DE2265046A1

DE2265046A1 - Einrichtung zum beruehrungsfreien erfassen des abstandes zwischen einem koerper und einem ferromagnetischen anker

Info

Publication number: DE2265046A1
Application number: DE19722265046
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Dr Bohn; Werner Busch
Original assignee: Krauss Maffei AG
Current assignee: Mannesmann Demag Krauss Maffei GmbH
Priority date: 1972-05-29
Filing date: 1972-05-29
Publication date: 1976-02-19

Description

Einrichtung z.um berührungsfreien Erfassen des Abstandes zwischen einem Körper und einem ferromagnetischen Anker

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art.

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.

Weiterhin erzeugt der den Anker durchsetzende Wechselfluß des Elektromagneten der Einrichtung dort Wirbelströme, deren Wärmeverluste vom Speisenetz des Gebers gedeckt

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werden müssen und die den Fluß aus dem Anker herausdrängen.

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, wobei sichergestellt ist, daß einerseits eine relativ hohe Betriebsfrequenz der Einrichtung im Hinblick auf schnelle Abstandsänderungen, wie sie bei Schwebefahrzeugen hoher Geschwindigkeit auftreten können, möglich ist und andererseits der Anker fein lamelliert aufgebaut werden kann.

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.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung findet ein elektrisches Auseinandertreiben der Wechselstromerregung in zwei Erregerzweigen mit pulsierender Gleichdurchflutung statt, deren Flüsse sich einander nur im magnetischen Nebenschluß des Kerns des Elektromagneten wieder zu einem Wechselfluß

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überlagern, nicht aber im Anker. Da der Kern des Elektromagneten der Einrichtung aber hinreichend fein lamelliert aufgebaut werden kann, verursacht der dort im magnetischen Nebenschluß herrschende Wechselfluß praktisch keine zusätzliche Wirkleistungsaufnähme.

Die Ausführungsform nach Anspruch 3 findet dann mit Vorteil Anwendung, wenn lediglich eine Abstandsmessung in einer Dimension vorgesehen ist. Während nämlich beim Abstand Null, d.h., bei einer Berührung zwischen den Polflächen der Außenschenkel des Elektromagnetkerns und der Stirnfläche des Ankers der kürzere Mittelschenkel praktisch flußfrei ist, und der gesamte die Außenschenkel durchsetzende pulsierende Gleichfluß über den Anker verläuft, erreicht dieser bei sehr großem Abstand den Anker praktisch überhaupt nicht mehr und durchsetzt zur Hauptsache den Mittelschenkel. Der von der Meßspule erfaßte Wechselfluß des Mittelschenkels stellt somit ein Maß für den Abstand dar. Wenn dagegen wieder eine beidseitig von Seitenflächen begrenzte Stirnfläche des ferromagnetischen Ankers zur Verfügung steht und sowohl der Abstand als auch eine QuerVersetzung des Körpers zum Anker erfaßt werden soll, ist der Elektromagnet der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 ausgebildet. Während sich bei dieser Ausführungsform an der Abstandsabhängigkeit der

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Verteilung dee Flusses auf den magnetischen Kreis über die Außenschenkel und den Anker einerseits und die beiden magnetischen Kreise über den Mittelschenkel andererseits grundsätzlich nichts ändert, kommt bei der vorgesehenen Kerngestaltung eine entgegengesetzte Abhängigkeit der Amplituden der positiven und der negativen Halbwellen des Wechselflusses im Mittelschenkel von einer Querversetzung hinzu. Dies bedeutet, daß die Sultone der Amplitudenbetr&ge ein MaB für den Abstand darstellt und die Differenz ein Maß für die Querversetzung.

Die nach den Merkmalen des Anspruchs 5 zur Messung der positiven und der negativen Amplitude des Wechselflusses in Mittelschenkel vorgesehene Hallgeneratoranordnung liefert ein dem zeitlichen Verlauf des Wechselflusses im Mittelschenkel proportionales Ausgangesignal. Diese Hallgeneratoranordnung steht nach den Merkmalen des Anspruchs über eine Verstaxkeratufe mit einer Parallelschaltung je eines Widerstandes in Reihe mit einem Gleichrichterelement in Verbindung, wobei die Gleichrichterelemente antiparallel zueinander liegen und eine Messung der Spannungsabfalls an den Widerstanden vorgesehen ist. Die Spannungsabfälle an den Widerständen geben den gesuchten Abstand und die QuerverSetzung wieder.

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

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung des Abstandes von einem ferromagnetischen Anker in einer Dimension unter Verwendung eines pulsierenden Gleichflusses im Anker in schematischer Darstellung, und

Fig. 2 eine Variante der Einrichtung gemäß Fig. 9 zur Messung eines Abstandes und einer Querversetzung.

Fig. 1 zeigt einen Abstandsgeber 34, der von zwei Erregerspulen 35, 36 magnetisiert wird. Diese sitzen auf den auf die Ankerschiene 11 gerichteten Außenschenkeln 37, 38 eines E-furmigen Eisenkerns 39 des Abstandsgebers 34 und stehen jeweils Ober ein Ventil 40 bzw. 41 mit der Wechselspannungsquelle 8 in Verbindung, wobei die Ventile 40, 41 antiparallel su einander liegen. Auf diese Weise erhält die •in« der beiden Erregerspulen 35, 36 die positiven Halbwellen der Speisespannung und die andere die negativen. Der Nickelsinn der Erregerspulen 35, 36 ist nun der, daß ist Magnetischen Kreis 42 der fiber den Außenschenkel 38, die Ankerschiene 11, den Außenschenkel 37 und den Jochschenkel 43 führt, ees asssss s ■ isstotShIIHIi siMiWiwwiifSB ■■■■■■»« ein pulsierender GleichfluB erzeugt wird, der durch den Fortfall der ümmagneti-

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sierungsverluBte geringe Wirbelstromverluste in der Ankerschiene gewährleistet. Der Mittelschenkel 44 des E-förmigen Eisenkerns ist kürzer ausgebildet als die Außenschenkel 37, 38 und trägt eine Meßspule 45. Da ein Teil des von jeder Erregerspule erzeugten pulsierenden Gleichflusses

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über magnetische Kreise 52, 53 durch

den vom Mittelschenkel 44 dargestellten magnetischen Nebenschluß verläuft, wird dieser von einem Wechselfluß durchsetzt, den die Meßspule 45 erfaßt. Je näher nun der Abstandsgeber 34 der Ankerschiene 11 kommt, umso geringer wird der Wechselfluß im Mittelschenkel 44 aufgrund des immer geringer werdenden magnetischen Widerstandes des äußeren magnetischen Kreises 42. Andererseits steigt der Wechselfluß im Mittelschenkel 44 mit zunehmender Entfernung von der Ankerschiene 11 infolge des zunehmenden magnetischen Widerstandes des Kreises 4 2 an. Die in der Meßspule 45 induzierte Spannung U stellt daher ein Maß für den Abstand ζ zwischen Abstandsgeber 34 und Ankerschiene 11 dar.

Nenn die Außenschenkel 37, 38 des E-furmigen Eisenkerns 39 des Abstandsgebers 51, wie in Fig. 2 dargestellt, den unteren Bereich beispielsweise eines Seitenschenkels 46, der ■■■■*>■ km is» »*■■ 7 w»i B ■■■■■»—im Ankerschiene

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mit U-Profil umgreifen, und dabei mit ihren Polflächen
47, 48 zu den Seitenflächen 49, 5O dieses Seitenschenkels einen Abstand wahren, der der maximalen Fahrzeugquerversetzung A₄ Υ angepaßt ist, während der Mittelschenkel 44 auf die Polfläche 25 des Ankerschienenseitenschenkels 46 gerichtet ist, kann neben dem Abstand ζ des Abstandegebers 51 von der Ankerschienenpolflache 25 zusätzlich dessen
Querversetzung &Y erfaßt werden. Bei symmetrischer Anordnung von Abstandsgeber 51 und Ankerschienenseitenschenkel 46, wenn also das Schwebefahrzeug in Querrichtung seine
Sollage innehat, wird der Mittelschenkel 44 von einem
Wecheelfluß durchsetzt, bei dem die Amplituden der positiven und der negativen Flußhalbwellen Obereinetimmen.
Eine Quervereetzung Ay des Fahrzeugs bewirkt dagegen
eine entgegengesetzte Veränderung der vorher gleich großen pulsierenden magnetischen Gleichflüsse über die beiden
magnetischen Kreise 52, 53 über den Mlttelschnekel 44 als magnetischer Nebenschluß, so daß sich die Amplituden der positiven Flußhalbwellen von denen der negativen entsprechend dem Maß und der Richtung der Querversetzung Δ Y
unterscheiden. Die Messung des Flusses im Mittelschenkel 44 erfolgt mit Hilfe einer Hallgeneatoranordnung 54, die in einem schmalen Luftspalt 55 des Mittelschenkels 44
untergebracht 1st. Das den genauen Verlauf des Wechselflusses im Mittelschenkel 44 wiedergebende Ausgangssignal der Hallgeneratoranordnung 54 wird über eine Verstärker-

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stufe 56 auf eine Antiparallelschaltung zweier Ventile 57, 58 mit vorgeschalteten ohmschen Widerständen R- und R₂ gegeben, in der der positive Signalanteil und der negative voneinander getrennt werden. An den Widerständen R₁ und R₂ werden pulsierende Gleichspannungen U. und U~ abgegriffen,

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deren Amplituden U^ und Uj den beiden Flußamplituden entgegengesetzten Vorzeichens proportional sind. Mit Hilfe von einfachen, in der Zeichnung nicht dargestellten Schal-

4k 4k

tungsanordnungen werden die Summe U- + U- und die Differenz U- - U- gebildet und damit zwei Signale erhalten, von denen das erste ein Maß für den Abstand des Fahrzeuge von der Schiene und das zweite ein MaB für die Fahrzeugquerversetzung Ay darstellt.

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Claims

2265048 Patentansprüche

1.} Einrichtung zum berührungsfreien Erfassen des Abstandes zwischen einem Körper und einem ferromagnetischen Anker, insbesondere zwischen einem Schwebefahrzeug und einer feststehenden Ankerschiene, mit einem am Körper befestigten wechselstromerregten Elektromagneten, dessen Kern (2; 39) durch seine Gestalt und Anordnung mehrere, hinsichtlich der Wirkung von Abstandsänderungen in mindestens einer Dimension untereinander nicht äquivalente magnetische Kreise ausbildet, von denen mindestens einer über einen magnetischen Nebenschluß des Kerns selbst und der oder die übrigen über den Anker führen, und durch eine FluBmessung in mindestens einem der magnetischen Kreise, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern (39) des wechselstromerregten Elektromagneten zwei abwechselnd von Stromhalbwellen entgegengesetzten Vorzeichens durchflossene Erregerspulen (35, 36) mit derartigem Wicklungssinn trägt, daß im Anker (11) ein pulsierender Gleichfluß und im zwischen den Erregerspulen ansetzenden magnetischen Nebenschluß (44) des Kerns ein Wechselfluß erregt wird, und daß eine Messung des Wechselflusses vorgesehen ist.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (39) des Elektromagneten im wesentlichen E-förmige Gestalt aufweist, wobei der Mittelschenkel (44) als magnetischer Nebenschluß kürzer ausgebildet ist als die Außenschenkel (37, 3Θ) und alle Schenkel (37, 44, 38) mit ihren Polflächen auf Abstand zum ferromagnetischen Anker (11) stehen, und daß die Außenschenkel des Kerns je eine der jeweils Über ein Gleichrichterelement (40 bzw. 41) mit einer Wechselspannungsquelle (8) verbundenen Erregerspulen (35, 36) tragen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen aller drei Schenkel (37, 44, 38) des Elektromagnetkerns (39) zu einer Stirnfläche des Ankers (11) parallel verlaufen und daß der Mittelechenkel (44) eine Meßspule (45) trägt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sum Erfassen sowohl des Abstandee ζ als auch einer Querversetzung &y des Körpers zum Anker (11) der Elektromagnet gegenüber einer beidseitig von Seitenflächen (49, 50) begrenzten Stirnfläche (25) des Anker» derart angeordnet und ausgebildet ist, daß die Außenschenkel (37, 38) de* Elektromagnetkerne (39) unter teilweisem Umfassen de« Ankers Polflächen (47, 48) ausbilden, die den

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unteren Randzonen der Seitenflächen (49, 50) parallel und auf Abstand gegentibersthen, während der Mittelschenkel (44) des Elektromagnetkerns auf die Stirnfläche (25) des Ankers gerichtet ist und eine gesonderte Messung der positiven und der negativen Amplitude seines Wechselflusses vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der positiven und der negativen Amplitude des Wechselflusses im Mittelschnekel (44) eine Hallgeneratoranordnung (54) in einem Luftspalt (55) des Mittelschenkels untergebracht ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hallgeneratoranordnung (54) über eine Verstärkerstufe (56) mit einer Parallelschaltung je eines Widerstandes (R1 bzw. R2) in Reihe mit einem Gleichrichterelement (57 bzw. 58) in Verbindung steht, wobei die Gleichrichterelemente antiparallel zueinander liegen, und eine Messung der Spannungsabfälle an den Widerständen vorgesehen ist.

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