Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum berührungsfreien Erfassen mindestens des Abstandes zwischen dem Elektromagneten und dem Anker eines elektromagnetischen Tragoder Führungssystems, insbesondere zum Tragen oder Führen von Schwebefahrzeugen.
Bekannte Abstandsmessanordnungen benützen kapazitive oder induktive Abstandsgeber, die hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Messung, wie sie beim Erfassen des Abstandes zwischen den Ankerschienen und den Trag- oder Führungsmagneten von beispielsweise für sehr hohe Geschwindigkeiten konzipierten, magnetisch getragenen und geführten Schwebefahrzeugen gestellt werden, nicht genügen.
Während induktive Abstandsgeber leicht von magnetischen Streufeldern beeinflusst werden, reagieren kapazitive Geber empfindlich auf Änderungen der Dielektrizitätskonstante der Luft. Überdies sind gesonderte Geberanordnungen an Tragoder Führungssystemen vielfach nicht gut unterzubringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die ein sicheres und störeinflussfreies Erfassen des Abstandes bei geringem Aufwand gewährleistet.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch mindestens zwei Messwertgeber zum Erfassen der im wesentlichen nur erregungs- und abstandsabhängigen Induktion des magnetischen Nutzfeldes oder einer davon abgeleiteten Grösse und einer weiteren, nach einer anderen Abhängigkeit erregungs- und abstandsabhängigen Grösse des elektromagnetischen Systems, und durch eine elektrische Schaltung aus analogen, digitalen oder hybriden Elementen zum Eliminieren der Erregerstromabhängigkeit der beiden Messgrössen gelöst. Auf diese Weise wird durch einfaches Messen von stark last- und abstandsabhängigen Betriebsgrössen des magnetischen Trag- oder Führungssystems ein nur vom Abstand abhängiges Signal erhalten, wobei sich gesonderte induktive oder kapazitive Abstandsgeber erübrigen und Streufelder und die jeweiligen Parameter der Luft keinen Einfluss auf die Messung ausüben.
Voraussetzung dafür ist allerdings, dass keine weitere Variable in der Beziehung für die Nutzfeldstärke vorkommt. Dies ist praktisch dann der Fall, wenn die Permeabilität des Eisens von Anker und Elektromagnetkern konstant ist, d. h. das System sättigungsfrei arbeitet. Diese Voraussetzung ist jedoch in der Regel erfüllt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert:
Es zeigt:
Fig. 1 ein elektromagnetisches Trag- oder Führungssystem mit Feldgebern im Nutz- und im Streufeld;
Fig. 2 ein System gemäss Fig. 1 mit einem Shunt im Erregerstromkreis anstelle eines Streufeldgebers;
Fig. 3 ein System gemäss Fig. 1, bei dem ein Streufeldgeber in einem Luftspalt eines zusätzlichen magnetischen Nebenschlusses eingesetzt ist;
Fig. 4 eine elektrische Schaltung zur Erzeugung eines nur abstandsabhängigen Signals;
Fig. 5 ein System gemäss Fig. 1, dessen Elektromagnetkern breiter ausgebildet ist als die Ankerschiene und zwei Nutzfeldgeber trägt;
;
Fig. 6 ein System gemäss Fig. 1 mit zwei hintereinander und versetzt angeordneten Elektromagneten, die jeweils einen Nutzfeldgeber tragen, und
Fig. 7 eine elektrische Schaltung zur Erzeugung eines abstands- und eines querauslenkungsabhängigen Signals.
Das in Fig. 1 dargestellte Trag- oder Führungssystem besteht aus einer feststehenden Ankerschiene 1 von U-förmigem Profil und einem langgestreckten Elektromagneten 2 mit einem ebenfalls U-Profil-förmigen Kern 3, dessen Joch 4 eine
Erregerspule 5 trägt. Unter der Wirkung der anziehenden magnetischen Kräfte des vom Elektromagneten 2 aufgebauten
Magnetfeldes wird dieser berührungslos auf Abstand zur
Ankerschiene 1 gehalten, wobei die Längsstirnflächen der
Seitenschenkel 6 der Ankerschiene 1 denen der Seitenschenkel
7 des Magnetkerns 3 als Polflächen 8 bzw. 9 gegenüberstehen.
Der Elektromagnet 2 ist an einem nicht dargestellten Fahrzeug befestigt, das berührungslos an der Ankerschiene 1 entlang bewegt werden soll. Da ein magnetische Anziehungskräfte ausnützendes System instabil reagiert, muss der Strom J der
Erregerspule 5 des Eektromagneten 2 zur Aufrechterhaltung eines Sollabstandes dsoll zwischen Elektromagnet 2 und Anker schiene 1 fortwährend geregelt werden. Dazu ist es erforder lich, den Istwert des Abstandes d zu erfassen, mit seinem
Sollwert dsoll zu vergleichen und eine Differenz zur Erreger stromregelung zu verwerten. Das Erfassen des Abstandes d geschieht ebenfalls berührungslos mit Hilfe einer Abstands messanordnung, die einen Nutzfeldgeber 10 und einen Streufeldgeber 11 enthält, bei denen es sich um Hallgeneratoren,
Magnetdioden oder Feldplatten handeln kann.
Während der
Nutzfeldgeber 10 auf eine der beiden Polflächen 9 des Elek tromagnetkerns 3 aufgebracht ist und damit vom Nutzfeld durchsetzt wird, ist der Streufeldgeber 11 an der Innenfläche
12 eines der Seitenschenkel 7 des Magnetkerns 3 unterge bracht und wird somit vom Streufeld zwischen den beiden
Seitenschenkeln 7 des Elektromagnetkerns 3 durchdrungen.
Wenn Feldplatten als Feldgeber 10 und 11 vorgesehen sind, stellt deren ohmscher Widerstand ein Signal für die Nutzfeld induktion im Luftspalt bzw. für die Streufeldinduktion am Ort des Streufeldgebers 11 dar. Bei Verwendung aktiver Feldge ber, wie Hallgeneratoren oder Magnetdioden, werden von den jeweiligen Induktionswerten abhängige Signalspannungen erzeugt.
Bei ungesättigtem Eisen hängt die Nutzfeldinduktion in erster
Näherung nur vom Erregerstrom J in der Magnetspule bei im wesentlichen proportionalem Zusammenhang und vom Abstand d zwischen Elektromagnet und Ankerschiene bei umgekehrt proportionalem Zusammenhang ab. Andererseits hängt die Streufeldinduktion in erster Näherung nur vom Erregerstrom J ab und verhält sich zu diesem proportional.
Wenn daher die Signale der Feldgeber die erfassten Induktionswerte exakt wiedergeben, stellt der Quotient beider Signale ein im wesentlichen stromunabhängiges und nur vom Abstand d abhängiges Signal dar, das zur Stromregelung verwendet werden kann.
Ein genau stromproportionales Signal wird auch, wie in Fig. 2 dargestellt, mit Hilfe eines Shunts 13 im Stromkreis der Erregerspule 5 erhalten, wobei sich dann der Streufeldgeber
11 erübrigt.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines in erster Näherung nur vom Erregerstrom abhängigen Signals bietet das in Fig. 3 gezeigte Trag- oder Führungssystem, bei dem der Elektromagnet 2 auf der der Ankerschiene 1 abgewandten Seite durch einen U-förmigen Flussleitbügel 14 ergänzt ist. Dieser steht fest mit dem Magnetkern 3 in Verbindung und mit den Stirnflächen 15 seiner Seitenschenkel 16 den Enden des Magnetkernjochschenkels 4 mit einstellbarem Abstand s gegenüber und stellt einen magnetischen Nebenschluss des Magnetkerns 3 dar, der lediglich Streufluss führt. Der Flussleitbügel 14 ist zur Bildung eines schmalen Luftspaltes 17 zur Unterbringung des Streufeldgebers 11 zweigeteilt und besitzt einen Eisenquerschnitt, der zur Anbringung dieses Gebers 11 gerade ausreicht.
Der Abstand s zwischen Magnetkern 3 und Flussleitbügel 14 ist etwa dem Sollabstand dsoll zwischen dem Magnetkern 3 und der Ankerschiene 1 angepasst, so dass der Streufeldgeber 11 beim Vorliegen des Sollabstandes dsoll etwa derselben magnetischen Induktion ausgesetzt ist wie der Nutzfeldgeber 10 im Nutzfeld.
Für die Signale der mindestens zwei erfindungsgemäss vorgesehenen Geber lassen sich bei sättigungsfrei arbeitendem Trag- oder Führungssystem die nachstehenden allgemeinen Beziehungen angeben Ul = Uio+fi (J,d) U2 = U20 +f2 (J,d), wobei fl (J, d) und f2 (J, d) voneinander verschieden sein müssen. Diese Bedingung ist bei den erwähnten Geberanordnungen aus einem Nutzfeldgeber und einem Streufeldgeber bzw. einem Nutzfeldgeber und einem Erregerstromgeber erfüllt, da, wie oben erwähnt, die Nutzfeldinduktion in erster Näherung proportional dem Quotienten J/d und die Streufeldinduktion proportional J ist. Durch Eliminieren des Erregerstromes ergibt sich für den zu erfassenden Abstand d folgender Ausdruck U2-U20 = F (d).
Ui-Uio
Es muss somit eine elektrische Schaltung vorgesehen sein, die die Gebersignale um ihre ggf. vorhandenen konstanten Signalanteile vermindert und anschliessend eine Division durchführt. Eine Schaltung zur Durchführung dieser Operationen zeigt Fig. 4. Das Signal Ul des Nutzfeldgebers 10 und das Signal U2 des Streufeld- bzw. des Erregerstromgebers 11 bzw.
13 werden auf den positiven Eingang jeweils eines Summierers
19 bzw. 20 gegeben, während ein negativer Eingang jedes Summierers mit einer einstellbaren Bezugssignalquelle 21 bzw.
22 verbunden ist. Die auf die negativen Eingänge gegebenen Bezugssignale werden so eingestellt, dass die Ausgangssignale beider Summierer bei unerregtem Trag- oder Führungssystem gleich null sind. Die Ausgänge der Summierer stehen mit den Eingängen eines Dividierers 23 in Verbindung, dessen Ausgangssignal die oben genannte Funktion F vom Abstand d darstellt, nämlich in erster Näherung proportional ist, und zur Regelung der Erregung des Elektromagneten des Trag- oder Führungssystems Verwendung finden kann. Die beschriebene Schaltung kann als Analog-, Digital- oder Hybridschaltung aufgebaut sein.
Fig. 5 zeigt ein elektromagnetisches Trag- oder Führungssystem, bei dem der Abstand der Seitenschenkel 25 des Elektromagnetkerns 26 grösser ist, als der der Seitenschenkel 6 der Ankerschiene 1. Die Magnetfeldeintrittsfläche 27 des einen Schenkels und die Magnetfeldaustrittsfläche 28 des anderen Schenkels des Magnetkerns 26 sind mit je einem Nutzfeldgeber 29 besetzt. Darüber hinaus trägt eine Streuflusseintrittsfläche 30 des einen Seitenschenkels 25 des Magnetkerns 26 einen Streufeldgeber 31. Diese Anordnung ist geeignet, sowohl den Abstand d zwischen Ankerschiene 1 und Elektromagnetkern 26 als auch eine Querauslenkung Ax des Elektromagneten relativ zur Ankerschiene zu erfassen.
Während die Summe der Nutzfeldinduktionswerte an den Messtellen, abgesehen von der Erregerstromabhängigkeit, nur vom Abstand d abhängt und in erster Näherung von einer Querauslenkung Ax unabhängig ist, stellt die Differenz dieser Induktionswerte eine querauslenkungsabhängige Grösse dar, da mit jeder Querauslenkung praktisch eine Veränderung des Nutzflussquerschnitts jeder Luftstrecke verbunden ist.
Eine von einer Querauslenkung Ax weit stärkere Abhängigkeit der Differenz der Induktionswerte an den beiden Nutzfeldmesstellen wird dann erhalten, wenn, wie in Fig. 6 dargestellt, das elektromagnetische Trag- oder Führungssystem zwei gleich erregte Elektromagnete 33 und 34 besitzt, die hintereinander angeordnet und entgegengesetzt zur Ankerschiene 1 querversetzt mechanisch miteinander verbunden sind, und beispielsweise die äusseren beiden Schenkel 35 und 36 dieser Magnetanordnung 33, 34 am Nutzfeldeintritt und -austritt mit Nutzfeldgebern besetzt sind. Dann vergrössern bzw. verkleinern sich bei einer Querauslenkung Ax der Elektromagnetanordnung 33, 34 beide Luftstrecken des einzelnen Elektromagneten 33 bzw. 34 zur Ankerschiene 1, so dass auch die Flüsse an den beiden Nutzfeldmesstellen trotz gleicher Erregung der Magnete unterschiedliche Werte annehmen.
Der Streufeldgeber 31 ist ebenso wie gemäss Fig. 5 a einer Streufeldeintrittsfläche 37 des einen Seitenschenkels 35 des Kerns des Elektromagneten 33 angebracht.
Anstelle des Streufeldgebers 31 kann selbstverständlich auch ein Erregerstromgeber in den Erregerkreis der Anordnungen gemäss Fig. 5 und Fig. 6 eingeschaltet sein. Ebenso können auch bei diesen Anordnungen gesonderte Flussleitbügel gemäss Fig. 3 zur Erzielung eines magnetischen Nebenschlusses zur Streufeldmessung vorgesehen sein.
Für die von den Nutzfeldgebern 29 der Anordnungen nach den Fig. 5 und 6 bei sättigungsfreiem Betrieb erzeugten Signale U3 nd U4 und das im Streufeldgeber 31 bzw. einem Erregerstromgeber erzeugte Signal Us gilt: U3 = U30+f3 (x+Ax,J,d) U4 = U40+f3 (x-Ax,J,d) Us = Uso+fs (J).
Bei kleinen Querauslenkungen Ax, wie sie bei elektromagnetischen Trag- oder Führungssystemen die Regel sind, gelten nach Taylor folgende Näherungsgleichungen: f3 (x+Ax,J,d) = fs (x,J,d) + Ax f3 (x,J,d) f3 (x- Ax,J,d) = f3 (x,J,d) - bx fs (x,J,d).
Damit ergibt sich für die zu erfassende Querauslenkung folgender Ausdruck:
LX - U4 - (U30 -U40)
Ax =
U3 fU4 + (U30 + U40).
Ferner lässt sich aus den Gleichungen für die Signale U3 bis Us unter Zuhilfenahme der Näherungsgleichungen Ax eliminieren und folgende Beziehung schreiben: Us-Uso = fs (J) U3+U4-(U30+U40) = 2 3 (x,J,d)
Da x konstant ist, verhält sich f3 (x, J, d) proportional zu J/d.
Da andererseits fs (J), d. h. die Streufeldinduktion bzw. die Spannung am Erregerstromgeber, dem Erregerstrom proportional ist, stellt sich die obige Beziehung als abstandsproportio nalheraus, d. h.
U5-U5o Us-Uso
U3+U4-(U30+U40)
Eine entsprechende Schaltung mit einem dem Abstand d und einem der Querauslenkung Ax proportionalen Ausgangssignal, bei der identische Nutzfeldgeber (U30 = U40) verwendet sind, ist in Fig. 7 dargestellt. Die beiden Nutzfeldgebersignale U3 und U4 werden auf positive Eingänge eines ersten Summierers 39 gegeben, während eine Bezugssignalquelle 40 einen negativen Eingang des Summierers 39 mit dem doppelten konstanten Signalanteil 2U30 der Nutzfeldgeber 29 beaufschlagt. Das Ausgangssignal dieses Summierers 39 gelangt auf einem Eingang eines Dividierers 41. Weiter werden die Signale U3 und U4 auf ungleichpolige Eingänge eines zweiten Summierers 42 gegeben, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Dividierers 41 in Verbindung steht.
Dieser Dividierer 41 bildet nach den obigen Ausführungen ein Signal, welches nur von der Querauslenkung Ax des Elektromagneten (26) gemäss Fig. 5 oder der Elektromagnetanordnung 33, 34 gemäss Fig. 6 abhängt. Das Signal Us des Steuerfeldgebers 31 bzw. eines Erregerstromgebers wird auf einen positiven Eingang eines dritten Summierers 43 gegeben und durch Anschluss einer Bezugsignalquelle 44 an einen negativen Summiereingang um den ggf. vorhandenen konstanten Signalanteil Uso vermindert. Der Ausgang dieses Summierers führt auf einen Eingang eines weiteren Dividierers 45, auf dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal des ersten Summierers 39 ebenfalls gelangt, so dass dieser zweite Dividierer 45 ein Ausgangssignal liefert, das, wie oben erläutert, nur eine Funktion F des Abstandes d ist. Auch diese Schaltung kann aus analogen digitalen oder hybriden Elementen aufgebaut sein.