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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des Pollagewinkels
mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Pollagemesseinrichtungen
für Magnetschwebefahrzeuge
zum Messen des Pollagewinkels sind beispielsweise beim Transrapid
im Einsatz. Die Pollagemesseinrichtungen sind vorne und hinten,
und zwar auf beiden Fahrzeugseiten – also in Fahrtrichtung gesehen
links und rechts – angebracht
sowie jeweils mit einem Magnetfeldsensorpaar zum Messen des Statormagnetfeldes
des streckenseitigen Stators der Magnetbahnstrecke ausgestattet.
Die Positionierung und Funktionsweise der Sensorpaare soll nachfolgend
beispielhaft anhand des vorderen rechten Sensorpaars beschrieben
werden; die Erläuterungen
gelten aber für
die übrigen Sensorpaare
analog. Die Magnetfeldsensoren des vorderen rechten Magnetfeldsensorpaares
sind jeweils für sich
an einem Träger
befestigt, an dem auch der vordere rechte Tragmagnet des Magnetschwebefahrzeugs montiert
ist. Der Abstand zwischen den beiden Magnetfeldsensoren beträgt üblicherweise τ/2, wobei τ die Wellenlänge der
Grundwelle des streckenseitigen Statormagnetfeldes bezeichnet und
beim Transrapid beispielsweise 258 mm beträgt. Mit den beiden Magnetfeldsensoren
des Magnetfeldsensorpaares steht eine Auswerteinrichtung in Verbindung,
die mit den Messwerten der beiden Magnetfeldsensoren den Pollagewinkel
zwischen dem Statormagnetfeld des streckenseitigen Stators und der
magnetischen Bezugsachse des Magnetschwebefahrzeugs ermittelt. Als
Messsensoren werden beim Transrapid Hallsensoren verwendet, die
bauartbedingt richtungssensitiv messen und demgemäß je weils
eine Vorzugsmessrichtung aufweisen, für die sie sensibel sind. Mit
den Hallsensoren wird eine vorgegebene Richtungskomponente des Statormagnetfeldes
gemessen, und zwar die x-Komponente des Magnetfeldes, also die Komponente
in Fahrzeuglängs-
bzw. Fahrtrichtung, oder die z-Komponente, also diejenige Komponente,
die vertikal zur Fahrzeuglängsrichtung
nach oben bzw. nach unten ausgerichtet ist.
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Ausgehend
von einem Verfahren der beschriebenen Art liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, dieses im Hinblick auf eine noch bessere Messgenauigkeit
weiterzuentwickeln.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Vorzugsmessrichtung der Magnetfeldsensoren derart eingestellt
wird, dass zumindest einer der beiden Magnetfeldsensoren eine minimale
Messempfindlichkeit für
das Tragmagnetfeld des Tragmagneten aufweist.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch
die erfindungsgemäß vorgesehene
Ausrichtung des zumindest einen Magnetfeldsensors eine Messwertverfälschung
durch das Tragmagnetfeld des Tragmagneten deutlich reduziert wird
und dadurch erheblich genauere Pollagemesswerte erzielt werden können, als
dies ohne die erfindungsgemäße Ausrichtung
möglich
wäre. Die
Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass das Tragmagnetfeld
auf die Messung des Statormagnetfeldes einen nicht unerheblichen
Einfluss haben kann, wenn eine ungünstige Messrichtung für die Magnetfeldsensoren
eingestellt und damit eine ungünstige
Richtungskomponente des Statormagnetfeldes gemessen wird: Wird beispielsweise
mit den Magnetfeldsensoren in einer Messrichtung gemessen, bei der
das Tragmagnetfeld eine hohe Feldvektorkomponente aufweist, so wird
ein recht ungenauer Messwert für
das Statormagnetfeld gebildet werden, wohingegen bei einer Messrichtung
orthogonal dazu ein zur Bestimmung des Pollagewinkels besserer Messwert
für das
Statormagnetfeld erreicht werden kann. An dieser Stelle setzt die
Erfindung an, indem erfindungsgemäß vorgesehen wird, die Vorzugsmessrichtung
der Magnetfeldsensoren gezielt derart einzustellen, dass der Einfluss
des Tragmagneten klein ist.
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Besonders
einfach und damit vorteilhaft lässt
sich die Vorzugsmessrichtung bestimmen, wenn gemessen wird, für welche
Messrichtung der zumindest eine Magnetfeldsensor einen minimalen
Messwert für
das Tragmagnetfeld misst und wenn diese Messrichtung als Vorzugsmessrichtung
für die
Messung des Pollagewinkels herangezogen wird.
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Alternativ,
aber ebenfalls einfach und vorteilhaft, lässt sich die Vorzugsmessrichtung
bestimmen, indem gemessen wird, für welche Messrichtung der zumindest
eine Magnetfeldsensor einen maximalen Messwert für das Tragmagnetfeld misst;
in diesem Falle wird die zu dieser Messrichtung orthogonale Richtung
als Vorzugsmessrichtung für
die Messung des Pollagewinkels herangezogen.
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Da
das Tragmagnetfeld das Messergebnis des näher am Tragmagneten liegenden
Magnetfeldsensors mehr stört
als das des entfernter vom Tragmagneten liegenden Magnetfeldsensors,
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Vorzugsmessrichtung
derart gewählt
wird, dass der zu dem Tragmagneten näher liegende Magnetfeldsensor
eine minimale Messempfindlichkeit für das Tragmagnetfeld aufweist.
Die Vorzugsmessrichtung des entfernter befindlichen Magnetfeldsensors
wird vorzugsweise genauso eingestellt wie die des näher liegenden
Magnetfeldsensors, so dass die Vorzugsmessrichtungen der beiden
Magnetfeldsensoren identisch bzw. parallel sind.
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Um
die gewünschte
Vorzugsmessrichtung besonders einfach einstellen zu können, ist
bei einer ersten bevorzugten Variante des Verfahrens vorgesehen,
drehbare Magnetfeldsensoren zu verwenden. Vorzugsweise wird der
eine Magnetfeldsensor zunächst
derart gedreht, dass er eine minimale Messempfindlichkeit für das Tragmagnetfeld
aufweist, und anschließend
wird der andere der beiden Magnetfeldsensoren in dieselbe Messrichtung
gedreht, wodurch dann beide Magnetfeldsensoren in dieselbe Vorzugsmessrichtung
gebracht sind.
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Bei
einer anderen bevorzugten Variante des Verfahrens ist vorgesehen,
Magnetfeldsensoren einzusetzen, die jeweils durch zwei orthogonal
zueinander ausgerichtete Einzelsensoren gebildet sind. Vorzugsweise
wird anhand der Messergebnisse der beiden Einzelsensoren des zumindest
einen Magnetfeldsensors festgestellt, für welche Messrichtung eine
minimale Messempfindlichkeit für
das Tragmagnetfeld erzielt wird; diese derart festgestellte Messrichtung
wird als Vorzugsmessrichtung behandelt und die Messergebnisse der
Einzelsensoren eines jeden Magnetfeldsensors werden nachfolgend
jeweils unter Bildung eines Messwertes für diese Vorzugsmessrichtung
ausgewertet.
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Im Übrigen müssen die
beiden Magnetfeldsensoren des Magnetfeldsensorpaars nicht identisch
sein; beispielsweise kann einer der beiden Magnetfeldsensoren durch
einen drehbaren Magnetfeldsensor und der andere der beiden Magnetfeldsensoren
durch zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Einzelsensoren gebildet
sein.
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Unabhängig davon,
wie die Magnetfeldsensoren im Einzelnen ausgestaltet sind, wird
die Vorzugsmessrichtung bevorzugt bei ausgeschaltetem Statormagnetfeld
ermittelt. Wird nämlich
bei ausgeschaltetem Statormagnetfeld gemessen, so lässt sich
die Richtung des Tragmagnetfeldes besonders genau feststellen, weil
das Statormagnetfeld nicht stören
kann; es lässt
sich in dieser Weise somit die optimale Messrichtung zum nachfolgenden
Messen des Statormagnetfeldes bestimmen.
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Da
die Magnetfeldverteilung und damit der Einfluss des Tragmagnetfeldes
auf die Pollagemessung von dem jeweiligen Spalt zwischen dem Tragmagneten
und der Reaktionsschiene der Magnetschwebebahnstrecke in gewissem
Maße abhängig ist,
ist bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens
vorgesehen, dass bei eingeschaltetem Statormagnetfeld der jeweilige
Spaltabstand zwischen dem Tragmagneten und der streckenseitigen
Reaktionsschiene der Magnetschwebebahnstrecke gemessen wird und
die Vorzugsmessrichtung derart eingestellt wird, dass sie einem
spaltabstandsindividuell vorgegebenen Vorgabewert entspricht.
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Der
spaltabstandsindividuell vorgegebene Vorgabewert wird beispielsweise
ermittelt, indem jeweils für unterschiedliche
Spaltabstände
bei ausgeschaltetem Statormagnetfeld spaltabstandsindividuell jeweils
diejenige Messrichtung bestimmt wird, bei der der zumindest eine
Magnetfeldsensor eine minimale Messempfindlichkeit für das Tragmagnetfeld
aufweist, und indem die spaltabstandsindividuell bestimmte Messrichtung
als der spaltabstandsindividuell vorgegebene Vorgabewert verwendet
wird.
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Auch
spielt die Größe des Tragmagnetstroms
eine gewisse Rolle, weil bei größeren Tragmagnetströmen stärkere Tragmagnetfelder
gebildet werden, deren Feldverteilung aufgrund von Sättigungserscheinungen von
der bei schwächeren
Tragmagnetfeldern etwas abweichen kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung des Verfahrens ist daher vorgesehen, dass bei eingeschaltetem
Statormagnetfeld der jeweilige Tragmagnetstrom gemessen wird und
dass die Vorzugsmessrichtung derart eingestellt wird, dass sie einem tragmagnetstromindividuell
vorgegebenen Vorgabewert entspricht.
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Der
tragmagnetstromindividuell vorgegebene Vorgabewert kann beispielsweise
ermittelt werden, indem für
unterschiedliche Tragmagnetströme
tragmagnetstromindividuell jeweils diejenige Messrichtung bestimmt
wird, bei der der zumindest eine Magnetfeldsensor eine minimale
Messempfindlichkeit für
das Tragmagnetfeld des Tragmagneten aufweist, und indem die tragmagnetstromindividuell
bestimmte Messrichtung als der tragmagnetstromindividuell vorgegebene
Vorgabewert verwendet wird.
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Im Übrigen kann
sowohl der Einfluss des Spalts als auch der Einfluss des Tragmagnetstroms
berücksichtigt
werden, indem bei eingeschaltetem Statormagnetfeld der jeweilige
Tragmagnetstrom und der jeweilige Spalt gemessen wird und indem
die Vorzugsmessrichtung derart eingestellt wird, dass sie einem
spalt- und tragmagnetstromindividuell vorgegebenen Vorgabewert entspricht.
Bei dieser Variante wird der Vorgabewert also in Abhängigkeit
von zwei Parametern, nämlich
dem Spalt und dem Tragmagnetstrom, bestimmt. Die Vorgabewerte für die Vorzugsrichtung
können
beispielsweise in Abhängigkeit
von Spalt- und Stromwerten
in einer Tabelle hinterlegt sein und im Rahmen des Verfahrens aus
dieser ausgelesen werden.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf eine Pollagemesseinrichtung für ein Magnetschwebefahrzeug
einer Magnetschwebebahn mit einem Magnetfeldsensorpaar zum Messen
des Statormagnetfeldes eines streckenseitigen Stators, wobei die
beiden Magnetfeldsensoren des Magnetfeldsensorpaares in einem vorgegebenen
Abstand zueinander angeordnet sind, und mit einer Auswerteinrichtung,
die mit den Messwerten der beiden Magnetfeldsensoren den Pollagewinkel
zwischen dem Statormagnetfeld und der magnetischen Bezugsachse des
Magnetschwebefahrzeugs ermittelt. Eine solche Pollagemesseinrichtung
ist ebenfalls vom Transrapid her bekannt.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine noch genauere
Pollagemesseinrichtung als bisher anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass bei den Magnetsensoren des Magnetfeldsensorpaars eine Vorzugsmessrichtung
derart einstellbar ist, dass eine gewünschte Richtungskomponente des
Statormagnetfeldes messbar ist; die Auswerteinrichtung ist außerdem derart
ausgestaltet, dass sie die Vorzugsmessrichtung derart einstellt,
dass zumindest einer der beiden Magnetfeldsensoren eine minimale Messempfindlichkeit
für das
Tragmagnetfeld des Tragmagneten aufweist.
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Bezüglich der
Vorteile der erfindungsgemäßen Pollagemesseinrichtung
und bezüglich
der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pollagemesseinrichtung
sei auf die obigen Ausführungen im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da
die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
den Vorteilen der erfindungsgemäßen Pollagemesseinrichtung
im Wesentlichen entsprechen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei
zeigen beispielhaft:
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1 ein
Magnetschwebefahrzeug mit einer Pollagemesseinrichtung,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Pollagemesseinrichtung
mit drehbaren Magnetfeldsensoren,
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3 die
Pollagemesseinrichtung gemäß 2 zusammen
mit dem zu messenden Statormagnetfeld und dem störenden Tragmagnetfeld,
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4 Messwertverläufe zur
Erläuterung
der Arbeitsweise der Pollagemesseinrichtung gemäß 2 für den Fall
einer Messung der Magnetfeldkomponente in x-Richtung,
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5 komplexe
Messzeiger zu den Messwertverläufen
gemäß der 4,
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6-9 beispielhaft
die Durchführung
einer Messung mit der Pollagemesseinrichtung gemäß der 2,
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10 ein
Ausführungsbeispiel
für einen
Magnetfeldsensor mit zwei orthogonal messenden Einzelsensoren,
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11 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Pollagemesseinrichtung,
bei der Magnetfeldsensoren gemäß der 10 eingesetzt
sind, und
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12 ein
drittes Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Pollagemesseinrichtung,
bei der die optimale Messrichtung für die Magnetfeldsensoren in
Abhängigkeit
vom jeweiligen Spalt zwischen Tragmagnet und Reaktionsschiene und
in Abhängigkeit
vom dem jeweiligen Tragmagnetstrom eingestellt wird.
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In
den 1 bis 12 werden für identische oder vergleichbare
Komponenten aus Gründen
der Übersicht
dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In
der 1 sieht man den vorderen Bereich eines Magnetschwebefahrzeugs 10,
das sich auf einer Magnetschwebebahnstrecke 20 befindet.
Von der Magnetschwebebahnstrecke erkennt man in der 1 einen
streckenseitigen Stator 30, der mit Statornuten 40 und
Statorzähnen 50 ausgestattet
ist.
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In
den Statornuten 40 befinden sich in der 1 nicht
weiter dargestellte Magnetspulen zum Erzeugen eines Statormagnetfeldes.
Die Grundwelle des Statormagnetfeldes ist in der 1 mit
dem Bezugszeichen S gekennzeichnet. Durch die Anordnung bzw. die
Lage der Magnetspulen wird eine magnetische Bezugsachse Bs des Stators 30 definiert.
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Von
dem Stator 30 ist in der 1 nur ein
Abschnitt dargestellt; der Stator 30 erstreckt sich über die gesamte
Strecke der Magnetschwebebahn und erzeugt somit – wie in der 1 erkennbar – auch vor
dem Magnetschwebefahrzeugs 10 das Statormagnetfeld S.
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Außerdem ist
in der 1 ein vorderer Tragmagnet 60 des Magnetschwebefahrzeugs 10 dargestellt; dieser
ist mit Magnetspulen 70 ausgestattet, die ein Tragmagnetfeld
zum Anheben des Magnetschwebefahrzeugs 10 erzeugen. Das
Tragmagnetfeld ist in der 1 mit dem
Bezugszeichen T gekennzeichnet. Durch die Anordnung bzw. die Lage
des Tragmagneten 60 wird eine magnetische Bezugsachse Bf
des Magnetschwebefahrzeugs 10 definiert.
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In
Fahrtrichtung F vor dem Tragmagneten 60 ist eine Pollagemesseinrichtung 100 angebracht;
die Aufgabe der Pollagemesseinrichtung 100 besteht darin,
den Pollagewinkel γ zwischen
der magnetischen Bezugsachse Bs des Stators und der magnetischen
Bezugsachse Bf des Magnetschwebefahrzeugs 10 zu ermitteln.
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Die
Pollagemesseinrichtung 100 ist beispielsweise mit dem Tragmagneten 60 an
einem gemeinsamen Träger 110 des
Magnetschwebefahrzeugs 10 montiert.
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Wie
sich in der 1 erkennen lässt, befindet sich die Pollagemesseinrichtung 100 zwar
ein wenig vom Tragmagneten 60 entfernt, jedoch befindet
sie sich dennoch im Einflussbereich eines Störfeldanteil Ts des Tragmagnetfeldes
T. Der Störfeldanteil
Ts ist in der 1 nur schematisch dargestellt;
er erstreckt sich vom rechten Rand des Tragmagneten 60 in
Fahrtrichtung F nach vorne auch in den Messbereich der Pollagemesseinrichtung 100 hinein.
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Um
eine möglichst
genaue Messung des Statormagnetfeldes zu erreichen, werden richtungsselektive Magnetfeldsensoren
der Pollagemesseinrichtung 100 derart ausgerichtet, dass
der dichter am Tragmagneten 60 liegende Magnetfeldsensor
möglichst
wenig vom Störfeldanteil
Ts des Tragmagnetfelds T erfasst; dies wird nachfolgend im Detail
erläutert.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
für die
Pollagemesseinrichtung 100 gemäß der 1 ist näher in der 2 in
einer vergrößerten Darstellung
gezeigt. Die Pollagemesseinrichtung 100 weist ein Magnetfeldsensorpaar
zum Messen des Statormagnetfeldes S des streckenseitigen Stators 30 (vgl. 1)
auf; die beiden richtungsselektiven Magnetfeldsensoren 120 und 130 des
Magnetfeldsensorpaares sind drehbar und in einem vorgege benen Abstand
A zueinander angeordnet. Einer der beiden Magnetfeldsensoren 120 oder 130,
hier beispielsweise der Magnetfeldsensor 130, bildet eine
messtechnische Bezugsachse Bm der Pollagemesseinrichtung 100.
Die Magnetfeldsensoren 120 und 130 können beispielsweise
durch drehbar gelagerte Hallsensoren oder drehbare magnetoresistive
Sensoren gebildet sein.
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Die
Pollagemesseinrichtung 100 weist außerdem eine mit den beiden
Magnetfeldsensoren 120 oder 130 verbundene Auswerteinrichtung 140 auf,
deren Aufgabe darin besteht, mit den Messwerten Sm und Cm der Magnetfeldsensoren 120 und 130 den
Pollagewinkel γ zu
ermitteln, beispielsweise zu errechnen. Die Auswerteinrichtung 140 kann
beispielsweise durch eine programmierbare Mikroprozessoreinrichtung
gebildet sein.
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Der
Abstand A der beiden Magnetfeldsensoren 120 und 130 beträgt vorzugsweise τ/2, wobei τ die Wellenlänge der
Grundwelle des Statormagnetfeldes bezeichnet. Im Falle einer Wellenlänge τ von beispielsweise
258 mm beträgt
der Abstand beispielsweise 129 mm. Grundsätzlich sind aber auch geringere
Abstände A
möglich,
sofern die Messwerte Sm und Cm entsprechend korrigiert werden; darauf
soll hier aber aus Gründen
der Übersicht
nicht weiter eingegangen werden.
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Die
Magnetfeldsensoren 120 und 130 weisen Vorzugsmessrichtungen
Vm1 und Vm2 auf, die in der 2 durch
entsprechende Pfeile markiert sind; die Vorzugsmessrichtungen Vm1
und Vm2 zeigen an, welche Magnetfeldkomponenten die Magnetfeldsensoren 120 und 130 messen
können
bzw. für
welche Messrichtungen sie sensibel sind. Bei der Darstellung gemäß der 2 sind
die Magnetfeldsensoren 120 und 130 durch Drehen
um ihre Drehachse beispielhaft derart ausgerichtet, dass sie die
x-Komponente des
Magnetfeldes messen können;
für die
z- Komponente sind
sie bei dieser Ausrichtung demgemäß nicht sensitiv.
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Die
Auswerteinrichtung 140 ermittelt mit den Messwerten Sm
und Cm der beiden Magnetfeldsensoren 120 und 130 den
Pollagewinkel γ.
Hierzu misst sie zunächst
einen Hilfspollagewinkel γ1
zwischen der messtechnischen Bezugsachse Bm der Pollagemesseinrichtung 100 und
einer zu der magnetischen Bezugsachse Bs des Stators 30 um
ein Mehrfaches von 2π versetzten
Hilfsbezugsachse BS' (vgl. 1).
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Zum
dem Hilfspollagewinkel γ1
addiert sie einen Versatzwinkel γ2,
der den phasenwinkelmäßigen Versatz
zwischen der magnetischen Bezugsachse Bf des Magnetschwebefahrzeugs 10 und
der messtechnischen Bezugsachse Bm der Pollagemesseinrichtung 100 angibt.
Von dem sich ergebenden Summenwert γ1 + γ2 werden darin enthaltene ganzzahlige
Vielfache von 2π abgezogen,
wodurch der gesuchte Pollagewinkel γ gebildet wird. Mathematisch
lautet die Gleichung zur Berechnung des Pollagewinkel γ also: γ =
(γ1 + γ2) Modulo
(2·π)
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Der
Versatzwinkel γ2,
der den phasenwinkelmäßigen Versatz
zwischen der magnetischen Bezugsachse Bf des Magnetschwebefahrzeugs 10 und
der messtechnischen Bezugsachse Bm der Pollagemesseinrichtung 100 angibt,
wird in Abhängigkeit
von dem mechanischen Versatz V ermittelt gemäß: γ2 = V/τ·π
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Der
Versatzwinkel γ2
wird der Auswerteinrichtung 140 beispielsweise fest vorgegeben
und in der Auswerteinrichtung 140 gespeichert. Alternativ
kann auch der Versatz V der Auswerteinrichtung 140 fest
vorgegeben und in dieser abgespeichert werden; in diesem Falle errechnet
die Auswerteinrichtung 140 den Versatzwinkel γ2 gemäß der angegebenen
Formel selbst. Zur Eingabe des Versatzes V oder des Versatzwinkels γ2 weist die
Auswerteinrichtung 140 einen Eingabeanschluss E140 auf.
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Um
zu erläutern,
wie die Auswerteinrichtung 140 mit den Messwerten Sm und
Cm den Hilfspollagewinkel γ1
bilden kann, wird nachfolgend anhand der 4 und 5 zunächst erklärt, wie
dies durchgeführt werden
kann, wenn die Vorzugsmessrichtungen der Magnetfeldsensoren 120 und 130 entlang
der x-Richtung, also der Fahrzeuglängsrichtung, ausgerichtet sind
und somit die x-Komponente des Magnetfeldes messen. Es wird bei
dieser Ausrichtung der Vorzugsmessrichtungen Vm1 und Vm2 zwar auch
der Störfeldanteil
Ts des Tragmagnetfeldes T mitgemessen, wie dies in der 3 im
Detail gezeigt ist, jedoch soll dies zunächst vernachlässigt werden.
Darauf aufbauend wird anschließend
anhand der 6 bis 9 beispielhaft
erklärt,
wie die Vorgehensweise aussieht, wenn die Vorzugsmessrichtungen
Vm1 und Vm2 der Magnetfeldsensoren 120 und 130 derart
gedreht werden, dass der Störfeldanteil
Ts des Tragmagnetfeldes T nicht, zumindest nur so wenig wie möglich, mitgemessen
wird.
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Im
oberen Teil der 4 erkennt man den streckenseitigen
Stator 30; beispielhaft ist eine Leitung 190 eingezeichnet,
die zu den im Stator 30 angeordneten Leiterspulen gehört. Außerdem ist
der Feldverlauf der magnetischen Feldstärke H des Statormagnetfeldes
S eingezeichnet.
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Im
mittleren Abschnitt der 4 erkennt man den Verlauf der
Amplitude Hx der magnetischen Feldstärke H in Fahrzeug längsrichtung
x. Es lässt
sich erkennen, dass die Feldstärke
sinusförmig
verläuft.
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Im
unteren Abschnitt der 4 ist die Pollagemesseinrichtung 100 mit
den beiden Magnetfeldsensoren 120 oder 130 skizziert;
der Abstand A beträgt
hier τ/2,
so dass die beiden Magnetfeldsensoren zueinander orthogonale Messsignale
erzeugen. Es wird nun beispielhaft davon ausgegangen, dass der in
der 3 rechte Magnetfeldsensor 120 Messwerte
Sm auf der Sinus-Spur und der in der 3 linke
Magnetfeldsensor 130 Messwerte Cm auf der Cosinus-Spur
liefert; damit ist gemeint, dass der Magnetfeldsensor 120 als
Messsignal einen Sinusverlauf erzeugt, wenn er ausgehend von der
Stelle x = 0 in Fahrtrichtung nach vorn verschoben wird, und dass
der Magnetfeldsensor 130 als Messsignal einen Cosinusverlauf
erzeugt, wenn er ausgehend von der Stelle x = 0 in Fahrtrichtung
nach vorn verschoben wird. Mit einem Verschieben in x-Richtung verändert sich
der Hilfspollagewinkel γ1
relativ zur Bezugsachse Bs entsprechend.
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Die
Messwertverläufe
lauten in diesem Falle mathematisch:
wobei H0 die Signalamplitude
des Magnetfeldes bezeichnet, die bei beiden Magnetfeldsensoren näherungsweise
gleich ist.
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Damit
kann der Hilfspollagewinkel γ1
ermittelt werden gemäß:
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Unter
der Funktion atan2 ist dabei bekanntermaßen die Umkehrfunktion der
Winkelfunktion Tangens zu verstehen, bei der zusätzlich zum Quotienten tan(x)
= sin(x)/cos(x) durch die Berücksichtigung
des Vorzeichens des Zählers
ein Gültigkeitsbereich
von –π bis +π, also einer
kompletten Periode des gesuchten Winkels γ1, erreicht wird; die Funktion
atan(x) ist demgegenüber
nur im Bereich –π/2 bis +π/2 definiert.
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Zur
weiteren Veranschaulichung ist in der 5 außerdem noch
die zugehörige
Zeigerdarstellung der Messwerte Sm und Cm gezeigt. Man sieht, dass
die beiden Zeiger Sm und Cm senkrecht aufeinander stehen.
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Wie
bereits eingangs erwähnt,
wird bei den obigen Erläuterungen
im Zusammenhang mit den 4 und 5 vernachlässigt, dass
das Tragmagnetfeld T im Randbereich des Tragmagneten 60 ein
Störfeldanteil Ts
erzeugt, der die Messergebnisse der beiden Magnetfeldsensoren 120 und 130 verfälscht.
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Um
eine möglichst
genaue Messung des Statormagnetfeldes zu erreichen, werden die Vorzugsmessrichtungen
Vm1 und Vm2 der Magnetfeldsensoren 120 und 130 nun
derart ausgerichtet, dass der dichter am Tragmagneten 60 liegende
Magnetfeldsensor 120 möglichst
wenig vom Störfeldanteil
Ts des Tragmagnetfelds T erfasst. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise
wie folgt vorgegangen werden:
In einem ersten Schritt wird
lediglich das Tragmagnetfeld T eingeschaltet, so dass das Magnetschwebefahrzeug 10 zu
Schweben beginnt. Das Statormagnetfeld S wird zu diesem Zeitpunkt
noch nicht eingeschaltet bzw. – wenn
es bereits eingeschaltet war – ausgeschaltet.
Es tritt somit nur das Tragmagnetfeld T mit seinem Störfeldanteil
Ts auf. Dies zeigt die 6.
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Anschließend wird
die Vorzugsmessrichtung Vm1 des dichter am Tragmagneten 60 liegenden
Magnetfeldsensors 120 derart gedreht, dass dieser den Störfeldanteil
Ts des Tragmagnetfeldes nicht mehr, zumindest so wenig wie möglich, misst:
Hierzu kann die Vorzugsmessrichtung Vm1 beispielsweise zunächst solange gedreht
werden, bis ein maximales Messsignal gemessen wird, und anschließend wird
eine zu dieser Messrichtung orthogonale Vorzugsmessrichtung eingestellt;
alternativ kann die Vorzugsmessrichtung Vm1 direkt solange gedreht
werden, bis ein minimales Messsignal gemessen wird.
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Nach
Abschluss der Justage der Vorzugsmessrichtung Vm1 des Magnetfeldsensors 120 wird
die Vorzugsmessrichtung Vm1 um einen Drehwinkel γ3 gegenüber der x-Richtung verdreht
sein; dies zeigt die 7.
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Anschließend wird
die Vorzugsmessrichtung Vm2 des Magnetfeldsensors 130 ebenfalls
um diesen Drehwinkel γ3
gedreht; dies zeigt die 8.
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Nachfolgend
wird das Statormagnetfeld S wieder eingeschaltet, wie in der 9 gezeigt
ist, so dass die Messung des Statormagnetfeldes S beginnen kann.
Aufgrund der zuvor durchgeführten
Justage der Vorzugsmessrichtungen Vm1 und Vm2 der beiden Magnetfeldsensoren
wird dabei der Einfluss des Störfeldanteils Ts
des Tragmagnetfeldes T minimal sein.
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Der
Drehwinkel γ3
muss nun von der Auswerteinrichtung
140 bei der Bestimmung
des Hilfspollagewinkels γ1
berücksichtigt
werden. Dies kann beispielsweise wie folgt geschehen:
Der Feldstärkevektor
Hs des Statormagnetfeldes S kann mathematisch annähernd wie
folgt beschrieben werden:
wobei Hsx die x-Komponente
des Feldstärkevektors
Hs und Hsz die z-Komponente des Feldstärkevektors Hs bezeichnen; die
y-Komponente des
Feldstärkevektors
ist annähernd
gleich Null.
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Für den Feldstärkevektor
Ht des Störfeldanteils
des Tragmagnetfeldes T gilt:
wobei Htx die x-Komponente
des Feldstärkevektors
Ht und Htz die z-Komponente des Feldstärkevektors Hs bezeichnen; die
y-Komponente des
Feldstärkevektors
ist annähernd
gleich Null. α bezeichnet
den Winkel des Feldstärkevektors
Ht des Tragmagnetfeldes T relativ zur x-Koordinatenachse.
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Nachdem
die Vorzugsmessrichtungen Vm1 und Vm2 um den Drehwinkel γ3 gedreht
sind, wie dies im Zusammenhang mit den 6-9 erläutert wurde,
steht die Vorzugsmessrichtung Vm1 senkrecht zur Feldrichtung des
Tragmagnetfeldes T. Es gilt somit: γ3 = 90° + α
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Die
beiden Magnetfeldsensoren 120 und 130 werden somit
zumindest annäherungsweise
nur den Feldstärkevektor
Hs des Statormagnetfeldes S messen und das Tragmagnetfeld T unberücksichtigt
lassen.
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Zu
beachten ist aber, dass aufgrund der Drehung der Vorzugsmessrichtungen
Vm1 und Vm2 um den Drehwinkel γ3
nicht mehr nur ausschließlich
die x-Komponente Hsx des Statormagnetfeldes S, sondern stattdessen
eine Linearkombination aus der x-Komponente
Hsx und der z-Komponente Hsz gemessen wird. Es gilt somit für die Messwerte
Sm und Cm der beiden Magnetfeldsensoren 120 und 130: Sm(x) = H0·sin(γ1)·cos(γ3) + H0·cos(γ1)·sin(γ3) Cm(x) = H0·cos(γ1)·cos(γ3) + H0·sin(γ1)·sin(γ3)
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Daraus
ergibt sich nach einigen mathematischen Umformungen: Sm(x)
= H0·sin(γ1 + γ3) Cm(x) = H0·cos(γ1 + γ3)
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Für den Hilfspollagewinkel γ1 ergibt
sich damit:
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Der
gesuchte Pollagewinkel γ errechnet
sich dann gemäß:
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
für die
Pollagemesseinrichtung 100 wurde beispielhaft davon ausgegangen,
dass die beiden Magnetfeldsensoren drehbar sind. In der 10 ist
ein anderes Ausführungsbeispiel
für einen
Magnetfeldsensor gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor 200 mit
zwei orthogonal zueinander ausgerichteten, richtungsselektiv messenden
Einzelsensoren 210 und 220 ausgestattet, bei denen
es sich beispielsweise um Hallsensoren handeln kann. Der Einzelsensor 210 weist
eine Vorzugsmessrichtung Vmx und der Einzelsensor 220 eine
Vorzugsmessrichtung Vmz auf; dies bedeutet, dass der Einzelsensor 210 in
der x-Richtung sensitiv ist und der Einzelsensor 220 in
der z-Richtung. Die entsprechenden Messwerte Mx und Mz werden an
einem Ausgang A200 ausgegeben.
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In
der 11 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Pollagemesseinrichtung 100 dargestellt,
die mit zwei Magnetfeldsensoren 120 und 130 gemäß der 10 ausgestattet
ist. Die Auswerteinrichtung 140 ist nun derart beschaffen,
dass sie die Messergebnisse Mx1, Mx2, Mz1, Mz2 der insgesamt vier
Einzelsensoren auswertet. Dies ermöglicht es, auf ein mechanisches
Drehen der Magnetfeldsensoren zu verzichten und ein Drehen nur „mathematisch" durchzuführen.
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Soll
beispielsweise der Magnetfeldsensor 120 in einer um den
Drehwinkel γ3
relativ zur x-Achse gedrehten Vorzugsmessrichtung Vm1 messen, so
wird mit den Messwerten Mx1 in x-Richtung und Mz1 in z-Richtung
der zugehörigen
Einzelsensoren der Messwert Sm(x) des Magnetfeldsensors 120 in
der Vorzugsmessrichtung Vm1 ermittelt gemäß: Sm(x)
= Mx1·cos(γ3) – Mz1·sin(γ3)
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Entsprechendes
gilt für
den Magnetfeldsensor 130. Soll mit diesem in einer um den
Drehwinkel γ3
relativ zur x-Achse gedrehten Vorzugsmessrichtung Vm2 gemessen werden,
so wird mit den Messwerten Mx2 in x-Richtung und Mz2 in z-Richtung
der zugehörigen
Einzelsensoren der Messwert Cm(x) des Magnetfeldsensors 130 in
der Vorzugsmessrichtung Vm2 ermittelt gemäß: Cm(x)
= Mx2·cos(γ3) – Mz2·sin(γ3)
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Mit
diesen Werten ergibt sich für
den Hilfspollagewinkel γ1
wieder:
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Der
gesuchte Pollagewinkel γ errechnet
sich dann gemäß:
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In
der 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Pollagemesseinrichtung
gezeigt. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 11 verarbeitet
die Auswerteinrichtung 140 andere Messwerte, um die Vorzugsmess richtungen
Vm1 und Vm2 bzw. den optimalen Drehwinkel γ3 zu ermitteln und die Magnetfeldsensoren 120 und 130 entsprechend
einzustellen bzw. auszuwerten.
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Konkret
berücksichtigt
die Auswerteinrichtung 140 einen eingangseitig anliegenden
Spaltabstandsmesswert SP, der den jeweiligen Spaltabstand zwischen
dem Tragmagneten 60 und der streckenseitigen Reaktionsschiene 30 der
Magnetschwebebahnstrecke angibt. Außerdem berücksichtigt die Auswerteinrichtung 140 einen
eingangseitig anliegenden Tragmagnetstrommesswert It, der den Tragmagnetstrom
durch den Tragmagneten 60 angibt.
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In
der Auswerteinrichtung 140 liegt eine abgespeicherte Tabelle
vor, die in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Spaltabstandsmesswert SP und dem jeweiligen Tragmagnetstromwert
It den jeweils günstigsten Drehwinkel γ3 anzeigt.
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Die
Tabelle wird vorzugsweise vorab erzeugt, indem jeweils für unterschiedliche
Spaltabstände
SP und unterschiedliche Tragmagnetströme It die optimale Messrichtung
gemessen wird. Die Tabelle kann von der Auswerteinrichtung 140 selbst
erzeugt werden oder aber, nach dem sie von bzw. mit einem anderen
Gerät erzeugt
worden ist, in dieser für
den weiteren Pollagemessbetrieb abgespeichert werden.
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Nachdem
der jeweils optimale Drehwinkel γ3
in Abhängigkeit
vom Spalt- und Stromwert aus der Tabelle ausgelesen worden ist,
stellt die Auswerteinrichtung 140 die Magnetfeldsensoren 120 und 130 entsprechend
ein, falls es sich um drehbare Magnetfeldsensoren (vgl. 2-9)
handelt, oder wertet deren Messwerte entsprechend aus, wenn es sich
im Magnetfeldsensoren mit orthogonalen Einzelsensoren handelt, wie sie
im Zu sammenhang mit der 10 und 11 beschrieben
worden sind. Die Bestimmung des Pollagewinkels erfolgt dann anschließend in
der oben beschriebenen Weise.
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Wie
anhand der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele dargelegt wurde,
kann die Pollagemesseinrichtung in Fahrtrichtung vor dem vordersten
Tragmagneten des Magnetschwebefahrzeugs oder hinter dem hintersten
Tragmagneten des Magnetschwebefahrzeugs angebracht sein. Alternativ
und ebenfalls vorteilhaft kann die Pollagemesseinrichtung jedoch
auch anders angeordnet werden, und zwar seitlich versetzt (in Fahrzeug-y-Richtung) neben den
Tragmagneten 60 des Magnetschwebefahrzeugs 10,
so dass die Pollagemesseinrichtung dort betrieben wird. Auch in
diesem Falle kann eine Ausblendung der Streufelder des bzw. der Tragmagneten 60 – in der
oben beschrieben Weise – erfolgen.
Bei einer Anordnung seitlich neben den Tragmagneten ist es außerdem möglich, die
Pollagemesseinrichtung nicht nur vorne und/oder hinten, sondern
zusätzlich
oder alternativ auch im mittleren Bereich des Magnetschwebefahrzeugs
zu montieren.
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- 10
- Magnetschwebefahrzeug
- 20
- Magnetschwebebahnstrecke
- 30
- streckenseitiger
Stator
- 40
- Statornuten
- 50
- Statorzähne
- 60
- Tragmagnet
- 70
- Magnetspulen
- 100
- Pollagemesseinrichtung
- 110
- Träger
- 120,
130
- Magnetfeldsensoren
- 140
- Auswerteinrichtung
- E140
- Eingabeanschluss
- 190
- Leitung
- 200
- Magnetfeldsensor
- 210
- Einzelsensor
- 220
- Einzelsensor
- A
- Abstand
- Bm
- magnetische
Bezugsachse der Pollagemesseinrichtung
- Bs
- magnetische
Bezugsachse des Stators
- BS'
- Hilfsbezugsachse
- Bf
- magnetische
Bezugsachse des Magnetschwebefahrzeugs
- H
- magnetische
Feldstärke
- Mx.My
- Messwerte
der Einzelsensoren
- S
- Grundwelle
des Statormagnetfeldes
- T
- Tragmagnetfeld
- Ts
- Störfeldanteil
des Tragmagnetfelds
- V
- Versatz
- Sm,
Cm
- Messwerte
- Sm,
Cm
- Zeiger
- α
- Richtungswinkel
des Tragmagnetfeldes
- γ
- Pollagewinkel
- γ2
- Versatzwinkel
- γ1
- Hilfspollagewinkel
- γ3
- Drehwinkel