DE10225005C1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zu mindestens einem beweglichen Verbraucher weist mindestens eine sich als Leiterschleife entlang einer vorgesehenen Bewegungsbahn des Verbrauchers erstreckende Primärinduktivität auf, der durch eine an dem Verbraucher angeordnete Sekundärinduktivität elektrische Energie entnommen werden kann. Um auf einfache und kostengünstige Weise eine variable Streckenführung zu realisieren, sind mindestens zwei galvanisch voneinander getrennte Leiterschleifen vorgesehen, die jeweils verschiedenen Abschnitten der Bewegungsbahn zugeordnet und relativ zueinander so angeordnet sind, daß für den Verbraucher bestimmte elektrische Energie von einer ersten Leiterschleife aus zu mindestens einer zweiten Leiterschleife durch eine induktive Kopplung der Leiterschleifen übertragbar ist. Die zur induktiven Kopplung vorgesehenen Abschnitte der beiden Leiterschleifen bilden einen Transformator, der vorzugsweise einen zweigeteilten ferromagnetischen Kern aufweist und sekundärseitig eine größere Windungszahl hat als primärseitig. Die dadurch bedingte Verringerung des sekundärseitigen Stromes wird durch die Verlegung einer Mehrfachschleife ausgeglichen. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung bei Weichen schienengeführter Bahnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung, wie sie beispielsweise aus der WO 92/17929 bekannt ist, dient zur Übertragung elektrischer Energie zu mindestens einem beweglichen Verbraucher ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt. Sie umfaßt einen Primär- und einen Sekundärteil, die ähnlich dem Prinzip des Transformators elektromagnetisch gekoppelt sind. Der Primärteil besteht aus einer Einspeisungselektronik und einer entlang einer Strecke verlegten Leiterschleife. Ein oder mehrere Abnehmer und die zugehörige Abnehmerelektronik bilden die Sekundärseite. Im Gegensatz zum Transformator, bei dem Primär- und Sekundärteil möglichst eng gekoppelt sind, handelt es sich um ein lose gekoppeltes System. Möglich wird dies durch eine relativ hohe Betriebsfrequenz im Kilohertzbereich. So können auch große Luftspalte bis zu einigen Zentimetern überbrückt werden. Dabei wird die Betriebsfrequenz sekundärseitig als Resonanzfrequenz eines Parallelschwingkreises festgelegt, der durch die Parallelschaltung eines Kondensators zu der Abnehmerspule gebildet wird.

Die DE 42 36 340 C2 zeigt eine andere Anordnung zur induktiven Übertragung von Energie von einer stationär angeordneten Primärleiterschleife zu einem mit wenigstens einer Sekundärspule ausgestatteten beweglichen Verbraucher. Bei dieser Anordnung besteht die Primärleiterschleife aus mehreren Gruppen von in Reihe geschalteten Spulen, zu denen jeweils ein Kondensator in Reihe geschaltet ist. Die Gruppen sind ihrerseits parallel an eine Mittelfrequenzsammelleitung angeschlossen. Dabei sind die Impedanzen jeder Spulengruppe und des jeweils zugeordneten Kondensators so bemessen, daß sich bei induktiver Kopplung einer Gruppe an einen der bewegbaren Verbraucher für diese Gruppe die Resonanzbedingung zumindest annähernd erfüllt ist. Dadurch soll eine Einstellung der Leistungsaufnahme jedes Verbrauchers unabhängig von den anderen erreicht werden.

Eine weitere Einrichtung zur berührungsfreien induktiven Energieübertragung von einer ortsfesten, räumlich ausgedehnten Primärleiterschleife zu einem beweglichen Verbraucher wird in der DE 44 29 656 C1 vorgeschlagen. Um die Blindleistung auch bei einer großen Ausdehnung der Primärleiterschleife klein zu halten, ist die Primärleiterschleife in mehrere aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt, die in Reihenschaltung betrieben werden. Den einzelnen Abschnitten sind jeweils Schalteranordnungen zugeordnet, mittels derer abhängig von der Lage des Verbrauchers die Stromrichtung in den Einzelleitern jedes Abschnitts so umgepolt werden kann, daß sich für die gerade nicht in der Nähe des Verbrauchers befindlichen Abschnitte nur eine geringe Induktivität ergibt.

Zu den Vorteilen der induktiven Energiezuführung zählen insbesondere die Verschleiß- und Wartungsfreiheit, sowie die Berührungssicherheit und eine hohe Verfügbarkeit. Typische Anwendungen sind automatische Materialtransportsysteme in der Fertigungstechnik, aber auch Personentransportsysteme, wie elektrisch angetriebene Busse und Bahnen, beispielsweise Hängebahnen.

Bei vielen dieser Anwendungen besteht ein Bedürfnis nach Variabilität der Streckenführung. So kann es notwendig werden, eine installierte Strecke nachträglich zu verlängern oder um eine Abzweigung zu erweitern. Da das Kabel für die Primärleiterschleife wegen der relativ hohen Frequenz zur Unterdrückung der Stromverdrängung üblicherweise als Litze ausgebildet ist, d. h. aus einer Vielzahl voneinander isolierter Einzeldrähte besteht, ist es mit einem hohen Aufwand verbunden, ein verlegtes Kabel aufzutrennen und ein zweites Kabel an einer solchen Trennstelle anzuschließen. Die Alternativlösung, den zusätzlichen Streckenabschnitt mit einer separaten Stromeinspeisung zu versehen, ist nicht weniger aufwendig.

Ein weiteres, verwandtes Problem ist die Ausbildung von Weichen, d. h. Streckenverzweigungen, an denen ein Fahrzeug wahlweise eine von mehreren Richtungen einschlagen kann, bei Strecken für schienengeführte Fahrzeuge. Um an Weichen eine ununterbrochene induktive Stromversorgung zu erreichen, müssen dort bewegliche Primärleiterabschnitte vorgesehen werden, welche die Bewegung der Weiche mit vollziehen können. Diese sind mit den entlang der angrenzenden Streckenabschnitte fest verlegten Primärleitern üblicherweise durch flexible Schleppkabel verbunden. Ein Beispiel für eine solche Weichenkonstruktion zeigt die DE 100 14 954 A1. Auch hier ergibt sich die Notwendigkeit, entweder die Primärleiterlitzen aufzutrennen und mit den Schleppkabeln zu verbinden, oder mehrere separate Einspeisungen vorzusehen.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie einen einfachen und kostengünstigen Weg zur Realisierung einer variablen Streckenführung aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung nutzt das ursprünglich nur für die Energieübertragung zu einem beweglichen Verbraucher vorgesehene Prinzip der induktiven Kopplung auch zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Primärleitern. Dazu sind zweckmäßigerweise die zur Kopplung vorgesehenen Abschnitte zweier Primärleiter jeweils um ferromagnetische Kerne gewickelt, um das Magnetfeld zu konzentrieren und einen möglichst hohen Kopplungsfaktor zu erzielen, d. h. es werden zwei Primärleiter durch einen Transformator verbunden, dessen Wicklungen durch die beiden Primärleiter selbst gebildet werden, wobei dieser Transformator auf einen zweigeteilten ferromagnetischen Kern gewickelt ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der sekundäre Primärleiter, d. h. derjenige, in welchen von dem anderen aus im zeitlichen Mittel Energie eingespeist wird, eine größere Windungszahl aufweist, also die Spannung bei der Übertragung herauf und der Strom zugleich herabtransformiert wird. Ein geringerer Strom erfordert nämlich einen dementsprechend geringeren Leiterquerschnitt, so daß beim sekundärseitigen Kabel auf Litze verzichtet werden kann. Um für den verbraucherseitigen Abnehmer dennoch dieselbe magnetische Flußdichte bereitzustellen, braucht der sekundäre Primärleiter nur in einer entsprechenden Zahl von Schleifen geführt zu werden, wobei diese Schleifen durch ein mehradriges Kabel mit geeigneter Zusammenschaltung der Adern realisiert werden können. Ein weiterer besonderer Vorteil der Herabtransformation des Stromes liegt in der Möglichkeit, den sekundären Primärleiter durch einen Kurzschlußschalter, der nur eine vergleichsweise geringe Belastbar­ keit aufweisen muß, unmittelbar hinter dem Ankopplungstransformator abzuschalten, was im Zusammenhang mit Sicherheitsanforderungen von großem Nutzen sein kann.

Besonders gut eignet sich die Erfindung auch zur Realisierung von Weichen bei schienengeführten Bahnen, wie etwa Elektrohängebahnen. Dabei werden durch die Bewegung der Weiche je nach beabsichtigter Fahrtrichtung unterschiedliche Sekundärkerne dem am Ende der ankommenden Schiene angeordneten Primärkern angenähert und es wird auf diese Weise stets der richtige, d. h. bei der aktuellen Weichenstellung zu befahrende Abschnitt der Weiche mit elektrischer Energie versorgt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die Verlängerung einer Primärleiterschleife mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 die Ankopplung einer Verzweigung an eine Primärleiterschleife mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Versorgung einer Weiche einer Einschienenbahn,

Fig. 5 die Draufsicht auf einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Weiche einer Einschienenbahn mit schematischer Darstellung der elektrischen Energieübertragung

Fig. 6 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-B in Fig. 5.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße induktive Kopplung zweier galvanisch getrennter Leiterschleifen 1 und 2 schematisch dargestellt, wobei von der Leiterschleife 1 in Fig. 1 nur ein kleiner Teil sichtbar ist und die Leiterschleife 2 im Verhältnis zu ihrer Breite stark verkürzt gezeichnet ist. Beide Leiterschleifen 1 und 2 bilden jeweils die Primärseite eines Systems zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zu einem beweglichen Verbraucher, der die Energie mittels eines Abnehmers dem vom Strom in der jeweiligen Leiterschleife 1 oder 2 ausgehenden Magnetfeld entnimmt. Dabei ist die Leiterschleife 1 an eine nicht dargestellte Einspeisungselektronik angeschlossen, die einen Strom in die Leiterschleife 1 einspeist, während der Strom in der Leiterschleife 2 erst durch den Strom in der Leiterschleife 1 induziert wird, wozu die beiden Leiterschleifen 1 und 2 durch einen Transformator 3 miteinander gekoppelt sind. In Bezug auf diesen Transformator 3 liegt die Leiterschleife 1 auf der Primärseite und die Leiterschleife 2 auf der Sekundärseite, weshalb nachfolgend die Leiterschleife 1 als primär und die Leiterschleife 2 als sekundär bezeichnet wird.

Die Besonderheit des Transformators 3 liegt darin, daß er keine in sich geschlossene Baueinheit darstellt, sondern seine Primärwicklung 4 und seine Sekundärwicklung 5 separate Einheiten sind, die reversibel einander angenähert und wieder voneinander entfernt werden können. In Analogie zu einer herkömmlichen Steckverbindung, die zur reversiblen Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen zwei Leitungen dient, kann auch der Transformator 3 als eine Art Steckverbindung betrachtet werden, die jedoch nur eine induktive Kopplung der beiden Leiterschleifen 1 und 2 anstatt einer galvanischen Verbindung derselben bewirkt.

Wie in Fig. 1 angedeutet, weist die Primärwicklung 4 des Transformators 3 eine geringere Windungszahl auf als die Sekundärwicklung 5. Beispielhaft ist in Fig. 1 ein Windungszahlenverhältnis von 1 : 4 gezeigt, wobei die Primärwicklung 4 nur aus einer einzigen Windung und die Sekundärwicklung aus vier Windungen besteht. Dies hat bekanntlich zur Folge, daß die Spannung auf der Sekundärseite um den Faktor vier größer, der Strom dafür um den Faktor vier kleiner ist. Daraus ergäbe sich bei einer Verlegung des sekundärseitigen Leiters 6 in einer einfachen Schleife analog zur schleifenförmigen Verlegung des primärseitigen Leiters 1a sekundärseitig eine um den Faktor vier geringere magnetische Feldstärke und somit eine erhebliche Verringerung der zu einem Verbraucher induktiv übertragbaren elektrischen Leistung.

Um die Verringerung des Stromes auszugleichen, ist der sekundärseitige Leiter 6 in einer Mehrfachschleife 2 verlegt, deren Vielfachheit dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 3 entspricht. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 4 ist also eine vierfache Sekundärschleife 2 vorgesehen. Durch die Vervierfachung der Umläufe in der Schleife 2 ergibt sich annähernd das gleiche Magnetfeld wie es ein um den Faktor vier größerer Strom erzeugen würde.

Der hohe Arbeitsaufwand, der mit der Verlegung des einzelnen Leiters 6 zu einer Vierfachschleife verbunden wäre, kann dadurch vermieden werden, daß ein einziges Kabel 7 mit vier Adern 8a bis 8d zu einer einfachen Schleife 2 verlegt wird und die vier einzelnen Adern 8a bis 8d jedes der beiden Enden 7a und 7b des Kabels 7 am Beginn der Schleife 2 paarweise so miteinander verbunden werden, daß sich eine Vierfachschleife ergibt. Im gezeigten Beispiel ist die Ader 8a am Ende 7a mit der Ader 8b am Ende 7b, ferner die Ader 8b am Ende 7a mit der Ader 8c am Ende 7b, und schließlich die Ader 8c am Ende 7a mit der Ader 8d am Ende 7b verbunden. Am Ende 7b ist die Ader 8a aus dem Kabel 7 herausgeführt und mit dem Leiter 6 der Sekundärwicklung 5 verbunden. Eine mögliche Variante ist hierbei die Verwendung eines Kabels 7 mit einer Adernzahl, die ein Vielfaches der aufgrund des Übersetzungsverhältnisses benötigten Schleifenzahl ist. So kann beispielsweise zur Realisierung einer Vierfachschleife auch ein Kabel mit sechzehn Adern eingesetzt werden, welche zu vier Bündeln mit je vier zueinander parallelgeschalteten Adern zusammengefaßt werden, woraufhin diese vier Bündel wiederum so verschaltet werden wie die vier Adern 8a bis 8d in Fig. 1.

In die Sekundärleiterschleife 2 sind in bekannter Weise Abstimmkondensatoren geschaltet, die mit den Induktivitäten der Sekundärwicklung 5 und der Leiterschleife 2 einen Serienschwingkreis bilden. In Fig. 1 sind diese Abstimmkondensatoren durch einen Kondensator 9 zwischen dem die Sekundärwicklung 5 bildenden Leiter 6 und der Ader 8d am Ende 7a des Kabels 7 angedeutet. Die Werte der Abstimmkondensatoren sind so gewählt, daß sich einerseits besagter Schwingkreis bei der Betriebsfrequenz des Systems in Resonanz befindet, und daß andererseits die Abstimmung der Primärleiterschleife 1 auf Resonanz bei der Betriebsfrequenz, die in gleicher Weise durch Serienkondensatoren hergestellt wird, durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Sekundärleiterschleife 2 möglichst wenig beeinflußt wird. Das heißt, daß das Anschließen oder Entfernen der Sekundärleiterschleife 2 durch Annäherung bzw. Entfernung der Sekundärwicklung 5 an dem Transformator 3 die Eingangsimpedanz der Primärleiterschleife 1 von der Einspeisungselektronik aus möglichst nicht verändern soll, so daß an der Primärleiterschleife 1 und der Einspeisungselektronik beim Anschließen oder Entfernen der Sekundärleiterschleife 2 keine Anpassungsmaßnahmen vorgenommen werden müssen.

Zu den Vorteilen der Verringerung des sekundärseitigen Stromes durch den Transformator 3 gehört neben der Erübrigung der Litzenform bei dem Kabel 7 der Sekundärleiterschleife 2 auch die Erleichterung der Abschaltung der Sekundärleiterschleife 2. Hierzu ist ein Schalter 10 vorgesehen, der die Sekundärwicklung 5 unmittelbar am Transformator 3 kurzschließt und damit das Kabel 7 weitestgehend stromlos macht. Dieser Schalter 10 muß nur einen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 3 deutlich verringerten Kurzschlußstrom verkraften und kann dementsprechend mit relativ geringem Aufwand realisiert werden. Durch die Abschaltung des Stromes kann ein Verbraucher in dem durch die Sekundärleiterschleife 2 versorgten Abschnitt seiner Bewegungsstrecke keine elektrische Leistung mehr beziehen. Dies kann aus Sicherheitsgründen von Interesse oder sogar notwendig sein, beispielsweise um einen Streckenabschnitt für Wartungsarbeiten zu sperren, oder um auf von mehreren Fahrzeugen benutzten Strecken Sicherheitsabstände zwischen verschiedenen Fahrzeugen durch stromlos geschaltete Abschnitte zu gewährleisten. Beispielsweise ist es in der Schienenverkehrstechnik bekannt, eine Fahrstrecke in eine Abfolge von Blöcken einzuteilen, deren Länge jeweils zumindest den maximalen Bremsweg eines Fahrzeugs umfaßt, und aus Sicherheitsgründen zwischen zwei gleichzeitig von verschiedenen Fahrzeugen befahrenen Blöcken stets einen Block freizuhalten.

Eine mögliche Ausführungsform des Transformators 3 ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Der Transformator 3 wird jeweils durch zwei E-förmige ferromagnetische Kerne 11 und 12 gebildet, deren Schenkel im gekoppelten Zustand einander zugewandt und fluchtend zueinander ausgerichtet sind, wobei der Abstand der beiden Kerne 11 und 12 sehr gering ist oder sie sogar unmittelbar in mechanischem Kontakt miteinander sind. Die Darstellung der Kerne 11 und 12 in den Fig. 2 und 3 ist insofern auch hinsichtlich ihres Abstandes nicht maßstäblich. Die Wicklungen 4 und 5 befinden sich jeweils auf dem mittleren Schenkel. Primärseitig ist eine einzige Windung vorgesehen, während sekundärseitig vier Windungen gewickelt sind. Selbstverständlich haben sowohl dieses Übersetzungsverhältnis, als auch die E-Form der Kerne 11 und 12 rein beispielhaften Charakter. Andere Übersetzungsverhältnisse kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ebenso in Betracht wie andere bekannte Kernformen, z. B. U-Kern oder Schalenkern. Die übrigen dargestellten Komponenten sind in den Fig. 2 und 3 mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 gekennzeichnet und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

Die Variante nach Fig. 2 stellt die Verlängerung einer ersten Leiterschleife 1 durch eine zweite Leiterschleife 2 dar. Dementsprechend ist der aus dem Kern 11 und der Wicklung 4 bestehende Primärteil des Transformators 3 am Ende der Leiterschleife 1, d. h. am Umkehrpunkt des die Leiterschleife 1 bildenden Leiters 1a angeordnet. Diese Variante eignet sich beispielsweise dazu, eine Strecke, entlang derer sich ein induktiv mit elektrischer Energie zu versorgendes Fahrzeug bewegen soll, nachträglich zu verlängern. Anstatt die Leiterschleife 1 am Umkehrpunkt des Leiters 1a aufzutrennen und die beiden dadurch entstehenden Enden des Leiters 1a mit den Enden des Leiters 6 einer zur Verlängerung vorgesehenen zweiten Leiterschleife 2 zu verbinden, wird das Ende der Leiterschleife 1 einmal um den mittleren Schenkel des E-Kerns 11 gewunden und die zweite, verlängernde Leiterschleife 2 mittels der aus vier Windungen bestehenden Wicklung 5 auf dem mittleren Schenkel des E-Kerns 12 induktiv mit der Leiterschleife 1 gekoppelt. Hierbei ist es zwar nicht notwendig, aber vorteilhaft, wenn die Primärwicklung 4 des Transformators 3 nur aus einer einzigen Windung besteht, da in diesem Fall die Länge der Primärleiterschleife 1 nur geringfügig verkürzt wird. Auf eine weitere beispielhafte Anwendung der Variante nach Fig. 2 wird später anhand der Fig. 4 bis 6 eingegangen.

Die Variante nach Fig. 3 stellt die Realisierung einer seitlichen Abzweigung von einer ersten Leiterschleife 1 durch eine zweite Leiterschleife 2 dar. Dementsprechend ist hier der aus dem Kern 11 und der Wicklung 4 bestehende Primärteil des Transformators 3 an einer seitlichen Ausbuchtung 13 des die Leiterschleife 1 bildenden Leiters 1a und nicht an dessen Umkehrpunkt angeordnet. Die Struktur des Transformators 3 und die Komponenten seiner Sekundärseite stimmen mit der Variante nach Fig. 2 überein. Die Variante nach Fig. 3 eignet sich beispielsweise dazu, eine Strecke, entlang derer sich ein induktiv mit elektrischer Energie zu versorgendes Fahrzeug bewegen soll, nachträglich um einen zusätzlichen, seitlich abzweigenden Streckenabschnitt zu erweitern. Da in diesem Fall für die seitliche Ausbuchtung 13 des primären Leiters 1a ein vergleichsweise langes Stück dieses Leiters 1a benötigt wird, muß in diesem Fall die Erweiterungsoption bei der Verlegung der Primärleiterschleife 1 berücksichtigt und für den Leiter 1a eine ausreichende Längenreserve vorgesehen werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit, den seitlich abzweigenden Streckenabschnitt mittels des Kurzschlußschalters 10 bei Bedarf stromlos zu schalten und damit für die Einfahrt von Fahrzeugen zuverlässig zu sperren.

In den Fig. 4 bis 6 sind Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zur Realisierung einer Weiche bei einer Einschienenbahn, beispielsweise in Gestalt einer Elektrohängebahn, dargestellt. Dabei zeigt zunächst Fig. 4 das Schema einer Weiche 14, wie sie bei derartigen Bahnen zur Streckenverzweigung eingesetzt wird. Die Weiche 14 verbindet eine zu ihr hinführende Schiene 15 wahlweise mit einer von zwei von ihr wegführenden Schienen 16 und 17, wobei sich die Bezeichnung der Schienen als hinführend oder wegführend auf die vorgesehene Fahrtrichtung bezieht. Zu diesem Zweck enthält die Weiche 14 auf einem in Fig. 4 gestrichelt gezeichneten Träger 18 zwei Schienenstücke 19 und 20. Der Träger 18 ist quer zur Richtung der geraden, miteinander fluchtenden Schienen 15 und 16 zwischen zwei Endstellungen verschiebbar, wie in Fig. 4 durch zwei Pfeile angedeutet ist. In der gezeigten Endstellung verbindet das gekrümmte Schienenstück 19 die hinführende Schiene 15 mit der wegführenden Schiene 17. In der anderen, nicht gezeigten Endstellung des Trägers 18 verbindet das gerade Schienenstück 20 die hinführende Schiene 15 mit der wegführenden Schiene 16.

Wie eingangs erwähnt, muß die Energieversorgung des Fahrzeugs auch im Bereich der Weiche 14 aufrechterhalten werden, wozu in herkömmlicher Technik flexible Schleppkabel verwendet werden. Die vorliegende Erfindung bietet hierzu eine elegante Alternative, indem sie es bei induktiver Energieübertragung durch entlang der Schienen 15, 16 und 17 verlaufende Leiterschleifen ermöglicht, die Energie auch induktiv entweder von der hinführenden Schiene 15 oder von beiden wegführenden Schienen 16 und 17 zu den beweglichen Schienenstücken 19 und 20 zu übertragen.

In Fig. 4 ist die erstgenannte Variante gezeigt, für die eine Primärwicklung 21 am Ende der Schiene 15 und jeweils eine Sekundärwicklung 22 bzw. 23 an den Enden der Schienenstücke 19 und 20 benötigt werden. Dabei sind die Wicklungen 21, 22 und 23 an den Schienenenden so angeordnet, daß sich in jeder der beiden Endstellungen der Weiche 14 die in Fig. 2 gezeigte Ausrichtung zu einem Transformator 3 ergibt, wobei die Wicklungen 21 bis 23 entsprechend Fig. 2 bevorzugt auf ferromagnetischen Kernen angeordnet sind. In der einen Endstellung der Weiche 14 bildet die Primärwicklung 21 einen Transformator mit der Sekundärwicklung 22, in der anderen Endstellung mit der Sekundärwicklung 23, so daß je nach Stellung der Weiche 14 stets automatisch das richtige der Schienenstücke 19 oder 20 von der hinführenden Schiene 15 aus induktiv mit Energie versorgt wird. Hierzu erstreckt sich entlang der Schienenstücke 19 und 20 jeweils eine von der Sekundärwicklung 22 bzw. 23 ausgehende kurze Sekundärleiterschleife der Art, wie sie zuvor anhand Fig. 1 eingehend beschrieben wurde. Der Übersichtlichkeit halber sind diese Leiterschleifen in Fig. 4 nicht eingezeichnet.

Grundsätzlich wäre es auch möglich, die beweglichen Schienenstücke 19 und 20 von den wegführenden Schienen 17 bzw. 16 aus induktiv mit Energie zu versorgen. Dazu würden aber an beiden wegführenden Schienen 17 und 17 Primärwicklungen benötigt, während an der hinführenden Schiene 15 zur Versorgung beider beweglicher Schienenstücke 19 und 20 nur eine einzige Primärwicklung benötigt wird, so daß unter dem Gesichtspunkt der Aufwandsersparnis die zuvor beschriebene Versorgung von der hinführenden Schiene 15 aus zu bevorzugen ist.

Darüber hinaus ist es auch denkbar, zusätzlich zu den Wicklungen 21 bis 23 an den beiden anderen Enden der Schienenstücke 19 und 20 zwei weitere Primärwicklungen und an den beiden der Weiche 14 zugewandten Enden der wegführenden Schienen 16 und 17 zwei weitere Sekundärwicklungen anzuordnen, so daß in der in Fig. 4 gezeigten Stellung der Weiche 14 von der hinführenden Schiene 15 aus zunächst das Schienenstück 19 und von diesem aus die wegführende Schiene 17 jeweils induktiv mit elektrischer Energie versorgt würde. In der anderen Stellung der Weiche 14 würde von der hinführenden Schiene 15 aus zunächst das Schienenstück 20 und von diesem aus die wegführende Schiene 16 jeweils induktiv mit elektrischer Energie versorgt. In diesem Fall wäre allerdings je nach Stellung der Weiche 14 stets eine der wegführenden Schienen 16 oder 17 nicht versorgt. Alternativ hierzu kann für die entlang dieser Schienen 16 und 17 verlaufenden Leiterschleifen jeweils eine eigene Stromeinspeisung vorgesehen sein, oder es kann die entlang der hinführenden Schiene 15 verlaufende Leiterschleife um die Weiche 14 herum zu einer der Schienen 16 oder 17 geführt und entlang dieser weiterverlegt sein, um eine der separaten Einspeisungen einzusparen.

Bei einer Weiche 14 einer Einschienenbahn ist es aus Sicherheitsgründen notwendig, die Energieversorgung in einem gewissen Sicherheitsbereich 24 der hinführenden Schiene 15 vor der Weiche 14 abzuschalten, wenn sich die Weiche 14 nicht in einer der beiden Endstellungen befindet, um in diesem Zustand der Weiche 14 die Einfahrt eines Fahrzeugs in die Weiche 14 zu verhindern. Dies wird herkömmlich mit Hilfe einer digitalen Steuerung realisiert, die mittels an dem Träger 18 angeordneter Endschalter die Stellung der Weiche überwacht und außerhalb der beiden Endstellungen die Energieversorgung der Schiene 15 im Sicherheitsbereich 24 über ein Schütz abschaltet. Die vorliegende Erfindung eröffnet auch für diese Aufgabe eine sehr vorteilhafte, weil aufwandsparende Lösung, die nachfolgend anhand der Fig. 5 und 6 erläutert wird. In diesen sind für mit den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 übereinstimmende Komponenten Bezugszahlen verwendet, die sich aus denjenigen der Fig. 1 bis 4 durch Addition von 100 ergeben.

Zunächst zeigt Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt einer Weiche einer Einschienenbahn mit induktiver Energieübertragung zum Fahrzeug in der Draufsicht, und zwar den Übergang von der zur Weiche hinführenden Schiene 115 zu einem beweglichen Schienenstück 119 sowie den Sicherheitsbereich 124 am Ende der Schiene 115. Dabei ist die Länge des Sicherheitsbereiches 124 im Verhältnis zur Breite der Schiene 115 nicht maßstäblich wiedergegeben. Wie die sich auf die Linie A-B in Fig. 5 beziehende Querschnittsansicht der Schiene 115 in Fig. 6 zeigt, hat die Schiene 115 ein I-förmiges Profil, wie es von Eisenbahnschienen her bekannt ist. Bei einer Elektrohängebahn laufen auf der oberen Fläche des Profils die Rollen, welche das Gewicht des Fahrzeugs auf die Scheine 115 übertragen. Weitere Rollen, die auf den äußeren seitlichen Flächen laufen, übertragen die Querkräfte in Kurven. Die mechanischen Komponenten des Fahrzeugs interessieren aber hier nicht und sind deshalb in den Figuren nicht gezeigt.

Zur induktiven Energieversorgung des Fahrzeugs ist auf einer Seite der Schiene 115 an einer inneren Seitenfläche 125 eine Leiterschleife 101 angeordnet. Der induktive Abnehmer 126 des Fahrzeugs, welcher der Leiterschleife 101 elektrische Energie zur Versorgung des Fahrzeugs entnimmt, befindet sich logischerweise auf derselben Seite der Schiene 115 wie die Leiterschleife 101 und in geringem Abstand zu dieser.

An einer Stelle 127, die den Anfang der Sicherheitszone 124 darstellt, wechselt die Leiterschleife 101 beispielsweise durch zwei Querbohrungen auf die andere Seite der Schiene 115 und verläuft von dort an entlang der anderen inneren Seitenfläche 128 der Schiene 115. Die inneren Seitenflächen 125 und 128 sind in Fig. 5 gestrichelt eingezeichnet. Durch die größere Entfernung von dem Abnehmer 126 und die abschirmende Wirkung der üblicherweise aus Metall, z. B. Aluminium, bestehenden Schiene 115 reicht die magnetische Kopplung zwischen der Leiterschleife 101 und dem Abnehmer 126 nicht mehr zur induktiven Übertragung einer nennenswerten elektrischen Leistung aus.

Am Ende der Schiene 115 bildet die Leiterschleife 101 eine Primärwicklung 121, der in der angenommenen Endstellung der Weiche auf der Seite des beweglichen Schienenstücks 119 eine Sekundärwicklung 122 gegenüberliegt. Beide Wicklungen 121 und 122 sind wie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 vorzugsweise auf ferromagnetische Kerne gewickelt. Die genaue Anordnung der Wicklungen 121 und 122 ist eine Frage der Anpassung an den hierfür verfügbaren Raum. In Frage kommt hierfür insbesondere der Raum zwischen den beiden waagrechten Schenkeln des I-förmigen Schienenprofils, wie es in der Querschnittsansicht von Fig. 6 angedeutet ist, oder die Unterseite der Schiene. Durch die magnetische Kopplung der Wicklungen 121 und 122 wird in eine sekundäre Leiterschleife 102, die entlang einer mit der inneren Seitenfläche 125 der Schiene 115 fluchtenden inneren Seitenfläche 129 des Schienenstücks 119 verläuft, elektrische Leistung eingespeist. Diese Leiterschleife 102 ist wie die anhand Fig. 1 beschriebene Leiterschleife 2 eine Vierfachschleife. Sie ist durch einen Leiter 106 mit der Sekundärwicklung 122 verbunden, wobei letztere nicht auf derjenigen Seite des Schienenstücks 119 angeordnet ist, auf der die Leiterschleife 102 verläuft, sondern auf der anderen Seite.

Mit der bisher beschriebenen Struktur der Leiterschleifen 101 und 102 wäre die induktive Energieübertragung zu dem Abnehmer 126 entlang der Schiene 115 stets bis zum Beginn der Sicherheitszone 124 an der Stelle 127 möglich, sowie in der gezeigten Endstellung der Weiche auch entlang des Schienenstücks 119, jedoch nicht innerhalb der Sicherheitszone 124 der Schiene 115. Zur Versorgung der Sicherheitszone 124 in der gezeigten Endstellung der Weiche ist daher am Ende des Schienenstücks 119 auf derjenigen Seite, auf der die Leiterschleife 102 verläuft, eine weitere Primärwicklung 130 und gegenüberliegend am Ende der Schiene 115 eine weitere Sekundärwicklung 131 mit gleicher Windungszahl angeordnet, die zusammen einen Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 bilden. An die Sekundärwicklung 131 ist eine weitere Leiterschleife 132 angeschlossen, die sich ausgehend vom Ende der Schiene 115 ebenso wie die Leiterschleife 101 entlang der inneren Seitenfläche 125 der Schiene 115 erstreckt. Diese Leiterschleife 132, deren Umkehrpunkt nahe dem Beginn der Sicherheitszone 124 an der Stelle 127 liegt, ist ebenso wie die entlang der inneren Seitenfläche 129 des Schienenstücks 119 verlaufende Leiterschleife 102 eine Vierfachschleife, wie in der Querschnittsdarstellung von Fig. 5 deutlich erkennbar ist.

Wie aus Fig. 5 unmittelbar ersichtlich ist, wird die Leiterschleife 132 ebenso wie die Leiterschleife 102 nur dann mit Strom versorgt, wenn sich die Weiche in der gezeigten Endstellung befindet, in der dem Ende der Schiene 115 mit der Primärwicklung 121 und der Sekundärwicklung 131 das Ende des beweglichen Schienenstücks 119 mit der Sekundärwicklung 122 und der Primärwicklung 130 fluchtend gegenübersteht. Wenn auch das notwendigerweise zu der Weiche gehörende, in Fig. 5 nicht dargestellte zweite bewegliche Schienenstück an seinem Ende mit einer entsprechenden Kombination von Primär- und Sekundärwicklung ausgestattet ist, dann gilt dies gleichermaßen auch für die zweite Endstellung der Weiche. Während der Bewegung der Weiche zwischen den beiden Endstellungen wird hingegen die Leiterschleife 132 in der Sicherheitszone 124 durch die Aufhebung der induktiven Kopplung automatisch stromlos geschaltet, ohne daß hierzu Sensoren, eine Steuerelektronik und elektrische Leistungsschalter notwendig wären.

Die Anordnung der Wicklungen 130 und 131 in den Fig. 5 und 6 geht davon aus, daß sich der Abnehmer 126, wie in Fig. 5 dargestellt, in einem geringen Abstand neben der Schiene 115 und dem Schienenstück 119 bewegt. Unter dem Gesichtspunkt der Minimierung des Kernvolumens des Abnehmers 126 ist es jedoch zweckmäßig, für den Abnehmer 126 einen E- förmigen ferromagnetischen Kern, wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, zu verwenden, und den Abnehmer so zu führen, daß die äußeren Schenkel des Kerns die beiden Leiter der Leiterschleife 101 umgreifen und sein mittlerer Schenkel zwischen die beiden Leiter hinein ragt. In diesem Fall könnten die Wicklungen 130 und 131 nicht dort angeordnet sein, wo sie in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind, da sie zumindest dem mittleren Schenkel des Kerns im Weg stünden. Eine mögliche Lösung für dieses Problem wäre die Anordnung der Wicklungen 130 und 131 auf der anderen Seite der Schiene 115 bzw. des Schienenstückes 119, auf der sich die Wicklungen 121 und 122 befinden. Gleiches gilt sinngemäß auch für die Umkehrpunkte der mehrfachen Leiterschleifen 102 und 132.

Die Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 stellt zwar eine zweckmäßige Weiterentwicklung der Ausführungsform nach Fig. 4 dar, doch ist die Ausführungsform nach Fig. 4 auch eigenständig, also ohne diese Weiterentwicklung funktionsfähig, falls eine Sicherheitszone 24 vor der Weiche 14 nicht benötigt oder auf herkömmliche Weise realisiert wird. Letzteres bedeutet, daß die entlang der Schiene 15 verlaufende Leiterschleife am Beginn der Sicherheitszone 24 endet und in letzterer eine separate Leiterschleife verlegt ist, die am Beginn der Sicherheitszone 24 mittels einer Anordnung der in Fig. 2 dargestellten Art mit der dort endenden, d. h. dort ihren Umkehrpunkt aufweisenden Leiterschleife induktiv gekoppelt ist. Die Abschaltung der separaten Leiterschleife in der Sicherheitszone 24 erfolgt in diesem Fall bei Bedarf über den zuvor anhand Fig. 2 erläuterten Kurzschlußschalter 10. Wie bereits erwähnt, sind abschaltbare Sicherheitszonen nicht nur im Zusammenhang mit Weichen von Interesse.

Ferner ist zu den Ausführungsformen der Fig. 4 bis 6 anzumerken, daß sich die Anwendbarkeit der Erfindung zur Versorgung von Weichenbereichen nicht auf einschienige Bahnen beschränkt, sondern einerseits auch Bahnen mit zwei Schienen und andererseits auch schienenlos geführte Bahnen mit lenkbaren Fahrzeugen umfaßt. Auch bei letzteren kann es nämlich beispielsweise aus Sicherheitsgründen sinnvoll oder sogar notwendig sein, die Energieversorgung im Bereich einer Streckenverzweigung schaltbar auszulegen. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann dies, wie vorausgehend erläutert, entweder durch eine Relativbewegung der beiden Teile eines zweigeteilten Transformators oder durch einen schaltbaren Kurzschlußpfad parallel zur Sekundärwicklung geschehen. Der näheren Erläuterung anhand des Beispiels einer Einschienenbahn kommt insofern keine einschränkende Bedeutung zu.

Obgleich vorausgehend von der bevorzugten Verwendung speziell ausgelegter Transformatoren mit ferromagnetischen Kernen zur induktiven Kopplung zweier Leiterschleifen ausgegangen wurde, ist es auch denkbar, seitens der primären Leiterschleife ganz auf eine Transformatorwicklung zu verzichten und die sekundäre Leiterschleife einfach mittels eines induktiven Abnehmers, wie er normalerweise seitens des beweglichen Verbrauchers zur Leistungsentnahme aus einer Leiterschleife vorgesehen ist, anzukoppeln. Die Kopplung ist zwar in diesem Fall geringer als bei einem speziell ausgelegten Transformator, doch erfordert diese Lösung auch nur einen geringeren Aufwand und die sekundäre Leiterschleife kann ohne Vorbereitung der primären Leiterschleife an jeder beliebigen Stelle derselben angeordnet und nachträglich ohne weiteres verschoben werden.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zu mindestens einem beweglichen Verbraucher, mit mindestens einer sich als Leiterschleife entlang einer vorgesehenen Bewegungsbahn des Verbrauchers erstreckenden Primärinduktivität, der durch eine an dem Verbraucher angeordnete Sekundärinduktivität elektrische Energie entnommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei galvanisch voneinander getrennte Leiterschleifen (1; 101, 2; 102) vorgesehen sind, die jeweils verschiedenen Abschnitten der Bewegungsbahn zugeordnet und relativ zueinander so angeordnet sind, daß für den Verbraucher bestimmte elektrische Energie von einer ersten Leiterschleife (1; 101) aus zu mindestens einer zweiten Leiterschleife (2; 102) durch eine induktive Kopplung der Leiterschleifen (1; 101, 2; 102) übertragbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur induktiven Kopplung vorgesehenen Abschnitte (4; 121, 5; 122) der beiden Leiterschleifen (1; 101, 2; 102) jeweils mindestens eine Windung aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur induktiven Kopplung vorgesehenen Abschnitte (4; 121, 5; 122) der beiden Leiterschleifen (1; 101, 2; 102) auf ferromagnetische Kerne (11, 12) gewickelt sind, die zur Herstellung der Kopplung so zueinander ausrichtbar sind, daß sie zusammen annähernd einem Transformatorkern (3) entsprechen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Kerne (11, 12) jeweils eine E-förmige Gestalt haben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur induktiven Kopplung vorgesehene Abschnitt (S. 122) der zweiten Leiterschleife (2; 102) einer Sekundärinduktivität (126) der an dem beweglichen Verbraucher angeordneten Art entspricht, mit der eine induktive Kopplung zur ersten Leiterschleife (1; 101) entlang deren gesamtem Verlauf möglich ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zur induktiven Kopplung vorgesehenen Abschnitt (5; 122) der zweiten Leiterschleife (2; 102) eine größere Windungszahl aufweist als derjenige (4; 121) der ersten Leiterschleife (1; 101).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zur induktiven Kopplung vorgesehenen Abschnitt (4; 121) der ersten Leiterschleife (1; 101) eine einzige Windung aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leiterschleife (2; 102) aus einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Teilschleifen besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Teilschleifen zumindest näherungsweise dem Übersetzungsverhältnis des Stromes von der ersten Leiterschleife (1; 101) zur zweiten Leiterschleife (2; 102) entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschleifen durch ein einziges mehradriges Kabel (7) gebildet werden, dessen Adern (8a bis 8d) an den Enden zur Bildung der Teilschleifen zum Teil paarweise miteinander verbunden sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite Leiterschleife (2; 102) seriell mindestens ein Kondensator (9) geschaltet ist, dessen Wert so gewählt ist, daß die Herstellung oder Aufhebung der Kopplung zwischen den Leiterschleifen (1; 101, 2; 102) die Eingangsimpedanz der ersten Leiterschleife (1; 101) an deren zum Anschluß an eine Stromquelle bestimmtem Anfang möglichst wenig verändert.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem zur Kopplung vorgesehenen Abschnitt (5; 122) der zweiten Leiterschleife (2; 102) ein Schalter (10) angeordnet ist, durch den dieser Abschnitt (5; 122) kurzschließbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei galvanisch voneinander getrennte Leiterschleifen dergestalt aufeinanderfolgend angeordnet und paarweise induktiv miteinander gekoppelt sind, daß für den Verbraucher bestimmte elektrische Energie ausgehend von der ersten Leiterschleife (1; 101) jeweils durch induktive Kopplung sukzessive von einer Leiterschleife (1; 101) zur nächsten (2; 102) übertragen wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer Leiterschleife (2; 102) der zur induktiven Kopplung mit der jeweils anderen Leiterschleife (1; 101) vorgesehene Abschnitt (4; 122) dergestalt beweglich angeordnet ist, daß die Kopplung reversibel herstellbar und aufhebbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Verbraucher schienengeführt ist, und daß der zur induktiven Kopplung vorgesehene Abschnitt (122) einer der Leiterschleifen (102) dergestalt mit einem beweglichen Teil (119) einer Schienenweiche verbunden ist, daß die Kopplung nur in einer Endstellung der Schienenweiche hergestellt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leiterschleife (102) zur Energieübertragung zu dem beweglichen Verbraucher im Bereich der Schienenweiche vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leiterschleife (102) einen weiteren, zur Kopplung mit einer dritten Leiterschleife vorgesehenen Abschnitt aufweist, und daß auch diese Kopplung nur in besagter Endstellung der Schienenweiche hergestellt wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Verbraucher auf oder hängend an einer Schiene geführt ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß einem bezüglich der Bewegungsrichtung des Verbrauchers unmittelbar vor der Schienenweiche gelegenen Schienenabschnitt (124) vorbestimmter Länge zur induktiven Energieübertragung zu dem Verbraucher eine eigene Leiterschleife (132) zugeordnet ist, die von dem beweglichen Teil (119) der Schienenweiche aus nur in deren Endstellungen induktiv mit Strom versorgt wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zunächst von dem vor der Schienenweiche gelegenen Schienenabschnitt (115) aus induktiv zum beweglichen Teil (119) der Schienenweiche und von dort aus induktiv zurück zu der diesem Schienenabschnitt (119) zugeordneten Leiterschleife (132) übertragen wird.