DE3244420C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abstandssensor für ein Magnetschwebefahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Abstandssensor ist aus der DE-AS 22 26 101 bekannt. Dieser Abstandssensor weist eine wechselstromgespeiste Sendespule und zwei Empfangsspulen an dem Magnetschwebefahrzeug auf, die untereinander so geschaltet sind, daß sich deren Empfangsspannungen subtrahieren. Die bei dem Abstandssensor verwendeten Spulen sind jeweils auf einen Eisenkern gewickelt, so daß mit den Empfangsspulen die Änderung des Magnetflusses im wesentlichen durch diesen Eisenkern gemessen wird. Dieser bekannte Abstandssensor ist jedoch für die Messung des Luftspaltes zwischen einem Magnetschwebefahrzeug und einem gezahnten Langstator nicht geeignet. Beim Überfahren der Nuten und Zähne eines Langstators treten Signaländerungen, die sog. Nut-Zahn-Rippel, auf, die nur durch spezielle Ausgestaltungen der Spule reduziert werden können, so z.B. durch Sende- und Empfangsspulen, die sich über eine Vielzahl von Nuten und Zähnen des Langstators erstrecken. Hierdurch werden die genannten Nut-Zahn-Rippel ausgemittelt. Eine Möglichkeit, diese Nut-Zahn-Rippel auszumitteln, ist bei dem bekannten Abstandssensor nicht gegeben, es sei denn, dieser Abstandssensor würde entsprechend groß gebaut werden. Hierdurch würde sich neben der Dimension jedoch auch das Gewicht erheblich vergrößern, so daß so eine Lösung unvorteilhaft ist.

Auch dann, wenn zum Messen des Abstandes zwischen den Tragmagneten und dem Langstator eine langgestreckte, mit Wechselstrom betriebene Sendespule auf den Polflächen eines Tragmagneten vorgesehen ist, der ebenfalls auf der Polfläche eine Empfangsspule zugeordnet ist, wobei sich die beiden Spulen über eine Vielzahl von Nuten und Zähnen des Langstators erstrecken, hat sich gezeigt, daß ein derartiger Abstandssensor Abstandssignale liefert, die den geforderten Genauigkeiten nicht im erwünschten Ausmaß entsprechen. Ein solch groß dimensionierter Abstandssensor wird durch elektromagnetische Störungen verschiedener Art sehr empfindlich.

Aus der DE-AS 29 16 289 ist ein Abstandssensor für Magnetschwebefahrzeuge bekannt, bei dem sowohl die Sendespule als auch die einzige Empfangsspule die Form einer 8 aufweisen. Die Empfangsspulen haben dabei einen von Pol zu Pol alternierenden Windungssinn. Diese Ausgestaltung ist notwendig, da sich die Richtung der Magnetfelder des Langstatormagneten von Pol zu Pol ändert, und in der Empfangsspule das induzierte Flußsignal sich nicht aufheben darf. Hieraus folgt dann jedoch, daß die zugehörige Sendespule die Form einer 8 aufweisen muß, damit sich die in den Empfangsspulen induzierten spaltabhängigen Signale nicht gegenseitig auslöschen. Auch bei diesem bekannten Abstandssensor wird der Magnetfluß gemessen, wobei die Magnetflüsse von Sende- und Empfangsspule verkoppelt sind. Bei diesem bekannten Abstandssensor sind die beiden Spulen auf einer Platine angeordnet, die die Polflächen des Langstators überbrückt. Die Konstruktion dieses großbauenden Abstandssensors ist aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kleinbauenden Abstandssensor anzugeben, bei dem ein Meßprinzip angewandt wird, das genaue Abstandssignale liefert und die genannten Nut-Zahn-Rippel stark reduziert bzw. eliminiert.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß ist die Sendespule als flacher Balken ohne Kern ausgebildet und schräg zur Fahrtrichtung angeordnet, wobei sie jeweils etwa einen Zahn und eine Nut des Langstators überdeckt, wodurch die erwähnten Nut-Zahn-Rippel bereits sehr gut ausgemittelt werden. Die Empfangsspulen weisen die Form einer 8 auf, wobei die beiden Achterschleifen zu beiden Seiten der Sendespule gelegen sind, wodurch sich die Magnetflüsse in den Spulenhälften jeder Empfangsspule addieren. Zudem sind die beiden Empfangsspulen in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordnet, so daß sich bei einer Annäherung oder einer Entfernung des Abstandssensors von dem Langstator unterschiedliche Magnetflüsse ergeben, die in bekannter Weise subtrahiert werden. Die Sendespule ist zudem in die Achterschleife der Empfangsspulen integriert und längs der die beiden Achterhälften trennenden Symmetrieachse ausgerichtet.

Mit einer solchen Anordnung wird die Änderung des magnetischen Nebenschlusses der Sensorspulenanordnung durch die Zähne des Langstators zur Abstandsmessung herangezogen. Hierdurch und durch die Verbindung der Empfangsspulen ergibt sich ein ausgeprägtes, vom Abstand zwischen Abstandssensor und Langstator abhängiges Signal. Bei einer Annäherung des Abstandssensors an den Langstator wird der Magnetfluß der Sendespule von der unteren, d.h. dem Langstator abgewandten Empfangsspule, durch den magnetischen Nebenschluß über den jeweiligen Zahn des Langstators abgezogen. In der dem Langstator zugewandten, d.h. oberen Empfangsspule, wird der Magnetfluß erhöht. Das Differenzsignal wird durch ent­ sprechende elektronische Schaltungen zu einem Abstands­ signal umgeformt, das dem tatsächlichen Abstand wesentlich genauer als bisher entspricht. Mit einem Abstandssensor gemäß der Erfindung können bei Nennspalten um 10 bis 15 Millimetern Meßgenauigkeiten von ca. ±1/4 Millimeter er­ reicht werden.

Der Abstandssensor gemäß der Erfindung ist außerdem klein­ bauend; Länge und Breite entsprechen etwa der Ausdehnung einer Nut und eines Zahnes des Langstators, die bei einem Versuchsmodell für ein Magnetschwebefahrzeug jeweils eine Breite von 43 Millimetern aufweisen. Die Gesamtausdehnung des Sensors in Breite und Länge beträgt etwa 100 Millimeter.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert ist.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines Abstandssensors gemäß der Erfindung für ein Magnetschwebefahrzeug;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Sensors gemäß Fig. 1 mit einem Langstator zum Vor­ trieb des Magnetschwebefahrzeuges mit einem Linearmotor;

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Abstandssensor gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem Lang­ stator.

Ein Abstandssensor 1 zur Messung des Abstandes bzw. des Luftspaltes S zwischen den nicht gezeigten Tragmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges und einem Langstator L weist eine Sendespule 2 auf, die in Form eines langgestreckten flachen Kastens der Länge l, der Breite b und der Höhe c gewickelt ist. Die Windungen der Sendespule 2 verlaufen längs des Umfangs des Kastens parallel zu dessen Kanten; die Spulenachse 3 (vgl. Fig. 3) steht senkrecht auf den Windungsebenen.

Etwa in der oberen und auch etwa in der unteren Längs­ ebene der Sendespule 2 ist jeweils eine Empfangsspule 4 o bzw. 4 u in Form einer deformierten Acht aus mehreren Windungen angeordnet, die in diesem Falle jeweils aus zwei dreieckförmigen Spulenhälften 5 zu beiden Längs­ seiten der Sendespule aufgebaut sind. In Fig. 1 sind die Anschlußpunkte der dreieckförmigen Spulenhälften 5 schematisch mit 6 dargestellt, die, wie angedeutet, überkreuz verbunden werden, so daß die beiden Spulenhälften einen geschlossenen Leitungsweg in Form einer Acht ergeben.

Die oberen und auch untere Empfangsspule 4 o bzw. 4 u weisen Anzapfpunkte 7 o bzw. 7 u auf, an denen die Empfangs­ signale der Empfangsspulen abgenommen und in einer nicht dargestellten Auswerteschaltung miteinander kombiniert, in diesem Falle voneinander subtrahiert werden.

Der beschriebene Abstandssensor 1 wird mit dem Magnet­ schwebefahrzeug so verbunden, daß einmal die Sendespule 2 mit ihrer Spulenachse 3 schräg zu der in Fig. 3 mit dem Pfeil P gekennzeichneten Fahrtrichtung des Magnetschwebe­ fahrzeuges ausgerichtet ist, und daß die Ebene der beiden Empfangsspulen 4 o und 4 u etwa parallel zu der Oberfläche des Langstators liegt. Der Langstator L weist in regel­ mäßigen Abständen quer zur Fahrtrichtung P Zähne 8 und Nuten 9 jeweils etwa gleicher Breite auf. Der Anstellwinkel zwischen Spulenachse 3 und der Fahrtrichtung P ist etwa 45°. Die Länge l der Sendespule 2 ist so gewählt, daß die Sendespule 2 jeweils eine Nut- und eine Zahn­ länge des Langstators überdeckt. Bei einem Anstellwinkel von 45° und einer Zahn- und Nutbreite von 43 Millimetern ist die Länge l der Sendespule 2 ungefähr 12 Zentimeter. Die aus zwei dreieckförmigen Spulenhälften 5 zusammenge­ setzten Empfangsspulen 4 sind so zu beiden Längsseiten der Sendespule 2 angeordnet, daß sich ein insgesamt etwa quadratischer Aufbau des Abstandssensors 1 ergibt (vgl. Fig. 3).

Die Sendespule 2 wird mit einer Wechselspannung be­ trieben, deren Frequenz bei diesem Anwendungsfall etwa 100 kHz beträgt. Der von der Sendespule ausgehende Magnetfluß durchsetzt je nach dem Abstand der Sendespule zu den Zähnen des Langstators mehr oder minder diese Zähne. Die Nuten des Langstators sind so tief, daß das magnetische Feld der Sendespule nicht merklich be­ einflußt wird. Bei konstantem Abstand zwischen Abstands­ sensor 1 und Langstator L ergibt sich ein nahezu konstantes Ausgangssignal.

Nähert sich der Abstandssensor 1 dem Langstator, so wird der Fluß von der dem Langstator abgewandten unteren Empfangsspule 4 u durch den magnetischen Nebenschluß über einen Zahn 8 des Langstators "weggezogen": Die in der oberen Empfangsspule 4 o induzierte Spannung wird ver­ größert, diejenige in der unteren Empfangsspule 4 u wird verringert. Die Differenzspannung ist ein sehr genaues Maß für den Abstand bzw. Luftspalt S.

Die Sendespule 2 überdeckt unabhängig davon, ob die Sende­ spule tatsächlich nur einen Zahn 8 vollständig oder zwei benachbarte Zähne nur teilweise überdeckt jeweils etwa eine Zahnlänge. Es hat sich herausgestellt, daß das Ab­ standssignal des Abstandssensors bei konstantem Luft­ spalt S trotzdem eine gewisse Restwelligkeit aufweist. Das Ausgangssignal bei teilweiser Überdeckung zweier benach­ barter Zähne ist nicht so groß wie bei Überdeckung eines einzigen Zahnes. Die Spulenanordnung müßte demnach etwas länger sein als die Nut-Zahn-Teilung. Diese Restwelligkeit kann reduziert werden, wenn zumindest auf der dem Lang­ stator zugewandten Seite der Sendespule ein Abschirmblech vorgesehen wird, dessen Dicke so gewählt ist, daß die Ein­ dringtiefe bei der Betriebsfrequenz der Sendespule klein ist gegenüber der Blechdicke. Ein solches Abschirmblech 10 ist schematisch in den Fig. 1 und 3 dargestellt. Dieses Abschirmblech wird mittig auf der Sendespule aufgesetzt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Länge der Sensor­ spulenanordnung durch äußere Gegebenheiten nicht optimal gewählt werden kann.

Ein mit einem solchen Abstandssensor ausgerüstetes Magnet­ schwebefahrzeug soll mit einem Soll-Luftspalt längs der Trasse geführt werden. Hierzu ist eine Justierung des Abstandssensors notwendig. Diese Justierung kann z.B. so erfolgen, daß das Ausgangssignal des Abstandssensors bei einem Luftspalt Null ebenfalls Null wird. Dies kann z.B. durch eine Anpassung der Anzahl der Windungen in den beiden Empfangsspulen 4 o und 4 u erfolgen. Die Windungs­ zahl in der oberen Empfangsspule 4 o wird dann geringer als die Windungsanzahl in der unteren Spule gewählt. Ebenso ist es möglich, eine auf seiten der unteren Empfangsspule 4 u liegende, leitende und dadurch das elektromagnetische Wechselfeld begrenzende Fläche 11 so einzustellen, daß diese Justierungsbedingung eingehalten wird. Der Abstand zwischen dieser Feldbegrenzungsfläche und der unteren Empfangsspule 4 u wird dann entsprechend gewählt.

Claims (7)

1. Abstandssensor für ein Magnetschwebefahrzeug, das entlang eines in regelmäßigen Abständen mit Nuten und Zähnen versehenen Langstators geführt ist, mit einer wechselstromgespeisten Sendespule und zwei Empfangsspulen an dem Magnetschwebefahrzeug, die elektrisch untereinander so geschaltet sind, daß sich deren Empfangsspannungen subtrahieren, zur Bestimmung des Abstandes bzw. Luftspaltes zwischen Abstandssensor und Langstator, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (2) in ihrer Windungsebene eine langgestreckte flache Form aufweist und mit ihrer Spulenachse (3) schräg zur Fahrtrichtung (P) des Magnetschwebefahrzeuges ausgerichtet ist und dabei etwa jeweils eine Nut (9) und einen Zahn (8) des Langstators (L) überdeckt, daß jeweils etwa in der dem Langstator zugewandten und der diesem abgewandten Fläche der Sendespule (2) eine etwa die Form einer Acht aufweisende Empfangsspule (4 o, 4 u) angeordnet ist, und daß die Sendespule (2) entlang der die beiden Achterschleifen trennenden Symmetrieachse der beiden Empfangsspulen (4 o, 4 u) ausgerichtet ist.

2. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (2) mit ihrer Spulenachse (3) zur Fahrtrichtung (P) des Magnetschwebefahrzeuges einen Winkel von etwa 45° einnimmt.

3. Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsspulen (4 o, 4 u) jeweils zwei zu beiden Seiten der Sendespule (2) angeordnete dreieckförmige Spulenhälften (5) aufweisen.

4. Abstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (2) zumindest auf der dem Langstator (L) zugewandten Seite mittig zu­ mindest teilweise durch ein Abschirmblech (10) abgedeckt ist, dessen Dicke so gewählt ist, daß die Eindringtiefe des Magnetfeldes bei der Betriebsfrequenz klein ist gegenüber der Blech­ dicke.

5. Abstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung (b) der Sende­ spule (2) in Richtung der Spulenachse (3) in der Größen­ ordnung dem zu messenden Maximalabstand entspricht.

6. Abstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Windungen in der oberen und der unteren Empfangsspule (4 o, 4 u) so aufeinander abgestimmt ist, daß bei einem Abstand Null die Empfangsspannung ebenfalls nahezu Null ist.

7. Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Langstator (L) abgewandten Seite des Abstandssensors eine leitende und dadurch das elektromagnetische Wechselfeld begrenzende Fläche (11) vorgesehen ist, deren Abstand zu der unteren Empfangsspule (4 u) so gewählt ist, daß bei einem Abstand Null die Empfangsspannung des Abstandssensors ebenfalls nahezu Null ist.