DE2916289B1 - Messung der Magnetflussaenderung und der Luftspaltgroesse eines Luftspaltes zwischeneinem Elektromagneten und einem ferromagnetischen Material - Google Patents

Description

• Die Erfindung geht davon aus, daß die Änderungen des Magnetflusses, welcher ein Maß für die auf ein ferromagnetisches 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 Platz 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 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 LJ,. = f(U',)d t= f(U.,.+ k lis)d t diese Spaltabhängigkeit hinreichend genau kompensiert werden. Dabei ist die Spannung UF ein Maß für die Zugkraft des Magneten, U'@ das flußänderungsabhängige Signal, Usdas zeitlich differenzierte Spaltsignal und ein konstanter, spulenabhängiger Faktor, der experimentell hir 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 U'Fmittels eines Integrators integriert.
• Sollen nur dynamische Kraftabweichungen von einem vorgegebenen Nennwert ermittelt werden, so wird die Spannung U'Feinem Tiefpaßfilter 1. Ordnung zugeführt.
• Die nachfolgend beschriebenen Figuren zeigen F i g. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßenMeßeinrichtung bzw. des Meßverfahrens; F i g. 2a und 2b die Flußverkettung bei einem Tragmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges bei großem (a)und kleinem (b)Luftspalt; F i g. 3 eine für besonders geringe Luftspaltgrößen geeignete Meßeinrichtung gemäß der Erfindung; F i g. 4 eine auf eine Platine angeordnete erfindungsgemäß Einrichtung an einem mehrpoligen Langstatormagneten.
• Bei dem in F i g. 1 in schematischer Weise dargestellten 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 Induktionsspule 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 F i g. 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 Platine parallel zueinander angeordnet und an den Rändern miteinander 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 Spulenquerschnitte 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 mit 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 S, Zur Ermittlung der Luftspaltgröße S wird, wie in Fig. 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 100 kHz liegen. Das derart herausgefilterte spaltabhängige Signal kann nach Gleichrichtung und Glättung mittels einer Schaltung 8 und gegebenenfalls nach einer Linearisierung in einem dafür vorgesehenen Bauteil 12 als eine die Luftspaltgröße S bestimmende Spannung Usabgegriffen werden.
• Zur Bestimmung der Flußänderung 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 die Eckfrequenz größenordnungsmäßig bei etwa 100 Hz liegen. Da sich gezeigt hat, daß im allgemeinen die Flußsignale kein 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 Uns mit Hilfe eines Additionsgliedes 10 zuaddiert. 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 noch zur Ermittlung des wahren Magnetflusses 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 S 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 1' angeordnet. Während die äußeren Leiter der beiden Spulen I und 1' möglichst nahe am Rand der Polflächen entlanglaufen, weisen die im Innern des von dem U-förmigen Kern eingeschlossenen Bereichs verlaufenden Leiterteile einen größeren Abstand von den Rändern der Polflächen auf. In diesem Bereich ist zwischen den Spulen 1 und 1' eine Sendespule 2 angeordnet Das Feld der Sendespule wirkt auf beiden Induktionsspulen 1 und 1', so daß an beiden Luftspalten des U-förmigen Kernes sowohl Flußänderungen als auch die Luftspaltgrößen Sund S'ermittelt 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.
• F i g. 4 zeigt eine Ansicht eines Langstatormagneten, der in Magnetschwebefahrzeugen sowohl als Tragmagnet als auch als Bestandteil der Antriebseinheit (Linearmotor) dient. Auf den Polen 4.1. 4.2 des Langstatormagneten 4,dessen Wicklungen nicht dargestellt sind, ist eine die Polflächen überbrückende Platine 15 befestigt. Die Platine 15 ist in entsprechende Ausfräsungen der Polflächen eingelassen. Auf der Ober-bzw. Unterseite der Platine sind Leiterbahnen derart aufgebracht, daß sich jeweils aus einer Wicklung bestehende Induktionsspulen 1.1, 1.2 und Sendespulen 2.1, 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 Sendespulen 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.

Claims (12)

1. Patentansprüche: 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'@), 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 mit der Induktionsspule verbundenes Hochpaßfilter (7) zur Ermittlung des spaltabhängigen Spannungsanteils (Us).
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (1) vergleichsweise flach ausgebildet und in einem geringen Abstand über der Polfläche des Elektromagneten (4) parallel dazu angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (1) vergleichsweise flach ausgebildet und zumindest teilweise um die Polfläche herum angeordnet ist.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenachse der Sendespule (2) senkrecht zum Feldlinienverlauf des umgebenden Magnetfeldes ausgerichtet ist.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (2) einen vergleichsweise schmalen Spulenquerschnitt aufweist und auf annähernd gleicher Ebene mit der Induktionsspule (1) neben dieser angeordnet ist.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Induktionsspule (1) an einer Seite über den Polflächenrand hinausragen und die Sendespule (2) an dieser Seite neben der Induktionsspule (1) angeordnet ist.
7. 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. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (15) in einer entsprechenden Ausfräsung der Polfläche eingelassen ist.
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrpoligen Langstatormagneten der Windungssinn der den einzelnen Polen (4.1, 4.2) zugeordneten und jeweils in Reihe geschalteten Induktions- bzw. Sendespulen (1.1,1.2bzw. 2.1, 2.2) von Pol zu Pol alternierend ist.
10. 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 Luftspaltgröße mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem flußänderungsabhängigen Spannungssignal (U'@) das zugehörige, mit einem konstanten Faktor(k) multiplizierte, spaltänderungsabhängige Spannungssignal (Us) zuaddiert wird, zur Bildung eines der Zugkraftänderung entsprechenden Spannungssignals (U'F).
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U'F) mittels des Integrators (11) integriert wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U'F) einem Tiefpaßfilter 1. Ordnung zugeführt wird.

    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 eines 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.