DE2916289C2 - Messung der Magnetflußänderung und der LuftspaltgröBe eines Luftspaltes zwischen einem Elektromagneten und einem ferromagnetischen Material - Google Patents
Messung der Magnetflußänderung und der LuftspaltgröBe eines Luftspaltes zwischen einem Elektromagneten und einem ferromagnetischen MaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Messung von Magnetflußänderungen im
Bereich eines Luftspaltes zwischen einer Polfläche eines Elektromagneten und einer Fläche eines ferromagnetischen
und elektrisch leitenden Materials sowie zur Messung der Luftspaltgröße.
Zu derartigen Messungen waren bisher zwei verschiedene Meßeinrichtungen notwendig. Messungen
von Magnetfeldänderungen werden bekannterweise mit Hilfe einer Induktionsspule vorgenommen, welche von
dem zu messenden magnetischen Fluß zumindest teilweise durchsetzt wird. Der in der Spule induzierte
Spannungsstoß ist dann der Flußänderung direkt proportional. Zur Messung des Luftspaltes zwischen
einer Polfläche ein« Elektromagneten und einer davor
angeordneten Fläche eines ferromagnetischen Materials können Einrichtungen verwendet werden, wie sie
z.B. aus der DE-OS 25 24 975 bekannt sind. Eine derartige Einrichtung besteht aus einer Induktionsspule,
die lose an eine von einem Generator mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude gespeiste Sendespule
angekuppelt ist. Das Meßsignal wird aus der in einer Induktionsspule induzierten Spannung gewonnen.
Die Frequenz des Generators wird so hoch gewählt, daß bei Annäherung eines elektrisch leitenden Körpers
durch in dem Körper induzierte Wirbelströme eine Verzerrung des elektromagnetischen Feldes der Sendespule
verursacht wird. Durch diese Verzerrung verändert sich auch die Kopplung mit der Induktionsspule, so
daß das aus der Induktionsspule entnommene Signal sich mit dem Abstand des elektisch leitenden Körpers
ändert und somit als Maß für den Abstand auswertbar ist. Da die Sendespule auch die zur Messung der
Flußänderung verwendete Induktionsspule beeinflussen würde, ist zur gleichzeitigen Messung von Flußänderungen
und Luftspaltgröße ein genügend großer Abstand zwischen beiden Meßeinrichtungen erforderlich. Dies
läßt sich jedoch im Bereich einer Polfläche eines Elektromagneten im allgemeinen nicht realisieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Meßmethode zu entwickeln, die gleichzeitig eine Messung der
Änderung des Magnetflusses im Bereich eines Luftspaltes zwischen einer Polfläche eines Elektromagneten und
einer Fläche eines ferromagnetischen Materials sowie eine Messung der Größe des Luftspaltes ermöglicht.
Diese Aufgabe Wird durch eine gemäß Patentanspruch 1 "ausgebildete Einrichtung gelöst.
Die Erfindung geht davon aus, daß die Änderungen des Magnetflusses, Welcher ein Maß für die auf ein
ferrömägnetisches Material ausgeübte Kraft darstellt,
bei einem Elektromagneten wesentlich langsamer erfolgen als die periodischen Feldstärkenänderungen
der mit Hochfrequenz betriebenen Sendespule für die Messung des Luftspaltes. Daher lassen sich mit einer
einzigen Induktionsspule sowohl die Flußänderungen als auch das spaltabhängige Hochfrequenzsignal empfangen
und durch entsprechende Filter voneinander trennen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird
somit nicht nur der erforderliche Aufwand verringert, sondern auch erheblich P'atz eingespart Dies ist
besonders bei Führungs- und Tragmagneten von elektromagnetischen Schwebefahrzeugen oder bei
Magnetlagern von Bedeutung, da hier aus Effektivitätsgründen der Luftspalt zwischen dem Elektromagneten
und der ferromagnetischen Schiene oder Welle möglichst klein gehalten werden soll.
Die in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschriebenen is Einrichtungen stellen besonders platzsparende Ausführungsformen
für verschiedene Anwendungsfälle dar, welche anhand der weiter unten beschriebenen Figuren
noch näher erläutert werden.
Soll mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Zugkraft gemessen werden, so ist zu berücksichtigen,
daß der durch Integration des flußänderungsabhängigen Signals ermittelte Wert für ein Flußsignal im allgemeinen
nicht eindeutig für die Zugkraft ist Es zeigt sich in der Regel, daß bei verschiedenen Spaltgrößen für die
gleiche Zugkraft unterschiedliche Flußsignale gemessen
werden. Ein eindeutige Messung der Zugkraft über die Messung der Flußänderungen ist möglich durch die
Elimination der oben beschriebenen Spaltabhängigkeit Bei Magnetanordnungen für Schwebefahrzeuge kann
durch eine lineare Beziehung
dt= 1(υ'Φ + k ■ Üs)dt
diese Spaltabhängigkeit hinreichend genau kompensiert werden. Dabei ist die Spannung Uf ein Maß für die
Zugkraft des Magneten, ϋ'φ das flußänderungsabhängige
Signal, Us das zeitlich differenzierte Spaltsignal und k
ein konstanter, spulenabhängiger Faktor, der experimentell für die jeweilige Anordnung bestimmt wird.
Prinzipiell geschieht diese Ermittlung des Faktors k durch Messung der Kraft-Fluß-Kennlinien für verschiedene
Spaltgrößen.
Zur Ermittlung eines Signals Uf für die Gesamtkraft wird die kraftänderungsabhängige Spannung i/Vmittels
eines Integrators integriert.
Sollen nur dynamische Kraftahweichungen von
einem vorgegebenen Nennwert ermittelt werden, so wird die Spannung i/V einem Tiefpaßfilter 1. Ordnung
zugeführt.
Die nachfolgend beschriebenen Figuren zeigen
F i g. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung bzw. des Meßverfahrens;
Fig. 2a und 2b die Flußverkettung bei einem Tragmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges bei
großem (a^und kleinem (TjJLuftspalt;
Fig. 3 eine für besonders geringe Luftspaltgrößen geeignete Meßeinrichtung gemäß der Erfindung;
Fig.4 eine auf eine Platine angeordnete erfindungsgemäße
Einrichtung an einem mehrpoligen Langstator magneten. b0
Bei dem in F1 g,\ in schematischer Weise dargestell=
ten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Polfläche eines Elektromagneten 4 und der Fläche eines ferromagnetischen
Körpers 3 eine Induktionsspule 1 derart angeordnet, daß sie von den durch Pfeile angedeuteten
Magnetflußlinien durchsetzt wird. Neben der Induk* tionsspule 1 befindet sich eine lose mit dieser
gekoppelte Sendespule 2, deren Spulenachse senkrecht zu den Magnetflußlinien verläuft Die Sendespule 2 wird
von einem HF-Generator 5 mit einer konstanten Frequenz, vorzugsweise zwischen 1 und 10 MHz, und
konstanter Amplitude gespeist Die in der Induktionsspule 1 induzierten Spannungen werden einmal durch
Magnetflußänderungen erzeugt, welche ein Maß für die auf den ferromagnetischen Körper 3 ausgeübten
Kraftänderungen darstellen und somit zur Regelung des Elektromagneten dienen können, und zum anderen
durch die Kopplung mit der Sendespule 2. Wie anhand der F i g. 2a und 2b gezeigt werden soll, ändert sich die
Kopplung mit der Luftspaltgröße S. Bei dem in den Fig.2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf
der Polfläche des Elektromagneten 4 eine die Polfläche bedeckende Platine 15 aus einem isolierenden Material
angeordnet Auf der dem ferromagnetischen Körper 3 zugewandten Seite der Platine ist eine Leiterschleife der
Induktionsspule 1 aufgebracht Die beiden Hälften für die Leiterschleife der Sendespule 2 sind auf beiden
Oberflächen der Piatine parallel zueinander angeordnet und an den Rändern miteinandei bzw. mit den
Zuleitungen zum HF-Generator verbunden, was in der Schnittdarstellung nicht sichtbar wird. Die Achsen der
Induktions- bzw. Empfangsspule 1 und der Sendespule 2 stehen also senkrecht zueinander; die Spulenquerschritte
sind jeweils rechteckig und der Durchmesser, mit dem sich beide Spulen gegenüberstehen, ist etwa gleich groß.
Das durch die Sendespule 2 ausgebildete HF-Feld wird durch Wirbelstrombildung daran gehindert, in den
Körper 3 einzudringen. Somit findet bei Annäherung des Körpers 3 an die Sendespule eine Verdrängung des
HF-Feldes statt was sich als Veränderung der Kopplung Tiit der Induktions- bzw. Empfangsspule 1
auswirkt. Das in der Spule 1 empfangene Signal verstärkt sich folglich bei Annäherung des Körpers 3 an
die Spulenanordnung. Die Amplitude des mit der Spule 1 empfangenen Signals ist demnach ein Maß für die
Luftspaltgröße 5. Zur Ermittlung der Luftspaltgröße S wird, wie in F i g. 1 weiter dargestellt, das Signal der
Induktionsspule 1 einem Hochpaßfilter 7 zugeführt Bei einer von der Spule 2 ausgestrahlten Sendefrequenz von
1 bis 10 MHz sollte die Eckfrequenz des Hochpaßfilters 7 bei etwa i00 kHz liegen. Das derart herausgefilterte
spaltabhängige Signal kann nach Gleichrichtung und Glättung mittels einer Schaltung 8 und pegebenpnfalls
nach einer Linearisierung in einem dafür vorgesehenen Bauteil 12 als eine die Luftspaltgröße S bestimmende
Spannung Usabgegriffen werden.
Zur Bestimmung der F'lußänderung ist die Induktionsspule
1 des weiteren mit einem Tiefpaßfilter 6 verbunden, dessen Eckfrequenz so tief liegen soll, daß
Signale aus der Spaltmessung nicht mehr durchgelassen werden; bei der vorher genannten Sendefrequenz sollte
di"· r.ckfrequenz größenordnungsmäßig bei etwa
100 Hz liegen. Da sich gezeigt hat daß im allgemeinen die Flußsignale keil· eindeutiges Maß für die Magnetkraft
darstellen, muß die Spaltabhängigkeit eliminiert werden. Dazu wird dem Ausgangssignal des Tiefpaßfilters
6 mittels der Differenzier- und Verstärkereinrichtung 9 das mit einem konstanten Faktor k multiplizierte
zeitliche Differential Us mit Hilfe eines Additionsgliedes
10 züaddiert. Bei einem durch eine periodische Spannung geregelten Elektromagneten kann das am
Ausgang des Additionsgliedes 10 anliegende Flußsignal mit einem Integrator 11 zur Ermittlung des Gesamtflusses
aufintegriert werden. Das so ermittelte Spannungssignal ist abhängig von der Geometrie und der
Windungszahl der Induktionsspule 1 und bedarf fioch
ä "
ι
ι
' I
zur Ermittlung des wahren Magnetflusse einer
entsprechenden" Korrektur durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor.
Fig.3 zeigt in schematischer Weise einen Querschnitt
durch einen Tragmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges mit einer Meßeinrichtung gemäß der
Erfindung. Der mit einer Wicklung 17 umgebene Kern des Elektromagneten 4 ist im Querschnitt U-förmig und
soll durch entsprechende Regelung des im Elektromagneten fließenden Stromes in einem bestimmten
Abstand 5 von einer ferromagnetischen Schiene 3 gehalten werden. Auf einer Platine 16, durch welche
beide Pole des Elektromagneten hindurchragen, sind jeweils um die Polflächen zWei Induktionsspulen 1 Und
Γ angeordnet. Während die äußeren Leiter der beiden Spulen 1 und 1' möglichst nahe am Rand der Pölflächen
entlanglaufen, weisen die im Innern des von dem Ü-förmigen Kern eingeschlossenen Bereichs verlaufenden
Leiterteile einen größeren Abstand von den Rändern der Polflächen auf. In diesem Bereich ist
zwischen den Spulen 1 und Γ eine Sendespule 2 angeordnet. Das Feld der Sehdespule wirkt auf beiden
Induktionsspulen 1 und i', so daß an beiden Luftspalten des U-förmigen Kernes sowohl Flußänderungen als
auch die Luftspaltgrößen 5und Vermittelt werden. Der
Abstand (Luftspalt) zwischen dem Tragmagneten 4 und der Schiene 3 kann hier besonders klein gehalten
werden, da die Meßeinrichtung keinen zusätzlichen Platz zwischen den Polen und der Schiene bedarf,.
Fig= 4 zeigt eine Ansicht eines Langstatorrhagneten,
der in Magnetschwebefahrzeugen sowohl als Tragmagnet als auch als Bestandteil der Antriebseinheit
(Lineafrhotof) dient. Auf den Polen 4Λ, 4.2 des
Langstätofmagneten 4, dessen Wicklungen nichi: dargestellt
sind, ist eine d;e Polflächeri überbrückende Platine
15 befestigt; Die Platine 15 ist in entsprechende Ausfräsungen der Polflächen eingelassen* Auf der Obef-
bzw. Unterseite der Platine sind Leiterbahnen derart aufgebracht, daß sich jeweils aus einer Wicklung
bestehende Induktionsspulen 1.1, Ϊ.2 und Sendespulen
2Λ, 2.2 mit einem von Pol zu Pol alternierenden Windungssinn ergeben. Da sich die Richtung der
Magnetfelder von Pol zu Pol ebenfalls ändert, addiert sich somit das in den Induktionsspulen 1.1, 1.2 usw.
induzierte Flußsignal. Damit sich die in den Induktionsspulen 1.1,1.2 usw. induzierten spaltabhängigen Signale
nicht gegenseitig auslöschen, müssen auch die jeweils zugehörigen, in Reihe geschalteten Seridespulen 2.1,2.2
usw. einen alternierenden Windungssinn haben.
Andere Anwendungsbeispiele, in denen die erfindungsgemäße Meßeinrichtung und das Verfahren zur
Anwendung kommen können, sind z. B. Magnetlager.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Einrichtung zur Messung von Magnetflußänderungen im Bereich eines Luftspaltes zwischen einer
Polfläche eines Elektromagneten und einer Fläche eines ferromagnetischen und elektrisch leitenden
Materials sowie zur Messung der Luftspaltgröße, gekennzeichnet durch
a) eine im Bereich des Luftspaltes angeordnete und von dem magnetischen Fluß zumindest
teilweise durchsetzte Induktionsspule (1),
b) ein mit der Induktionsspule (1) verbundenes Tiefpaßfilter (6) zur Ermittlung des flußänderungsabhängigen
Spannungsanteils (U'<s,),
c) eine im Bereich der Induktionsspule (1) angeordnete und lose mit dieser gekoppelten
Sendespule (2),
d) einen mit der Sendespule (2) verbundenen Hochfrequenzgenerator (5) und
e) ein mi: der Induktionsspule verbundenes Hochpaßfilter (7) zur Ermittlung des spaltabhängigen
Spannungsanteils (Us).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennleichnet,
daß die Induktionsspule (1) vergleichsweise flach ausgebildet und in einem geringen Abstand
iber der Polfläche des Elektrosnagneten (4) parallel dazu angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspri'ch 1, dadurch gekennieichnet,
daß die Induktionsspule (1) vergleichsweise Bach ausgebildet und zumindest teilweise um die
Polfläche herum angeordnet ist.
4. Einrichtung nach einem ο c Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenachse der
Sendespule (2) senkrecht zum F !dlinienverlauf des ■mgebenden Magnetfeldes ausgerichtet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (2)
«inen vergleichsweise schmalen Spulenquerschnitt aufweist und auf annähernd gleicher Ebene mit der
induktionsspule (1) neben dieser angeordnet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen dei
Induktionsspule (1) an einer Seite über den Polflächenrand hinausragen und die Sendespule (2)
an dieser Seite neben der Induktionsspule (1) angeordnet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktions- und
Sendespule (1 bzw. 2) als flache Leiterbahnen auf den Oberflächen einer gemeinsamen Platine (15,16)
angeordnet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennleichnet.
daß die Platine (15) in einer entsprechenden Ausfräsung der Polfläche eingelassen ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrpoligen
Langstatormagneten der Windungssinn der den tin7elnen Polen (4.1, 4.2) zugeordneten und jeweils
m Reihe geschalteten Induktions- bzw. Sendespulen
(1.1,1.2 bzw. 2.1,2.2) von Pol zu Pol alternierend ist.
10; Verfahren zur Messung der Änderung des
Magnetflusses im Bereich eines Luftspaltes zwischen einer Polfläche eines Elektromagneten und einer
Fläche eines ferromagnetischen und elektrisch leitenden Materials sowie zur Messung der Luft»
spaltgröße mit einer Einrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem flußänderungsabhängigen Spannungssignal (Wf.)
das zugehörige, mit einem konstanten FaktorfjtJ
multiplizierte, spaltänderungsabhängige Spannungssignal (Us) zuaddiert wird, zur Bildung eines der
Zugkraftänderung entsprechenden Spannungssignals (LTO-JL
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U'f) mittels des
Integrators (ti) integriert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U'f} einem
Tiefpaßfilter 1. Ordnung zugeführt wird.
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DE2916289B1 DE2916289B1 (de) | 1980-05-14 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19792916289 Expired DE2916289C2 (de) | 1979-04-21 | 1979-04-21 | Messung der Magnetflußänderung und der LuftspaltgröBe eines Luftspaltes zwischen einem Elektromagneten und einem ferromagnetischen Material |
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