[0001] Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einer induktionsschlelfe zur Gewährleistung
einer niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen Rädern des Schienenfahrzeugs
und Fahrschienen, auf denen die Räder rollen, durch Induktion einer elektrischen Spannung
in eine durch die Räder, durch Abschnitte zumindest einer der Fahrschienen und durch
elektrische Verbindungen zwischen Rädern gebildete sekundäre Stromschleife.
[0002] In einigen Ländern wird die Tatsache, dass ein Gleisabschnitt von einem Schienenfahrzeug
besetzt ist (die so genannte Gleisbesetztmeldung) detektiert, indem eine Spannung
zwischen beide Schienen angelegt wird. Bei nicht befahrendem Gleis bleibt diese Spannung
durch den hochohmigen Widerstand zwischen den beiden Schienen bestehen und kann am
Ende des Gleisabschnittes gemessen werden. Beim Befahren des Gleisabschnittes durch
ein Fahrzeug wird die angelegte Spannung durch das Fahrzeug kurzgeschlossen, so dass
die Spannung zusammenbricht. Dies kann detektiert werden, so dass eine Gleisbesetztmeldung
erfolgen kann.
[0003] Voraussetzung für die sichere Funktion einer solchen Gleisbesetztmeldung ist, dass
der elektrische Widerstand zwischen den Schienen und den Rädern ausreichend klein
ist. Dieser Widerstand ist jedoch abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit sowohl
der Schienen als auch der Räder. Insbesondere durch Korrosion und Schmutz kann auf
den Schienen und/oder auf den Rollflächen der Räder eine nicht oder nur gering elektrisch
leitfähige Oberflächenschicht vorhanden sein. Trotz solcher Oberflächenschichten kann
der Stromfluss über den mechanischen Kontakt zwischen den Rädern und den Schienen
für die Gleisbesetztmeldung ausreichend sein, wenn die elektrische Spannung bzw. der
ohnehin über die Kontaktstelle fließende Strom ausreichend groß ist. Dagegen tritt
insbesondere auf wenig befahrenen Gleisen mit schiechtem Schienenzustand die Situation
ein, dass der Übergangswiderstand zwischen Rad und Schiene so groß ist, dass eine
ausreichend sichere Funktion der Gleisbesetztmeldeeinrichtung nicht gewährleistet
ist.
[0004] Beim Betrieb von Schienenfahrzeugen mit Antriebsenergie aus elektrischen Versorgungsnetzen
reicht häufig bereits eine elektrische Grundlast (d.h. z.B. elektrische Versorgung
von Hilfsbetrieben in dem Schienenfahrzeug aus dem elektrischen Versorgungsnetz) aus,
um den Übergangswiderstand zwischen Rad und Schiene zu überwinden, so dass die Gleisbesetztmeldung
sicher erfolgen kann. Wenn dagegen keinerlei Strom aus dem elektrischen Versorgungsnetz
bezogen wird und daher auch kein Laststrom über die Kontaktpunkte zwischen den Rädern
und den Schienen fließt, ist insbesondere bei schlechtem Schienenzustand die sichere
Funktion der Gleisbesetztmeldung nicht gewährleistet.
[0005] Aus der
EP 0 500 757 B1 ist eine Eisenbahnmeldeanlage zum Erfassen eines Zuges innerhalb eines festgelegten
Gleisabschnittes bekannt. Die Anlage weist einen Nebenschluss-Hilfsschaltkreis auf,
der eine induktive Schleifenantenne enthält, welche auf dem Eisenbahnfahrzeug vorgesehen
ist, so dass sie induktiv eng mit den Schienen gekoppelt ist. Dadurch wird ein Strom
in den Rad-Schiene-Achse-Kreis induziert, wenn die Schleifenantenne durch eine alternierende
Quelle erregt wird. Die Schleifenantenne ist in einem Drehgestell mit zwei Achsen
montiert und wird von einem Oszillator mit einer Frequenz von 165 kHz erregt. Dabei
ist die Erregungsfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises abgestimmt.
Der von der Schleifenantenne induzierte Strom fließt durch eine Drehgestell-/Gleisschleife,
welche durch die beiden Achsen, die vier an den Achsen befestigten Räder des Schienenfahrzeugs
und jeweils einen Abschnitt der beiden Schienen zwischen den Rädern gebildet ist.
[0006] Obwohl die Fläche, die die Schleifenantenne umläuft, gemäß
EP 0 500 757 B1 möglichst groß sein soll, ist sie jedoch durch die Bauform des Drehgestells begrenzt
und beträgt nur etwa 50 % der durch die Drehgestell-/Gleisschleife umlaufenden Fläche.
Hinzu kommt, dass bei Drehgestellen mit Antriebsmotoren und Getrieben eine Unterbringung
der Induktionsschleife erschwert ist.
[0007] Eine weitere Problematik bei der Verwendung einer Induktionsschleife zur Gewährleistung
einer niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen Rädern und Schienen besteht darin,
dass die von der Induktionsschleife erzeugten elektromagnetischen Felder nicht nur
die für die Gleisbesetztmeldung erwünschte Spannung erzeugen, sondern auch unerwünschte
Störfelder darstellen können. Insbesondere können sowohl Einrichtungen innerhalb des
Schienenfahrzeugs als auch an oder neben der Strecke gestört werden.
[0008] Außer der Möglichkeit, den Rad-Schiene-Kontakt mit Hilfe einer Induktionsschleife
zu gewährleisten, kann das Schienenfahrzeug auch mit Klotzbremsen ausgestattet sein,
die die Rollflächen der Räder beim Bremsvorgang schleifend kontaktieren, so dass zumindest
das Rad an seiner Rollfläche eine gut leitende Kontaktfläche aufweist. Allerdings
weisen neuere Schienenfahrzeuge häufig Scheibenbremsen auf. Der Einbau einer zusätzlichen
Klotzbremse oder ähnlichen Schleifeinrichtung führt zu erheblichem Mehraufwand. Außerdem
ist durch den Verschleiß an Bremse und Rad eine häufigere Wartung erforderlich.
[0009] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schienenfahrzeug mit einer Induktionsschleife
der eingangs genannten Art anzugeben, die zu einem möglichst wartungsarmen Betrieb
des Schienenfahrzeugs führt und die die niederohmige elektrische Verbindung zwischen
Rädern und Fahrschienen mit hoher Zuverlässigkeit gewährleistet. Besondere Ausführungsformen
der Erfindung sollen außerdem etwaige störende Effekte durch die von der Induktionsschleife
erzeugten elektromagnetischen Felder reduzieren.
[0010] Eine erste Maßnahme, die hier vorgeschlagen wird, besteht darin, dass die Induktionsschleife
zwischen zwei Drehgestellen des Schienenfahrzeugs angeordnet ist. Insbesondere ist
die Induktionsschleife dabei in der Regel unterflur eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs,
d.h. unterhalb des Bodens des Fahrzeugchassis angeordnet. Insbesondere können Leitungsabschnitte
der Induktionsschleife, die sich etwa parallel zu den Gleisen erstrecken, mindestens
80 mm, z.B. mindestens 100 mm und vorzugsweise mindestens 150 mm oberhalb der Oberkante
der Schienen angeordnet sein. Diese Leitungsabschnitte können in einer konkreten Ausführungsform
der Erfindung höchstens 250 mm, z.B. höchstens 200 mm und vorzugsweise 150 mm über
der Oberkante der Schienen verlaufen. Es sind die jeweiligen Vorschriften für die
Einhaltung eines Freiraums zwischen der Schienenoberkante und Anbauten an dem Schienenfahrzeug
einzuhalten.
[0011] Z.B. können die erwähnten, parallel zu den Schienen verlaufenden Leitungsabschnitte
und/oder auch quer zu den Schienen verlaufende Leitungsabschnitte der Induktionsschleife
durch ein oder mehrere Rohre aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sein. Kupfer-
oder Aluminiumrohr mit z.B. einem Außendurchmesser von zumindest 28 mm, z. B. zumindest
35 mm und vorzugsweise bis zu 50 mm.
[0012] Eine derartige Anordnung der Induktionsschleife unterflur und/oder dicht über der
Schienen-Oberkante hat den Vorteil, dass das von der Induktionsschleife erzeugte elektromagnetische
Feld eine elektrische Spannung in der zugehörigen Sekundärschleife induzieren kann.
Dabei kann die Sekundärschleife je nach konkreter Ausgestaltung des Schienenfahrzeugs
und je nach Anordnung und Ausgestaltung der Induktionsschleife in unterschiedlicher
Weise gebildet sein. Auf Beispiele wird noch insbesondere in der Figurenbeschreibung
näher eingegangen.
[0013] Es soll aber bereits hier darauf hingewiesen werden, dass die Sekundärschleife nicht
zwangsläufig durch zwei Achsen mit jeweils einander gegenüberliegenden Rädern auf
den beiden Seiten des Schienenfahrzeugs und die zugehörigen Abschnitte von den zwei
einander gegenüberliegenden Schienen zwischen den Radaufstandspunkten auf der jeweiligen
Seite gebildet sein muss. Vielmehr ist es eine Erkenntnis der Erfindung, dass eine
entsprechend angeordnete und ausgestaltete Induktionsschleife eine Spannung in einer
Sekundärschleife bewirken kann, die durch lediglich einen Abschnitt einer Schiene
auf einer Seite des Schienenfahrzeugs, zwei Räder an den Enden dieses Abschnitts und
eine elektrische Verbindung z.B. über Fahrzeugmasse (gebildet durch das Chassis) gebildet
sein kann. In diesem Fall wird bevorzugt, dass zumindest auf jeder Seite des Schienenfahrzeugs
eine entsprechende Induktionsschleife vorhanden ist, die außer einem Leitungsabschnitt
dicht über dem Gleis bzw. unterflur (z.B. wie oben beschrieben) auch einen parallel
zu der Schiene verlaufenden Leitungsabschnitt aufweist, der darüber verläuft und nicht
zwangsläufig unterflur angeordnet sein muss. Die zumindest zwei Induktionsschleifen
sind in diesem Fall vorzugsweise, quer zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges betrachtet,
soweit voneinander beabstandet, wie es der Spurbreite des Gleises entspricht. Unterschiede
zwischen der Spurbreite und dem Abstand der beiden Induktionsschleifen können etwa
10 Zentimeter betragen, ohne die Wirksamkeit der Induktion wesentlich zu beeinträchtigen.
[0014] Wenn in dieser Beschreibung davon die Rede ist, dass die in der Sekundärschleife
induzierte Spannung den elektrischen Rad-Schiene-Kontakt aufrechterhält, so ist darauf
hinzuweisen, dass der von der induzierten Spannung erzeugte elektrische Strom einen
wesentlichen Beitrag dazu leistet. Wenn der Strom z. B. über einen Rad-Schiene-Kontakt
fließt und plötzlich unterbrochen wird, entsteht an dem Kontakt eine hohe elektrische
Spannung, die z. B. über Lichtbogenbildung den Kontakt wieder herstellt und elektrisch
isolierende Beläge entfernt oder durchbricht.
[0015] Wie erwähnt besteht die erste hier vorgeschlagene Maßnahme darin, dass die zumindest
eine Induktionsschleife zwischen zwei Drehgestellen des Schienenfahrzeugs angeordnet
ist. Dadurch wird eine Spannung in eine Sekundärschleife induziert, die u.a. durch
Räder der beiden verschiedenen Drehgestelle gebildet ist. Ein wesentlicher Vorteil
besteht darin, dass die Fläche, die die Induktionsschleife umläuft, wesentlich größer
ausgeführt werden kann, als es bei der Unterbringung der Induktionsschleife in einem
Drehgestell der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die vor allem in einem Drehgestell mit Antriebsmotoren
untergebrachten Einrichtungen durch das von der Induktionsschleife erzeugte elektromagnetische
Feld allenfalls sehr geringfügig beeinflusst werden.
[0016] Eine zweite Maßnahme, die hier vorgeschlagen wird und die unabhängig von dem Vorhandensein
der Merkmale der ersten Maßnahme bei einem Schienenfahrzeug vorgenommen werden kann,
besteht darin, dass in dem Schienenfahrzeug elektrische Verbindungen zwischen gegenüberliegenden
Rädern zusätzlich zu gegebenenfalls vorhandenen Achsen des Schienenfahrzeugs vorhanden
sind und auch zumindest eine elektrische Leitung aufweisen, die ein erstes Rad auf
einer ersten Seite des Schienenfahrzeugs mit einem zweiten Rad auf der gegenüberliegenden,
zweiten Seite des Schienenfahrzeugs verbindet. Dabei handelt es sich bei dem ersten
und dem zweiten Rad vorzugsweise um in Fahrtrichtung gegeneinander versetzte Räder,
d.h. insbesondere sind das erste Rad und das zweite Rad nicht an derselben Achse des
Schienenfahrzeugs montiert.
[0017] Die zweite Maßnahme erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein im Rahmen der Gleisbesetztmeldung
bzw. Schienenfahrzeugserkennung erwünschter Strom von der einen Schiene zu der anderen
Schiene oder umgekehrt auch tatsächlich fließt bzw. dass der elektrische Kurzschluss
zwischen den beiden Schienen auch tatsächlich durch das Schienenfahrzeug hergestellt
wird. Ist nämlich z.B. die Kontaktoberfläche eines Rades an einer bestimmten Achse
an einem Ende der Achse so schlecht elektrisch leitend, dass der Kurzschluss über
den Kontakt zwischen dem Rad und der Schiene nicht hergestellt wird, kann das am anderen
Ende der Achse angeordnete Rad dennoch zu dem Kurzschluss zwischen den beiden Schienen
beitragen oder ihn allein sogar herstellen, wenn das am gegenüberliegenden Ende der
Achse montierte Rad über die genannte elektrische Leitung mit einem anderen Rad elektrisch
leitend verbunden ist, welches auf der Schiene abrollt, auf der auch das Rad mit der
schlecht leitenden Kontaktfläche abrollt.
[0018] Vorzugsweise sind mehrere der elektrischen Leitungen vorhanden, die Räder auf gegenüberliegenden
Seiten des Schienenfahrzeugs, d.h. Räder auf den beiden verschiedenen Schienen, elektrisch
miteinander verbinden. Dabei sind die mehreren elektrischen Leitungen an einem Verbindungspunkt
elektrisch leitend miteinander verbunden. Vorzugsweise ist der Verbindungspunkt in
der Mitte zwischen den zwei Drehgestellen angeordnet und/oder in der Mitte zwischen
den beiden Fahrschienen angeordnet. Besonders bevorzugt wird, dass zumindest ein Teil
der von dem Verbindungspunkt zu den Rädern führenden Abschnitte der elektrischen Leitungen
symmetrisch bezüglich den Verbindungspunkt und/oder symmetrisch bezüglich einer vertikalen
Ebene verlegt sind, wobei die vertikale Ebene in der Mitte des Schienenfahrzeugs und
in der Fahrtrichtung verläuft. Unter einem Teil der Abschnitte der elektrischen Leitungen
wird verstanden, dass nicht alle, aber zumindest zwei der kompletten Abschnitte von
dem Verbindungspunkt zu den Rädern symmetrisch verlegt sind.
[0019] Grundsätzlich ist es auch möglich, dass mehrere Verbindungspunkte vorhanden sind.
Dadurch werden jedoch veränderte Leitungsschleifen und damit auch veränderte induktivitäten
geschaffen.
[0020] Aufgrund des Verbindungspunktes erhöht sich die Anzahl der möglichen Strompfade von
Rädern auf einer Schiene zu Rädern auf der gegenüberliegenden Schiene. Die Wahrscheinlichkeit
für das Vorhandensein eines wirksamen Kurzschlusses zwischen den Schienen wird daher
weiter erhöht.
[0021] Die symmetrische Verlegung der Leitungsabschnitte (wie erwähnt) und/oder die Anordnung
des Verbindungspunktes in der Mitte zwischen den beiden Fahrschienen und/oder in der
Mitte zwischen den zwei Drehgestellen schafft darüber hinaus noch die Möglichkeit,
dass die zumindest eine zwischen den beiden Drehgestellen angeordnete Induktionsschleife
bei Bedarf eine Spannung in einer Sekundärschleife induziert, die teilweise durch
zumindest eine der genannten elektrischen Leitungen zwischen in Fahrtrichtung versetzten
Rädern gebildet wird. Bedarf besteht insbesondere dann, wenn ein elektrischer Kontakt
von einem bestimmten Rad zu der Schiene so schlecht ist (d.h. hochohmig ist), dass
auch die von der Induktionsschleife induzierte Spannung den Kontakt nicht ausreichend
verbessert.
[0022] An dieser Stelle soll noch auf einen weiteren Vorteil eingegangen werden, der durch
die erste und die zweite Maßnahme erzielt wird, sowohl allein durch die erste Maßnahme,
allein durch die zweite Maßnahme und auch durch deren Kombination. Der Vorteil besteht
darin, dass Räder von nicht lediglich zwei Achsen, sondern von mehr Achsen des Schienenfahrzeugs
für die Erzeugung des Kurzschlusses zwischen den beiden Schienen mit hoher Wahrscheinlichkeit
beteiligt sind. Die erste Maßnahme führt dazu, dass zumindest bei Drehgestellen mit
mehr als einer Achse nicht nur zwei Achsen, nämlich eine Achse in Fahrtrichtung vor
und eine Achse in Fahrtrichtung hinter der Induktionsschleife an dem Kurzschluss beteiligt
sind, sondern alle Achsen des Drehgestells in Fahrtrichtung vor der Induktionsschleife
und alle Achsen in Fahrtrichtung hinter der Induktionsschleife an dem Kurzschluss
beteiligt sein können. Wenn hier von Achsen die Rede ist, schließt dies die an den
Achsen montierten Räder ein.
[0023] Wie erwähnt führt auch die zweite Maßnahme allein zu dem Vorteil, dass Räder auf
den gegenüberliegenden Schienen, die nicht auf derselben Achse montiert sind, an dem
Kurzschluss beteiligt sind.
[0024] Bei Kombination der ersten und zweiten Maßnahme wird die Wahrscheinlichkeit eines
wirksamen Kurzschlusses weiter erhöht, da dann die elektrischen Leitungen insbesondere
auch von Rädern des in Fahrtrichtung vor der Induktionsschleife angeordneten Drehgestells
zu Rädern an dem in Fahrtrichtung hinter der Induktionsschleife angeordneten Drehgestell
führen.
[0025] Im Folgenden soll nochmals kurz auf den prinzipiellen Sachverhalt eingegangen werden:
Zur Bildung eines Kurzschlusses zwischen den beiden Schienen über das Fahrzeug reicht
ein niederohmiger elektrischer Kontakt an den Radaufstandspunkten von jeweils zumindest
einem Rad an beiden Schienen aus. Je nach Ausführungsart der Induktionsschleife (siehe
oben) erfordert eine Sekundärschleife jedoch entweder mindestens vier Rad-Schiene-Verbindungen
(jeweils zwei an jeder Schiene) oder zwei Rad-Schiene-Verbindungen an ein und derselben
Schiene. In dem zuletzt genannten Fall wird aus Gründen der Schaffung eines elektrischen
Kontakts an beiden Schienen jedoch bevorzugt, dass Spannungen in jeweils einer Sekundärschleife
an beiden Schienen induziert wird.
[0026] Die Erfindung erhöht nun die Zuverlässigkeit des elektrischen Kontakts zwischen den
Rädern und den Schienen dadurch, dass sie zusätzliche Räder des Schienenfahrzeugs
mit einbezieht und/oder zusätzliche Verbindungen zwischen nicht auf derselben Achse
montierten Rädern schafft. Um die Verbindungen zu den Rädern herzustellen, werden
insbesondere so genannte Erdstrombürsten, die in vielen Fällen ohnehin an den Rädern
angeordnet sind, genutzt. Über diese Erdstrombürsten fließt insbesondere bei Elektrolokomotiven,
aber auch bei Diesellokomotiven mit Zugstromversorgung, ein Strom zum Erdpotential,
das durch die Schienen gebildet wird.
[0027] Bei einer ersten Ausführungsart der Induktionsschleife umläuft diese eine etwa horizontal
verlaufende Fläche. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass sämtliche Abschnitte
der Induktionsschleife exakt auf gleicher Höhe verlaufen. Höhenunterschiede wenigen
Zentimetern beeinträchtigen nicht die Wirksamkeit der Induktion.
[0028] Um einen etwaig störenden Effekt der von der Induktionsschleife erzeugten elektromagnetischen
Felder außerhalb der Strecke des Schienenfahrzeuges zu minimieren, wird eine dritte
Maßnahme vorgeschlagen, die entweder allein bei einem Schienenfahrzeug vorgenommen
werden kann oder in Kombination mit der ersten Maßnahme und/oder mit der zweiten Maßnahme.
[0029] Die dritte Maßnahme sieht vor, dass zwei der Induktionsschleifen vorgesehen sind,
wobei die horizontal verlaufenden Flächen, die von der jeweiligen Induktionsschleife
umlaufen werden, übereinander liegen und wobei das Schienenfahrzeug eine Stromerzeugungseinrichtung
zur Erzeugung von Strömen in den Induktionsschleifen aufweist, die derart ausgestaltet
und mit den Induktionsschleifen verbunden ist, dass die Ströme in den beiden Induktionsschleifen
phasenverschoben sind. Somit erzeugen die übereinander liegenden Induktionsschleifen
magnetische Felder, deren Feldvektoren bzw. Feldstärken einander zumindest teilweise
kompensieren. Vorzugsweise fließen die Ströme in den zwei Induktionsschleifen zu jedem
Zeitpunkt in entgegengesetzten Richtungen (d.h. zu einem bestimmten Zeitpunkt z. B.
in der unteren Induktionsschleife von oben betrachtet im Uhrzeigersinn und in der
oberen Induktionsschleife von oben betrachtet im Gegen-Uhrzeigersinn), d.h. die Ströme
sind um 180° phasenverschoben. Ferner wird bevorzugt, dass die beiden Ströme betragsmäßig
annähernd gleich sind.
[0030] Die übereinander liegen Induktionssschleifen liegen z. B. etwa in einem Abstand zueinander,
der zumindest gleich dem Abstand der unteren Schleife zur Fahrschiene ist. Der Abstand
der beiden Induktionsschleifen kann aber auch größer als der Abstand der unteren Schleife
zur Schiene sein, z. B. zwei Mal so groß sein. Eine sinnvolle Obergrenze für den Abstand
der beiden Schleifen zueinander ist das Dreifache des Abstandes der unteren Schleife
zur Schiene. Für die Bestimmung des Abstandes kann z. B. der mittlere Abstand der
leitfähigen Materialien herangezogen werden, die die Schleife bilden, wobei Anschlussleitungen
außer Betracht bieiben.
[0031] Zwar verringert die obere Induktionsschleife die Wirksamkeit der von der unteren
Induktionsschleife erzeugten elektromagnetischen Felder in Bezug auf eine Spannungsinduktion
in der zugeordneten Sekundärschleife. Jedoch ist die Wirksamkeit immer noch gegeben,
da sich die untere Induktionsschleife näher an der von der Sekundärschleife umlaufenden
Fläche befindet. Dagegen weist die Fläche, die von der oberen Induktionsschleife umlaufen
wird, einen Abstand zu der Fläche der Sekundärschleife auf und ist das elektromagnetische
Feld der oberen Induktionsschleife weniger wirksam. Wenn hier von der Fläche die Rede
ist, die von der Sekundärschleife umlaufen wird, so handelt es sich dabei in der Regel
nicht um eine ebene Fläche, da sich die Schienen auf tieferem Niveau erstrecken als
z.B. die Achsen des Schienenfahrzeugs.
[0032] Eine vierte Maßnahme, die entweder ohne die anderen Maßnahmen oder in beliebiger
Kombination mit einer oder mehreren der anderen Maßnahmen vorgesehen sein kann, besteht
darin, ein kapazitives Bauteil der Induktionsschleife in einem Abstand von der Induktionsschleife
umlaufenden Fläche anzuordnen und über eine Verbindungsleitung mit der Induktionsschleife
zu verbinden. Auf diese Weise kann sich das kapazitive Bauteil (alternativ wird eine
Anordnung von kapazitiven Bauteilen verwendet) in einem geschützten Bereich im Schienenfahrzeug
befinden, während die Induktionsschleife z.B. unterflur in Gleisnähe angeordnet ist.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass das Schienenfahrzeug eine Stromerzeugungseinrichtung
zur Erzeugung von Strömen in der Induktionsschleife aufweist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung
einen Oszillator zur Erzeugung eines mit einer Oszillationsfrequenz oszillierenden
Wechselstroms in der Induktionsschleife aufweist, wobei ein kapazitives Bauteil oder
eine Anordnung von kapazitiven Bauteilen vorgesehen ist, dessen/deren Kapazität gemeinsam
mit der
[0033] Induktionsschleife und einer Verbindungsleitung zwischen der Stromerzeugungseinrichtung
und der Induktionsschleife eine Resonanzfrequenz der Induktionsschleife bestimmt und
wobei das kapazitive Bauteil bzw. die Anordnung als Teil der Stromerzeugungseinrichtung
ausgestaltet ist und über die Verbindungsleitung mit der Induktionsschleife verbunden
ist. Dabei ist die Verbindungsleitung vorzugsweise eine im Vergleich zu der Induktivität
der Induktionsschleife eine niederinduktive Verbindungsleitung. Dennoch ist die Verbindungsleitung
Teil des gesamten Schienenkreises und bestimmt somit die Resonanzfrequenz mit.
[0034] Bevorzugtermaßen wird die Spannung der Kapazität oder eine Teilspannung hiervon (z.B.
die über einen von mehreren Kondensatoren abfallende Spannung) auf den Oszillator
rückgeführt, so dass sich selbsttätig eine Resonanzschwingung der Induktionsschleife
einstellt. Auf diese Weise werden sogar zweitrangige Effekte, die die Resonanzfrequenz
beeinflussen, mit berücksichtigt. Diese zweitrangigen Effekte werden insbesondere
von der Gegeninduktivität der Sekundärschleife sowie durch die Dämpfungseigenschaften
der Induktionsschleife, Verbindungsleitung und Stromerzeugungseinrichtung einerseits
und der Sekundärschleife andererseits bewirkt.
[0035] Eine weitere, fünfte Maßnahme, die ebenfalls alleinstehend oder in beliebiger Kombination
mit einer der zuvor genannten Maßnahmen vorgenommen werden kann, besteht darin, bei
einem Schienenfahrzeug, das mit Strom aus einem Energieversorgungsnetz betrieben wird
und insbesondere seine Traktionsenergie daraus bezieht (d.h. mit Energie aus dem Energieversorgungsnetz
angetrieben wird) die Induktionsschleife nur dann zu betreiben, wenn das Schienenfahrzeug
keinen Strom aus dem Energieversorgungsnetz bezieht. Dies berücksichtigt den oben
genannten Umstand, dass bei Bezug von Strom aus dem Energieversorgungsnetz ein Erdstrom
über Rad-/Schienenkontakte fließt und die Kurzschlussfunktion zwischen den beiden
Schienen somit in der Regel gewährleistet ist.
[0036] In einer möglichen Variante der Induktionsschleife weist diese nicht nur eine Windung,
sondern zumindest zwei Windungen auf, die etwa dieselbe Fläche umlaufen.
[0037] Ferner ist es möglich, dass der Strom der Induktionsschleife nicht (wie bevorzugt)
galvanisch direkt von einer Speiseeinrichtung (z.B. der o.g. Stromerzeugungseinrichtung)
in die Sekundärschleife eingespeist wird, sondern die Speiseeinrichtung galvanisch
von der Induktionsschleife entkoppelt ist und z.B. magnetisch gemäß dem Prinzip eines
Stromtransformators die Speisung erzeugt wird.
[0038] Ferner gehört zum Umfang der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs,
wobei zur Gewährleistung einer niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen Rädern
des Schienenfahrzeugs und Fahrschienen, auf denen die Räder rollen, eine elektrische
Spannung in eine durch die Räder, durch Abschnitte zumindest einer der Fahrschienen
und durch elektrische Verbindungen zwischen Rädern gebildete sekundäre Stromschleife
induziert wird. Zur Erzeugung der Induktion wird eine Induktionsschleife verwendet,
die zwischen zwei Drehgestellen des Schienenfahrzeugs angeordnet ist und vorzugsweise
unterflur eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.
[0039] Konkrete Ausgestaltungen des Verfahrens und Varianten des Verfahrens zum Betreiben
eines Schienenfahrzeugs ergeben sich aus der Beschreibung der verschiedenen Maßnahmen
und Ausgestaltungen des Schienenfahrzeugs und werden daher hier nicht nochmals beschrieben.
[0040] Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- schematisch zwei Drehgestelle eines Schienenfahrzeugs mit jeweils zwei Achsen und
einer zwischen den Drehgestellen angeordneten Induktionsschleife gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
- Fig. 2
- das Schienenfahrzeug gemäß Fig. 1 in Seitenansicht, wobei jedoch die Induktionsschleife
in einer zweiten Ausführungsform ausgeführt ist,
- Fig. 3
- ein Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 1,
- Fig. 4
- eine Induktionsschleife, die über eine Verbindungsleitung mit einer Oszillatorschaltung
verbunden ist,
- Fig. 5
- eine Variante der in Fig. 4 dargestellten Oszillatorschaltung,
- Fig. 6
- eine Variante der in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Anordnung mit zwei übereinander
angeordneten Induktionsschleifen,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung der Wirkung der Magnetfelder, die von den in Fig. 6
dargestellten Induktionsschleifen erzeugt werden,
- Fig. 8
- Details einer Oszillatorschaltung, z.B. der Oszillatorschaltung gemäß Fig. 5.
[0041] Fig. 1 zeigt zwei Drehgestelle 107, 119 mit jeweils zwei Achsen 105, 106; 108, 109.
An jeder der Achsen 105, 106, 108, 109 ist an gegenüberliegenden Enden jeweils ein
Rad 115a-115d; 116a-116d angeordnet. Die Räder 115a, 115c, 116a, 116c rollen auf einer
ersten Schiene 101. Die Räder 115b, 115d, 116b, 116d rollen auf der gegenüberliegenden
zweiten Schiene 102 eines Gleises.
[0042] In Längsrichtung des Schienenfahrzeugs, d.h. in Fahrtrichtung zwischen den Drehgestellen
107, 119, befindet sich eine Induktionsschleife 1, die eine im Wesentlichen rechteckige
und eben in horizontaler Ebene verlaufende Fläche 130 umläuft. Dementsprechend weist
die Induktionsschleife 1 einen ersten Leitungsabschnitt 1 a auf, der sich etwa oberhalb
der ersten Schiene 101 und parallel zu dieser erstreckt, einen zweiten Leitungsabschnitt
1 b, der sich etwa oberhalb der zweiten Schiene 102 und parallel zu dieser erstreckt,
einen dritten Leitungsabschnitt 1 c, der mit einem Ende des ersten Abschnitts 1 a
verbunden ist und quer zu den Schienen 101, 102 in einer horizontalen Richtung verläuft,
und einen vierten Abschnitt 1 d, der ein weiteres Ende des ersten Abschnittes 1a mit
einem Ende des Abschnitts 1 b verbindet und ebenfalls quer zu den Schienen 101, 102
in etwa horizontaler Richtung verläuft. Die bisher nicht genannten Enden der Abschnitte
1 c, 1 b sind mit einer Stromerzeugungsschaltung 53 verbunden, die als Oszillatorschaltung
ausgestaltet ist. Angedeutet ist in Fig. 1 eine Spannung U
1, mit der die Oszillatorschaltung 53 die Induktionsschleife 1 speist. Bei der Spannung
U
1 handelt es sich um eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die vorzugsweise im Mittelfrequenzbereich
liegt.
[0043] Ganz generell gilt für die vorliegende Erfindung, dass eine Speisefrequenz zur Speisung
der zumindest einen Induktionsschleife im Mittelfrequenzbereich bevorzugt wird. Die
Untergrenze für die Frequenz liegt im Bereich.von 50 kHz, vorzugsweise wird eine Speisefrequenz
zwischen 100 kHz und 160 kHz gewählt. Die Obergrenze für die Speisefrequenz liegt
z.B. bei etwa 500 kHz.. Bei höheren Frequenzen wird die Einhaltung von den gültigen
Bestimmungen betreffend der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erschwert.
[0044] Vorzugsweise stimmt die Speisefrequenz mit der Resonanzfrequenz des schwingenden
Systems überein, dessen Teil die Induktionsschleife ist.
[0045] Da die Induktionsschleife 1 zwischen den beiden Drehgestellen 107, 119 liegt und
da beide Drehgestelle zwei Achsen aufweisen, wird eine zugehörige Sekundärschleife,
in der die Induktionsschleife eine Spannung induziert, durch alle vier Achsen, die
zugehörigen Räder und die Schienenabschnitte der beiden Schienen 101, 102 zwischen
den Drehgestellen gebildet. Dies gilt für den Fall, dass der elektrische Kontakt von
jedem der Räder zu der zugeordneten Schiene niederohmig hergestellt ist oder zumindest
durch die induzierte Spannung hergestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest
eines oder mehrere der Räder selbst bei Induktion einer Spannung keinen ausreichend
niederohmigen Kontakt zu der zugeordneten Schiene haben.
[0046] Um die Wahrscheinlichkeit, dass dennoch ein wirksamer Kurzschluss zwischen den Schienen
101, 102 durch das Schienenfahrzeug hergestellt wird, zu erhöhen, ist von jedem der
Räder 115, 116 zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt 5 ein elektrischer Leitungsabschnitt
geführt, und zwar jeweils über eine an dem Rad angeordnete Erdstrombürste 11, 12,
21, 22, 31, 32, 41, 42 und eine Leitung 110, 120, 210, 220, 310, 320, 410, 420 von
der Erdstrombürste zu dem gemeinsamen Verbindungspunkt 5.
[0047] Der gemeinsame Verbindungspunkt 5 befindet sich sowohl in der Mitte (z. B. mit Abweichungen
zur Mitte von bis zu 1 m) zwischen den beiden Drehgestellen 107, 119 als auch in der
Mitte (z. B. mit Abweichungen zur Mitte von bis zu 50 cm) zwischen den beiden Schienen
101, 102. Außerdem sind die jeweils von den einander gegenüberliegenden Rädern zu
dem Verbindungspunkt 5 geführten Leitungsabschnitte 110, 120; 210, 220; 310, 320;
410, 420 symmetrisch zu der vertikalen Mittelebene symmetrisch verlegt, wobei diese
Mittelebene in Längsrichtung, d.h. in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeuges bzw. des
Gleises, in der Mitte (z. B. mit Abweichungen zur Mitte von bis zu 40 cm) zwischen
den beiden Schienen 101, 102 verläuft. Ferner sind die Leitungsabschnitte von den
Rädern auf der ersten Schiene 101 jeweils (weitgehend) symmetrisch zu einem Leitungsabschnitt
des entsprechenden Rades auf derselben Schiene 101 des anderen Drehgestells verlegt.
Die Symmetrie bezieht sich in diesem Fall auf eine vertikale Mittelebene, die quer
zur Fahrtrichtung und durch den Verbindungspunkt 5 verläuft, sich also in der Mitte
zwischen den beiden Drehgestellen erstreckt. Z.B. ist die Leitung 110 in diesem Sinne
symmetrisch zu der Leitung 410 verlegt usw. Daher ist insgesamt wegen dieser doppelten
Spiegelsymmetrie auch eine (weitgehende) Punktsymmetrie bezüglich dem Verbindungspunkt
5 z.B. der Leitungsabschnitte 410 und 120 und der Leitungsabschnitte 320 und 210 gegeben.
[0048] Bei den Verbindungen 110, 120, 210, 220, 310, 320, 410, 420 kann es sich z.B. um
so genannte Erdstrom- oder Traktionsrückstromverbindungen handeln, die eine Rückleitung
zu Schienenpotential darstellen, für den Betrieb von elektrischen Betriebsmitteln
in dem Schienenfahrzeug.
[0049] Wie im Bereich des links in Fig. 1 dargestellten Drehgestells 107 angedeutet ist,
kann der elektrisch leitende Fahrzeugkörper des Schienenfahrzeugs über einen Anschlusspunkt
104 und einen niederohmigen Widerstand ZE ebenfalls mit dem Verbindungspunkt 5 verbunden
sein. Auch wenn dies im Bereich des Drehgestells 107 dargestellt ist, so liegt die
Verbindung vorzugsweise nahe bei dem Verbindungspunkt 5. Die Darstellung in Fig. 1
ist schematisch zu verstehen. Daher sind nicht alle Verbindungsleitungen voll ausgezeichnet.
Vielmehr ist im Bereich der Drehgestelle 107, 119 jeweils durch die Bezugsziffer 5
angedeutet, dass die Verbindungsleitungen 110, 120, 410, 420 ebenfalls zu dem Verbindungspunkt
5 in der Mitte zwischen den Drehgestellen führen.
[0050] Außer der Speisespannung U
1 ist auch der zugehörige, momentan durch die Induktionsschleife 1 fließende Strom
I
1 in den Abschnitten 1 a, 1 b jeweils durch einen Pfeil dargestellt. Außerdem ist durch
einen Ringpfeil und das Bezugszeichen F
h die induktive Kopplung zwischen der Induktionsschleife 1 und der Sekundärschleife
angedeutet. In der Sekundärschleife fließen daher in einem Schienenabschnitt der Schiene
101 der Strom I
21 und in einem Schienenabschnitt der Schiene 102 der Strom I
22. Die genannten Schienenabschnitte befinden sich zwischen den Drehgestellen 107, 119.
[0051] Anstelle des niederohmigen Widerstandes ZE kann der Fahrzeugkörper (Wagenmasse) auch
über eine Schutzdrossel (Induktivität) an den Verbindungspunkt 5 angeschlossen sein.
[0052] Die in Fig. 1 dargestellte Ausgestaltung der Verbindungsleitungen zwischen den Rädern
und dem Verbindungspunkt 5 kann auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform
einer Induktionsschleife oder auch bei anderen Ausgestaltungen mit wenigstens einer
Induktionsschleife vorgesehen sein.
[0053] Anders als in Fig. 1 kann dabei nicht an jedem Rad eine Erdstrombürste oder ein anderer
elektrischer Kontakt zur Kontaktierung des rotierenden Rades vorgesehen sein, sondern
nur an einer Teilanzahl der Räder. Z.B. bei dieselelektrisch angetriebenen Lokomotiven
ist in der Regel ein Erdkontakt nur über einen Teil der
[0054] Räder realisiert. Dennoch erhöht das Konzept mit Verbindungsleitungen von und zu
den Rädern, die an einem gemeinsamen Verbindungspunkt zusammengeführt sind, auch in
diesem Fall die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schienenkurzschluss über das Fahrzeug
hergestellt wird.
[0055] Außerdem können verschiedene Kombinationen von Verbindungsabschnitten zwischen den
Rädern und dem gemeinsamen Verbindungspunkt gemeinsam mit Schienenabschnitten und
eventuell Achsen eine Sekundärschleife bilden, in der von der Induktionsschleife eine
Spannung induziert wird. Wenn z.B. der elektrische Kontakt von dem Rad 115d zu der
Schiene 102 sehr hochohmig ist, unabhängig davon, ob eine Spannung induziert wird
oder nicht, kann das Rad 115c mit einem guten, niederohmigen Kontakt zu der Schiene
101 dennoch wegen der Verbindungsleitung 210 sowohl zu einem Kurzschluss beitragen
als auch Teil eines Sekundärkreises sein, indem von der Induktionsschleife 1 eine
Spannung induziert wird. Dies bedeutet, dass der gute elektrische Kontakt des Rades
115c aufgrund der induzierten Spannung auch wirksam aufrechterhalten wird. Die Sekundärschleife
besteht in diesem Fall z.B. aus dem Leitungsabschnitt 210, dem Leitungsabschnitt 320,
dem Rad-Schienekontakt der Räder 115c, 116b und 116a, der Achse 108 und dem Schienenabschnitt
der Schiene 101 zwischen den Rädern 115c und 116a.
[0056] Ein weiterer Fall, in dem nicht an allen Rädern Erdstrombürsten oder andere elektrische
Kontakte zu den Rädern vorgesehen sind, bilden Fahrzeuge, die ausschließlich an einem
Wechselstromfahrdraht betrieben werden. Da bei der in der Regel hohen Netzspannung
des Wechselstromfahrdrahtes kleinere Rückströme zur Schiene im Vergleich zu Gleichstromfahrzeugen
auftreten, werden hier in der Regel weniger Erdstrombürsten eingesetzt. Bei eingeschaltetem
Fahrzeug und Betrieb mit minimaler Grundlast (nur Hilfsbetriebe eingeschaltet) wird
eine niederohmige Verbindung zwischen beiden Schienen durch den Rückstrom über Strombürsten
Räder und Schiene gewährleistet. Für die zweite Maßnahme der Erfindung reicht es dabei
auch aus, die vorhandenen Erdstrombürsten und die zugehörigen Verbindungsabschnitte
zwischen diesen Erdstrombürsten und dem gemeinsamen Verbindungspunkt zu nutzen, da
zumindest zeitweise bei Bezug von elektrischem Strom aus dem Fahrdraht die Kontakte
der Räder mit Erdstrombürsten zu ihrer Schiene in niederohmigem Zustand erhalten werden.
Daher reicht es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch aus, die
Induktionsschleife nur dann zu betreiben, wenn das Schienenfahrzeug kein Strom aus
dem Netz bezieht.
[0057] Anders als in Fig. 1 dargestellt, kann die Induktionsschleife 1 auch mehr als eine
Windung um die Fläche 130 haben. Davon zu unterscheiden ist der Fall der Fig. 6, bei
der zwei Induktionsschleifen vorhanden sind, die mit Strömen in entgegengesetzter
Richtung (180° Phasenverschiebung) betrieben werden. Mehrere Windungen derselben Induktionsschleife
werden von Strömen in gleicher (d.h. zu jedem Zeitpunkt in paralleler) Richtung durchflossen.
[0058] Die Induktionsschleife 1 befindet z.B. in einem Abstand von 150 bis 200 mm oberhalb
der Schienenoberkante und ist z.B. mit seinen Leitungsabschnitten 1a-1d in Kupferrohr
oder Aluminiumrohr ausgeführt. Kupferrohr / Aluminiumrohr weist eine gute elektrische
Leitfähigkeit auf und ist aufgrund seiner Rohrform mechanisch sehr stabil.
[0059] Fig. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.
Wesentliche elektrische Widerstände werden durch den Übergang der Erdstrombürsten
11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42 zu dem jeweiligen Rad 115, 116 gebildet. Diese Widerstände
sind in Fig. 3 mit "RE", gefolgt von dem Bezugszeichen der jeweiligen Erdstrombürste
in Fig. 1 dargestellt. Außerdem werden wesentliche elektrische Widerstände durch den
Rad-Schiene-Übergang gebildet. Diese Widerstände sind in Fig. 3 mit "RW", gefolgt
wiederum von dem Bezugszeichen der Erdstrombürste des Rades dargestellt.
[0060] In Fig. 3 ist außerdem eine Stromquelle 2 in der Induktionsschleife 1 dargestellt,
die die Wirkung der Speiseschaltung 53 symbolisiert.
[0061] In Fig. 2 haben die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. Jedoch ist anstelle
der Induktionsschleife 1 ein Paar von Induktionsschleifen vorgesehen, die jeweils
etwa über einer der Schienen 101, 102 angeordnet sind und eine in vertikaler Richtung
verlaufende und in Fahrtrichtung verlaufende ebene Fläche umlaufen. In der Seitenansicht
von Fig. 2 ist lediglich die Induktionsschleife 71 auf der Seite der Schiene 102 erkennbar.
Die zweite Induktionsschleife befindet sich z.B. genau hinter der Induktionsschleife
71 über der gegenüberliegenden Schiene 101. Dementsprechend induziert die Induktionsschleife
71 eine elektrische Spannung z.B. in der durch die Verbindungsabschnitte 220, 320,
die Rad-Schienekontakte der Räder 115d, 116b und durch den Schienenabschnitt zwischen
diesen Rädern gebildeten Sekundärschleife. Ein entsprechender induzierter Strom I
22 ist in Fig. 2 eingezeichnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch in einer Sekundärschleife,
die u.a. durch die Verbindungsabschnitte 120 und 320 oder 120 und 420 gebildet ist,
eine Spannung von der Induktionsschleife 71 induziert werden.
[0062] Wegen der rauen Einsatzbedingungen unterflur wird bevorzugt, dass möglichst sämtliche
elektrischen Bauteile, die zur Gewährleistung der Funktion der Induktionsschleife
erforderlich sind, im Fahrzeug angeordnet sind, d.h. nicht unterflur. Fig. 4 zeigt
daher schematisch eine Lösung, bei der z.B. die Induktionsschleife 1 (alternativ die
Induktionsschleife 71 oder eine andere Induktionsschleife) unterflur und/oder nahe
den Schienen angeordnet ist. Über eine Verbindungsleitung 441 ist die Induktionsschleife
mit einer Oszillatorschaltung 443 verbunden, die einen Kondensator 445 aufweist, der
zwischen die beiden Potentiale der Verbindungsleitung bzw. zwischen die beiden Potentiale
am Ausgang des Oszillators 447 geschaltet ist. In Fig. 4 sind die entsprechende resultierende
Kapazität C
res und die am Kondensator 445 anliegende Ausgangsspannung U
Cres des Oszillators 447 dargestellt. Der Oszillator 447 weist eine Eingangsseite 449
auf, die an eine Gleichstromversorgung angeschlossen ist und durch Plus- und Minuszeichen
und "DC" angedeutet ist.
[0063] Alternativ kann, wie Fig. 5 zeigt, der Kondensator 445 beispielsweise durch eine
Reihenschaltung von zwei Kondensatoren 551, 552 ersetzt werden. Andere Anordnungen
von einzelnen Kapazitäten sind ebenfalls möglich. Die resultierende Kapazität C
res ist im Fall der Fig. 5 der Quotient aus dem Produkt der Einzelkapazitäten C
1, C
2 und der Summe der Einzelkapazitäten. Die an den Kondensatoren 551, 552 anliegenden
einzelnen Spannungen sind in Fig. 5 mit U
C1 und U
C2 dargestellt. Die Verbindungsleitung ist wiederum mit dem Bezugszeichen 441 bezeichnet.
Der Oszillator ist wiederum durch das Bezugszeichen 447 bezeichnet.
[0064] Wie Fig. 8 zeigt, kann z.B. bei der Anordnung gemäß Fig. 5 die an dem Kondensator
552 anliegende Spannung U
C2 zur automatischen Anpassung der Frequenz des Oszillators 447 an die Resonanzfrequenz
der an den Oszillator 447 angeschlossenen Schaltung genutzt werden. Dabei wird die
Resonanzfrequenz im Wesentlichen durch die Gesamtkapazität der Kondensatoren 551,
552, durch die Induktivität der Induktionsschleife und durch die Induktivität der
Verbindungsleitung bestimmt.
[0065] Die Oszillatorschaltung ist in Fig. 8 wiederum durch Bezugszeichen 447 bezeichnet
und umfasst die von der gestrichelten Linie umrandeten Bauteile. Die Induktionsschleife
ist in Fig. 8 durch die Reihenschaltung ihrer Induktivität L (einschließlich der Verbindungsleitung)
und durch ihren ohmschen Widerstand R symbolisiert. Ein erster Anschlusspunkt 801
des Oszillators 447 ist mit einer Seite der Reihenschaltung der Kondensatoren 551,
552 (nämlich der Seite des Kondensators 552) verbunden. Ein zweiter Anschlusspunkt
802 des Oszillators 447 ist mit der gegenüberliegenden Seite (Seite des Kondensators
551) der Reihenschaltung der Kondensatoren verbunden. Ein Punkt 803 des Oszillators
447 ist mit einem Punkt in der Mitte, d.h. zwischen den beiden Kondensatoren 551,
552 verbunden. Der erste Anschlusspunkt ist über eine Kapazität C3 und über einen
dazu in Reihe geschalteten Widerstand R4 mit der Basis eines Transistors T1 verbunden.
Der zweite Anschlusspunkt 802 ist mit dem Kollektor des Transistors verbunden. Ebenfalls
mit dem Kollektor ist ein Widerstand R3 verbunden, dessen entgegengesetzte Seite über
eine Glättungsdrossel L1 mit Pluspotential der Gleichspannungsseite 449 verbunden
ist. Parallel zu der Gleichspannungsseite ist ein Spannungsteiler mit Widerstand R5
und Widerstand R6 geschaltet, wobei ein Zwischenpunkt zwischen den Widerständen R5,
R6 mit der Basis des Transistors verbunden ist. Der Punkt 803 ist mit dem Minuspotential
der Gleichspannungsseite 449 und - über einen Widerstand R2 - mit dem Emitter des
Transistors verbunden.
[0066] Die Funktion der Schaltung ist wie folgt:
Der eigentliche Schwingkreis wird gebildet von den Kondensatoren 551, 552 (Kapazitäten
C1. C2) und der Induktivität L der Induktionsschleife und
Verbindungsleitung. Der unvermeidbar im Schwingkreis vorhandene ohmsche Widerstand
R bewirken eine Dämpfung der Schwingung, so dass ohne erneute Anregung die Schwingung
abklingen und nach kurzer Zeit beendet sein würde.
Die Wechselspannung zwischen den Anschlusspunkten 802 und 801 ergibt sich aus der
Addition der Kondensatorspannungen von U
C1 + U
C2. Beide Kondensatorspannungen setzen sich im eingeschwungenen Zustand aus einer Gleichspannung
mit überlagerter Wechselspannung zusammen, wobei der Gleichspannungsanteil an C1 positiv
und der Gleichspannungsanteil an C2 negativ ist. In der Summenspannung U
C1 + U
C2 heben sich beide Gleichspannungsanteile auf.
Durch eine Rückkopplung der Kondensatorspannung U
C2 auf die Basis des Transistors T1 wird eine Mitkopplung erreicht, die ein zyklisches
Einschalten des Transistors T1 während der negativen Halbschwingung von C2 bewirkt.
Das phasenrichtige Ein- und Ausschalten des Transistors unterstützt den durch den
Schwingvorgang hervorgerufenen Entlade- und Aufladevorgang der Kapazität C1 und sorgt
für eine kontinuierliche Anregung und damit für die Aufrechterhaltung der Resonanzschwingung.
[0067] Mit den Widerständen R3 und R2 kann die Höhe der Ausgangswechselspannung zwischen
den Punkten 801 und 802 in Abhängigkeit von der Dämpfung im Schwingkreis in definiertem
Bereich eingestellt werden. Über den Widerstand R2 wird der Entladestrom des Kondensators
C1 beim Einschalten des Transistors T1 begrenzt.
[0068] Die Kapazität C3 dient zur Abkoppelung des Gleichspannungsanteils von U
C2. Mit dem Widerstand R1 wird der Arbeitspunkt des Transistors beeinflusst.
Die Induktivität L1 bewirkt eine Reduktion des Wechselstromanteils in der Speisequelle
wodurch die Verluste reduziert werden und das selbsttätige Anschwingen der Oszillatorschaltung
bei Anlegen der Gleichspannung E1 verbessert wird. Die Widerstände R5 und R6 haben
nur Spannungsteilerfunktion und sind von untergeordneter Bedeutung.
[0069] Fig. 6 zeigt eine Anordnung ähnlich der in Fig. 1 und Fig. 3, wobei jedoch zwei übereinander
angeordnete Induktionsschleifen 601, 602 zwischen den Drehgestellen 107, 119 angeordnet
sind. Ansonsten bezeichnen die in Fig. 6 verwendeten Bezugszeichen dieselben Teile
und Einrichtungen wie in Fig. 1 bzw. Fig. 4. Die erste induktionsschleife 601 ist
vorzugsweise im Abstand 100 mm bis 200 mm oberhalb der Oberkante der Schienen 101,
102 angeordnet. Die zweite Induktionsschleife 602 ist darüber innerhalb des Wagenkastens
des Schienenfahrzeugs angeordnet und vorzugsweise in einem Abstand von mindestens
100 mm über der ersten Induktionsschleife 601.
[0070] In dem Ausführungsbeispiel sind die Induktionsschleifen beide über die Verbindung
441 mit der Oszillatorschaltung 443 verbunden und in Reihe geschaltet. Dabei sind
sie jedoch derart in Reihe geschaltet, dass sie zu jedem Zeitpunkt in einander entgegengesetzter
Richtung (180° Phasenverschiebung) von einem Strom durchflossen werden (oder von keinem
Strom durchflossen werden), wie durch die entgegengesetzt weisenden und mit dem Bezugszeichen
I
L2, I
L1 bezeichneten Pfeile angedeutet ist.
[0071] Die resultierenden magnetischen Feldstärken der durch die Induktionsschleifen 601,
602 erzeugten elektromagnetischen Felder sind in Fig. 7 für verschiedene Punkte in
der Umgebung der Induktionsschleifen dargestellt. Die Bildebene von Fig. 7 verläuft
in vertikaler Richtung und quer zur Fahrtrichtung. Unten links ist die Schiene 102
erkennbar, darüber der momentan in die Bildebene hineinfließende Strom I
L1 durch die Induktionsschleife 601 und wiederum darüber der momentan aus der Bildebene
herausfließende Strom I
L2 durch die zweite Induktionsschleife 602. Die Induktionsschleife 601 weist zur Oberkante
der Schiene 102 einen Höhenabstand von h1 auf. Der Höhenabstand zwischen den Induktionsschleifen
601, 602 ist durch h2 symbolisiert.
[0072] An der Oberkante der Schiene 102 erzeugt die Induktionsschleife 601 eine momentane
magnetische Feldstärke, die durch einen nach links weisenden, von der Schiene 102
ausgehenden Pfeil mit dem Bezugszeichen H
L1 dargestellt ist. Die zweite Induktionsschleife 602 erzeugt momentan ein Magnetfeld
an der Oberkante der Schiene 102, das durch einen nach rechts weisenden, von der Schiene
102 ausgehenden Pfeil mit dem Bezugszeichen H
L2 dargestellt ist. Da die erste Induktionsschleife 601 wesentlich näher an der Oberkante
der Schiene 102 angeordnet ist als die zweite Induktionsschleife 602, ist das von
der ersten Induktionsschleife 602 erzeuge Magnetfeld betragsmäßig größer. Der resultierende
Magnetfeldvektor an der Oberkante der Schiene 102 ist daher durch einen nach links
weisenden Pfeil, der an der Schiene 102 ansetzt, und durch die Zeichenkette "H
L1+H
L2" symbolisiert.
[0073] Auch wenn es sich bei dieser in Fig. 7 dargestellten Vektoraddition um eine Momentaufnahme
handelt, gilt entsprechendes für jeden Zeitpunkt, zu dem die Induktionsschleifen 601,
602 betrieben werden. Lediglich bei einem Nulldurchgang der Magnetfeldstärke ist auch
die Summe der Magnetfelder kurzzeitig Null. Im zeitlichen Mittel aber ist die Magnetfeldstärke
durch die untere Induktionsschleife 601, geschwächt durch die weiter entfernt liegende
obere Induktionsschleife 602, bestimmt.
[0074] In einem Abstand r seitlich (in Fig. 7 rechts) des Gleises und etwa in der Mitte
der Höhenniveaus der Induktionsschleifen 601, 602 heben sich aber die Feldstärken
der von den Induktionsschleifen 601, 602 erzeugten magnetischen Felder fast vollständig
auf. Dies ist rechts in Fig. 7 durch eine Vektoraddition dargestellt. Die relevanten
Abstände r zwischen dem Punkt A und den Induktionsschleifen 601, 602 sind in Wirklichkeit
größer als in der schematischen Darstellung von Fig. 7. Daher heben sich für große
Abstände r in Bezug auf die Abstände h2 bzw. h1 (r >> h2 bzw.h1) die resultierenden
magnetischen Felder der beiden Induktionsschleifen 601, 602 auch auf einer Kreisbahn
um die Induktionsschleifen nahezu vollständig auf. Daher ist die elektromagnetische
Verträglichkeit der Anordnung mit zwei Induktionsschleifen, die entgegengesetzt bestromt
werden, bezüglich von Einrichtungen außerhalb und entlang der Fahrstrecke des Schienenfahrzeugs
sehr gut.
[0075] Zusammenfassend können die Vorteile der vorliegenden Erfindung wie folgt genannt
werden:
- Die Anzahl der elektrischen Verbindungen bzw. der zugeordneten Impedanzen zwischen
den beiden Schienen ist erhöht, wenn eine erhöhte Anzahl von Achsen und Rädern des
Schienenfahrzeugs genutzt wird und/oder wenn zusätzlich zu den Achsen elektrische
Verbindungen von mehreren Rädern zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt geführt werden.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Verbindungsabschnitte zu dem Verbindungspunkt
symmetrisch verlegt werden.
- Wegen der Anordnung der Induktionsschleife zwischen Drehgestellen ist die Gefahr von
unerwünschten Induktionen im Bereich der Drehgestelle, z.B. im Bereich der dort angeordneten
Fahrmotoren, Lager und Getriebe, reduziert und weitgehend ausgeschlossen.
- Da die Induktionsschleife zwischen den Drehgestellen sich nicht über den gesamten
Zwischenraum zwischen den Drehgestellen erstrecken muss, bestehen mehrere Möglichkeiten
bezüglich der Anordnung und Größengestaltung der von der Induktionsschleife umlaufenden
Fläche. Es kann daher der jeweils in einem konkreten Schienenfahrzeug vorhandene,
einfach zu erreichende Bauraum genutzt werden.
- Wenn die die Resonanzfrequenz des Schwingkreises wesentlich mitbestimmende Kapazität
im Bereich der Oszillatorschaltung angeordnet wird (und nicht unmittelbar in der Induktionsschleife),
kann auf Maßnahmen zum Schutz der Kapazität verzichtet werden und entstehen weniger
elektrische Verbindungen unterflur in Gleisnähe.
- Wenn oberhalb einer in Gleisnähe angeordneten Induktionsschleife, die eine horizontal
verlaufende Fläche umläuft, eine zweite solche Schleife angeordnet wird, können die
elektromagnetischen Störfelder in Streckennähe stark reduziert werden. Dennoch ist
die Funktionsweise der Induktionsschleifen für den angestrebten Zweck gewährleistet.
Bei Bedarf kann die Stromstärke gegenüber der Nutzung einer einzigen Induktionsschleife
erhöht werden, um die teilweise Kompensation der Feldstärken auf Gleishöhe auszugleichen.
- Wenn die Induktionsschleife zwischen zwei Drehgestellen angeordnet ist und/oder wenn
zusätzlich zu den Achsen des Fahrzeugs elektrische Verbindungen von den Rädern zu
einem gemeinsamen Verbindungspunkt verlegt werden, kann, wie im Stand der Technik
bereits vorgeschlagen wurde, auf Induktionsschleifen in mehreren Drehgestellen verzichtet
werden. Die Erfindung kommt daher vorzugsweise mit einer oder einem Paar von Induktionsschleifen
zwischen zwei Drehgestellen aus.
- Zwei übereinander angeordnete, entgegengesetzt bestromte Induktionsschleifen können
z.B. in Reihe geschaltet sein oder auch parallel geschaltet sein. In beiden Fällen
kann eine einzige Oszillatorschaltung zur Bestromung beider Induktionsschleifen eingesetzt
werden.
1. Schienenfahrzeug mit einer Induktionsschleife (1) zur Gewährleistung einer niederohmigen
elektrischen Verbindung zwischen Rädern (115, 116) des Schienenfahrzeugs und Fahrschienen
(101, 102), auf denen die Räder (115, 116) rollen, durch Induktion einer elektrischen
Spannung in eine durch die Räder (115, 116), durch Abschnitte zumindest einer der
Fahrschienen und durch elektrische Verbindungen zwischen Rädern (115, 116) gebildete
sekundäre Stromschleife,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Induktionsschleife unterflur eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs und in
Fahrtrichtung zwischen zwei Drehgestellen (107; 119) des Schienenfahrzeugs angeordnet
ist.
2. Schienenfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei elektrische Verbindungen
zwischen gegenüberliegenden Rädern (115, 116) zusätzlich zu gegebenenfalls vorhandenen
Achsen des Schienenfahrzeugs auch zumindest eine elektrische Leitung (110, 220; 210,
120) aufweisen, die ein erstes Rad (115a; 115c) auf einer ersten Seite des Schienenfahrzeugs
mit einem zweiten Rad (115d; 116b) auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite des Schienenfahrzeugs
verbindet, wobei das erste Rad (115a; 115c) und das zweite Rad (115d; 115b) in Fahrtrichtung
gegeneinander versetzt sind, d. h. insbesondere nicht an derselben Achse montiert
sind.
3. Schienenfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mehrere der elektrischen
Leitungen (110, 210, 120, 220, 310, 410, 320, 420) vorhanden sind, die elektrischen
leitend an einem Verbindungspunkt (5) miteinander verbunden sind.
4. Schienenfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Verbindungspunkt (5)
in der Fahrtrichtung in der Mitte zwischen den zwei Drehgestellen (107; 119) angeordnet
ist.
5. Schienenfahrzeug nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungspunkt
(5) in der Mitte zwischen den beiden Fahrschienen (101, 102) angeordnet ist.
6. Schienenfahrzeug nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein
Teil der von dem Verbindungspunkt zu den Rädern führenden Abschnitte der elektrischen
Leitungen (110, 210, 120, 220, 310, 410, 320, 420) symmetrisch bezüglich dem Verbindungspunkt
(5) und/oder symmetrisch bezüglich einer vertikalen Ebene verlegt sind, wobei die
vertikale Ebene in der Mitte des Schienenfahrzeugs und in der Fahrtrichtung verläuft.
7. Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsschleife
(1) eine horizontal verlaufende Fläche umläuft.
8. Schienenfahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwei der Induktionsschleifen
(601, 602) vorgesehen sind, wobei die horizontal verlaufenden Flächen, die von der
jeweiligen Induktionsschleife umlaufen werden, übereinander liegen und wobei das Schienenfahrzeug
eine Stromerzeugungseinrichtung (443) zur Erzeugung von Wechsel-Strömen in den Induktionsschleifen
(601, 602) aufweist, die derart ausgestaltet und mit den Induktionsschleifen (601,
602) verbunden ist, dass die Ströme in den zwei Induktionsschleifen (601, 602) phasenverschoben
fließen.
9. Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei der Induktionsschleifen
(71) vorgesehen sind, wobei jede der Induktionsschleifen (71) auf einer der Seiten
des Schienenfahrzeugs eine vertikal verlaufende Fläche umläuft, die sich auf der jeweiligen
Seite des Schienenfahrzeugs in Fahrtrichtung erstreckt.
10. Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schienenfahrzeug
eine Stromerzeugungseinrichtung (443) zur Erzeugung von Strömen in der Induktionsschleife
(1) aufweist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung (443) einen Oszillator (447) zur
Erzeugung eines mit einer Oszillationsfrequenz oszillierenden Wechselstroms in der
Induktionsschleife (1) aufweist, wobei ein kapazitives Bauteil (551, 552) oder eine
Anordnung von kapazitiven Bauteilen (551, 552) vorgesehen ist, dessen/deren Kapazität
(C1, C2) gemeinsam mit der Induktionsschleife (1) und einer Verbindungsleitung (441)
zwischen der Stromerzeugungseinrichtung (443) und der Induktionsschleife (1) eine
Resonanzfrequenz der Induktionsschleife (1) bestimmt und wobei das kapazitive Bauteil
(551, 552) bzw. die Anordnung als Teil der Stromerzeugungseinrichtung (443) ausgestaltet
ist und über die Verbindungsleitung (441) mit der Induktionsschleife (1) verbunden
ist.
11. Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs, wobei zur Gewährleistung einer niederohmigen
elektrischen Verbindung zwischen Rädern (115, 116) des Schienenfahrzeugs und Fahrschienen
(101, 102), auf denen die Räder (115, 116) rollen, eine elektrische Spannung in eine
durch die Räder (115, 116), durch Abschnitte zumindest einer der Fahrschienen (101,
102) und durch elektrische Verbindungen (105, 106, 108, 109; 110, 210, 120, 220, 310,
410, 320, 420) zwischen Rädern (115, 116) gebildete sekundäre Stromschleife induziert
wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Erzeugung der Induktion eine Induktionsschleife (1) verwendet wird, die unterflur
eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs und in Fahrtrichtung zwischen zwei Drehgestellen
(107, 119) des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Induktionsschleife
(1) eine horizontal verlaufende Fläche umläuft.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwei der Induktionsschleifen (601,
602) verwendet werden, wobei die horizontal verlaufenden Flächen, die von der jeweiligen
Induktionsschleife (601, 602) umlaufen werden, übereinander liegen und wobei in den
zwei Induktionsschleifen (601, 602) Ströme erzeugt werden, die gegeneinander phasenverschoben
fließen.
14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei zwei der Induktionsschleifen (71) verwendet werden,
wobei jede der Induktionsschleifen (71) auf einer der Seiten des Schienenfahrzeugs
eine vertikal verlaufende Fläche umläuft, die sich auf der jeweiligen Seite des Schienenfahrzeugs
in Fahrtrichtung erstreckt, sodass auf der jeweiligen Seite des Schienenfahrzeugs
jeweils eine elektrische Spannung in einer sekundären Stromschleife induziert wird,
die durch einen Abschnitt der Fahrschiene (101, 102), durch Räder (115, 116) der vor
und hinter der Induktionsschleife angeordneten Drehgestelle (107, 119) und durch eine
elektrische Verbindung zwischen den Drehgestellen (107, 119) gebildet ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schienenfahrzeug mit
Strom aus einem Energieversorgungsnetz angetrieben wird und wobei die Induktionsschleife
(1) nur dann betrieben wird, wenn das Schienenfahrzeug keinen Strom aus dem Energieversorgungsnetz
bezieht.