用于磁悬浮铁路的磁悬浮车辆的极位置测量装置及其运行方法

摘要

本发明除了别的之外涉及一种用于磁悬浮铁路的磁悬浮车辆(10)的极位置测量装置(100)，具有用于测量路段侧的定子(30)的定子磁场(S)的磁场传感器对，其中以预定的间隔(A)设置磁场传感器对的两个磁场传感器(120，130)，并且具有分析装置(140)，该分析装置利用两个磁场传感器的测量值(Sm，Cm)确定在路段侧的定子的定子磁场(S)和磁悬浮车辆的磁参考轴(Bf)之间的极位置角(γ)。按照本发明，在两个磁场传感器之间的间隔小于路段侧的定子磁场的基波的半波长(τ/2)，并且这样构造所述分析装置，使得其利用这样设置的磁场传感器的测量值确定所述极位置角。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有按照权利要求1的上位概念的特征的、用于磁悬浮铁路的磁悬浮车辆的极位置测量装置。

背景技术

这种用于磁悬浮车辆的极位置测量装置例如被应用于Transrapid中。极位置测量装置被安装在前面和后面，具体说是在车辆两侧上(也就是从行驶方向上看是左边和右边)，并且分别配备有用于测量磁悬浮铁路路段的路段侧的定子的定子磁场的磁场传感器对。传感器对的定位和工作方式在以下结合右前面的传感器对举例描述；但是该解释也类似地适合于其余的传感器对。右前面的磁场传感器对的磁场传感器分别被固定在支架上，在该支架上还安装了磁悬浮车辆的右前面的支承磁铁。两个磁场传感器之间的间隔为τ/2，也就是具体为129mm，其中τ表示路段侧的定子磁场的基波的波长并且为258mm。与磁场传感器对的两个磁场传感器相连的是分析装置，该分析装置利用两个磁场传感器的测量值确定在路段侧的定子的定子磁场和磁悬浮车辆的磁参考轴之间的极位置角。此外，在Transrapid类型的磁悬浮车辆中在极位置测量装置和相邻的支承磁铁之间还有用于产生磁场的主动测量线圈；与该测量线圈相连的是探测装置，用该探测装置确定，是否在测量线圈的紧邻的附近有路段侧的定子的定子槽或定子齿。探测装置通过数定子槽和/或定子齿进行增量的位置测量。测量线圈和探测装置位于一个外壳内，该外壳(在车辆纵向上看)具有120mm的长度并且被设置在支承磁铁和极位置测量装置之间。

发明内容

从所描述种类的极位置测量装置出发，本发明要解决的技术问题是，如下地进一步扩展该极位置测量装置，使得可以节省位置。按照本发明，上述技术问题是通过权利要求1的标志特征解决的。本发明的优选实施方式在从属权利要求中给出。

据此，按照本发明，两个磁场传感器之间的间隔小于路段侧的定子磁场的基波的半波长，并且如下地构造所述分析装置，使得其利用这样设置的磁场传感器的测量值确定极位置角。

按照本发明的方法的一个主要优点是，通过磁场传感器的比迄今为止更紧密的设置实现了用于其它应用的空间；如果不期望其它的应用，则可替换地例如将空出的空间用于缩短磁悬浮车辆的车头或者车尾范围。

本发明的另一个主要优点是，通过磁场传感器的紧密设置使得可以与迄今为止不同地在磁悬浮车辆上定位这些磁场传感器；例如可以将其安装在本文开头已经提到的外壳内部，在Transrapid中用于增量的位置测量的测量线圈和探测装置位于该外壳中。迄今为止在Transrapid中这样的定位是不可能的，因为磁场传感器之间的间隔大于该外壳。

通过分析装置利用两个磁场传感器的测量值确定辅助测量值(这些辅助测量值对应于如在以路段侧的定子磁场的基波的半波长的间隔设置磁场传感器的情况下出现的测量值)，并且通过分析装置利用以这种方式形成的辅助测量值确定极位置角，分析装置可以特别简单并且由此具有优势地形成极位置角。

就简单的和成本低的安装来说具有优势的是，两个磁场传感器被设置在一个共同的外壳中并且该外壳被固定在轨道车辆中或轨道车辆上。例如，该外壳被固定在还支撑磁悬浮车辆的至少一个支承磁铁的支架上。

因为在两个磁场传感器之间的间隔对应于路段侧的定子磁场的基波的半波长减去差间隔，所以具有优势的是，这样构造分析装置，使得其利用对应于差间隔值的或者考虑差间隔值的校正角并且利用两个磁场传感器的测量值确定极位置角。

例如，分析装置具有输入接口，在该输入接口上可以输入给出两个磁场传感器之间的间隔的间隔值或者差间隔值；在这种情况下优选地这样构造分析装置，使得其从间隔值或者差间隔值以及路段侧的定子磁场的基波的波长中确定校正角本身。

作为替换，分析装置可以具有输入接口，在该输入接口上可以直接输入校正角、也就是其本身；在该实施方式中取消了在分析装置内部或者通过分析装置计算地确定校正角。

分析装置可以特别简单并且由此具有优势地利用辅助测量值根据下式确定辅助极位置角

γ1＝atan2(H1/H2)

其中，γ1表示辅助极位置角并且H1和H2表示辅助测量值。然后利用辅助极位置角γ1算出所求的极位置角γ。在此，函数atan2被以公知方式理解为正切角函数的反函数，其中，除了商tan(x)＝sin(x)/cos(x)之外，通过考虑分子的符号达到-π至+π的有效区间，也就是所求的角γ1的完整周期；而函数atan(x)仅在区间-π/2至+π/2中定义。

在考虑两个磁场传感器的测量值的条件下利用分析装置优选地如下确定辅助测量值：

$>H1=\frac{\mathrm{Sm}·\cos \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}-\frac{\mathrm{Cm}·\sin \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}$>

$>H2=\frac{\mathrm{Cm}·\cos \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}-\frac{\mathrm{Sm}·\sin \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}$>

其中，Sm和Cm表示两个测量传感器的测量值并且β表示已经提到的校正角。

分析装置例如如下确定校正角：

$>\beta =\frac{\frac{\tau }{2}-A}{\tau }·\frac{\pi }{2}$>

其中A表示间隔，τ表示路段侧的定子磁场的基波的波长。

就特别大的位置节省来说，具有优势的是，本文开头结合Transrapid已经提到的用于增量的位置测量的测量线圈被设置在传感器对的两个磁场传感器之间。得到的布局优选地被安置在同一外壳中。

此外，本发明还涉及一种用于测量磁悬浮铁路路段的路段侧的定子的磁场和位于磁悬浮铁路路段上的磁悬浮车辆的磁参考轴之间的极位置角的方法，其中，利用磁场传感器对来测量路段侧的定子的磁场，并且利用两个磁场传感器的测量值确定极位置角。

与此相关本发明要解决的技术问题是，提出一种可以利用尽可能小的位置需求实施的方法。

上述技术问题是如下地解决的：利用磁场传感器的测量值确定极位置角，这些磁场传感器的互相之间的间隔小于路段侧的定子磁场的基波的半波长。

关于按照本发明的方法的优点和关于按照本发明的方法的优选实施方式的优点，参见上面结合按照本发明的极位置测量装置的实施方式。

附图说明

以下结合实施例详细解释本发明；在此示例性地：

图1示出了具有按照本发明的极位置测量装置的实施例的磁悬浮车辆，

图2以放大图示出了按照图1的极位置测量装置，

图3示出了用于解释对于以τ/2的间隔设置传感器的情况下按照图2的极位置测量装置的工作原理的测量值变化，

图4示出了按照图3的测量值变化的复数测量向量，

图5示出了对于磁场传感器的间隔小于τ/2的情况下的测量向量，以及

图6示出了按照本发明的极位置测量装置的另一实施例。

在图1至6中对于相同或类似的组件为清楚起见使用相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中可以看出位于磁悬浮铁路路段20上的磁悬浮车辆10的前面区域。在图1中从磁悬浮铁路路段可以看出路段侧的定子30，其被构造为具有定子槽40和定子齿50。

在图1中未进一步示出的用于产生定子磁场的励磁线圈位于定子槽40中。定子磁场的基波在图1中用附图标记S表示。通过励磁线圈的设置或者说位置来定义定子30的磁参考轴Bs。

此外，在图1中示出磁悬浮车辆10的前面的支承磁铁60；该支承磁铁具有产生用于举起磁悬浮车辆10的支承磁场的励磁线圈70。支承磁场在图1中用附图标记T表示。通过支承磁铁60的设置或者说位置定义了磁悬浮车辆10的磁参考轴Bf。

在行驶方向F上在支承磁铁60之前安装了极位置测量装置100；极位置测量装置100的任务是，确定在定子的磁参考轴Bs和磁悬浮车辆10的磁参考轴Bf之间的极位置角γ。

极位置测量装置100与支承磁铁60一样被安装在磁悬浮车辆10的共同的支架110上。

在图2中以放大的图详细示出按照图1的极位置测量装置100的一种实施例。极位置测量装置100具有用于测量路段侧的定子30(参考图1)的定子磁场S的磁场传感器对；磁场传感器对的两个磁场传感器120和130互相之间具有预定的间隔A。两个磁场传感器中的一个120或130，此处例如是磁场传感器120，形成极位置测量装置100的测量技术的参考轴Bm。

此外，极位置测量装置100具有与两个磁场传感器120或130相连的分析装置140，其任务是用磁场传感器120和130的测量值Sm和Cm确定(例如计算)极位置角γ。

两个磁场传感器120和130之间的间隔A优选小于120mm，从而两个磁场传感器120和130与分析装置140可以被安装在(从行驶方向上看)具有120mm长度的外壳150中。

分析装置140利用两个磁场传感器120和130的测量值Sm和Cm确定极位置角γ。为此，其首先测量在极位置测量装置100的测量技术的参考轴Bm和与定子30的磁参考轴Bs以2π的倍数偏移的辅助参考轴BS′(参考图1)之间的辅助极位置角γ1。

其将偏移角γ2加到辅助极位置角γ1，该偏移角γ2给出在磁悬浮车辆10的磁参考轴Bf和极位置测量装置100的测量技术的参考轴Bm之间的按照相位角的偏移。从得到的和数γ1+γ2中减去其中包含的2π的整数倍，由此形成所求的极位置角γ。计算极位置角γ的数学公式为：

γ＝(γ1+γ2)模(2*π)

根据机械的偏移V按照如下的公式来确定给出在磁悬浮车辆10的磁参考轴Bf和极位置测量装置100的测量技术的参考轴Bm之间的按照相位角的偏移的偏移角γ2：

γ2＝V/τ*π

其中，τ表示定子磁场的基波的波长并且例如为258mm。

偏移角γ2例如被固定地为分析装置140预先给出并且被存储在分析装置140中。作为替换，还可以将偏移V固定地为分析装置140预先给出并且存储在分析装置中；在这种情况下分析装置140按照给出的公式本身计算偏移角γ2。为了输入偏移V或者偏移角γ2分析装置140具有输入接口E140。

为了解释分析装置140如何可以用测量值Sm和Cm形成辅助极位置角γ1，以下结合图3和4首先解释，在现有技术中通常的传感器间隔A＝τ/2的情况下可以如何实施这点。在此基础上接着结合图5示例性解释，在比τ/2小的间隔A的情况下工作方式是如何的。

在图3的上部可以看出路段侧的定子30；示例性示出了属于在定子30中设置的导体线圈的导线200。此外示出了定子磁场S的磁场强度H的场变化。

在图3的中部可以看出在车辆纵向x上的磁场强度H的振幅的变化。可以看出场强正弦形地变化。

在图3的下部示出了具有两个磁场传感器120或130的极位置测量装置100的略图；间隔A在这里为τ/2，从而两个磁场传感器产生互相垂直的测量信号。现在示例性地假设，在图3中左边的磁场传感器120在正弦轨迹上提供测量值Sm并且在图3中右边的磁场传感器130在余弦轨迹上提供测量值Cm；由此意味着，磁场传感器120当其从点x＝0出发在行驶方向上被向前推移时产生正弦变化作为测量信号，并且磁场传感器130当其从点x＝0出发在行驶方向上向前被推移时产生余弦变化作为测量信号。随着在x方向上的推移辅助极位置角γ1相对于参考轴Bs相应地改变。

在这种情况下测量值变化在数学上表示为：

$>\mathrm{Sm}\left(x\right)=B0·\sin (\frac{x}{\tau }·2\pi )=B0·\sin \left(\gamma 1\right)$>

$>\mathrm{Cm}\left(x\right)=B0·\cos (\frac{x}{\tau }·2\pi )=B0·\cos \left(\gamma 1\right)$>

在此B0表示磁场的信号振幅，该信号振幅在两个磁场传感器中是近似相等的。

由此可以按照如下公式确定辅助极位置角γ1：

$>\frac{\mathrm{Sm}\left(x\right)}{\mathrm{Cm}\left(x\right)}=\frac{B0·\sin \left(\gamma 1\right)}{B0·\cos \left(\gamma 1\right)}$>

$>\Rightarrow \gamma 1=a\tan 2\left[\frac{\mathrm{Sm}\left(x\right)}{\mathrm{Cm}\left(x\right)}\right]$>

此外，为进一步解释，在图4中还示出测量值Sm和Cm的对应的向量表示。可以看出两个向量Sm和Cm互相垂直。

以下解释，当两个磁场传感器120和130之间的间隔不是正好为τ/2，而是以一个差间隔D小于τ/2时，分析装置140可以如何确定辅助极位置角γ1。也就是成立：

A＝τ/2-D

由于差间隔D使得测量向量Sm和Cm改变，如在图5中看出的。可以看到这些向量相对彼此转动并且不再互相垂直。由此如在垂直情况下、也就是按照：

$>\gamma 1=a\tan 2\left[\frac{\mathrm{Sm}\left(x\right)}{\mathrm{Cm}\left(x\right)}\right]$>

确定辅助极位置角γ1此时是不可能的了。

为了尽管如此还可以利用测量值Sm和Cm来确定辅助极位置角γ1，首先用它们根据下式形成辅助测量值H1和H2：

$>H1=\frac{\mathrm{Sm}·\cos \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}-\frac{\mathrm{Cm}·\sin \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}$>

$>H2=\frac{\mathrm{Cm}·\cos \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}-\frac{\mathrm{Sm}·\sin \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}$>

其中，Sm和Cm表示两个测量传感器的测量值并且β表示校正角。在使用对于三角函数的加法定理的条件下数学地导出用于H1和H2的这两个公式。

校正角β描述了间隔A与“额定间隔”τ/2的偏差。根据下式从差间隔D中确定校正角β：

$>\beta =\frac{D}{\tau }·\frac{\pi }{2}$>

作为替换，还可以利用间隔A和τ根据下式计算校正角β：

$>\beta =\frac{\frac{\tau }{2}-A}{\tau }·\frac{\pi }{2}$>

接着借助辅助测量值H1和H2如在测量向量互相垂直的情况下那样根据下式确定所求的辅助极位置角γ1

γ1＝atan2(H1/H2)

辅助测量值直观地对应于如当两个磁场传感器具有τ/2的间隔时获得的测量值。

在图5中同样阐明了该关系。可以看出互相不垂直的测量值向量Sm和Cm以及由此确定的辅助向量H1和H2。必须按照绝对值和按照角度校正测量值向量Sm和Cm，以便获得互相垂直的辅助向量H1和H2。这点直观地通过以系数

$>\frac{\cos \left(\beta \right)}{{\cos }^2\left(\beta \right)-{\sin }^2\left(\beta \right)}$>

“向量延长”并且通过加上校正向量K1以及K2进行，其中K2和Sm以及K1和Cm共线或者平行。

在图6中详细示出了极位置测量装置100的另一个实施例。可以看出设置在外壳150的两个外边缘300和310上的两个磁场传感器120和130。按照行驶方向上看外壳的长度例如为120mm，从而在磁场传感器120和130之间的间隔A即小于τ/2。

与两个磁场传感器120和130相连的是通过可编程的微处理器装置构成的分析装置140。为了输入偏移V或者说偏移角γ2，该分析装置优选地具有相应的输入接口E140。

此外，在图6中还可以看出，在两个磁场传感器120和130之间、优选地在其正中设置用于产生磁场的主动测量线圈330。该主动线圈330用远远高于定子磁场S的频率的数MHz的相对高的频率运行。

与测量线圈330相连的是探测装置340，用该探测装置确定，是否在测量线圈的紧邻附近有定子30的定子槽40或者定子齿50(参见图1)。探测装置340通过对定子槽和/或定子齿的计数进行增量的位置测量。

例如对于增量的位置测量在探测装置340中存在与测量线圈330一起形成振荡电路的电路。在这种情况下，在测量线圈330上施加对于振荡电路来说的特征振荡电压。此时只要通过由测量线圈产生的磁场的改变而改变测量线圈330的电感，则振荡电路的谐振频率也改变：例如如果测量线圈330安装在定子30的定子齿50的范围中，则由于在测量线圈330的范围中的附加的铁材料而改变其电感并且由此移动谐振频率。此外，在定子30的附加的铁中发生涡流损耗，从而振荡电路不仅失谐而且还衰减。此时可以测量并分析振荡电路的谐振频率的相应改变以及在测量线圈330上施加的电压的振幅的改变，以便识别定子齿50以及定子槽40的出现。通过对车辆10驶过的定子齿50以及定子槽40的计数可以进行定位。

为了避免通过极位置测量装置100使得定子磁场S失真，该极位置测量装置(也就是外壳150以及总的外壳内部)优选地是无铁的。

附图标记列表

10磁悬浮车辆

20磁悬浮铁路路段

30路段侧的定子

40定子槽

50定子齿

60支承磁铁

70励磁线圈

100极位置测量装置

110支架

120，130磁场传感器

140分析装置

E140输入接口

150外壳

200导线

330主动测量线圈

340探测装置

A间隔

Bm极位置测量装置的磁参考轴

Bs定子的磁参考轴

BS′辅助参考轴

Bf磁悬浮车辆的磁参考轴

D差间隔

H磁场强度

S定子磁场的基波

T支承磁场

V偏移

Sm，Cm测量值

Sm，Cm向量

β校正角

γ极位置角

γ2偏移角

γ1辅助极位置角

K1，K2校正向量