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Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung und ein Modellauto mit einer derartigen Spulenanordnung.
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Eine Modellautorennbahn, auch Slotcar-Bahn oder Slot-Bahn (von englisch „Slot” für Schlitz) ist eine technische Vorrichtung, mit der elektrisch angetriebene Modellautos spurgeführt gefahren werden.
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Die Modellautorennbahn weist eine Fahrbahn auf, die z. B. aus einer Mehrzahl zusammensteckbarer Fahrbahnteile aufgebaut werden kann. Die Fahrbahn kann zwei Spuren aufweisen, die jeweils einen Schlitz zur Führung je eines Modellautos und je zwei Stromschienen zur Stromversorgung des elektrischen Antriebs der entlang der jeweiligen Spur bewegbaren Modellfahrzeuge besitzen. Stromabnehmer der jeweiligen Modellautos stehen dabei in Kontakt mit der jeweiligen Stromschiene, um eine Übertragung elektrischer Energie zu gewährleisten. Mit je einem Handregler können Geschwindigkeit und Bremsverhalten des jeweiligen Modellautos gesteuert werden. Allerdings kann es bei z. B. Kurvenfahrten aufgrund von an den Modellautos angreifenden Fliehkräften dazu kommen, dass der Kontakt zwischen der Stromschiene und dem Stromabnehmer des Modellautos unterbrochen wird mit der Folge, dass die Energieversorgung des elektrischen Antriebs des Modellautos unterbrochen wird und das Modellauto an Geschwindigkeit verliert.
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Eine unterbrechungsfreie Energieversorgung kann durch eine berührungslose Energieübertragung erreicht werden. Hierfür ist jedoch eine einfach zu fertigende und wenig Bauraum in Anspruch nehmende Spulenanordnung erforderlich, die in einem Modellauto angeordnet ein Sekundärelement bzw. Spule einer Transformatoranordnung für Versorgung des Modellautos mit elektrischer Energie bildet, wobei das Primärelement der Transformatoranordnung der Fahrbahn zugeordnet ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu fertigende und wenig Bauraum in Anspruch nehmende Spulenanordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spulenanordnung der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einer Spulenanordnung der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Spulenanordnung zumindest einen Träger und zumindest einen ersten Spulenabschnitt und einen zweiten Spulenabschnitt aufweist, wobei der Träger aus einem elektrisch isolierenden Material eine sich flächig erstreckende Grundform mit einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite aufweist, wobei zumindest der erste Spulenabschnitt und der zweite Spulenabschnitt eine Spulenwicklung bilden, und wobei der erste Spulenabschnitt auf der Oberseite und der zweite Spulenabschnitt auf der Unterseite angeordnet sind.
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Dies hat den Vorteil, dass so eine besonders kompakte und dabei wenig Bauraum in Anspruch nehmende Spulenanordnung bereitgestellt wird. Ferner wird durch die jeweils flächige Ausbildung der ersten und zweiten Spulenabschnitte auf der Ober- bzw. Unterseite des Trägers die Fertigung der Spulenanordnung vereinfacht, da hierfür Planar- oder Dickschichttechniken verwendet werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Trägerelement einen Ferritkern auf. Hierdurch wird das Magnetfeld gebündelt und konzentriert, so dass die Effizienz der berührungslosen Energieübertragung gesteigert ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Trägerelement einen ersten Leiterplattenabschnitt und einen zweiten Leiterplattenabschnitt auf, wobei eine Oberseite des ersten Leiterplattenabschnitts die Oberseite des Trägerelements und eine Unterseite des zweiten Leiterplattenabschnitts die Unterseite des Trägerelements bildet. Somit können aus preiswerten und leicht zu bearbeiteten Leiterplattenmaterial die beiden Leiterplattenabschnitte gebildet werden, wobei die ersten und zweiten Spulenabschnitte durch Ätzen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, wie z. B. einer Kupferbeschichtung, hergestellt werden können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich Verbindungsleitungen durch den ersten Leiterplattenabschnitt und den zweiten Leiterplattenabschnitt, um den ersten Spulenabschnitt mit dem zweiten Spulenabschnitt elektrisch zu verbinden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Unterseite des ersten Leiterplattenabschnitts auf einer Oberseite des Ferritkerns angeordnet und eine Oberseite des zweiten Leiterplattenabschnitts ist auf einer Unterseite des Ferritkerns angeordnet. So kann eine Spulenanordnung mit einer besonders kompakter Bauform bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden weitere Spulenabschnitte zumindest drei bis acht, insbesondere fünf, Spulenwicklungen. So kann eine besonders leistungsfähige Spulenanordnung bereitgestellt werden, um eine besonders effiziente Energieübertragung zu gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt ein Schraubenvektor der Spulenanordnung im Wesentlichen in der Ebene des Trägers. So kann eine besonders wirkungsvolle und damit effiziente Kopplung der Spulenanordnung als Sekundärelement einer Transformatoranordnung mit einem Sekundärelement erreicht werden, wenn das Primärelement eine sich in Fahrtrichtung des Modellfahrzeug längserstreckende Stromschiene ist bzw. umfasst.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Trägerelement eine erste Erstreckungsrichtung auf, die sich zwischen den beiden Spulenabschnitten erstreckt, eine zweite Erstreckungsrichtung auf, die rechtwinkelig zur ersten Erstreckungsrichtung ist, und eine dritte Erstreckungsrichtung auf, die rechtwinkelig zur ersten Erstreckungsrichtung und zur zweiten Erstreckungsrichtung ist, wobei sich ein Schraubenvektor der Spulenanordnung im Wesentlichen in Richtung der zweiten Erstreckungsrichtung und/oder der dritten Erstreckungsrichtung erstreckt. So kann eine derartige Spulenanordnung besonders wenig Bauraum in einem Modellfahrzeug in Anspruch nehmend angeordnet werden.
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Ferner gehört zur Erfindung ein Modellauto mit einer derartigen Spulenanordnung.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
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1 in schematischer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Modellautorennbahn,
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2 in schematischer Darstellung eine Transformatoranordnung, die in der in 1 dargestellten Modellautorennbahn Verwendung findet,
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3 eine oberseitige Ansicht des in 2 dargestellten ersten Trägerelements,
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4 eine unterseitige Ansicht des in 2 dargestellten zweiten Trägerelements,
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5 ein Betriebsszenario der in 1 dargestellten Modellautorennbahn,
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6 eine erste Verschaltungsvariante von Stromschienen einer zwei Spuren aufweisenden Fahrbahn,
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7 eine zweite Verschaltungsvariante von Stromschienen einer zwei Spuren aufweisenden Fahrbahn, und
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8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Modellautorennbahn mit einer Fahrbahn mit einer Stromschiene für jede Spur der mehrere Spuren aufweisenden Fahrbahn.
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In 1 ist eine Modellautorennbahn 2, auch Slotcar-Bahn oder Slot-Bahn (von englisch Slot für „Schlitz”), dargestellt.
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Die Modellautorennbahn 2 weist eine aus einer Mehrzahl von zusammensteckbaren Fahrbahnteilen aufgebaute Fahrbahn 4 mit im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Spuren 6a, 6b für je ein Modellauto 10 auf. Dargestellt ist in 1 lediglich ein Modellauto 10.
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Die Fahrbahn 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils eine jeder Spur 6a, 6b zugeordnete Vertiefung (Nut) 8a, 8b auf, die bzgl. der jeweiligen Spur 6a, 6b mittig angeordnet ist und in die ein Führungselement 30, wie z. B. ein Führungsstift, des Modellautos 10 eingreifen kann und so eine Führung des Modellautos 10 entlang der jeweiligen Spur, hier der Spur 6a bewirkt.
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Ferner weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Fahrbahn 4 jeweils zwei beidseitig der jeweiligen Vertiefung 8a, 8b angeordnete Stromschienen 14a, 14b, 14c, 14d auf, die der ersten Spur 6a bzw. der zweiten Spur 6b zugeordnet sind. Die erste und zweite Stromschiene 14a, 14b, 14c, 14d weisen ein im Querschnitt u-förmiges Profil auf und sind in weitere Vertiefungen der Fahrbahn 4 eingepresst.
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Die Stromschienen 14a, 14b, 14c, 14d sind jeweils einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Ferner sind die Stromschienen 14a, 14b, 14c, 14d aus einem magnetischen Material gefertigt. So kann das Modellauto 10 mit einem Dauermagneten (nicht dargestellt), der mit den Stromschienen 14a, 14b wechselwirkt, durch Magnetkraft in der Spur 6a gehalten werden.
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Wie noch später erläutert wird, bilden die beiden Stromschienen-Paare 14a, 14b bzw. 14c, 14d ein Primärelement 18 einer Transformatoranordnung 16 zur berührungslosen Energieübertragung zu dem Modellauto 10.
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Zur Transformatoranordnung 16 zur berührungslosen Energieübertragung zu dem Modellauto 10 gehört ferner ein dem Modellauto 10 zugeordnetes Sekundärelement 20 zum Einkoppeln von dem von dem Primärelement 18 erzeugten elektromagnetischen Feld.
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Das Sekundärelement 20 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Spulenanordnung 22.
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Neben der Übertragung von Betriebsenergie können mit der Transformatoranordnung 16 auch Steuersignale, z. B. zum Beschleunigen oder Abbremsen des Modellautos 10, übertragen werden, z. B. indem diese Steuersignale mit einer höheren Frequenz aufmoduliert und modellautoseitig wieder herausgefiltert werden.
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Es wird nun zusätzlich auf die 2 Bezug genommen, die aus Gründen der Einfachheit nur die erste Spur 6a der beiden Spuren 6a, 6b zeigt. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten jedoch analog auch für die zweite Spur 6b mit der Vertiefung 8b und den Stromschienen 14c und 14d.
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Die 2 zeigt, dass sowohl die Vertiefung 8a als auch die beiden Stromschienen 14a, 14b jeweils eine in Fahrrichtung entlang der Spur 6a weisende Haupterstreckungsrichtung H aufweisen, in deren Richtung ihre Abmessungen deutlich größer als in Richtung der anderen Erstreckungsrichtungen sind.
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Ferner zeigt die 2, dass die Spulenanordnung 22 einen Träger 12 aufweist. Der Träger 12 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein erstes Trägerelement 24a und ein zweites Trägerelement 24b sowie einen zwischen dem ersten Trägerelement 24a und dem zweiten Trägerelement 24b angeordneten Ferritkern 26 auf.
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Das erste Trägerelement 24a und das zweiten Trägerelement 24b sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils Leiterplatten. Die Leiterplatten weisen eine sich flächig erstreckende Grundform, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine quaderförmige Grundform, mit jeweils einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite auf. Sie bestehen jeweils aus einem elektrisch isolierenden Material und darauf angeordneten Leiterbahnen. Als isolierendes Material ist z. B. faserverstärkter Kunststoff üblich. Die Leiterbahnen werden z. B. aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt, die zuvor auf das isolierende Material aufgebracht wurde.
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Leiterbahnen auf der Oberseite des ersten Trägerelements 24a bilden im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von ersten Spulenabschnitten 28a, während weitere Leiterbahnen auf der Unterseite des zweiten Trägerelements 24b im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von zweiten Spulenabschnitten 28b bilden. Jeweils einer der ersten Spulenabschnitte 28a und der zweiten Spulenabschnitte 28b bilden zusammen je eine Spulenwicklung der Spulenanordnung 20.
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Hierzu sind Verbindungsleitungen (nicht dargestellt) vorgesehen, die sich durch das erste Trägerelement 24a und das zweite Trägerelement 24b erstrecken und die jeweiligen ersten Spulenabschnitte 28a mit dem jeweiligen zweiten Spulenabschnitt 28b elektrisch leitend verbinden. So bilden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Spulenabschnitte 28a, 28b drei Spulenwicklungen. Es können aber auch fünf bis acht Spulenwicklungen sein.
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Ferner zeigt die 2, dass an einer Unterseite des ersten Trägerelements 24a der Ferritkern 26 mit seiner Oberseite und der Unterseite des Ferritkerns 26 eine Oberseite des zweiten Trägerelements 24b angeordnet ist.
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Der Ferritkern 26 ist ein Bauteil aus Ferrit, das als Kern der Spulenanordnung 22 deren Induktivität erhöht oder das magnetische Feld führt. Unter Ferrite werden dabei Werkstoffe verstanden, die elektrisch schlecht oder nicht leitende ferrimagnetische keramische Werkstoffe aus dem Eisenoxid Hämatit (Fe2O3), Magnetit (Fe3O4) und/oder aus weiteren Metalloxiden sind. Je nach Zusammensetzung sind Ferrite hartmagnetisch oder weichmagnetisch.
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Die durch die jeweiligen ersten Spulenabschnitte 28a und zweiten Spulenabschnitte 28b gebildeten Spulenwicklungen weisen einen Schraubenvektor S auf, der, wie in 1 dargestellt, im Wesentlichen in der Ebene des Trägers 12 liegt und die schraubenförmige Ausbildung der Spulenwicklungen der Spulenanordnung 22 beschreibt.
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Zu erkennen ist ferner, dass der Schraubenvektor S im Wesentlichen im rechten Winkel zur Haupterstreckungsrichtung H der Stromschienen 14a, 14b angeordnet ist.
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Des Weiteren zeigt die 2, dass der Träger 12 eine erste Erstreckungsrichtung I, eine zweite Erstreckungsrichtung II und eine dritte Erstreckungsrichtung III hat.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich die erste Erstreckungsrichtung I in Höhenrichtung Z zwischen dem ersten Trägerelement 24a und dem zweiten Trägerelement 24b. Im rechten Winkel erstreckt sich zur ersten Erstreckungsrichtung I die zweite Erstreckungsrichtung II in Richtung des Schraubenvektors S bzw. in Breitenrichtung Y. Ferner erstreckt sich im rechten Winkel zur ersten Erstreckungsrichtung I und zur zweite Erstreckungsrichtung II die dritte Erstreckungsrichtung III in Richtung der Haupterstreckungsrichtung H bzw. in Tiefenrichtung X.
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Der Träger 12, das erste Trägerelement 24a, das zweite Trägerelement 24b und der Ferritkern 26 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Richtung der zweiten Erstreckungsrichtung II und der dritten Erstreckungsrichtung III jeweils deutlich größere Abmessungen als in Richtung der ersten Erstreckungsrichtung I auf. Mit anderen Worten, weisen sie jeweils eine quaderförmige, insbesondere eine plattenförmige Grundform auf.
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Es wird nun zusätzlich auf die 3 und 4 Bezug genommen.
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Die 3 und 4 zeigen, dass die ersten Spulenabschnitte 28a und die zweiten Spulenabschnitte 28b eine langgestreckte Form aufweisen, d. h. ihre jeweiligen Abmessungen in Richtung der dritten Erstreckungsrichtung III sind größer als in Richtung der zweiten Erstreckungsrichtung II. Ferner verlaufen die ersten Spulenabschnitte 28a und die zweiten Spulenabschnitte 28b unter einem Winkel zur zweiten Erstreckungsrichtung II, der ungleich einem rechten Winkel ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel verlaufen die ersten Spulenabschnitte 28a und die zweiten Spulenabschnitte 28b unter einem Winkel von 75° bis 85° bzw. 95° bis 110° zur zweiten Erstreckungsrichtung II.
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So wird eine besonders kompakte und dabei wenig Bauraum in Anspruch nehmende Spulenanordnung 22 bereitgestellt. Ferner wird durch die jeweils flächige Ausbildung der ersten Spulenabschnitte 28a und zweiten Spulenabschnitt 28b auf der Ober- bzw. Unterseite des Trägers 12 die Fertigung der Spulenanordnung 22 vereinfacht, da hierfür Planar- oder Dickschichttechniken verwendet werden können.
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Es wird unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 5 der Betrieb der Modellautorennbahn 2 erläutert, wobei aus Gründen der Einfachheit von dem Primärelement 18 nur die erste Stromschiene 14a von den beiden Stromschienen 14a, 14b der ersten Spur 6a dargestellt ist.
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Im Betrieb wird die Stromschiene 14a von einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 400 kHz durchströmt. Es bildet sich um die Stromschienen 14a ein Magnetfeld M mit sich in Form um die Stromschiene 14a erstreckenden konzentrischen Feldlinien aus. Der Verlauf der Feldlinien kann durch einen Rotationsvektor R beschrieben werden, der Senkrecht auf der Ebene steht, die von den Feldlinien beschrieben wird.
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Die Feldlinien durchsetzen das Sekundärelement 20 bzw. die Spulenanordnung 22 und Erzeugen durch Induktion eine elektrische Spannung in dem Sekundärelement 20. Die in das Sekundärelement 20 induzierte elektrische Spannung kann dann zur Versorgung eines elektrischen Antriebs des Modellautos 10 verwendet werden, damit sich das Modellauto 10 in durch die Haupterstreckungsrichtung H der Vertiefung 8 bzw. der Stromschiene 14a vorgegebene Fahrtrichtung F bewegen kann. Somit stehen die Fahrtrichtung F und der Rotationsvektor R im Wesentlichen unter einem rechten Winkel zueinander. Unter im Wesentlichen wird dabei innerhalb von überblichen Fertigungstoleranzen verstanden.
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Eine Regulierung der Geschwindigkeit des Modellautos 10 kann dabei durch eine Veränderung der Stromstärke des elektrischen Stromes erfolgen, der durch die Stromschienen 14a, 14b fließt.
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Aufgrund der berührungslosen Übertragung von elektrischer Energie können Kontaktunterbrechungen wie beim Stand der Technik nicht mehr zur Unterbrechung der Versorgung mit elektrischer Energie führen.
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Neben der in 1 dargestellten ersten Spur 6a ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite Spur 6b für ein zweites Modellauto (nicht dargestellt) vorgesehen, die den gleichen Aufbau wie die erste Spur 6a aufweist. Um jedoch Interferenzen zwischen zwei Modellautos 10 und damit Störungen bei der Energieübertragung so weit wie möglich zu vermeiden werden die Stromschienen 14c, 14d der zweiten Spur 6b von einem elektrischen Strom mit einer Frequenz durchströmt, die mindestens eineinhalb mal so hoch wie die erste Frequenz ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die zweite Frequenz 600 kHz.
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Es wird nun zusätzlich auf die 6 und 7 Bezug genommen, die Verschaltungsvarianten der zwei Stromschienen 14a, 14b, 14c, 14d beispielhaft anhand der ersten Spur 6a der beiden Spuren 6a, 6b der Fahrbahn 4 zeigen.
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Die 6 zeigt eine erste Verschaltungsvariante, bei der die beiden Stromschienen 14a, 14b der ersten Spur 6a elektrisch parallel geschaltet sind. So kann der doppelte Leitungsquerschnitt der beiden Stromschienen 14a, 14b genutzt werden, so dass eine Verdoppelung der Stromstärke möglich wird, mit der die Stromschienen 14a, 14b beaufschlagt werden.
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Die 7 zeigt eine zweite Verschaltungsvariante, bei der die beiden Stromschienen 14a, 14b der ersten Spur 6a elektrisch in Reihe geschaltet sind. So bilden die beiden Stromschienen 14a, 14b eine Doppelleiterschleife, so dass die Effizienz der Energieübertragung verbessert wird.
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Es wird nun auf 8 Bezug genommen.
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Dargestellt ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Fahrbahn 4' die im Unterschied zur in 1 dargestellten Fahrbahn 4 lediglich zwei Vertiefungen 8a, 8b aufweist, in die jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromschiene 14a', 14b' eingesetzt ist.
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Der Aufbau der Stromschienen 14a', 14b' gemäß dieses Ausführungsbeispiels wird anhand der der zweiten Spur 6b zugeordneten Stromschiene 14b' erläutert.
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Die Stromschiene 14b' weist ein u-förmiges Profil mit einem Nutgrund 32 und zwei sich an den Nutgrund 32 anschließende Flansche 34 auf, die sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel erstrecken. An jeden der Flansche 34 schließt sich je eine Zunge 36 an, die sich in die Ebene der Oberfläche der Fahrbahn 4' erstreckt.
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Die Stromschienen 14a', 14b' gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Ferner sind die Stromschienen 14a', 14b' gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem magnetischen Material gefertigt. So kann auch hier das Modellauto 10 mit einem Dauermagneten (nicht dargestellt), der mit der Stromschiene 14a' wechselwirkt, durch Magnetkraft in der Spur 6a gehalten werden. Dabei stellen insbesondere die beiden Zungen 36 eine vergrößerte Angriffsfläche für die Magnetkraft bereit, so dass ein verkleinerter Magnet in das Modellauto 10 eingesetzt werden kann, der weniger Bauraum in Anspruch nimmt.
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Ferner sind die beiden Stromschienen 14a' 14b' derart in die jeweiligen Vertiefungen/Nuten 8a, 8b eingesetzt, dass die u-förmige Stromschienen 14a', 14b' sich nach oben öffnen, so dass das Führungselement 30, wie z. B. ein Stift des Modellautos 10, in die u-förmige Stromschiene 14a' eingreifen kann, um so dass Modellauto 10 entlang der durch die Vertiefung 8a definierten Spur 6a zu führen. Somit weist diese Fahrbahn 4' einen besonders einfachen Aufbau mit nur einer, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittig angeordneten Stromschiene 14a', 14b' für jede der Spuren 6a, 6b auf, wobei die Stromschienen 14a', 14b' jeweils eine Doppelfunktion haben, nämlich als Stromschiene und als Führungsnut für das Modellauto zu dienen.