EP2082943B2 - Schienenfahrzeug mit einer Induktionsschleife zur Gewährleistung einer niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen Rädern des Schienenfahrzeugs und Fahrschienen - Google Patents

Schienenfahrzeug mit einer Induktionsschleife zur Gewährleistung einer niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen Rädern des Schienenfahrzeugs und Fahrschienen Download PDF

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EP2082943B2
EP2082943B2 EP09090001.0A EP09090001A EP2082943B2 EP 2082943 B2 EP2082943 B2 EP 2082943B2 EP 09090001 A EP09090001 A EP 09090001A EP 2082943 B2 EP2082943 B2 EP 2082943B2
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EP
European Patent Office
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rail vehicle
induction
wheels
induction loop
loop
Prior art date
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EP2082943A3 (de
EP2082943A2 (de
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Ludwig Still
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Alstom Transportation Germany GmbH
Original Assignee
Bombardier Transportation GmbH
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Publication of EP2082943A3 publication Critical patent/EP2082943A3/de
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Publication of EP2082943B2 publication Critical patent/EP2082943B2/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/18—Railway track circuits
    • B61L1/181—Details
    • B61L1/182—Use of current of indifferent sort or a combination of different current types
    • B61L1/183—Use of means on the vehicle for improving short circuit, e.g. in vehicles with rubber bandages

Definitions

  • the invention relates to a rail vehicle with an induction loop to ensure a low-impedance electrical connection between wheels of the rail vehicle and rails on which the wheels roll, by induction of an electrical voltage into one through the wheels, through sections of at least one of the rails and through electrical connections between wheels secondary current loop formed.
  • the fact that a track section is occupied by a rail vehicle is detected by applying a voltage between both rails.
  • this voltage remains due to the high resistance between the two rails and can be measured at the end of the track section.
  • the applied voltage is short-circuited by the vehicle, so that the voltage breaks down. This can be detected so that a track occupancy message can be issued.
  • a prerequisite for the safe functioning of such a track occupancy message is that the electrical resistance between the rails and the wheels is sufficiently small.
  • this resistance depends on the surface condition of both the rails and the wheels.
  • a non-conductive or only slightly electrically conductive surface layer can be present on the rails and / or on the rolling surfaces of the wheels.
  • the current flow via the mechanical contact between the wheels and the rails can be sufficient for the track occupancy signal if the electrical voltage or the current flowing through the contact point is sufficiently large.
  • an electrical base load i.e. e.g. electrical supply to auxiliary operations in the rail vehicle from the electrical supply network
  • an electrical base load is often sufficient to overcome the contact resistance between wheel and rail, so that the occupancy signal can be reliably sent. If, on the other hand, no electricity is drawn from the electrical supply network and therefore no load current flows through the contact points between the wheels and the rails, the safe function of the track occupancy message cannot be guaranteed, especially in the event of poor rail conditions.
  • a railway signaling system for detecting a train is known within a fixed track section.
  • the system has a shunt auxiliary circuit which includes an inductive loop antenna which is provided on the railway vehicle so that it is inductively closely coupled to the rails. This induces a current in the wheel-rail-axis circuit when the loop antenna is excited by an alternating source.
  • the loop antenna is mounted on a bogie with two axes and is excited by an oscillator with a frequency of 165 kHz. The excitation frequency is matched to the resonance frequency of the resonant circuit.
  • the current induced by the loop antenna flows through a bogie / track loop, which is formed by the two axles, the four wheels of the rail vehicle attached to the axles and a section of the two rails between the wheels.
  • the area around the loop antenna is in accordance with EP 0 500 757 B1 should be as large as possible, however, it is limited by the design of the bogie and is only about 50% of the area surrounding the bogie / track loop. In addition, it is difficult to accommodate the induction loop on bogies with drive motors and gearboxes.
  • an induction loop to ensure a low-resistance electrical connection between wheels and rails is that the electromagnetic fields generated by the induction loop not only generate the voltage desired for the track occupancy signal, but can also represent undesirable interference fields. In particular, facilities inside the rail vehicle as well as on or next to the route can be disturbed.
  • the rail vehicle can also be equipped with block brakes which make sliding contact with the rolling surfaces of the wheels during the braking process, so that at least the wheel has a well-conducting contact surface on its rolling surface.
  • block brakes which make sliding contact with the rolling surfaces of the wheels during the braking process, so that at least the wheel has a well-conducting contact surface on its rolling surface.
  • newer rail vehicles often have disc brakes.
  • the installation of an additional block brake or similar grinding device leads to considerable additional effort.
  • more frequent maintenance is required due to wear on the brake and wheel.
  • Particular embodiments of the invention are also intended to reduce any interfering effects caused by the electromagnetic fields generated by the induction loop.
  • a first measure is that the induction loop is arranged between two bogies, each of which has more than one axle, of the rail vehicle.
  • the induction loop is usually under the floor of a vehicle chassis of the rail vehicle, i.e. arranged below the floor of the vehicle chassis.
  • line sections of the induction loop which extend approximately parallel to the tracks, can be at least 80 mm, e.g. be arranged at least 100 mm and preferably at least 150 mm above the upper edge of the rails. In a concrete embodiment of the invention, these line sections can be at most 250 mm, e.g. run at most 200 mm and preferably 150 mm above the upper edge of the rails.
  • the respective regulations for compliance with a clearance between the top edge of the rail and attachments to the rail vehicle must be observed.
  • the mentioned line sections running parallel to the rails and / or also line sections of the induction loop running transversely to the rails can be formed by one or more pipes made of electrically conductive material.
  • Copper or aluminum pipe with e.g. an outer diameter of at least 28 mm, e.g. B. at least 35 mm and preferably up to 50 mm.
  • Such an arrangement of the induction loop underfloor and / or close above the top edge of the rail has the advantage that the electromagnetic field generated by the induction loop can induce an electrical voltage in the associated secondary loop.
  • the secondary loop can be formed in different ways depending on the specific design of the rail vehicle and depending on the arrangement and design of the induction loop. Examples will be discussed in more detail in particular in the description of the figures.
  • the secondary loop does not necessarily have to be formed by two axles, each with opposing wheels on the two sides of the rail vehicle, and the associated sections from the two opposing rails between the wheel contact points on the respective side.
  • an appropriately arranged and designed induction loop can bring about a voltage in a secondary loop which is caused by only one section of a rail on one side of the rail vehicle, two wheels at the ends of this section and an electrical connection e.g. can be formed over vehicle mass (formed by the chassis).
  • at least on each side of the rail vehicle there is a corresponding induction loop which, in addition to a line section close above the track or below the floor (e.g.
  • the at least two induction loops are preferably viewed transversely to the direction of travel of the rail vehicle, as far apart from one another as corresponds to the track width of the track. Differences between the track width and the distance between the two induction loops can be about 10 centimeters without significantly impairing the effectiveness of the induction.
  • the first measure proposed here is that the at least one induction loop is arranged between two bogies of the rail vehicle. This induces a voltage in a secondary loop, which among other things is formed by wheels of the two different bogies.
  • a major advantage is that the area around the induction loop can be made much larger than is the case when the induction loop is accommodated in a bogie.
  • a further advantage is that the devices, which are accommodated above all in a bogie with drive motors, are at most very little influenced by the electromagnetic field generated by the induction loop.
  • a second measure that is proposed here is that the rail vehicle has electrical connections between opposite wheels in addition to any axes of the rail vehicle that may be present and also have at least one electrical line that connects a first wheel to a first side of the rail vehicle connects the second wheel on the opposite, second side of the rail vehicle.
  • the first and second wheels are preferably wheels that are offset from one another in the direction of travel, i.e. in particular, the first wheel and the second wheel are not mounted on the same axle of the rail vehicle.
  • the second measure increases the likelihood that a current desired in the context of the track occupancy message or rail vehicle detection actually flows from one rail to the other rail or vice versa, or that the electrical short circuit between the two rails also did If, for example, the contact surface of a wheel on a specific axle at one end of the axle is so poorly electrically conductive that the short circuit is not established via the contact between the wheel and the rail, the wheel arranged at the other end of the axle can still lead to the short circuit contribute between the two rails or even produce it alone if the wheel mounted on the opposite end of the axle is electrically conductively connected to another wheel via the electrical line mentioned, which rolls on the rail on which the wheel with the poorly conductive contact surface also rolls off.
  • the wheels on opposite sides of the rail vehicle i.e. Connect the wheels on the two different rails electrically.
  • the plurality of electrical lines are electrically conductively connected to one another at a connection point.
  • the connection point is preferably arranged in the middle between the two bogies and / or arranged in the middle between the two travel rails. It is particularly preferred that at least some of the sections of the electrical lines leading from the connection point to the wheels are laid symmetrically with respect to the connection point and / or symmetrically with respect to a vertical plane, the vertical plane running in the center of the rail vehicle and in the direction of travel. Part of the sections of the electrical lines is understood to mean that not all, but at least two of the complete sections are laid symmetrically from the connection point to the wheels.
  • the symmetrical laying of the line sections (as mentioned) and / or the arrangement of the connection point in the middle between the two travel rails and / or in the middle between the two bogies also creates the possibility that the at least one induction loop arranged between the two bogies if necessary, a voltage is induced in a secondary loop, which is formed in part by at least one of the electrical lines mentioned between wheels offset in the direction of travel.
  • a voltage is induced in a secondary loop, which is formed in part by at least one of the electrical lines mentioned between wheels offset in the direction of travel.
  • the advantage is that wheels of not only two axles, but of more axles of the rail vehicle are very likely to be involved in generating the short circuit between the two rails.
  • the first measure means that at least in bogies with more than one axis, not only two axes, namely one axis in the direction of travel in front and one axis in the direction of travel behind the induction loop, are involved in the short circuit, but all axes of the bogie in the direction of travel in front of the induction loop and all axes in the direction of travel behind the induction loop can be involved in the short circuit. If axles are mentioned here, this includes the wheels mounted on the axles.
  • the second measure also has the advantage that wheels on the opposite rails, which are not mounted on the same axis, are involved in the short circuit.
  • the probability of an effective short circuit is further increased, since the electrical lines then also lead, in particular, from wheels of the bogie arranged in the direction of travel in front of the induction loop to wheels on the bogie arranged in the direction of travel behind the induction loop.
  • the invention now increases the reliability of the electrical contact between the wheels and the rails by including additional wheels of the rail vehicle.
  • the optional second measure creates additional connections between wheels that are not mounted on the same axle.
  • So-called earth current brushes which are arranged on the wheels anyway in many cases, are used to establish the connections to the wheels. In the case of electric locomotives, but also in the case of diesel locomotives with a traction power supply, a current to the earth potential, which is formed by the rails, flows via these earth current brushes.
  • the induction loop In a first embodiment of the induction loop, it runs around an approximately horizontal surface. It is not absolutely necessary that all sections of the induction loop run exactly at the same height. Differences in height of a few centimeters do not affect the effectiveness of induction.
  • a third measure is proposed, which can be carried out on a rail vehicle in combination with the first measure and optionally also with the second measure.
  • the third measure provides that two of the induction loops are provided, the horizontally running surfaces which are circulated by the respective induction loop lying one above the other and the rail vehicle having a power generating device for generating currents in the induction loops, which are designed in this way and with the Induction loops is connected that the currents in the two induction loops are out of phase.
  • the induction loops lying one above the other thus generate magnetic fields whose field vectors or field strengths at least partially compensate for one another.
  • the currents in the two induction loops flow in opposite directions at all times (i.e. at a certain time e.g.
  • the currents are 180 ° out of phase. It is further preferred that the two currents are approximately equal in terms of magnitude.
  • the superimposed induction loops are z. B. approximately at a distance from each other that is at least equal to the distance of the lower loop to the running rail.
  • the distance between the two induction loops can also be greater than the distance of the lower loop to the rail, for. B. be twice as large.
  • a reasonable upper limit for the distance between the two loops is three times the distance between the lower loop and the rail.
  • the average distance of the conductive materials that form the loop can be used, connecting cables are not taken into account.
  • the upper induction loop reduces the effectiveness of the electromagnetic fields generated by the lower induction loop with regard to a voltage induction in the associated secondary loop. However, the effectiveness is still given, since the lower induction loop is closer to the surface encircled by the secondary loop. On the other hand, the area which is circulated by the upper induction loop is at a distance from the area of the secondary loop and the electromagnetic field of the upper induction loop is less effective. If we are talking about the surface that is circulated by the secondary loop, it is usually not a flat surface, since the rails extend at a lower level than e.g. the axles of the rail vehicle.
  • a fourth measure which can be provided in combination with the first measure and optionally additionally in combination with one or more of the other measures, consists in arranging a capacitive component of the induction loop at a distance from the surface surrounding the induction loop and via a connecting line with the Connect induction loop.
  • the capacitive component (alternatively an arrangement of capacitive components is used) can be located in a protected area in the rail vehicle, while the induction loop e.g. is located under the floor near the track.
  • the rail vehicle have a power generation device for generating currents in the induction loop, the power generation device having an oscillator for generating an alternating current that oscillates at an oscillation frequency in the induction loop, a capacitive component or an arrangement of capacitive components being provided, the / whose capacity, together with the induction loop and a connecting line between the power generation device and the induction loop, determines a resonance frequency of the induction loop and wherein the capacitive component or the arrangement is designed as part of the power generation device and is connected to the induction loop via the connecting line.
  • the connecting line is preferably a low-inductive connecting line compared to the inductance of the induction loop. Nevertheless, the connecting line is part of the entire rail circuit and thus also determines the resonance frequency.
  • the voltage of the capacitance or a partial voltage thereof (for example the voltage dropping across one of a plurality of capacitors) is preferably fed back to the oscillator, so that a resonance oscillation of the induction loop occurs automatically.
  • a resonance oscillation of the induction loop occurs automatically.
  • secondary effects are caused in particular by the mutual inductance of the secondary loop and by the damping properties of the induction loop, connecting line and power generation device on the one hand and the secondary loop on the other.
  • a further, fifth measure which can also be carried out in combination with the first measure or optionally additionally in combination with one or more of the other measures mentioned above, consists in a rail vehicle that is operated with electricity from an energy supply network and in particular its Traction energy derived from it (ie driven by energy from the energy supply network) to operate the induction loop only when the rail vehicle does not draw any electricity from the energy supply network.
  • This takes into account the above-mentioned fact that when electricity is drawn from the power supply network, a ground current flows via wheel / rail contacts and the short-circuit function between the two rails is therefore generally guaranteed.
  • the induction loop has not only one turn, but at least two turns, which run around the same area.
  • the current of the induction loop is not (as preferred) galvanically fed directly from a feed device (e.g. the above-mentioned power generation device) into the secondary loop, but the feed device is galvanically decoupled from the induction loop and e.g. the supply is generated magnetically according to the principle of a current transformer.
  • a feed device e.g. the above-mentioned power generation device
  • the scope of the invention includes a method for operating a rail vehicle, in order to ensure a low-resistance electrical connection between the wheels of the rail vehicle and the rails on which the wheels roll, an electrical voltage in through the wheels, through sections of at least one of the rails and through electrical connections between wheels formed secondary current loop is induced.
  • an induction loop is used, which is arranged between two bogies, each of which has more than one axis, of the rail vehicle and is preferably arranged under the vehicle chassis of the rail vehicle.
  • Fig. 1 shows two bogies 107, 119, each with two axes 105, 106; 108, 109.
  • the wheels 115a, 115c, 116a, 116c roll on a first rail 101.
  • the wheels 115b, 115d, 116b, 116d roll on the opposite second rail 102 of a track.
  • the induction loop 1 In the longitudinal direction of the rail vehicle, ie in the direction of travel between the bogies 107, 119, there is an induction loop 1 which runs around an essentially rectangular surface 130 which is flat in the horizontal plane. Accordingly, the induction loop 1 has a first line section 1 a, which extends approximately above the first rail 101 and parallel to it, a second line section 1 b, which extends approximately above the second rail 102 and parallel to it, a third line section 1 c, which is connected to one end of the first section 1a and extends transversely to the rails 101, 102 in a horizontal direction, and a fourth section 1d which connects a further end of the first section 1a to one end of the section 1b and also transversely to the Rails 101, 102 run in an approximately horizontal direction.
  • the ends of the sections 1c, 1b which have not been mentioned so far are connected to a current generating circuit 53 which is designed as an oscillator circuit.
  • the voltage U 1 is an AC voltage with a frequency which is preferably in the medium frequency range.
  • a feed frequency for feeding the at least one induction loop in the medium frequency range is preferred.
  • the lower limit for the frequency is in the range of 50 kHz, preferably a feed frequency between 100 kHz and 160 kHz is selected.
  • the upper limit for the feed frequency is, for example, around 500 kHz. At higher frequencies, compliance with the current regulations regarding electromagnetic compatibility (EMC).
  • the feed frequency preferably coincides with the resonance frequency of the oscillating system, the part of which is the induction loop.
  • an associated secondary loop in which the induction loop induces a voltage is replaced by all four axes, the associated wheels and the rail sections of the two rails 101, 102 formed between the bogies. This applies in the event that the electrical contact from each of the wheels to the associated rail is made with low resistance or is at least made by the induced voltage. However, it is also possible that at least one or more of the wheels do not have sufficiently low-resistance contact with the associated rail even when a voltage is induced.
  • an electrical line section is led from each of the wheels 115, 116 to a common connection point 5, in each case via one on the wheel arranged earth current brush 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42 and a line 110, 120, 210, 220, 310, 320, 410, 420 from the earth current brush to the common connection point 5.
  • the common connection point 5 is located both in the middle (e.g. with deviations from the center of up to 1 m) between the two bogies 107, 119 and also in the middle (e.g. with deviations from the center of up to 50 cm) between the two rails 101, 102.
  • the line sections 110, 120; 210, 220; 310, 320; 410, 420 laid symmetrically to the vertical median plane, this median plane being longitudinal, i.e. in the direction of travel of the rail vehicle or the track, running in the middle (e.g. with deviations from the center of up to 40 cm) between the two rails 101, 102.
  • the line sections of the wheels on the first rail 101 are each laid (largely) symmetrically to a line section of the corresponding wheel on the same rail 101 of the other bogie.
  • the symmetry relates to a vertical central plane which runs transversely to the direction of travel and through the connection point 5, that is to say extends in the middle between the two bogies.
  • the line 110 is laid symmetrically to the line 410, etc. Therefore, because of this double mirror symmetry, there is also (extensive) point symmetry with respect to the connection point 5, e.g. given the line sections 410 and 120 and the line sections 320 and 210.
  • connections 110, 120, 210, 220, 310, 320, 410, 420 can e.g. are so-called earth current or traction reverse current connections, which represent a return line to rail potential, for the operation of electrical equipment in the rail vehicle.
  • the electrically conductive vehicle body of the rail vehicle can also be connected to the connection point 5 via a connection point 104 and a low-resistance resistor ZE. Even if this is shown in the area of the bogie 107, the connection is preferably close to the connection point 5.
  • the illustration in FIG Fig. 1 is to be understood schematically. Therefore, not all connection lines are fully rated. Rather, it is indicated in the area of the bogies 107, 119 by reference number 5 that the connecting lines 110, 120, 410, 420 also lead to the connection point 5 in the middle between the bogies.
  • the associated current I 1 currently flowing through the induction loop 1 is also represented by an arrow in sections 1a, 1b.
  • the inductive coupling between the induction loop 1 and the secondary loop is indicated by a ring arrow and the reference symbol F h .
  • the current I 21 therefore flows in the secondary loop in a rail section of the rail 101 and the current I 22 flows in a rail section of the rail 102.
  • the rail sections mentioned are located between the bogies 107, 119.
  • the vehicle body can also be connected to the connection point 5 via a protective choke (inductance).
  • a protective choke inductance
  • FIG. 1 Shown embodiment of the connecting lines between the wheels and the connection point 5 can also in the in Fig. 2 shown embodiment of an induction loop or in other configurations with at least one induction loop.
  • an earth current brush or another electrical contact for contacting the rotating wheel cannot be provided on each wheel, but only on a partial number of the wheels.
  • earth contact is usually only implemented via part of the wheels. Nevertheless, the concept with connecting lines from and to the wheels, which are brought together at a common connecting point, increases the likelihood that a rail short-circuit is made via the vehicle.
  • connection sections between the wheels and the common connection point can form a secondary loop, in that of the induction loop a voltage is induced.
  • the wheel 115c with a good, low-resistance contact to the rail 101 can still both because of the connecting line 210 Contribute short circuit as well as part of a secondary circuit in that a voltage is induced by the induction loop 1. This means that the good electrical contact of the wheel 115c due to the induced voltage is also effectively maintained.
  • the secondary loop consists, for example, of the line section 210, the line section 320, the wheel-rail contact of the wheels 115c, 116b and 116a, the axle 108 and the rail section of the rail 101 between the wheels 115c and 116a.
  • earth current brushes or other electrical contacts to the wheels are not provided on all wheels.
  • vehicles which are operated exclusively on an AC contact wire Since the usually high line voltage of the AC contact wire results in smaller return currents to the rail compared to DC vehicles, less earth current brushes are generally used here.
  • a low-resistance connection between the two rails is guaranteed by the reverse flow via current brushes wheels and rails.
  • it is also sufficient to use the existing earth current brushes and the associated connecting sections between these earth current brushes and the common connection point since at least sometimes the contacts of the wheels with earth current brushes to their rail with reference to electrical current from the contact wire low-resistance state can be obtained. Therefore, according to a preferred embodiment of the invention, it is also sufficient to operate the induction loop only when the rail vehicle does not draw any power from the network.
  • the induction loop 1 can also have more than one turn around the surface 130.
  • the case must be distinguished from that Fig. 6 , in which there are two induction loops that are operated with currents in the opposite direction (180 ° phase shift). Currents in the same induction loop are traversed by currents in the same (ie in parallel at all times) direction.
  • the induction loop 1 is e.g. at a distance of 150 to 200 mm above the top edge of the rail and is e.g. with its line sections 1a-1d in copper tube or aluminum tube. Copper pipe / aluminum pipe has good electrical conductivity and is mechanically very stable due to its pipe shape.
  • Fig. 3 shows the electrical equivalent circuit of the in Fig. 1 shown arrangement.
  • Significant electrical resistances are formed by the transition of the earth current brushes 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42 to the respective wheel 115, 116. These resistances are in Fig. 3 with "RE”, followed by the reference symbol of the respective earth current brush in Fig. 1 shown.
  • significant electrical resistances are formed by the wheel-rail transition. These resistances are in Fig. 3 with "RW”, followed by the reference symbol of the earth current brush of the wheel.
  • FIG. 3 A current source 2 is also shown in the induction loop 1, which symbolizes the effect of the feed circuit 53.
  • Fig. 2 the reference symbols have the same meaning as in Fig. 1 .
  • a pair of induction loops is provided, each of which is arranged approximately above one of the rails 101, 102 and runs around a flat surface that extends in the vertical direction and runs in the direction of travel.
  • the second induction loop is located, for example, exactly behind the induction loop 71 above the opposite rail 101. Accordingly, the induction loop 71 induces an electrical voltage, for example in that through the connecting sections 220, 320, the wheel-rail contacts of the wheels 115d, 116b and through the rail section between them Secondary loop formed by wheels.
  • a corresponding induced current I 22 is in Fig. 2 drawn.
  • a voltage can also be induced by the induction loop 71 in a secondary loop, which is formed, inter alia, by the connecting sections 120 and 320 or 120 and 420.
  • Fig. 4 therefore shows schematically a solution in which, for example, the induction loop 1 (alternatively the induction loop 71 or another induction loop) is arranged under the floor and / or near the rails.
  • the induction loop is connected via a connecting line 441 to an oscillator circuit 443 which has a capacitor 445 which is connected between the two potentials of the connecting line or between the two potentials at the output of the oscillator 447.
  • the oscillator 447 has an input side 449 which is connected to a direct current supply and is indicated by plus and minus signs and "DC".
  • the capacitor 445 can be replaced, for example, by a series connection of two capacitors 551, 552.
  • Other arrangements of individual capacities are also available possible.
  • the resulting capacitance C res is in the case of Fig. 5 the quotient of the product of the individual capacities C 1 , C 2 and the sum of the individual capacities.
  • the individual voltages present at the capacitors 551, 552 are shown in Fig. 5 represented with U C1 and U C2 .
  • the connecting line is again identified by reference numeral 441.
  • the oscillator is again designated by reference numeral 447.
  • Fig. 8 shows, for example in the arrangement according to Fig. 5 the voltage U C2 applied to the capacitor 552 can be used to automatically adapt the frequency of the oscillator 447 to the resonance frequency of the circuit connected to the oscillator 447.
  • the resonance frequency is essentially determined by the total capacitance of the capacitors 551, 552, by the inductance of the induction loop and by the inductance of the connecting line.
  • the oscillator circuit is in Fig. 8 again designated by reference numeral 447 and includes the components surrounded by the dashed line.
  • the induction loop is in Fig. 8 symbolized by the series connection of their inductance L (including the connecting line) and by their ohmic resistance R.
  • a first connection point 801 of the oscillator 447 is connected to one side of the series connection of the capacitors 551, 552 (namely the side of the capacitor 552).
  • a second connection point 802 of the oscillator 447 is connected to the opposite side (side of the capacitor 551) of the series connection of the capacitors.
  • a point 803 of the oscillator 447 is connected to a point in the middle, ie between the two capacitors 551, 552.
  • the first connection point is connected to the base of a transistor T1 via a capacitor C3 and a resistor R4 connected in series therewith.
  • the second connection point 802 is connected to the collector of the transistor.
  • a resistor R3 is also connected to the collector, the opposite side of which is connected to the positive potential of the DC voltage side 449 via a smoothing inductor L1.
  • a voltage divider with resistor R5 and resistor R6 is connected in parallel with the DC voltage side, an intermediate point between the resistors R5, R6 being connected to the base of the transistor.
  • the point 803 is connected to the negative potential of the DC voltage side 449 and - via a resistor R2 - to the emitter of the transistor.
  • Resistors R3 and R2 can be used to set the level of the AC output voltage between points 801 and 802 as a function of the damping in the resonant circuit in a defined range.
  • the discharge current of the capacitor C1 is limited via the resistor R2 when the transistor T1 is switched on.
  • the capacitance C3 serves to decouple the direct voltage component from U C2 .
  • the operating point of the transistor is influenced by the resistor R1.
  • the inductance L1 brings about a reduction in the AC component in the supply source, as a result of which the losses are reduced and the automatic oscillation of the oscillator circuit is improved when the DC voltage E1 is applied.
  • the resistors R5 and R6 only have a voltage divider function and are of minor importance.
  • Fig. 6 shows an arrangement similar to that in Fig. 1 and Fig. 3 , however two induction loops 601, 602 arranged one above the other are arranged between the bogies 107, 119. Otherwise denote in Fig. 6 reference numerals used the same parts and devices as in Fig. 1 respectively. Fig. 4 .
  • the first induction loop 601 is preferably arranged at a distance of 100 mm to 200 mm above the upper edge of the rails 101, 102.
  • the second induction loop 602 is arranged above it within the body of the rail vehicle and preferably at a distance of at least 100 mm above the first induction loop 601.
  • the induction loops are both connected to the oscillator circuit 443 via the connection 441 and connected in series. However, they are connected in series in such a way that a current flows through them at any time in the opposite direction (180 ° phase shift) (or no current flows through them), as through the opposing ones and indicated by the reference numerals I L2 , I L1 .
  • FIG Fig. 7 The resulting magnetic field strengths of the electromagnetic fields generated by the induction loops 601, 602 are shown in FIG Fig. 7 for different points in the vicinity of the induction loops.
  • the image plane of Fig. 7 runs in the vertical direction and transverse to the direction of travel.
  • the rail 102 can be seen at the bottom left, above it the current I L1 currently flowing into the image plane through the induction loop 601 and again above it the current I L2 currently flowing out of the image plane through the second induction loop 602.
  • the induction loop 601 has one towards the upper edge of the rail 102 Height difference from h1 to.
  • the height distance between the induction loops 601, 602 is symbolized by h2.
  • the induction loop 601 At the upper edge of the rail 102, the induction loop 601 generates an instantaneous magnetic field strength, which is represented by an arrow pointing to the left and starting from the rail 102 with the reference symbol H L1 .
  • the second induction loop 602 currently generates a magnetic field on the upper edge of the rail 102, which is represented by an arrow pointing to the right and starting from the rail 102 with the reference symbol H L2 . Since the first induction loop 601 is arranged much closer to the upper edge of the rail 102 than the second induction loop 602, the amount of magnetic field generated by the first induction loop 602 is larger.
  • the resulting magnetic field vector at the upper edge of the rail 102 is therefore symbolized by an arrow pointing to the left, which starts at the rail 102, and by the character string "H L1 + H L2 ".

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einer induktionsschleife 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.
  • 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.
  • 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 schlechtem Schienenzustand die Situation ein, dass der Übergangswiderstand zwischen Rad und Schiene so groß ist, dass eine ausreichend sichere Funktion der Gleisbesetztmeldeeinrichtung nicht gewährleistet ist.
  • Beim Betrieb von Schienenfahrzeugen mit Antriebsenergie aus elektrischen Versorgungsnetzen reicht häufig bereits eine elektrische Grundlast (d.h. z.B. elektrische Versorgung von Hiifsbetrieben 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine erste Maßnahme, gemäß den Patentansprüchen, besteht darin, dass die Induktionsschleife zwischen zwei Drehgestellen, die jeweils mehr als eine Achse aufweisen, 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine zweite Maßnahme, die hier vorgeschlagen wird, 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.
  • 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 tat 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.
  • 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.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, dass mehrere Verbindungspunkte vorhanden sind. Dadurch werden jedoch veränderte Leitungsschleifen und damit auch veränderte induktivitäten geschaffen.
  • 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.
  • 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.
  • An dieser Stelle soll noch auf einen weiteren Vorteil eingegangen werden, der durch die erste und die zweite Maßnahme erzielt wird, insbesondere auch allein durch die erste Maßnahme, aber 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.
  • Wie erwähnt führt auch die zweite Maßnahme zu dem Vorteil, dass Räder auf den gegenüberliegenden Schienen, die nicht auf derselben Achse montiert sind, an dem Kurzschluss beteiligt sind.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung erhöht nun die Zuverlässigkeit des elektrischen Kontakts zwischen den Rädern und den Schienen dadurch, dass sie zusätzliche Räder des Schienenfahrzeugs mit einbezieht. Die optionale zweite Maßnahme schafft zusätzliche Verbindungen zwischen nicht auf derselben Achse montierten Rädern. 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.
  • Bei einerersten 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.
  • 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 bei einem Schienenfahrzeug in Kombination mit der ersten Maßnahme und optional auch mit der zweiten Maßnahme vorgenommen werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine vierte Maßnahme, die in Kombination mit der ersten Maßnahme und optional zusätzlich in 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 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.
  • 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.
  • Eine weitere, fünfte Maßnahme, die ebenfalls in Kombination mit der ersten Maßnahme oder optional zusaetzlich in Kombination mit einer oder mehreren der anderen 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.
  • In einer möglichen Variante der Induktionsschleife weist diese nicht nur eine Windung, sondern zumindest zwei Windungen auf, die etwa dieselbe Fläche umlaufen.
  • 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.
  • 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, die jeweils mehr als eine Achse haben, des Schienenfahrzeugs angeordnet ist und vorzugsweise unterflur eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs angeordnet ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 1a auf, der sich etwa oberhalb der ersten Schiene 101 und parallel zu dieser erstreckt, einen zweiten Leitungsabschnitt 1b, 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 1a verbunden ist und quer zu den Schienen 101, 102 in einer horizontalen Richtung verläuft, und einen vierten Abschnitt 1d, der ein weiteres Ende des ersten Abschnittes 1a mit einem Ende des Abschnitts 1b verbindet und ebenfalls quer zu den Schienen 101, 102 in etwa horizontaler Richtung verläuft. Die bisher nicht genannten Enden der Abschnitte 1 c, 1b sind mit einer Stromerzeugungsschaltung 53 verbunden, die als Oszillatorschaltung ausgestaltet ist. Angedeutet ist in Fig. 1 eine Spannung U1, mit der die Oszillatorschaltung 53 die Induktionsschleife 1 speist. Bei der Spannung U1 handelt es sich um eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die vorzugsweise im Mittelfrequenzbereich liegt.
  • 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.
  • Vorzugsweise stimmt die Speisefrequenz mit der Resonanzfrequenz des schwingenden Systems überein, dessen Teil die Induktionsschleife ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Außer der Speisespannung U1 ist auch der zugehörige, momentan durch die Induktionsschleife 1 fließende Strom I1 in den Abschnitten 1a, 1b jeweils durch einen Pfeil dargestellt. Außerdem ist durch einen Ringpfeil und das Bezugszeichen Fh die induktive Kopplung zwischen der Induktionsschleife 1 und der Sekundärschleife angedeutet. In der Sekundärschleife fließen daher in einem Schienenabschnitt der Schiene 101 der Strom I21 und in einem Schienenabschnitt der Schiene 102 der Strom I22. Die genannten Schienenabschnitte befinden sich zwischen den Drehgestellen 107, 119.
  • Anstelle des niederohmigen Widerstandes ZE kann der Fahrzeugkörper (Wagenmasse) auch über eine Schutzdrossel (Induktivität) an den Verbindungspunkt 5 angeschlossen sein.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In Fig. 3 ist außerdem eine Stromquelle 2 in der Induktionsschleife 1 dargestellt, die die Wirkung der Speiseschaltung 53 symbolisiert.
  • 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 I22 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.
  • 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 Cres und die am Kondensator 445 anliegende Ausgangsspannung UCres 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.
  • 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 Cres ist im Fall der Fig. 5 der Quotient aus dem Produkt der Einzelkapazitäten C1, C2 und der Summe der Einzelkapazitäten. Die an den Kondensatoren 551, 552 anliegenden einzelnen Spannungen sind in Fig. 5 mit UC1 und UC2 dargestellt. Die Verbindungsleitung ist wiederum mit dem Bezugszeichen 441 bezeichnet. Der Oszillator ist wiederum durch das Bezugszeichen 447 bezeichnet.
  • Wie Fig. 8 zeigt, kann z.B. bei der Anordnung gemäß Fig. 5 die an dem Kondensator 552 anliegende Spannung UC2 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.
  • 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.
  • 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 UC1 + UC2. 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 UC1 + UC2 heben sich beide Gleichspannungsanteile auf. Durch eine Rückkopplung der Kondensatorspannung UC2 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.
  • 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.
  • Die Kapazität C3 dient zur Abkoppelung des Gleichspannungsanteils von UC2. 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.
  • 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 induktionsschieife 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.
  • 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 IL2, IL1 bezeichneten Pfeile angedeutet ist.
  • 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 IL1 durch die Induktionsschleife 601 und wiederum darüber der momentan aus der Bildebene herausfließende Strom IL2 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.
  • 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 HL1 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 HL2 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 "HL1+HL2" symbolisiert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    • Da die Induktionsschleife zwischen zwei Drehgestellen angeordnet ist und 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.

Claims (15)

  1. Schienenfahrzeug mit einer unterflur eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs angeordneten 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 in Fahrtrichtung zwischen zwei Drehgestellen (107, 119) des Schienenfahrzeugs angeordnet ist,
    wobei die zwei Drehgestelle (107, 119) jeweils mehr als eine Achse (105, 106, 108, 109) aufweisen, an der die Räder (115, 116) montiert sind.
  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 elektrisch 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, wobei zur Erzeugung der Induktion eine Induktionsschleife (1) verwendet wird, die unterflur eines Fahrzeugchassis des Schienenfahrzeugs angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Erzeugung der Induktion eine Induktionsschleife (1) verwendet wird, die in Fahrtrichtung zwischen zwei Drehgestellen (107, 119) des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, wobei die zwei Drehgestelle (107, 119) jeweils mehr als eine Achse (105, 106, 108, 109) aufweisen, an der die Räder (115, 116) montiert sind.
  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.
EP09090001.0A 2008-01-22 2009-01-16 Schienenfahrzeug mit einer Induktionsschleife zur Gewährleistung einer niederohmigen elektrischen Verbindung zwischen Rädern des Schienenfahrzeugs und Fahrschienen Active EP2082943B2 (de)

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