DE2226101B2 - Non-contacting sensor for hover vehicle - is suitable for measurements in two dimensions for gap between vehicle and rail - Google Patents

Non-contacting sensor for hover vehicle - is suitable for measurements in two dimensions for gap between vehicle and rail

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Abstract

The sensor has an a.c. electromagnet, mounted on the vehicle, with a core (2) such that several different magnetic circuits are formed which react differently to variations in the gap between the vehicle and the rail (11). At least one (12) of the magnetic circuits passes through a shunt (4) and is confined to the core, whilst the remaining circuit (5) also passes through the rail. The core pref. comprises a basically U-shaped yoke (3) carrying an a.c. coil (7), a cross-member (4) forming the shunt between the arms of the U, and two pole pieces (6) which terminate close to the rail. One or both pole pieces and/or the cross-member carry a measuring coil (9, 10).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten ArtThe invention relates to a device of the type specified in more detail in the preamble of claim 1

Derartige Einrichtungen sind allgemein bekannt und weisen eine Spule mit einem offenen Eisenkern auf, deren induktiver Widerstand sich mit ihrem Abstand vom ferromagnetischen Anker ändert Die Einsatzmöglichkeiten dieser bekannten passiven Abstandgeber sind beschränkt, da ihre Leistungsaufnahme relativ hoch ist und keine galvanische Trennung zwischen dem Speisekreis des Gebers und dessen Ausgangskreis besteht Hinzu kommt, daß die induktiven Abstandsgeber zur Messung von Abständen in zwei Dimensionen ungeeignet sind.Such devices are well known and have a coil with an open iron core, whose inductive resistance changes with their distance from the ferromagnetic armature these known passive spacers are limited because their power consumption is relatively high and there is no galvanic separation between the supply circuit of the encoder and its output circuit In addition, inductive distance sensors are unsuitable for measuring distances in two dimensions are.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art dahingehend zu verbessern, daß sie sich durch einen breiteren Einsatzbereich auszeichnet und zur Messung von Abständen in zwei Dimensionen geeignet istThe object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the beginning to improve that it is characterized by a wider range of use and for measuring Spacing in two dimensions is appropriate

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnetAdvantageous further developments and refinements of the device according to the invention are shown in Claims 2 to 6 characterized

Zur Messung der Dicke von auf ferromagnetischen Werkstoffen aufgebrachten Schichten aus elektrisch nichtleitendem Material ist es an sich bekannt (DT-Zeitschrift »Industrie-Anzeiger«, 89. Jahrgang, Nr. 88 vom 3.11. 1967, S. 1920 und 1921), einen Permanentmagneten zu verwenden, dessen Kern durch seine Gestalt und Anordnung mehrere, hinsichtlich der Wirkung von Abstandsänderungen in einer Dimension untereinander nicht äquivalente magnetische Kreise ausbildet, von denen einer über einen magnetischen Nebenschluß selbst und der andere über den Anker führt, wobei die Flußmessung im magnetischen Nebenschluß erfolgt. Die bekannte Dickenmeßeinrichtung ist indessen zur Messung des nur wenige Zentimeter betragenden Abstandes zwischen einem Schwebefahrzeug und einer feststehenden Ankerschiene ungeeignet, da einerseits die Stärke des Meßfeldes bei Änderungen des Abstandes zwischen Schwebefahrzeug und Ankerschiene entsprechend schwankt und andererseits die starken Magnetfelder der elektromagnetischen Trag- und Führungseinrichtungen sowie des Linearmotors eines Schwebefahrzeugs das vergleichsweise seht schwache Meßfeld des Permanentmagneten stören und damit das Meßergebnis verfälschen würden.For measuring the thickness of layers applied to ferromagnetic materials made of electrical It is known per se from non-conductive material (DT magazine "Industrie-Anzeiger", 89th year, no. 88 from 3.11. 1967, pp. 1920 and 1921) to use a permanent magnet whose core is through its shape and arrangement several, with regard to the effect of changes in distance in one dimension Forms non-equivalent magnetic circles, one of which has a magnetic circuit Shunt itself and the other leads over the armature, with the flux measurement in the magnetic shunt he follows. The known thickness measuring device is, however, for measuring only a few centimeters the distance between a hovering vehicle and a fixed anchor rail is unsuitable, because on the one hand the strength of the measuring field when the distance between the hovering vehicle and anchor rail changes fluctuates accordingly and, on the other hand, the strong magnetic fields of the electromagnetic carrying and guide devices as well as the linear motor of a levitation vehicle that see comparatively interfere with a weak measuring field of the permanent magnet and thus falsify the measurement result.

Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßer Einrichtung zur Abstandsmessung ein wechselstromer regter Elektromagnet verwendet dessen Speisewech selspannung von der Speisegleichspannung der Trag und Führungseinrichtung eines Schwebefahrzeugs unIn contrast, in the device according to the invention for distance measurement, an alternating current is used energized electromagnet uses its feed alternating voltage from the DC feed voltage of the support and guide device of a levitation vehicle un

beeinflußt ist und eine viel höhere Frequenz als die Speisewechselspannung des Linearmotors eines Schwebefahrzeugs besitzt Ferner wird die Größe des den Elektromagneten durchsetzenden Wechselflusses allein durch die Speisewechselspannung vorgegeben und damit bei Abstandsänderungen, d. h. mit Änderungen des magnetischen Widerstandes des oder der verschiedenen magnetischen Kreise über den ferromagnetischen Anker nicht verändert Bei Abstandsänderungen ändert sich lediglich die Verteilung des Flusses auf die ι ο verschiedenen magnetischen Kreise der erfinduiigsgemäßen Einrichtung, so daß eine Flußmessung in den einzelnen Kreisen Signale erbringt, die direkt oder in einfacher Verknüpfung mit hoher Genauigkeit Aufschluß über den zu messenden Abstand geben. Zur Genauigkeit träyt ferner bei, daß bei der erfindungsgemäßen Einrichtung eine galvanische Trennung zwischen dem Speisestromkreis des Gebers und dessen Ausgangsstromkreis vorliegt. Trotz der sehr empfindlichen Flußmessung besitzt der Geber nur einen geringen Leistungsbedarf.is influenced and a much higher frequency than the AC supply voltage of the linear motor of a levitation vehicle Furthermore, the size of the alternating flux permeating the electromagnet becomes alone given by the alternating supply voltage and thus in the event of changes in distance, d. H. with changes of the magnetic resistance of the different magnetic circuit or circuits over the ferromagnetic Anchor not changed If the distance changes, only the distribution of the flow on the ι ο changes different magnetic circuits of the according to the invention Device so that a flow measurement in the individual circles produces signals that are directly or in provide information about the distance to be measured with a simple link with high accuracy. To the Accuracy also contributes to the fact that in the device according to the invention there is a galvanic separation between the supply circuit of the encoder and its output circuit is present. Despite the very sensitive The encoder only has a low power requirement for flow measurement.

Mit den Merkmalen nach Anspruch 2 lassen sich schon bei relativ niedrigen Plußwerten Geberausgangssignale von hinreichender Größe erzielen.With the features according to claim 2, encoder output signals can be generated even with relatively low positive values of sufficient size.

Die Merkmale nach Anspruch 3 gewährleisten eine besonders starke Abstandsabhängigkeit des die abstandsabhängige Flußverteilung abbildenden Geberausgangssignals. The features according to claim 3 ensure a particularly strong distance dependency of the distance-dependent Transmitter output signal depicting flow distribution.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 4 werden die beiden gesuchten Abstände auf einfache Weise dadurch erhalten, daß die in den Meßspulen induzierten Spannungen zwei bekannten Dividierschaltungen zugeführt werden, die die Spannung der Querschenkelmeßspule einerseits durch die der einen Polschenkelmeßspu-Ie und andererseits durch die der anderen Polschenkelmeßspule dividieren, wobei die beiden erhaltenen Quotienten ein Maß für die Abstandswerte darstellen.In the embodiment according to claim 4, the two distances sought are simple obtained in that the voltages induced in the measuring coils are fed to two known dividing circuits be that the voltage of the transverse leg measuring coil on the one hand by that of a Polschenkelmeßspu-Ie and on the other hand divide by that of the other pole-leg measuring coil, the two being obtained The quotient represents a measure of the distance values.

Mii den Merkmalen des Anspruchs 5 läßt sich eine Vereinfachung des Geberaufbaus erzielen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt in ihrer besonderen Eignung zum Erfassen des Abstandes eines magnetisch getragenen Schwebefahrzeugs von einer Tragankerschiene mit U-Profil sowie dessen Querversetzung aus seiner zentralen Sollage. Dies ergibt sich daraus, daß bei Verwendung eines der Seitenschenkel der Ankerschiene als ferromagnetischer Anker auch größere Querversetzungen, wie sie in Kurven oder im Bereich von Weichen möglich sind, zu keiner Berührung zwischen dem Geberkern und der Schiene führen können. s°With the features of claim 5, a simplification of the encoder structure can be achieved. Another The advantage of this embodiment lies in its particular suitability for detecting the distance of a magnetically supported suspension vehicle from a support anchor rail with U-profile and its transverse offset from its central target position. This results from the fact that when using one of the side legs The anchor rail as a ferromagnetic anchor also has larger transverse displacements, such as those in curves or in the Area of points are possible, do not lead to any contact between the encoder core and the rail can. s °

Durch die Merkmale nach Anspruch 6 wird in vorteilhafter Weise der magnetische Widerstand des Nebenschlußkreises an den magnetischen Widerstand des oder der stets luftspaltbehafteten magnetischen Kreise über den Anker angepaßt.The features of claim 6, the magnetic resistance of the Shunt circuit to the magnetic resistance of the magnetic or the always air gap Adjusted circles across the anchor.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigtThe invention is explained below on the basis of exemplary embodiments with reference to FIG Drawing explained in more detail It shows

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Abstandsmessung in einer Dimension in schematischer f,o Darstellung,F i g. 1 a device according to the invention for distance measurement in one dimension in schematic f, o Depiction,

Fig. 2 bis 4 Ausführiingsbeispiele der Einrichtung gemäß F i g. 1 in perspektivischer Darstellung bzw. in Draufsicht,2 to 4 exemplary embodiments of the device according to FIG. 1 in a perspective view or in Top view,

Fig.5 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Abstandsmessung in zwei Dimensionen in Stirnansicht,5 shows a device according to the invention for Distance measurement in two dimensions in front view,

Fig.6 die Einrichtung gemäß Fig. 5 in Seitenansicht, 6 shows the device according to FIG. 5 in side view,

F i g. 7 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung eines Abstandes und einer Querversetzung in Stirnansicht undF i g. 7 shows a device according to the invention for measuring a distance and a transverse offset in FIG Front view and

Fig.8 die Einrichtung gemäß Fig.7 in Seitenansicht 8 shows the device according to FIG. 7 in a side view

Der Abstandsgeber 1 gemäß F i g. 1 besteht aus e;nem lamelliert aufgebauten Eisenkern 2 mit einem U-förmigen Jochschenkel 3, einem den Jochschenkel überbrückenden Querschenkel 4, der durch einen Luftspalt 5 unterbrochen ist, und zwei Polschenkeln 6 als Verlängerung der Enden des U-iörmigen Jochschenkels 3. Der Jochschenkel trägt eine Erregerspule 7, die an einer Wechselspannungsquelle 8 angeschlossen ist, während der Querschenkel und einer der Polschenkel je eine Meßspule 9 bzw. tO tragen.The distance sensor 1 according to FIG. 1 consists of e ; A laminated iron core 2 with a U-shaped yoke leg 3, a cross leg 4 bridging the yoke leg and interrupted by an air gap 5, and two pole legs 6 as an extension of the ends of the U-shaped yoke leg 3. The yoke leg carries an excitation coil 7, which is connected to an alternating voltage source 8, while the transverse leg and one of the pole legs each carry a measuring coil 9 or tO.

Der Abstandsgeber t sei beispielsweise an einem nicht dargestellten Schwebefahrzeug montiert das mit Hilfe von abstandsabhängig geregelten Trag- und Führungsmagneten frei schwebend entlang Trag- und Führungsschienen getragen und geführt wird, und hat die Aufgabe, neben weiteren Abstandsgebern den Abstand zwischen dem Fahrzeug und einer der Ankerschienen 11 zu erfassen. Dazu stehen die Polschenkel 6 des Abstandsgebers 1 in Richtung des zu erfassenden Abstandes, d. h. senkrecht und auf Abstand zu einer geeigneten Fläche der Ankerschiene 11.The distance sensor t is for example mounted on a floating vehicle, not shown, with the The support and guide magnets, which are regulated depending on the distance, float freely along the support and Guide rails is carried and guided, and has the task of, in addition to other distance sensors To detect the distance between the vehicle and one of the anchor rails 11. The Pole leg 6 of the distance sensor 1 in the direction of the distance to be detected, d. H. vertically and at a distance to a suitable surface of the anchor rail 11.

Die an der Erregerspule 7 anliegende Wechselspannung ruft im Jochschenkel 3 des Abstandsgebers 1 einen magnetischen Fluß hervor, der unabhängig vom Abstand d zwischen den Enden der Polschenkel 6 und der Ankerschiene 11 konstant ist. Mit dem Abstand d ändert sich jedoch die Verteilung des Flusses auf die beiden magnetischen Kreise 12, 13 durch den Querschenkel 4 als magnetischer Nebenschluß einerseits (12) und durch die Polschenkel 6 und die Ankerschiene 11 andererseits (13). Während der Flußanteil im Kreis 13 über die Ankerschiene 11 mit zunehmendem Abstand d naturgemäß abnimmt, wächst der Flußanteil des Nebenschlußkreises 12 über den Querschenkel 4 entsprechend an. In beiden Meßspulen 9,10 wird somit eine abstandsabhängige Spannung U\ bzw. t/2 induziert, die zur Regelung des Erregerstromes eines oder mehrerer der Trag- oder Führungsmagnete zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen Schwebefahrzeug und Ankerschiene 11 verwendet werden kann. Da die Spannung U\ mit dem Abstand d wächst und die Spannung Ui abnimmt, sind beide Meßspulen 9, 10 zur Bildung der am stärksten abstandsabhängigen Spannungsdifferenz U\ — Uit gegensinnig in Reihe geschaltet. Die Spannungsdifferenzbildung hat aber nur dann Sinn, wenn die beiden Meßspulen 9, 10 bei gleichem Aufbau größenordnungsmäßig gleiche magnetische Wechselflüsse umschließen. Hierfür ist einerseits der Luftspalt 5 im Querschenkel 4 des Eisenkerns 2 vorgesehen, der eine gegenseitige Anpassung der magnetischen Widerstände beider magnetischen Kreise erreichen läßt, so daß durch die Spannungsdifferenzbildung beispielsweise beim Sollabstand des Schwebefahrzeugs von der Ankerschiene infolge Gleichheit der induzierten Spannungen ein Nullsignal abgegeben wird, das dann in Abhängigkeit von der Richtung der Verlagerung des Fahrzeugs positive oder negative Werte annimmt. Andererseits wird der magnetische Widerstand des Kreises 13 über die Ankerschiene 11 durch die Anordnung von Polschuhen an den Enden der Polschenkel 6 gesenkt. Mit zunehmender Polfläche solcher Polschuhe und kleiner werdendem Luftspalt im Querschenkel sinkt außerdem die von der ErregerspuleThe alternating voltage applied to the excitation coil 7 causes a magnetic flux in the yoke leg 3 of the distance sensor 1, which is constant regardless of the distance d between the ends of the pole legs 6 and the armature rail 11. With the distance d , however, the distribution of the flux to the two magnetic circuits 12, 13 changes through the transverse leg 4 as a magnetic shunt on the one hand (12) and through the pole legs 6 and the armature rail 11 on the other hand (13). While the proportion of flux in the circle 13 via the anchor rail 11 naturally decreases with increasing distance d , the proportion of flux in the shunt circuit 12 increases accordingly via the transverse leg 4. A distance-dependent voltage U \ or t / 2 is thus induced in both measuring coils 9, 10, which can be used to regulate the excitation current of one or more of the support or guide magnets to keep the distance between the levitation vehicle and anchor rail 11 constant. Since the voltage U \ increases with the distance d and the voltage Ui decreases, the two measuring coils 9, 10 are connected in series in opposite directions to form the most strongly distance-dependent voltage difference U \ - Uit. The formation of the voltage difference only makes sense if the two measuring coils 9, 10, with the same structure, enclose magnetic alternating fluxes of the same order of magnitude. For this purpose, on the one hand, the air gap 5 is provided in the transverse leg 4 of the iron core 2, which allows a mutual adjustment of the magnetic resistances of the two magnetic circuits, so that a zero signal is emitted through the formation of the voltage difference, for example at the target distance of the hovercraft from the anchor rail, due to the equality of the induced voltages. which then assumes positive or negative values depending on the direction in which the vehicle is shifted. On the other hand, the magnetic resistance of the circuit 13 via the armature rail 11 is reduced by the arrangement of pole pieces at the ends of the pole legs 6. As the pole area of such pole shoes increases and the air gap in the transverse leg becomes smaller, that of the excitation coil also decreases

7 aufzubringende Durchflutung, was sich auf die unerwünschte Wirkleistungsaufnahme der Erregerspule 7 günstig auswirkt. Fig. 2 zeigt einen mit derartigen Polschuhen 14 ausgestatteten Abstandsgeber 1 unterhalb der Ankerschiene, der nur auf seinem Querschenkel s 4 die Meßspule 9 trägt, deren induzierte Spannung U direkt ein Maß für den Abstand (/darstellt. 7 to be applied flow, which has a favorable effect on the undesired active power consumption of the excitation coil 7. 2 shows a distance sensor 1 equipped with such pole pieces 14 below the armature rail, which only carries the measuring coil 9 on its transverse leg s 4, the induced voltage U of which is a direct measure of the distance (/.

Die Abstandsgeber gemäß den F i g. 3 und 4 zeichnen sich durch besonders flache Bauweise au.1;, weil der Jochschenkel 3 und der Querschenkel 4 in einer zur wirksamen Ankerschienenoberfläche parallelen Ebene liegen und nur die an gegenüberliegenden Seiten des Jochschenkels 3 angebrachten Polschenkel 6 in Richtung des zu erfassenden Abstandes verlaufen. Der Abstandsgeber 15 gemäß F i g. 3 trägt bei spulenfreiem i<, Querschenkel 4 auf jedem Polschenkel 6 eine MeßspuleThe distance sensors according to FIGS. 3 and 4 are characterized by their particularly flat design. 1 ; because the yoke leg 3 and the transverse leg 4 lie in a plane parallel to the effective anchor rail surface and only the pole legs 6 attached to opposite sides of the yoke leg 3 run in the direction of the distance to be detected. The distance sensor 15 according to FIG. With a coil-free i <, transverse leg 4, 3 carries a measuring coil on each pole leg 6

10, die beide elektrisch gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. Es wird somit eine Ausgangsspannung U erzeugt, die mit zunehmendem Abstand d abnimmt. Demgegenüber ist der in F i g. 4 dargestellte Abstandsgeber 16 mit einer zusätzlichen Meßspule 9 auf dem Querschenkel 4 ausgestattet, die mit den Meßspulen 10 auf den Polschenkeln 6 gegensinnig in Reihe geschaltet ist, so daß eine mit zunehmendem Abstand d stark ansteigende Ausgangsspannung Us — Ui — U2' erzielt wird.10, which are both electrically connected in series in the same direction. An output voltage U is thus generated which decreases with increasing distance d. In contrast, the in F i g. 4 is equipped with an additional measuring coil 9 on the transverse leg 4, which is connected in series in opposite directions with the measuring coils 10 on the pole legs 6, so that an output voltage Us - Ui - U2 ' which increases sharply with increasing distance d is achieved.

Die F i g. 5 und 6 zeigen einen Abstandsgeber 17, der zum Erfassen des Abstandes in zwei zueinander senkrechten Richtungen geeignet ausgebildet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Eisenkern 2 des Abstandsgebers zusätzlich zum Nebenschlußkreis 12 zwei gesonderte magentische Kreise 18, 19 über die Ankerschiene 11 ausbildet und daß der Kraftfluß jedes dieser drei Kreise von je einer Meßspule erfaßt wird. Und zwar setzen an jeder Stirnseite des Jochschenkels 3 neben dem Querschenkel 4 zwei Polschenkel 20, 21 an. die jeweils auf eine der beiden senkrecht zueinander stehenden Oberflächen der Ankerschiene 11 gerichtet sind und mit ihren freien Enden der zugehörigen Oberfläche auf Abstand gegenüberstehen. Infolge der symmetrischen Ausbildung und Anordnung der insgesamt also vier Polschenkel 20,21 an den Stirnseiten des Jochschenkels 3 und infolge der parallelen Stellung des Abstandsgebers 17 zur Ankerschiene 11, die bei dessen Verwendung an Schwebefahrzeugen stets gut eingehalten wird, gibt es keinen Flußanteil in der AnkerschieneThe F i g. 5 and 6 show a distance sensor 17, which is used to detect the distance in two to one another perpendicular directions is suitably formed. This is achieved in that the iron core 2 of the Distance sensor in addition to the shunt circuit 12, two separate magnetic circles 18, 19 on the Forms anchor rail 11 and that the flow of force of each of these three circles is detected by a measuring coil. Namely, on each end face of the yoke leg 3, next to the transverse leg 4, two pole legs 20, 21 are attached. each directed to one of the two mutually perpendicular surfaces of the anchor rail 11 are and face with their free ends of the associated surface at a distance. As a result of symmetrical design and arrangement of the total of four pole legs 20,21 on the end faces of the Yoke leg 3 and as a result of the parallel position of the distance sensor 17 to the anchor rail 11, which in its Use on hover vehicles is always well complied with, there is no flow component in the anchor rail

11, der dort von einem magnetischen Kreis 18 bzw. 19 in den anderen 19 bzw. 18 übertritt, d. h„ die magnetischen Widerstände der beiden Luftspalte y bzw. ζ jedes magnetischen Kreises 18 bzw. 19 über die Ankerschiene 11 sind gleich groß.11, which is there by a magnetic circuit 18 or 19 in crosses the other 19 or 18, d. h "the magnetic resistances of the two air gaps y and ζ each magnetic circuit 18 or 19 over the anchor rail 11 are the same size.

Im folgenden werden die in der Meßspule 9 auf dem Querschenkel 4 durch den Wechselfluß Φι induzierte Spannung mit Ux und die in den Meßspulen 22 bzw. 23 auf den in y-Richtung bzw. z-Richtung verlaufenden Polschenkeln 20 bzw. 21 durch die Wechselflüsse Φι bzw. Φζ induzierten Spannungen mit Lh bzw. Lh bezeichnet.In the following, the voltage induced in the measuring coil 9 on the transverse limb 4 by the alternating flux Φι with Ux and the voltage in the measuring coils 22 and 23 on the pole legs 20 and 21 extending in the y-direction and z-direction, respectively, by the alternating fluxes Φι and Φζ induced voltages are denoted by Lh and Lh , respectively.

Da der magnetische Widerstand des magnetischen Nebenschlußkreises 12 bei vorausgesetztem sättigungsfreiem Betrieb des Gebereisens abstandsunabhängig ist, während die magnetischen Widerstände der beiden magnetischen Kreise 18, 19 über die Ankerschiene 11 jeweils dem zu erfassenden Abstand y bzw. ζ proportional sind, gelten folgende Beziehungen:Since the magnetic resistance of the magnetic shunt circuit 12 given saturation-free Operation of the donor iron is independent of distance, while the magnetic resistances of the two Magnetic circles 18, 19 via the anchor rail 11 each to the distance y or ζ to be detected are proportional, the following relationships apply:

U1 - Φ, ~ θ fi5U 1 - Φ, ~ θ fi 5

'l's'l's

wobei mit Θ die für alle drei parallelen magnetischen Kreise 12, 18, 19 in gleichem Maße wirksame und von der Erregerspule 7 abstandsabhängig aufzubringende Durchflutung bezeichnet ist. Durch einfaches Dividieren der an den Meßspulen 9, 22, 23 gemessenen Spannungen U\, Ui, Uj lassen sich unter Eliminierung der Durchflutung θ jeweils nur von einem der gesuchten Abstände abhängige Signale erzielen:where Θ denotes the flow rate that is equally effective for all three parallel magnetic circuits 12, 18, 19 and that is to be applied by the excitation coil 7 as a function of the distance. By simply dividing the voltages U \, Ui, Uj measured at the measuring coils 9, 22, 23, while eliminating the flux θ, only signals dependent on one of the distances sought can be achieved:

U2 U 2

Diese Divisionen der Spannungen Ci bis Ui können unter Verwendung bekannter Dividierschaltungen durchgeführt werden. Die erhaltenen Signale sind zur Regelung der in der y- bzw. z-Richtung Kräfte auf das Schwebefahrzeug ausübenden Elektromagnete verwendbar. These divisions of the voltages Ci through Ui can be performed using known dividing circuits. The signals obtained can be used to regulate the electromagnets exerting forces on the levitation vehicle in the y or z direction.

Der in den F i g. 7 und 8 dargestellte Abstandsgeber 24 ermöglicht das Erfassen einerseits des Abstundes ζ in z-Richtung beispielsweise eines Schwebefahn:eugs von einer Polfläche 25 einer Ankerschiene 11 von U-Profil sowie andererseits einei1 relativen Querversetz.ung Ay in y-Richtung aus einer Spoilage yo heraus, ohne daß es senkrecht zueinander und entsprechenden Arikerschienenflächen auf Abstand gegenüberstehender Polflächen des Abstandsgebers bedarf. Vielmehr verlaufen alle Polschenkel des Abstandsgebers 24 in z-Richtung und sind auf die Polfläche 25 der Ankerschiene gerichtet, und zwar so, daß die Polflächen der aus der einen Stirnseite des U-förmigen Jochschenkels 3 austretenden beiden Polschenkel 26, 27 jeweils einem der beiden Ränder der Polfläche 25 der Ankerschiene 11 gegenüberstehen. Dadurch ist gewährleistet, daß bei kleinen Querversetzungen Ay des Abstandsgebers 24 bzw. des Schwebefahrzeugs, um die es hier grundsätzlich geht, die magnetische Leitfähigkeit des Luftspalts (z) zur Ankerschiene 11 über der Polfläche des einen Polschenkels 26 bzw. 27 infolge des sich vergrößernden Luftspaltquerschnitts zunimmt und über der Polfläche des anderen Polschenkels 27 bzw. 26 entsprechend abnimmt. An der gegenüberliegenden Stirnseite des Jochschenkels 3 können übereinstimmend ausgebildete und angeordnete Polschenkel vorgesehen sein; es genügt jedoch, wie in den F i g. 7 und 8 dargestellt, ein einziger zentraler Polschenkel 28, der beide magnetischen Kreise 29, 30 über die Ankerschiene 11 vereint Die Kraftflüsse Φ2 unc Φ3 dieser beiden magnetischer Kreise 29, 30, die von Meßspulen 31, 32: auf der Polschenkeln 26, 27 erfaßt werden, nehmen bei einei Bewegung des Fahrzeugs nur in z-Richtung in gleichen-Verhältnis zu oder ab, während sie sich bei einei Fahrzeugbewegung nur in y-Richtung entgegengesetz zueinander verändern. Selbstverständlich darf die zui Abstandsmessung zur Verfügung stehende Schienenflä ehe weder zu schmal noch zu breit sein, so daß sich füi den an die Flächenbreite anzupassenden Eisenkern ; des Abstandsgebers 24 tragbare Abmessungen ergebenThe in the F i g. Distance encoder 24 shown 7 and 8 enables the detection of a hand of the Abstundes ζ in the z direction, for example, a Schwebefahn: eugs of a pole face 25 of an anchor rail 11 of U-profile and on the other hand Einei 1 relative Querversetz.ung Ay in the Y direction from a Spoilage yo without the need for mutually opposite pole faces of the spacer that are perpendicular to one another and corresponding Ariker rail faces at a distance. Rather, all pole limbs of the spacer 24 run in the z-direction and are directed towards the pole face 25 of the anchor rail, in such a way that the pole faces of the two pole limbs 26, 27 emerging from one end of the U-shaped yoke limb 3 each correspond to one of the two edges face the pole face 25 of the armature rail 11. This ensures that with small transverse displacements Ay of the distance sensor 24 or the hovering vehicle, which is fundamentally at issue here, the magnetic conductivity of the air gap (z) to the armature rail 11 over the pole face of one pole leg 26 or 27 as a result of the increasing air gap cross-section increases and decreases accordingly over the pole face of the other pole leg 27 and 26, respectively. On the opposite end face of the yoke limb 3, pole limbs configured and arranged in a matching manner can be provided; however, it is sufficient as shown in FIGS. 7 and 8, a single central pole arm 28, which unites the two magnetic circuits 29, 30 via the armature rail 11 increase or decrease with one movement of the vehicle only in the z-direction in the same ratio, while with one movement of the vehicle they only change in opposite directions to one another in the y-direction. Of course, the rail surface available for distance measurement must neither be too narrow nor too wide, so that the iron core to be adapted to the surface width; of the distance sensor 24 result in portable dimensions

Wenn von denselben Voraussetzungen, d. h. von nu ankerschienenparallelen Bewegungen des Abstandsge bers 24 und sättigungsfreiern Betrieb des Kerneisen ausgegangen wird, läßt sich in erster Näherung sagenIf from the same conditions, i. H. of only movements of the spacer parallel to the anchor rail It is assumed that the core iron will operate without saturation and can be said to be a first approximation

daß der resultierende magnetische Widerstand der beiden Luftspalte über den Polflächen der Polschenkel 26 und 27, die den beiden Rändern der Ankerschienenpolfläche 25 gegenüberstehen, nur vom Abstand /, nicht aber von einer Querversetzung Ay abhängt. Da auch der Luftspalt über dem dritten zentralen Polschenkel 28 unabhängig von einer Querversetzung Ay ist, ist auch die Summe der Flüsse Φ? und Φι über die Ankerschiene 11 nur der von der Erregerspule 7 aufzubringenden Gesamtdurchflutung θ proportional und dem Abstand ζ umgekehrt proportional.that the resulting magnetic resistance of the two air gaps over the pole faces of the pole legs 26 and 27, which face the two edges of the armature rail pole face 25, depends only on the distance /, but not on a transverse offset Ay. Since the air gap above the third central pole leg 28 is also independent of a transverse offset Ay , the sum of the fluxes is also Φ? and Φι via the armature rail 11 only proportional to the total flow rate θ to be applied by the excitation coil 7 and inversely proportional to the distance ζ.

Andererseits ist die Differenz der beiden Flüsse Φι und Φι über die Ankerschiene 11 darüber hinaus der Querversetzung Ay proportional. Mit den für den Abstandsgeber 17 gemäß den Fig. 5 und 6 gewählten Bezeichnungin läßt sich somit schreiben:On the other hand, the difference between the two flows Φι and Φι over the anchor rail 11 is also proportional to the transverse offset Ay. With the designation chosen for the distance sensor 17 according to FIGS. 5 and 6, it is possible to write:

L\L \

IrIr

H .H .

Durch einfache Division ergeben sich folgende nur von dein gewünschten Abstand ζ und der Querversetzung Ay abhängige Beziehungen:Simple division results in the following relationships that only depend on your desired distance ζ and the transverse offset Ay:

C2 4 (.'.,C 2 4 (. '.,

IrIr

Für diese Verknüpfungen der drei Geberausgangsspannungen U\ bis Ui stehen bekannte Schaltungen zur Verfügung, die hier nicht näher erläutert werden müssen.Known circuits are available for these links between the three encoder output voltages U \ to Ui , which do not need to be explained in more detail here.

Hierzu 2 Blatt ZcichnunnenFor this purpose 2 sheets of drawings

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Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Einrichtung zum berührungsfreien Erfassen des Abstandes zwischen einem Körper und einem ferromagnetischen Anker, insbesondere zwischen einem Schwebefahrzeug und einer feststehenden Ankerschiene, gekennzeichnet durch einen am Körper befestigten wechselstromerregten Elektromagneten, dessen Kern (2; 39) durch seine ι ο Gestalt und Anordnung mehrere, hinsichtlich der Wirkung von Abstandsänderungen in mindestens einer Dimension untereinander nicht äquivalente magnetische Kreise (12,13; 12,18,19; 12,29,30; 42, 52,53) ausbildet, von denen mindestens einer (12; 52, 53) über einen magnetischen Nebenschluß (4; 44) des Kerns (2; 39) selbst und der oder die übrigen über den Anker (ίΐ) führen, und durch eine F!ußmessung in mindestens einem der magnetischen Kreise.1. Device for contactless detection of the distance between a body and a ferromagnetic armature, especially between a levitation vehicle and a stationary one Anchor rail, characterized by an alternating current excited electromagnet attached to the body, its core (2; 39) by its ι ο shape and arrangement several, in terms of Effect of changes in distance in at least one dimension are not mutually equivalent magnetic circles (12,13; 12,18,19; 12,29,30; 42, 52,53), of which at least one (12; 52, 53) via a magnetic shunt (4; 44) of the core (2; 39) itself and the other via guide the anchor (ίΐ) and take a foot measurement in at least one of the magnetic circuits. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Abstandes in einer Dimension der Elektromagnetkern (2) ein im wesentlichen U-förmiges, eine wechselspannungsgespeiste Spule (7) tragendes Joch (3), einen den magnetischen Nebenschluß bildenden, das Joch überbrückenden Querschenkel (4) sowie zwei Polschenkel (6) aufweist, deren freie Enden zur Bildung eines magnetischen Kreises (13) über den Anker (11) auf Abstand zu diesem stehen, und daß einer oder beide Polschenkel und/oder der Quer- ·:,ο schenkel eine Meßspule (9,10) tragen.2. Device according to claim 1, characterized in that for detecting the distance in one dimension of the electromagnet core (2) a substantially U-shaped, an AC voltage fed coil (7) carrying yoke (3), a magnetic shunt forming the yoke bridging transverse limbs (4) and two pole limbs (6), the free ends of which are at a distance from the armature (11) to form a magnetic circuit (13), and that one or both pole limbs and / or the transverse · : , ο one leg carry a measuring coil (9,10). 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Messung der Differenz der Flüsse der beiden magnetischen Kreise (13,12) über den Anker (11) und den magnetischen Nebenschluß (4) vorgesehen ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a measurement of the difference of Fluxes of the two magnetic circuits (13, 12) via the armature (11) and the magnetic shunt (4) is provided. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet zum Erfassen der Abstände des Körpers von zwei zueinander geneigten Oberflächen des ferromagnetischen Ankers (11) einen eine wechselspannungsgespeiste Spule (7) tragenden Jochschenkel (3) aufweist, dessen Enden jeweils Ausgangspunkt eines den magnetischen Nebenschluß bildenden, den Jochschenkel (3) überbrückenden Querschenkels (4) und zweier Polschenkel (20, 21) sind, wobei jeweils zwei von gegenüberliegenden Enden des Jochschenkels ausgehende, in ihrer Form übereinstimmende Polschenkel (20 bzw. 21) mit ihren freien Enden zur Bildung eines gesonderten magnetischen Kreises (18 bzw. 19) über den Anker (11) einer der beiden Oberflächen des Ankers auf Abstand gegenüberstehen, und daß alle von einem Jochschenkelende ausgehenden Schenkel (4, 20, 21) eine Meßspule (9, 22.23) tragen.4. Device according to claim 1, characterized in that the electromagnet for detecting the Distances of the body from two surfaces of the ferromagnetic armature that are inclined towards one another (11) has a yoke leg (3) carrying an alternating voltage-fed coil (7), the ends of which are the starting point of one of the yoke legs forming the magnetic shunt (3) bridging transverse leg (4) and two pole legs (20, 21), two each starting from opposite ends of the yoke leg, matching in shape Pole legs (20 or 21) with their free ends to form a separate magnetic circuit (18 or 19) face one of the two surfaces of the anchor at a distance via the anchor (11), and that all legs (4, 20, 21) extending from one end of the yoke leg have a measuring coil (9, 22.23). 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Abstandes und einer Querversetzung des Körpers zum ferromagnetischen Anker (11) der Elektromagnet gegenüber einer beidseitig begrenzten Stirnfläche (25) des Ankers angeordnet ist und einen eine wechselspannungsgespeiste Spule (7) tragenden Jochschenkel (3) aufweist, der von einem den magnetischen Nebenschluß bildenden Querschenkel (4) überbrückt ist und dessen eines Ende zur Bildung zweier f>s magnetischer Kreise (29, 30) über den Anker (11) Ausgangspunkt zweier Polschenkel (26, 27) ist, die mit ihren freien Enden jeweils einem der beiden Ränder der Stirnfläche des Ankers auf Abstand gegenüberstehen, während dessen anderes Ende Ausgangspunkt eines mit seinem freien Ende der Stirnfläche des Ankers zentral auf Abstand gegenüberstehenden Polschenkels (28) ist, und daß alle von dem einen Jochschenkelende ausgehenden Schenkel (4,26,27) eine Meßspule (9,31,32) tragen.5. Device according to claim 1, characterized in that for detecting the distance and one Transverse displacement of the body to the ferromagnetic armature (11) opposite the electromagnet an end face (25) of the armature which is limited on both sides is arranged and an alternating voltage-fed one Coil (7) carrying yoke leg (3), which is of a magnetic shunt forming transverse leg (4) is bridged and one end of which to form two f> s magnetic circuits (29, 30) over the armature (11) The starting point of two pole legs (26, 27) is each one of the two with their free ends The edges of the end face of the anchor are at a distance from each other, while its other end Starting point one with its free end of the end face of the armature centrally opposite at a distance Pole leg (28) is, and that all of the one yoke leg end outgoing legs (4,26,27) carry a measuring coil (9,31,32). 6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im magnetischen Nebenschluß (4) ein Luftspalt (5) vorgesehen ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic Shunt (4) an air gap (5) is provided.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3244420A1 (en) * 1982-12-01 1984-06-07 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Spacing sensor for a magnetic levitation vehicle
EP0121007A1 (en) * 1983-03-23 1984-10-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. A combined position sensor and magnetic actuator

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