschrieben ist, sondern auch dazu, die Abgabe einer konstanten Spannung durch die Energieaufnahmeeinrichtung 24 auch bei Veränderungen des Luftspaltes zwischen der Energieaufnahmeeinrichtung und der Energiequelle in der Fahrbahn aufrechtzuerhalten.

Als Beispiel sei angenommen, daß sich das Fahrzeug 10 längs einer Fahrbahn mit einer Energiequelle 14 bewegt, und daß sich seine Energieaufnahmeeinrichtung 24 in seiner festen unteren Laufstellung befindet, bei der normalerweise ein bestimmter Luftspalt vorhanden ist. Wird der Luftspalt aus irgendeinem Grund verkleinert, treibt die Durchflutung einen stärkeren Fluß durch den Aufnahmekern, da sich der magnetische Widerstand verringert hat. Daher erhöht sich die induzierte Spannung E _I in der Aufnahmeschaltung, da in der Umgebung der Leiter ein stärkerer Fluß zirkuliert. Diese erhöhte Spannung wird durch den Wandler 96 gefühlt, da ein stärkerer Strom zu der Energiespeichereinrichtung zu fließen beginnt. Wenn dies geschieht, erkennt der Mikroprozessor, daß die Stromstärke zu hoch ist, und in Abhängigkeit hiervon erzeugt er ein Ausgangssignal zum Abschalten eines oder mehrerer Kondensatoren bei der Energieregeleinrichtung, so daß die Ausgangsspannung auf den richtigen Wert zurückgeführt wird. Bei einem mit einer Batterie ausgerüsteten Fahrzeug ist die Batteriespannung der vorherrschende Parameter. Daher wird der Spannungspegel des Systems so eingestellt, daß die Batterie die richtige Ladung aufnimmt, während das Fahrzeug auf der Fahrbahn mit dem Fahrbahnleiter betrieben wird, wobei angenommen ist, daß dem Antriebsmotor stets eine ausreichende Energiemenge zugeführt wird. Es kann vorkommen, daß es der Energieaufnahmeeinrichtung gelegentlich nicht möglich ist, gleichzeitig die benötigte volle Antriebsleistung und den maximalen Ladestrom für die Energiespeichereinrichtung zu liefern. In diesem Fall würde die Ausgangsspannung unter dem optimalen Wert liegen, und der Energiespeichereinrichtung könnte kein Ladestrom zugeführt werden, oder sie könnte sogar zur Deckung der kurzzeitigen Überlastung der Antriebseinrichtung beizutragen haben. Mit Hilfe bekannter Verfahren kann die Energieregeleinrichtung 32 so programmiert werden, daß sie auf alle diese verschiedenen sich ändernden Bedingungen anspricht.

Vorstehend wurde anhand von Fig. 3 eine Energieaufnahmeeinrichtung 24 mit nur einer Aufnahmewicklung 56 beschrieben. In bestimmten Fällen kann es jedoch zweckmäßiger sein, eine doppelte Wicklungsanordnung zu verwenden, denn häufig unterscheiden sich die Spannung und die Stromstärke, die für den Antriebsstromkreis auf dem Fahrzeug erforderlich sind, erheblich von den Werten, die für die Bestandteile der Regelschaltung am besten geeignet sind. Beispielsweise kann es weniger kostspielig sein, Hochspannungskondensatoren zur Regelung zu verwenden, während es andererseits erwünscht sein kann, mit einer niedrigeren Spannung zu arbeiten, die einer bestimmten Batterie oder Schwungradeinrichtung angepaßt ist. In einem solchen Fall kann man die in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellte abgeänderte Ausführungsform einer Energieaufnahmeeinrichtung 24 a verwenden. Zu dieser Einrichtung gehören zwei getrennte Wicklungen 56 a und 56 b, die nebeneinander auf dem Mittelabschnitt 52 angeordnet sind. Hierbei bildet die Wicklung 56 a eine Leistungswicklung und die Wicklung 56 b eine Regelwicklung. Bei dieser Anordnung zirkuliert gemäß Fig. 7 der Magnetfluß durch den Mittelabschnitt 52, so daß er beide Wicklungen miteinander koppelt. Wegen dieser Kopplung wird in den Leitern dieser Wicklungen jeweils genau die gleiche Voltzahl je Windung induziert. Dies gilt auch für den Leiter der Energiequelle. Sieht man z. B. bei der Steuerwicklung eine größere Anzahl von Windungen vor, erhält man eine Summenspannung, die höher ist als die durch die Leistungswicklung erzeugte Spannung. Gemäß Fig. 6 sind die getrennten Wicklungen an die zugehörigen Leistungs- und Steuerklemmen angeschlossen, d. h. die Wicklung 56 a ist direkt mit dem Gleichrichter verbunden, während die Wicklung 56 b an die parallelgeschalteten Kondensatoren 82 angeschlossen ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie es ermöglicht, bei der vorbereiteten Fahrbahn eine möglichst kleine Zahl von Ampèrewindungen vorzusehen, da bei der Einrichtung des Fahrzeugs zum Regeln der Übertragung elektrischer Energie kapazitiv gespeicherte Energie zur Kompensation abgegeben wird. Dies führt dazu, daß sich die Kosten der vorbereiteten Fahrbahn zum Zuführen von Energie auf ein Minimum verringern.

Zwar ist vorstehend ein Fahrzeug 10 beschrieben, das eine bewegbare Energieaufnahmeeinrichtung 24 aufweist, die zur Fahrt längs einer vorbereiteten Fahrbahn mit einem Energiezuführungsleiter abgesenkt und zur Fahrt außerhalb der vorbereiteten Fahrbahn angehoben wird, doch ist die Erfindung auch bei anderen elektrischen Fahrzeugen anwendbar, z. B. bei elektrischen Zügen, bei denen man die Energieaufnahmeeinrichtung in einer festen unteren Stellung anordnen kann.

Bei solchen Fahrzeugen ist die Energieaufnahmeeinrichtung direkt über dem Fahrbahnleiter so angeordnet, daß ein möglichst kleiner Luftspalt vorhanden ist. Ebenso wie bei dem Fahrzeug 10 werden kleine Schwankungen der Breite des Luftspalts, die sich während der Bewegung des Fahrzeugs ergeben können, sowie Schwankungen des Leistungsbedarfs des Antriebsmotors in der beschriebenen Weise durch die elektrische Regeleinrichtung automatisch ausgeglichen.

Ferner ist die Erfindung bei Fahrzeugen anwendbar, bei denen es nicht erforderlich ist, eine Energiespeichereinrichtung, z. B. eine Batterie, zur Verfügung zu haben, da die betreffenden Fahrzeuge die vorbereitete Fahrbahn niemals verlassen. Solche Fahrzeuge können z. B. ausschließlich bei einem elektrischen Transportsystem verwendet werden, z. B. in einem Bergwerk, einem Vergnügungszentrum, einer Anlage zum Umschlagen von Materialien od. dgl., wenn eine Fahrbahn der beschriebenen Art mit einer Energiequelle vorhanden ist. Hierbei ist die Energieaufnahmeeinrichtung 24 in der beschriebenen Weise ausgebildet. Die Einrichtung zum Regeln der aufgenommenen Energie arbeitet gemäß Fig. 8 wiederum mit mehreren parallelgeschalteten Kondensatoren 82 zusammen. Jeder Kondensator 82 ist mit einer Schalteinrichtung 90, z. B. einem Triac, in Reihe geschaltet, dessen Steuerklemme mit der Energieregeleinrichtung verbunden ist. Zwei Leitungen 84 und 86, zwischen denen die Kondensatoren und Triacs parallelgeschaltet sind, sind an die Leitungen 60 und 62 angeschlossen, die von der Energieaufnahmeeinrichtung 24 zu der Gleichrichterbrücke 64 führen. Die Gleichrichterbrücke ist durch Leitungen 66 und 68 mit der Motorsteuereinrichtung 74 so verbunden, wie es vorstehend bezüglich des Fahrzeugs 10 beschrieben ist. Man kann eine manuell zu betätigende Einrichtung 88 oder eine vorprogrammierte auto matische Steuereinrichtung 89 verwenden, um die erforderlichen Signale der Motorsteuereinrichtung zuzuführen, wenn die Fahrgeschwindigkeit in der üblichen Weise erhöht oder gesenkt werden soll. Bei diesen Regeleinrichtungen könnte man ggf. ferner mit verschiedenen komplizierten Steueralgorithmen arbeiten. Beispielsweise könnte man ein Fühlereingangssignal von der Handsteuereinrichtung oder der automatischen Regeleinrichtung aus der Einrichtung zum Regeln der aufgenommenen Energie zuführen, so daß die Ausgangsspannung gesenkt wird, wenn durch die Regeleinrichtungen des Fahrzeugs nur wenig oder überhaupt keine Energie angefordert wird bzw. daß die Ausgangsspannung bei hohem Leistungsbedarf gesteigert wird. Solange sich das Fahrzeug 10 auf der elektrifizierten Fahrbahn befindet, wird keine Energiespeichereinrichtung benötigt. Gemäß Fig. 8 kann ein solches Fahrzeug 10 a gemäß der Erfindung somit eine vereinfachte Energieversorgungseinrichtung ohne Energiespeicher aufweisen. Bei dem Fahrzeug 10 a spricht daher die Energieregeleinrichtung 32 nur auf Änderungen der Ausgangsspannung der Energieaufnahmeeinrichtung 24 an, um der Motorsteuereinrichtung 74 eine konstante Spannung zuzuführen. Ebenso wie das Fahrzeug 10 hat das Fahrzeug 10 a ein Fahrgestell 16 mit mindestens einem Satz von mit der Fahrbahn zusammenarbeitenden Elementen 18, nämlich lenkbare Vorderräder und mit durch einen Elektromotor 22 antreibbare Hinterräder. Die Energieaufnahmeeinrichtung 24 könnte auf dem Fahrgestell ortsfest so angeordnet sein, daß sich ein vorbestimmter Luftspalt gegenüber dem Leiter einer elektrifizierten Fahrbahn ergibt, oder sie könnte wie bei dem Fahrzeug 10 heb- und senkbar sein.

Claims

1. Fahrzeug für den Betrieb auf einer vorbereiteten Fahrbahn mit einer ihr zugeordneten Energiequelle zum Erzeugen eines Magnetfeldes, mit

- einem Fahrgestell mit mehreren Rädern,
- einem Elektromotor zum Antreiben mindestens eines der Räder,
- einer auf dem Fahrzeug angeordneten Energieaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen von Energie aus dem Magnetfeld in Mengen, die proportional zum Abstand zwischen der Energiequelle und der Energieaufnahmeeinrichtung sind, um während der Fahrt längs der vorbereiteten Fahrbahn Energie bereitzustellen,
- einer Einrichtung zum Halten der Energieaufnahmeeinrichtung in einer festen Laufstellung derart, daß ein relativ kleiner Luftspalt zwischen der Energieaufnahmeeinrichtung und der Fahrbahn aufrechterhalten wird,
- einer Energiespeichereinrichtung, durch die der Elektromotor gespeist wird, wenn sich das Fahrzeug außerhalb von mit einer Energiequelle versehenen Fahrbahnen bewegt,
- einer Verbindungseinrichtung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der Energieaufnahmeeinrichtung, der Energiespeichereinrichtung und dem Elektromotor sowie
- einer Energieregeleinrichtung, die an die Energieaufnahmeeinrichtung angeschlossen ist und wirksam wird, wenn sich das Fahrzeug längs einer vorbereiteten Fahrbahn mit einer Energiequelle bewegt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- zwischen Energieaufnahmeeinrichtung (24) und Energieregeleinrichtung (32) Kondensatoren (82) veränderbarer Kapazität geschaltet sind, und daß
- die Energieregeleinrichtung (32) die Ausgangsleistung der Energieaufnahmeeinrichtung (24) bei Veränderung des Luftspalts durch Variieren der Kapazität möglichst konstant hält.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieregeleinrichtung (32) aus einer logischen, vorprogrammierten elektronischen Einrichtung besteht, daß ein Wandler (96) zum Fühlen von Richtung und Stärke des zwischen dem Elektromotor (22) und der Energiespeichereinrichtung (26) fließenden Stroms und zum Erzeugen eines Eingangssignals für die logische Einrichtung vorgesehen ist und daß mehrere an die Energieaufnahmeeinrichtung (24) angeschlossene Kondensatoren (82) sowie mit den Kondensatoren (82) verbundene Schalteinrichtungen (90) vorgesehen sind, die durch die logische Einrichtung so gesteuert werden, daß die Kondensatoren (82) zu- oder abgeschaltet werden, um die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Änderungen der Stromstärke zu variieren, welche durch den Wandler erfaßt und durch die logische Einrichtung verarbeitet worden sind.

3. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der logischen elektronischen Einrichtung ein Mikroprozessor gehört.

4. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren aus einer Gruppe parallelgeschalteter Kondensatoren (82) bestehen und daß jedem Kondensator (82) ein elektronisch steuerbarer Schalter, nämlich die Schalteinrichtung (90), in Reihenschaltung zugeordnet ist, wobei das Steuerelement des Schalters an einen Ausgang der logischen Einrichtung angeschlossen ist.

5. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeichereinrichtung (26) eine aufladbare Batterie vorgesehen ist, zu der ein Fühler (100) gehört, der der logischen Einrichtung ein dem Ladungszustand der Batterie entsprechendes Signal zuführt.

6. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Energieaufnahmeeinrichtung (24) ein Mittelabschnitt (52) eines Kerns und eine einzige Aufnahmewicklung (56) gehören und daß die Kondensatoren (82) der Gruppe (80) mit der Aufnahmewicklung (56) parallelgeschaltet sind.

7. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Energieaufnahmeeinrichtung (24) ein Mittelabschnitt (52) eines Kerns mit zwei ihn umschließenden Wicklungen (56 a, 56 b) gehört, daß die erste Wicklung (56 b) eine Regelwicklung ist und an die Kondensatoren (82) der Gruppe (80) angeschlossen ist und daß die zweite Wicklung (56 a) eine Leistungswicklung ist, die an den Stromkreis des Elektromotors (22) und der Energiespeichereinrichtung (26) angeschlossen ist.