DE2226101C3 - Einrichtung zum berührungsfreien Erfassen des Abstandes zwischen einem Körper und einem ferromagnetischen Anker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der in Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten ArL

Derartige Einrichtungen sind allgemein bekannt und weisen eine Spuäe mit einem offenen Eisenkern auf, deren indukJiver 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.

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 ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.

Zur Messung der Dicke von auf ferromagnetischen Werkstoffen aufgebrachten Schichten aus elektrisch nichtleitendem Material ist es an sich bekannt (DT-Zeitschrifl »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 Abstandsändenjngen 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 MePfcldes bei Änderungen des Abstandes zwischen Schwebefahrzeug und Ankerschiene entsprechend schwankt und andererseits die starken Magnetfelder der elektromagnetischen Trag- und Führungseinrichtungen sowie des Linearmotors eines Schwebelahrzeugs das vergleichsweise sehr schwache Meßfeld des Permanentmagneten stören und damit das Meßergebnis verfälschen würden.

Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Abstandsmessung ein wechselstromerregter Elektromagnet verwendet, dessen Speisewechselspannung von der Speisegleichspannung der Trag- und Führungseinrichtung eines Schwebefahrzeug im-

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 dis oder der verschiedenen magnetischen Kreise über den ferromagnetischen Anker nicht verändert 3ei Abstandsänderungen ändert sich lediglich die Verteilung des Flusses auf die verschiedenen magnetischen Kreise der erfindungsgemäßen Einrichtung, so daß eine Rußmessung in den einzelnen Kreisen Signale erbringt, die direkt oder in einfacher Verknüpfung mit hoher Genauigkeit Aufschluß über den zu messenden Abstand geben. Zur Genauigkeit trägt 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.

Mit den Merkmalen nach Anspruch 2 lassen sich schon bei relativ niedrigen Flußwerten Geberausgangssignale von hinreichender Größe erzielen.

Die Merkmale nach Anspruch 3 gewährleisten eine besonders starke Abstandsabhängigkeit des die abstandsabhängige Flußverteilung abbildenden Geberausgangssignals.

Bei der Ausfuhrungsform 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.

Mit 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.

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

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Abstandsmessung in einer Dimension, in schematischer Darstellung,

Fig.2 bis 4 Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäß F i g. 1 in perspektivischer Darstellung bzw. in Draufsicht,

Fig.5 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Abstandsmessung in zwei Dimensionen in Stirnansicht

F i g. 6 die Einrichtung gemäß F i g. 5 in Seitenansicht,

Fig.7 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung eines Abstandes und einer Querversetzung in Stirnansicht und

Fig.8 die Einrichtung gemäß Fig.7 in Seitenansicht

Der Abstandsgeber 1 gemäß F i g. 1 besteht aus einem 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 Poischenkeln 6 als Verlängerung der Enden des U-förmigen 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. 10 tragen.

Der Abstandsgeber 1 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.

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 Polschenke! 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 Meßspuien 9,10 wird somit eine abstandsabhängige Spannung Ux bzw. Ui 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 Ux mit dem Abstand d wächst und die Spannung Ui abnimmt sind beide Meßspulen 9,10 zur Bildung der am stärksten abstandsabhängigen Spannungsdifferenz Ux-Ui 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 Erregerspule

7 aufzubringende Durchflutung, was sich auf die unerwünschte Wirkleistungsaufnahme der Erregerspule 7 günstig auswirkt F i g. 2 zeigt einen mit derartigen Polschuhen 14 ausgestatteten Abslandsgeber 1 unterhalb der Ankerschiene, der nur auf seinem Querschenkel 5 4 die Meßspule 9 trägt, deren induzierte Spannung U direkt ein Maß für den Abstand </darstellt.

Die Abstandsgeber gemäß den F i g. 3 und 4 zeichnen sich durch besonders flache Bauweise aus, 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 Querschenkel 4 auf jedem Polschenkel 6 eine Mcßspuie

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 Ui-Lh-Lh' erzielt wird.

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 Ankerschiene

11, der dort von einem magnetischen Kreis 18 bzw. 19 in den anderen 19 bzw. 18 übertritt d. h„ die magnetischen Widerstände der beiden Luftspake y bzw. ζ jedes magnetischen Kreises 18 bzw. 19 über die Ankerschiene 11 sind gleich groß.

Im folgenden werden die in der Meßspule 9 auf dem Querschenkel 4 durch den WechselfluB Φι induzierte Spannung mit Lh und die in den Meßspulen 22 bzw. 23 auf den in ^Richtung bzw. z-Richtung verlaufenden Polschenkeln 20 bzw. 21 durch die Wechselflüsse Φι bzw. #3 induzierten Spannungen mit Lh bzw. Lh

Da der magnetische Widerstand des magnetischen Nebenschlußkreises 12 bei vorausgesetztem sättigungsfreiem Betrieb des Gebereisens absltandsunabhängig 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:

U₁ ~ Φ, ~

U, ~Φ₂~ Θ —

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\, ΙΛ, Lh lassen sich unter Eliminierung der Durchflutung θ jeweils nur von einem der gesuchten Abstände abhängige Signale erzielen:

Diese Divisionen der Spannungen Ui bis Lh 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.

Der in den F i g. 7 und 8; dargestellte Abstandsgeber 24 ermöglicht das Erfassen einerseits des Abstandes ζ in z-Richtung beispielsweise eines Schwebefahrzeugs von einer Polfläche 25 einer Ankerschiene 11 von U-Profil sowie andererseits einer relativen Querversetzung Ayin y-Richtung aus einer Sollage jo heraus, ohne daß es senkrecht zueinander und entsprechenden Ankerschienenflächen 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 Potfläche 25 der Ankerschiene 11 gegenüberstehen. Dadurch ist gewährleistet daß bei kleinen Querversetzungen Ay des. Abstandsgebers 24 bzw. des Schwebefahi-zeugs, 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 Φι und Φ3 dieser beiden magnetischen Kreise 29, 30, die von Meßspuilen 31, 32 auf den Polschenkeln 26, 27 erfaßt werden, nehmen bei einer Bewegung des Fahrzeugs nur in z-Richtung in gleichem Verhältnis zu oder ab, während sie sich bei einer Fahrzeugbewegung nur in .»«-Richtung entgegengesetzt zueinander verändern. Selbstveirständlich darf die zur Abstandsmessung zur Verfügung stehende Schieneafl*- ehe weder zu schmal noch zu breit sein, so daß sich für den an die Flächenbreite uizupassenden Eisenkern 3 desAbstandsgebers 24 tragbare Abmessungen ergebest ;.

Wenn von denselben Voraussetzungen, d. h. von nur || smkerscmenenparalleien Bewegungen des Abständige- V[ bers 24 und sättigungsfreiem Bietrieb des Kerneisens ν' ausgegangen wird, läßt sich in erster Näherung:' " ^J

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 z, 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 Φι und Φλ über die Ankerschiene 11 nur der von der Erregerspule 7 aufzubringenden Gesamtdurchflutung θ proportional und dem Abstand ζ umgekehrt proportional.

Andererseits ist die Differenz der beiden Flüsse Φι und Φ% über die Ankerschiene 11 darüber hinaus der Querversetzung Ay proportional. Mit den für den Abstandsgeber 17 gemäß den Fig.5 und 6 gewählten Bezeichnungen läßt sich somit schreiben:

Iv

Durch einfache Division ergeben sich folgende nui von dem gewünschten Abstand ζ und der Querverset zung/dy abhängige Beziehungen:

Lind

U₁ 4-

Iv

Für diese Verknüpfungen der drei Geberausgangsspannungen U\ bis Lh stehen bekannte Schaltungen zui Verfügung, die hier nicht näher erläutert werder müssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

609632/152

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum berührungsfreien Erfassen des Abstandes zwischen einem Körper und einem ferromagnetischen Anker, insbesondere zwischen einem Schwebefahrzeug und einer feststehender. 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 Acker (U) führen, und durch eine Flußmessung in mindestens einem der magnetischen Kreise.

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 Querschenkel eine Meßspule (9,10) tragen.

3. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Messung der Differenz der Flüsse der beiden magnetischen Kreise (13,12) über den Anker (U) und den magnetischen Nebenschluß (4) vorgesehen ist

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet zum Erfassen der Abstände des Körpers von zwei zueinander geneigten Oberflächen des rerromagnetischen Ankers (11) einen eine wechselspannungsgespeiste Spule (T) 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. 2i) 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)tragea

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Abstandes und einer Querversetzung des Körpers zum ferromagnetischen Anker (II) 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 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 Abstai gegenüberstehen, während dessen anderes Em Ausgangspunkt eines mit seinem freien Ende d Stirnfläche des Ankers zentral auf Abstand gcge; überstehenden Polschenkels (28) ist, und daß alle ve dem einen Jochschenkelende ausgehenden Schenk (4,26,27) eine Meßspule (9,31,32) tragen.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im magne tischen Nebenschluß (4) ein Luftspalt (5) vorgesehe ist