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Verfahren
und Einrichtung zum Messen des Pollagewinkels eines Magnetschwebefahrzeugs
einer Magnetschwebebahn 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 vorbekannten Pollagemesseinrichtungen sind jeweils
mit einem Magnetfeldsensorpaar zum Messen des Statormagnetfeldes
des streckenseitigen Stators der Magnetbahnstrecke ausgestattet.
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 jeweils 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 mit mindestens drei in Fahrzeuglängsrichtung beabstandet angeordneten
Magnetfeldsensoren das Statormagnetfeld betreffende Messwerte erfasst
werden, dass mit den Messwerten der Magnetfeldsensoren für jede Magnetfeldsensorposition
jeweils ein Feldstärkewert
des Statormagnetfeldes ermittelt wird und dass mit zumindest einer
Teilgruppe der Messwerte der Magnetfeldsensoren der Pollagewinkel
ermittelt wird, wenn die ermittelten Feldstärkewerte vorgegebene Mindestkriterien
erfüllen,
und andernfalls ein Fehlersignal erzeugt wird.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass aufgrund
der Berücksichtigung
von zumindest drei Magnetfeldsensoren zuverlässigere Pollagemessergebnisse
erzielt werden können
als bisher, weil nämlich
Störstellen
im streckenseitigen Stator oder im Bereich des streckenseitigen
Stators erkannt und daraus resultierende Fehler im Pollagewinkelwert
vermieden werden können.
Unterstellt man beispielsweise, dass an einer Störstelle das Statormagnetfeld
größer oder
kleiner ist als in ungestörten
Bereichen, so kann dies durch einen Vergleich der Messergebnisse
bei drei oder mehr Magnetfeldssensoren erkannt werden; dies ermöglicht es
beispielsweise, nur ungestörte
Messwerte zu verwerten oder im Falle einer zu erheblichen Störung ein
Fehlersignal zu erzeugen.
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Vorzugsweise
wird zur Bildung der Feldstärkewerte
des Statormagnetfeldes die Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-x-Richtung und die
Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-z-Richtung berücksichtigt. Beispielsweise
wird der Feldstärkewert
des Statormagnetfeldes für
jede Magnetfeldsensorposition gebildet gemäß
wobei x die Magnetfeldsensorposition,
Hsx die Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-x-Richtung und Hsz die
Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-z-Richtung bezeichnen.
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Besonders
bevorzugt wird für
jede Magnetfeldsensorposition jeweils die Statormagnetfeldkomponente in
Fahrzeug-x-Richtung und die Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-z-Richtung
gemessen, und der Feldstärkewert
wird mit den gemessenen Messwerten für die Statormagnetfeldkomponente
in Fahrzeug-x-Richtung
und für
die in Fahrzeug-z-Richtung ermittelt. Somit wird der Feldstärkewert
hier ausschließlich
mit gemessenen Magnetfeldkomponenten gebildet, die sich auf die
jeweilige Magnetfeldposition beziehen.
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Alternativ
kann für
jede Magnetfeldsensorposition jeweils entweder die Statormagnetfeldkomponente in
Fahrzeug-x-Richtung
oder die Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-z--Richtung gemessen
werden; in diesem Falle wird beispielsweise die jeweils andere Statormagnetfeldkomponente
für jede
Magnetfeldsensorposition rechnerisch ermittelt, und zwar mit einem
Messwert an einer um τ/2
in Fahrzeuglängsrichtung
nach vorn oder nach hinten versetzten Position, wobei τ die Wellenlänge der
Grundwelle des streckenseitigen Statormagnetfeldes bezeichnet. Somit
wird hier der Feldstärkewert
mit Messwerten gebildet, die von unterschiedlichen Messpositionen
stammen.
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Auch
können
für jede
Magnetfeldsensorposition jeweils zwei Feldstärkewerte ermittelt werden,
wobei einer der Feldstärkewerte
mit der an der Magnetfeldsensorposition gemessenen Statormagnetfeldkomponente
sowie mit der um τ/2
in Fahrzeuglängsrichtung
nach vorn versetzt gemessenen Statormagnetfeldkomponente gebildet
wird und wobei der andere Feldstärkewert
mit der an der Magnetfeldsensorposition gemessenen Statormagnetfeldkomponente
sowie mit der um τ/2
in Fahrzeuglängsrichtung
nach hinten versetzt gemessenen Statormagnetfeldkomponente gebildet
wird. In diesem Falle werden beispielsweise Messwerte an einer Magnetfeldsensorposition
nur dann berück sichtigt,
wenn zumindest einer der für
die jeweilige Magnetfeldsensorposition gebildeten Feldstärkewerte
die vorgegebenen Mindestkriterien erfüllt.
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Beispielsweise
kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass für jede Magnetfeldsensorposition
mit dem an dieser Position angeordneten Magnetfeldsensor jeweils
die Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-x-Richtung gemessen wird
und dass die zugehörige
Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-z-Richtung für diese Position rechnerisch
ermittelt wird, und zwar mit dem Messwert in Fahrzeug-x-Richtung
desjenigen Magnetfeldsensors, der zu dieser Magnetfeldsensorposition
um τ/2 in
Fahrzeuglängsrichtung nach
vorn oder nach hinten versetzt ist. Vorzugsweise wird für jede Magnetfeldsensorposition
jeder in Fahrzeug-x-Richtung gemessene Messwert zumindest doppelt
verwendet, nämlich
einmal als Messwert in Fahrzeug-x-Richtung für die jeweilige Magnetfeldsensorposition
und zumindest einmal als Messwert in Fahrzeug-z-Richtung für eine nach
vorn oder nach hinten um τ/2
in Fahrzeuglängsrichtung
versetzte Magnetfeldsensorposition.
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Alternativ
kann das Verfahren auch derart durchgeführt werden, dass für jede Magnetfeldsensorposition
mit dem an dieser Position angeordneten Magnetfeldsensor jeweils
die Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-z-Richtung gemessen wird
und dass die zugehörige
Statormagnetfeldkomponente in Fahrzeug-x-Richtung für diese Position rechnerisch
ermittelt wird, und zwar mit dem Messwert in Fahrzeug-z-Richtung
desjenigen Magnetfeldsensors, der zu dieser Magnetfeldsensorposition
um τ/2 in
Fahrzeuglängsrichtung nach
vorn oder nach hinten versetzt ist. Beispielsweise wird für jede Magnetfeldsensorposition
jeder an dieser Position in Fahrzeug-z-Richtung gemessene Messwert
zumindest doppelt verwendet, nämlich
einmal als Messwert in Fahrzeug-z-Richtung für die jeweilige Magnetfeldsensorposition
und zumindest einmal als Messwert in Fahrzeug-x-Richtung für eine nach vorn oder nach
hinten um τ/2
in Fahrzeuglängsrichtung
versetzte Magnetfeldsensorposition.
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Vorzugsweise
werden die Messwerte der Magnetfeldsensoren in zumindest zwei Messwertuntergruppen
unterteilt, wobei die Messwerte einer ersten Messwertuntergruppe
zur Bildung des Pollagewinkels herangezogen und die Messwerte der übrigen Messwertuntergruppen
verworfen werden.
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Beispielsweise
kann anhand der ermittelten Feldstärkewerte ein kleinstmögliches
Feldstärkefenster bestimmt
wird, in dem eine vorgegebene Anzahl an Feldstärkewerten enthalten ist. In
diesem Falle werden die Messwerte für diejenigen Magnetfeldsensorpositionen,
für die
der zugehörige
Feldstärkewert
innerhalb des Feldstärkefensters
liegt, zur Bildung des Pollagewinkels herangezogen, und die übrigen Messwerte
werden verworfen.
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Die
vorgegebene Anzahl an Feldstärkewerten,
die innerhalb des Feldstärkefensters
liegen müssen, beträgt beispielsweise
mindestens 50% der zur Verfügung
stehenden Feldstärkewerte.
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Vorzugsweise
wird die Fenstergröße des Feldstärkefensters
ermittelt, und es wird ein Fehlersignal erzeugt, wenn das Feldstärkefenster
eine Maximalfenstergröße überschreitet.
Die Maximalfenstergröße kann beispielsweise
in Abhängigkeit
von dem Mittelwert der innerhalb des Feldstärkefensters liegenden Feldstärkewerte
ermittelt werden. Bevorzugt beträgt
die Maximalfenstergröße weniger
als ±25%,
vorzugsweise weniger als ±10%,
des Mittelwerts der innerhalb des Feldstärkefensters liegenden Feldstärkewerte.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann geprüft
werden, ob eine Mindestanzahl an Feldstärkewerten, die innerhalb der
ersten Messwertgruppe bzw. innerhalb des Feldstärkefensters liegen, zu Magnetfeldsensorpositionen gehört, die
unmittelbar benachbart sind: Falls ja, werden die Messwerte verwertet,
andernfalls wird ein Fehlersignal erzeugt. Die Mindestanzahl kann
beispielsweise fest vorgegeben sein. Alternativ kann die Mindestanzahl
in Abhängigkeit
von der Anzahl der innerhalb der ersten Messwertgruppe bzw. innerhalb
des Feldstärkefensters
liegenden Feldstärkewerte
festgelegt werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann geprüft
werden, ob der kleinste Feldstärkewert,
der innerhalb der ersten Messwertgruppe bzw. innerhalb des Feldstärkefensters
liegt, einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet: Falls ja, werden
die Messwerte verwertet, andernfalls wird ein Fehlersignal erzeugt.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann mit den Feldstärkewerten
der Magnetfeldsensoren ein Mittelwert gebildet werden: Wenn der
Mittelwert einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet, werden die Messwerte
verwertet, andernfalls wird ein Fehlersignal erzeugt.
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Auch
ist es möglich,
dass Verfahren derart durchzuführen,
dass mit den Feldstärkewerten
ein Varianzwert ermittelt wird und dass die Messwerte der Magnetfeldsensoren
zur Bildung des Pollagewinkels verwendet werden, wenn der Varianzwert
einen vorgegebenen Maximalvarianzwert unterschreitet, und dass andernfalls ein
Fehlersignal erzeugt wird.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf eine Pollagemesseinrichtung für ein Magnetschwebefahrzeug
einer Magnetschwebebahn mit einer Auswerteinrichtung, die mit Messwerten
von Magnetfeldsensoren den Pollagewinkel zwischen dem Statormagnetfeld
eines streckenseitigen Stators 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 mit der Auswerteinrichtung mindestens drei in Fahrzeuglängsrichtung
beabstandet angeordnete Magnetfeldsensoren in Verbindung stehen
und die Auswerteinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie mit
den Messwerten der Magnetfeldsensoren für jede Magnetfeldsensorposition
jeweils einen Feldstärkewert
des Statormagnetfeldes ermittelt und mit zumindest einer Teilgruppe
der Messwerte der Magnetfeldsensoren der Pollagewinkel bildet, wenn
die ermittelten Feldstärkewerte
vorgegebene Mindestkriterien erfüllen,
und dass sie andernfalls ein Fehlersignal erzeugt.
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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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Vorzugsweise
weist die Auswerteinrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung
auf, die derart programmiert ist, dass sie die Messwerte der Magnetfeldsensoren
wie oben beschrieben auswerten kann.
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Die
Magnetfeldsensoren können äquidistant
angeordnet sein, beispielsweise entlang einer Linie, die parallel
neben oder in Fahrtrichtung vor oder hinter den Tragmagneten des
Magnetschwebefahrzeugs verläuft.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei
zeigen beispielhaft:
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1 ein
Magnetschwebefahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Pollagemesseinrichtung,
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2 das
erste Ausführungsbeispiel
für die
Pollagemesseinrichtung gemäß 1 im
Detail,
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3 Messwertverläufe zur
Erläuterung
der Arbeitsweise der Pollagemesseinrichtung gemäß 2 für den Fall
einer Messung der Magnetfeldkomponente in x-Richtung,
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4 komplexe
Messzeiger zu den Messwertverläufen
gemäß der 3,
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5 Messwertverläufe im Falle
von Störstellen
im streckenseitigen Stator,
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6 Messwerte
der Magnetfeldsensoren der Pollagenmesseinrichtung gemäß der 2,
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7 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Pollagenmesseinrichtung gemäß der 2,
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8 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für eine
Pollagemesseinrichtung,
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9 ein
drittes Ausführungsbeispiel
für eine
Pollagemesseinrichtung, bei der die Magnetfeldsensoren jeweils in
zwei orthogonalen Richtungen messen, und
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10 ein
Magnetschwebefahrzeug mit einer seitlich neben den Tragmagneten
angeordneten Pollagemesseinrichtung.
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In
den 1 bis 10 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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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
für die
Pollagemesseinrichtung 100 gemäß der 1 ist näher in der 2 in
einer vergrößerten Darstellung
gezeigt. Die Pollagemesseinrichtung 100 weist eine Sensorgruppe
mit fünf
richtungsselektiven Magnetfeldsensoren MS1 bis MS5 zum Messen des
Statormagnetfeldes S des streckenseitigen Stators 30 (vgl. 1)
auf. Jeder der Magnetfeldsensoren MS1 bis MS5 weist jeweils zwei
Einzelsensoren auf, die im Abstand von τ/2 angeordnet sind, wobei τ die Wellenlänge der
Grundwelle des Statormagnetfeldes bezeichnet; die Einzelsensoren
sind mit den Bezugszeichen E1 bis E10 gekennzeichnet. Im Falle einer
Wellenlänge τ von beispielsweise
258 mm beträgt
der Abstand τ/2
beispielsweise 129 mm. Grundsätzlich
sind aber auch geringere Abstände
möglich,
sofern die Messwerte der Einzelsensoren entsprechend korrigiert
werden; darauf soll hier aber aus Gründen der Übersicht nicht weiter eingegangen
werden.
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Einer
der Magnetfeldsensoren, hier beispielsweise der Magnetfeldsensor
MS1, ist an der Stelle x0 angeordnet und bildet eine messtechnische
Bezugsachse Bm der Pollagemesseinrichtung 100. Die Magnetfeldsensoren
können
beispielsweise durch Hallsensoren oder magnetoresistive Sensoren
gebildet sein.
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Die
Pollagemesseinrichtung 100 weist außerdem eine mit den Magnetfeldsensoren
MS1 bis MS5 verbundene Auswerteinrichtung 140 auf, deren
Aufgabe darin besteht, mit den Messwerten der Einzelsensoren E1
bis E10 und damit der Magnetfeldsensoren MS1 bis MS5 den Pollagewinkel γ zu ermitteln,
beispielsweise zu errechnen. Die Auswerteinrichtung 140 kann
beispielsweise durch eine programmierbare Mikroprozessoreinrichtung
gebildet sein.
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Die
Magnetfeldsensoren MS1 bis MS5 weisen jeweils eine Vorzugsmessrichtung
auf; die Vorzugsmessrichtung gibt an, welche Magnetfeldkomponenten
die Magnetfeldsensoren messen können
bzw. für
welche Messrichtungen sie sensibel sind. Bei der Darstellung gemäß der 2 sind
die Einzelsensoren bzw. die Magnetfeldsensoren 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 der
Magnetfeldsensoren MS1 bis MS5 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)Moduln(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 der Sensorgruppe
den Hilfspollagewinkel γ1
bilden kann, wird nachfolgend anhand der 3 und 4 zunächst erklärt, wie
ein Einzelpollagewinkel γ1'(x0) für die Magnetfeldsensorposition
x0 des Magnetfeldsensors MS1 anhand der Messwerte der Einzelsensoren
E1 und E2 ermittelt werden kann, wenn die Vorzugsmessrichtungen
der Magnetfeldsensoren entlang der x-Richtung, also der Fahrzeuglängsrichtung,
ausgerichtet sind und somit die x-Komponente des Magnetfeldes messen.
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Im
oberen Teil der 3 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 x-Komponente Hsx der magnetischen Feldstärke des
Statormagnetfeldes S eingezeichnet.
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Im
mittleren Abschnitt der 3 erkennt man den Verlauf der
Amplitude Hsx der magnetischen Feldstärke Hs in Fahrzeuglängsrichtung
x. Es lässt
sich erkennen, dass die Feldstärke
sinusförmig
verläuft.
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Im
unteren Abschnitt der 3 sind Einzelsensoren E1 und
E2 dargestellt; der Abstand A beträgt hier τ/2, so dass die beiden Einzelsensoren
zueinander orthogonale Messsignale erzeugen. Es wird nun beispielhaft
davon ausgegangen, dass der Einzelsensor E1 Messwerte Sm auf der
Sinus-Spur und der Einzelsensor E2 Messwerte Cm auf der Cosinus-Spur
liefert; damit ist gemeint, dass der Einzelsensor E1 als Messsignal einen
Sinusverlauf erzeugt, wenn er ausgehend von der Stelle x = 0 in
Fahrtrichtung nach vorn verschoben wird, und dass der Einzelsensor
E2 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 Einzelpollagewinkel γ1' des Sensorpaars
E1 und E2 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 Einzelsensoren näherungsweise gleich
ist.
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Damit
kann der Einzelpollagewinkel γ1'(x0) 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 +n/2
definiert.
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Zur
weiteren Veranschaulichung ist in der 4 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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In
entsprechender Weise können
nun für
die Magnetfeldsensoren MS2 bis MS5 und damit für die Positionen x0 + τ, x0 + 2·τ, x0 + 3·τ und x0 +
4·τ entsprechende
Einzelpollagewinkel γ1'(x0 + τ), γ1'(x0 + 2·τ), γ1'(x0 + 3·τ) und γ1'(x0 + 4·τ) gebildet
werden, indem die entsprechenden Messwerte der Magnetfeldsensoren
MS2 bis MS5 ausgewertet werden.
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Der
resultierende Hilfspollagewinkel γ1
kann nun beispielsweise durch eine Mittelwertbildung der Einzelpollagewinkel γ1'(x0 + i·τ) errechnet
werden, beispielsweise gemäß
wobei k die Anzahl der ermittelten
Einzelpollagewinkel bzw. die Anzahl der Magnetfeldsensoren (hier
k = 4) und γk(i·τ) den Pollagewinkelversatz
zwischen den Stellen x0 und x0 + i·τ berücksichtigt. Für γk(i·τ) gilt
γk(i·τ) = i·π -
Die
beschriebene Mittelwertbildung führt
zu gut verwertbaren Ergebnissen, solange das Statormagnetfeld S
entlang der x-Richtung
keine Störstellen
aufweist. Falls derartige Störstellen
vorhanden sind, können nicht
mehr alle Einzelpollagewinkel verwertet werden, weil diese fehlerbehaftet
sind.
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Um
dies näher
zu erläutern,
ist in der 5 ein streckenseitiger Stator 30 gezeigt,
bei dem das Statormagnetfeld S entlang der x-Richtung nicht gleichmäßig angeregt
wird, weil von den Statornuten N1 bis N16 die Statornuten N7 und
N10 nicht mit Leitern 190 ausgestattet sind. Man erkennt,
dass sowohl die horizontale Feldkomponente Hsx des Feldstärkevektors
Hs als auch die vertikale Feldkomponente Hsz des Feldstärkevektors
Hs von dieser Störung
betroffen sind.
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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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Der
Betrag Hs des Feldstärkevektors
Hs errechnet sich gemäß |Hs x| =
Hs x = √Hsx x + Hsz x und ist
im Idealfall näherungsweise
konstant: Hs(x) ≈ H0.
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Der
Betrag Hs des Feldstärkevektors
Hs bildet einen Feldstärkewert
des Statormagnetfeldes S, der von der Störung bzw. der fehlerhaften
Statorwicklung betroffen ist. Den Verlauf des Feldstärkewerts
Hs zeigt die 5 ebenfalls beispielhaft. Man
erkennt, dass der Feldstärkewert
Hs im Bereich 191 der unbestückten Nuten N7 und N10 abfällt, und
dass es vor und nach diesem Bereich zu einem erhöhten Feldstärkewert Hs kommt; die Bereiche
mit erhöhtem
Feldstärkewert
sind durch Bezugszeichen 192 und 193 gekennzeichnet. Die
Feldstärkeüberhöhung ist
damit zu erklären,
dass aufgrund des Wegfalls des Feldes im Bereich der Nuten N7 und
N10 kompensierende Feldkomponenten wegfallen, die das Feld im Randbereich
betragsmäßig reduzieren
würden.
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Lässt man
diese Störung
des Statormagnetfeldes S unberücksichtigt,
indem man die bereits beschriebene Mittelwertbildung der Einzelpollagewinkel γ1'(x0 + i·τ) durchführt gemäß
so ergeben sich Fehler bei
der Bestimmung des Hilfspollagewinkels γ1, wie ebenfalls in der
5 ersichtlich ist.
Man erkennt in der
5 beispielhaft den gemäß Mittelwertbildung
errechneten Hilfspollagewinkels γ1(x), den
theoretisch richtigen Winkelverlauf γ1r(x) sowie den resultierenden
Winkelfehler Δγ(x). Der
Winkelfehler Δγ(x) wird
errechnet gemäß
Δγ(x) = γ1(x) – γ1r(x) -
Um
nun diejenigen Einzelpollagewinkel γ1'(x0 + i·τ) von der Bestimmung des Hilfspollagewinkels γ1 auszuschließen, die
von dieser Störung
betroffen sind, wird für
jede Magnetfeldsensorposition x0 + i·τ jeweils zunächst der zugehörige Feldstärkewert
Hs(x0 + i·τ) des Statormagnetfeldes
ermittelt, und zwar gemäß Hsx + τ = √Mx + τ + Mx + τ + τ wobei M(x0 + i·τ) den Messwert
für die
Feldkomponente Hsx des an der Stelle (x0 + i·τ) befindlichen Einzelsensors
und M(x0 + i·τ + τ/2) den Messwert
für die
Feldkomponente Hsx des an der Stelle x0 + i·τ + τ/2 befindlichen Einzelsensors
bezeichnet.
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Eine
Messverteilung für
die fünf
Feldstärkewerte
Hs(x0 + i·τ) zeigt beispielhaft
die 6.
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Man
erkennt, dass drei Feldstärkewerte
Hs(x0), HS(x0 + τ)
und HS(x0 + 2·τ), also mehr
als 50% der fünf
zur Verfügung
stehenden Feldstärkewerte,
innerhalb eines Feldstärkefensters
F liegen. Die Fenstergröße ΔF des Feldstärkefensters
ist kleiner als eine ebenfalls durch eine gestrichelte Linie angedeutete
Maximalfenstergröße ΔFmax. Die
Maximalfenstergröße ΔFmax beträgt beispielsweise ±10% des
Durchschnittswerts der drei innerhalb des Feldstärkefensters liegenden Feldstärkewerte
Hs(x0), HS(x0 + τ)
und HS(x0 + 2·τ). Außerdem überschreitet
der kleinste Feldstärkewert
innerhalb des Feldstärkefensters
F einen vorgegebenen Mindestwert Hmin. Auch ist eine Mindestanzahl
(hier beispielsweise 3) an Feldstärkewerten, die innerhalb des Feldstärkefensters
F liegen, unmittelbar zueinander benachbart. Da alle diese Kriterien
erfüllt
sind, lässt
sich der resultierende Hilfspollagewinkel γ1 nun mit den Messwerten der
drei Magnetfeldsensoren MS1, MS2 und MS3, deren Feldstärkewerte
innerhalb des Feldstärkefensters
F liegen, errechnen, indem mit diesen Messwerten die entsprechenden
drei Einzelpollagewinkeln γ1'(x0), γ1'(x0 + τ) und γ1'(x0 + 2·τ) ermittelt
und anschließend
mit letzteren der Hilfspollagewinkel γ1 errechnet wird, andernfalls
wird ein Fehlersignal SF ermittelt, das anzeigt, dass die Messwerte
für eine
Pollagebestimmung ungeeignet sind.
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Im
vorliegenden Falle erfolgt die Berechnung des Hilfspollagewinkels
gemäß:
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Die
Einzelpollagewinkel γ1'(x0 + 3·τ) und γ1'(x0 + 4·τ) bleiben
unberücksichtigt,
weil die Feldstärkewerte
der zugehörigen
Magnetfeldsensoren MS4 und MS5 außerhalb des Feldstärkefensters
F liegen.
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Das
Feldstärkefenster
F kann beispielsweise ermittelt werden, indem die Feldstärkewerte
aller Magnetfeldsensoren zunächst
gemittelt werden; um diesen Mittelwert wird dann das Feldstärkefenster
F herumgelegt und solange vergrößert, bis
50% der Feldstärkewerte
erfasst sind. Ist die resultierende Fenstergröße dann kleiner als beispielsweise ±10% des
Durchschnittswerts der innerhalb des Feldstärkefensters liegenden Feldstärkewerte,
so werden diese weiter verwendet, andernfalls wird ein Fehlersignal
erzeugt, wodurch signalisiert wird, dass die Messwerte keinen plausiblen
Pollagewinkelwert werden bilden können. Ein Algorithmus zur Feststellung,
ob die Messwerte zur Bildung eines Hilfspollagewinkels γ1 verwendet
werden sollen, zeigt beispielhaft die 7.
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In
mathematisch allgemeiner Form lautet die Gleichung für den Hilfspollagewinkel γ1 beispielsweise:
wobei Q(i) angibt, ob der
jeweilige Einzelpollagewinkel γ1'(x0 + i·τ) gebildet
und verwendet werden soll (Q(i) = 1) oder (Q(i) = 0) nicht.
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Alternativ
zu der beschriebenen Fensterbildung kann der Hilfspollagewinkel γ1 auch anders
bestimmt werden: Zunächst
wird mit den Feldstärkewerten
der Magnetfeldsensoren ein Mit telwert gebildet. Überschreitet der Mittelwert
einen vorgegebenen Mindestwert, so wird die Auswertung fortgesetzt,
andernfalls wird ein Fehlersignal erzeugt. Anschließend wird
mit den Feldstärkewerten
der Magnetfeldsensoren ein Varianzwert ermittelt: Wenn der Varianzwert
einen vorgegebenen Maximalvarianzwert unterschreitet, wird mit allen
Messwerten der Hilfspollagewinkel γ1 gebildet, andernfalls wird
ein Fehlersignal erzeugt. Alternativ kann der Hilfspollagewinkel γ1 auch mit
einer kleineren Anzahl an Messwerten gebildet werden, nämlich nur
mit denen, die zu Feldstärkewerten
gehören,
die innerhalb des durch die Varianz festgelegten Messwertintervalls
liegen.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
für die
Pollagemesseinrichtung 100 gemäß der 2 ist näher in der 8 gezeigt.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Messwerte
der Einzelsensoren „doppelt" ausgewertet, indem
mit den Messwerten der Einzelsensoren E1 bis E10 virtuelle zusätzliche
Magnetfeldsensoren MS6 bis MS9 gebildet werden. Dies soll am Beispiel
des virtuellen Magnetfeldsensors MS6 näher erläutert werden, der durch die
Einzelsensoren E2 und E3 gebildet ist.
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Für den Magnetfeldsensor
MS6 wird davon ausgegangen, dass der Einzelsensor E2 Messwerte Sm auf
der Sinus-Spur und der Einzelsensor E3 Messwerte Cm auf der Cosinus-Spur
liefert; damit ist gemeint, dass der Einzelsensor E2 als Messsignal
einen Sinusverlauf erzeugt, wenn er ausgehend von der Stelle x =
0 + τ/2
in Fahrtrichtung nach vorn verschoben wird, und dass der Einzelsensor
E3 als Messsignal einen Cosinusverlauf erzeugt, wenn er ausgehend
von der Stelle x = 0 + τ/2
in Fahrtrichtung nach vorn verschoben wird. Mit einem Verschieben
in x-Richtung verändert sich
der Einzelpollagewinkel γ1' relativ zur Bezugsachse
Bs entsprechend.
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Damit
kann der Einzelpollagewinkel γ1'(x0 + τ/2) ermittelt
werden gemäß:
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In
mathematisch allgemeiner Form lautet die Gleichung für den Hilfspollagewinkel γ1 in diesem
Falle:
wobei Q'(i) angibt, ob die Messwerte des entsprechenden
Magnetfeldsensors MS6 bis MS9 verwendet werden sollen (Q'(i) = 1) oder nicht
(Q'(i) = 0). Für γk·i·τ + τ gilt:
γk(i·τ + τ/2) = i·π + π/2 -
Bei
dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
wurde beispielhaft davon ausgegangen, dass die Einzelsensoren E1
bis E10 die horizontale Feldkomponente Hsx messen; selbstverständlich kann
der Hilfspollagewinkel γ1
auch anhand der vertikalen Feldkomponente Hsz ermittelt werden.
Bei der Bildung des Hilfspollagewinkels γ1 ist lediglich zu berücksichtigen,
dass die horizontale Feldkomponente Hsx und die vertikale Feldkomponente
Hsz um 90° Grad
versetzt sind, was bei der Pollagebestimmung durch eine entsprechende Winkelkorrektur
ausgeglichen werden muss, wenn sich beispielsweise die magnetische
Bezugsachse (Bf) des Magnetschwebefahrzeugs auf die horizontale
Feldkomponente Hsx des Statormagnetfeldes bezieht, aber die vertikale
Feldkomponente des Statormagnetfeldes gemessen werden soll; Entsprechendes
gilt für
den umgekehrten Fall.
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Soll
der Hilfspollagewinkel γ1
beispielsweise mit den vertikalen Feldkomponenten ermittelt werden, obwohl
sich der Pollagewinkel auf die horizontale Feldkomponente des Statormagnetfeldes
bezieht, so kann zunächst – wie oben
beschrieben – vorgegangen
werden; der resultierende Hilfspollagewinkel γ1(vertikal) wird dann anschließend lediglich
in einen "horizontalen
Hilfspollagewinkel γ1(horizontal)" umgerechnet gemäß: γ1(horizontal)
= γ1(vertikal)
+ π/2
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In
der 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Pollagemesseinrichtung
gezeigt. Im Unterschied zu dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
wird an jeder Messstelle von jedem Magnetfeldsensor MS1 bis MS10
sowohl die horizontale Feldkomponente Hsx als auch die vertikale
Feldkomponente Hsz des Statormagnetfeldes gemessen, so dass für jede Magnetfeldsensorposition
x jeweils ein Feldstärkewert
Hs(x) mit Messwerten ermittelt werden kann, die sich auf ein und
dieselbe Messstelle x beziehen. Für die Bestimmung der Feldstärkewerte
Hs(x0 + i·τ) des Statormagnetfeldes
ergibt sich damit: Hsx + τ = √Mx
+ τ + Mzx
+ τ wobei
Mx(x0 + i·τ) den Messwert
für die
x-Komponente an der Stelle (x0 + i·τ) und Mz(x0 + i·τ) den Messwert für die z-Komponente an der
Stelle x0 + i·τ bezeichnet.
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Im Übrigen kann
dann die Auswertung und die Berechnung des Hilfspollagewinkels γ1 durchgeführt werden,
wie dies oben im Zusammenhang mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
erläutert
wurde.
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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-γ-Richtung) neben den
Tragmagneten 60 des Magnetschwebefahr zeugs 10,
so dass die Pollagemesseinrichtung dort betrieben wird. Eine solche
Anordnung zeigt beispielhaft die 10.
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- 10
- Magnetschwebefahrzeug
- 20
- Magnetschwebebahnstrecke
- 30
- streckenseitiger
Stator
- 40
- Statornuten
- 50
- Statorzähne
- 60
- Tragmagnet
- 70
- Magnetspulen
- 100
- Pollagemesseinrichtung
- 110
- Träger
- 140
- Auswerteinrichtung
- E140
- Eingabeanschluss
- 190
- Leitung
- 191
- Bereiche
mit reduziertem Feldstärkewert
- 192,
193
- Bereiche
mit erhöhtem
Feldstärkewert
- MS–MS10
- Magnetfeldsensoren
- E1–E10
- Einzelsensoren
- Bm
- magnetische
Bezugsachse der Pollagemesseinrichtung
- Bs
- magnetische
Bezugsachse des Stators
- BS'
- Hilfsbezugsachse
- Bf
- magnetische
Bezugsachse des Magnetschwebefahrzeugs
- H
- magnetische
Feldstärke
- S
- Grundwelle
des Statormagnetfeldes
- T
- Tragmagnetfeld
- Ts
- Störfeldanteil
des Tragmagnetfelds
- V
- Versatz
Pollagewinkel
- γ2
- Versatzwinkel
- γ1
- Hilfspollagewinkel