专利名称：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
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;兹悬浮铁 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;兹场的;兹场传感器对。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t/2,也就是具体为129 mm，其中t表示路段侧的定子磁场的基波的波长并且为258 mm。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120 mm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^兹场传感器之间的间隔小于路段侧的定子i兹场的 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 为止不同地在石兹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-兹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^皮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
Yl=atan2(m/H2;>
其中，yl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Yl算出所求的极位置角Y。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-兀至+兀的有效区间，也就是所求的角yl的完整周期；而函数atan(x)仅在 区间-兀/2至+兀/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
r"5>n-cos(/ ) Ow-sin(/ )
=-^-^---^-^-
cos2(々)-sin205) cos2⑨-sin2⑨
rr， dcos(/ ) 5"附'sin(/ )
2 =-^-^---;;-^-
cos2(/ )-sin2(〃) cos2(/ )-sin2⑨ 其中，Sm和Cm表示两个测量传感器的测量值并且"表示已经提到的校正角。 分析装置例如如下确定校正角
其中A表示间隔，r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。
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t/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f兹场传感器的间隔小于t/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。
具体实施例方式
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IO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圏位于定子槽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》兹参考轴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圏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y。
极位置测量装置100与支承磁铁60 —样被安装在磁悬浮车辆IO的共同的 支架IIO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IOO的一种实施 例。极位置测量装置IOO具有用于测量路段侧的定子30 (参考图1)的定子磁 场S的》兹场传感器对；；兹场传感器对的两个石兹场传感器120和130互相之间具 有预定的间隔A。两个》兹场传感器中的一个120或130，此处例如是^兹场传感
8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；兹场传感器120和130的测量值Sm和Cm确定(例如计 算)极位置角y。
两个磁场传感器120和130之间的间隔A优选小于120 mm, 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120 mm长度的外壳150中。
分析装置140利用两个^兹场传感器120和130的测量值Sm和Cm确定极 位置角y。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2tt的倍数偏移的辅助参考轴BS'(参考图1 )之 间的辅助^ l位置角yl。
其将偏移角Y2加到辅助极位置角Yl,该偏移角y2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Yl+y2中减去其中包含的2兀的整数倍，由此形成所求
的极位置角Y。计算极位置角Y的数学公式为 "(Yl +y2)模(2*兀)
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y2:
= VAc * 7t
其中，t表示定子》兹场的基波的波长并且例如为258mm。
偏移角丫2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y2。 为了输入偏移V或者偏移角分析装置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yl ， 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=t/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t/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t/2，从而两个》兹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》兹场传感器130当其从点x=0出发在行马史方向上向前 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 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
—.2;r
* 2;r
=50' cos
、
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」接照如下7>式确定辅助^L位置角yl: Sot(x) — 50 sin(yl) Cm(x) 胁cos(")
iSVn(x)
^> yl = atan2
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 可以看出两个向量Sm和Cm互相垂直。 以下解释，当两个f兹场传感器120和130之间的间隔不是正好为t/2，而是 以一个差间隔D小于t/2时，分析装置140可以如何确定辅助才及位置角yl。也 就是成立
A=t/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^:此转动并且不再互相垂直。由此如在垂直情况下、也就是按
昭
<formula>formula see original document page 10</formula>
确定辅助极位置角yl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yl，首先
用它们根据下式形成辅助测量值HI和H2: 沼_ ^ . cos(〃) C附 sin(/ )
cos2(/ )-sin2(/ ) cos205)-sin2⑨
m Cw.cos(/ ) 5Vw.sin(/ )
2 =-^-^---^-^-
cos2(々)-sin2(y0) cos2(/ )-sin2(/7) 其中，Sm和Cm表示两个测量传感器的测量值并且々表示校正角。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p描述了间隔A与"额定间隔"t/2的偏差。根据下式从差间隔D 中确定才交正角p:
"丄f
作为替换，还可以利用间隔A和t根据下式计算校正角p:
接着借助辅助测量值HI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yl Yl = atan2(Hl/H2)
辅助测量值直观地对应于如当两个磁场传感器具有t/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SnL和Qn 以及由此确定的辅助向量m和m。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HL和m。这点直观地通过以系 数
cos(々)
cos2(/ )-sin2⑨
"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Kl 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t/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l40。为了输入偏移V或者说偏移角Y2，该分析装置优选地具有相应
的输入接口 El40。
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。该主动线圏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 —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石兹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圏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4^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1更识别 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^f兹场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 -兹悬浮车辆
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^兹纟失
70励;磁线圈
100极位置测量装置 110支架120， 130》兹场传感器 140分析装置 El40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支岸〈;兹场
V偏移
Sm, Cm测量值
Sm, Cm向量
P校正角
Y极位置角
y2偏移角
Yl辅助;〖及位置角
Ki， 一交正向量
权利要求
1.一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)设置该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)，其特征在于，-在两个磁场传感器之间的所述间隔小于路段侧的定子磁场的基波的半波长(τ/2)，以及-如下地构造所述分析装置-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。
2. 根据权利要求1所述的极位置测量装置，其特征在于，如下地构造所述 分析装置-其利用两个磁场传感器的对应于在以路段侧的定子^兹场的基波的半波长 的间隔设置所述磁场传感器的情况下出现的测量值确定辅助测量值(Hl ， H2 ), 并且-其利用以这种方式形成的辅助测量值确定所述极位置角。
3. 根据上述权利要求中任一项所述的极位置测量装置，其特征在于，所述辆中或轨道车辆上。
4. 根据权利要求3所述的极位置测量装置，其特征在于，所述外壳被固定 在还支撑磁悬浮车辆的至少一个支承磁铁(60)的支架(110)上。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的极位置测量装置，其特征在于，-所述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(D),以及-这样构造所述分析装置，使得其利用考虑所述差间隔值的校正角(y9) 并且利用所述两个磁场传感器的测量值来确定所述极位置角。
6. 根据权利要求5所述的极位置测量装置，其特征在于，陽所述分析装置具有输入接口 (E140)，在该输入接口上能够输入给出两个,兹场传感器之间的间隔的间隔值或者差间隔值，-这样构造所述分析装置，使得其从所述间隔值或者所述差间隔值以及路 段侧的定子磁场的基波的波长中确定所述校正角。
7. 根据权利要求5所述的极位置测量装置，其特征在于，所述分析装置具 有输入接口 (E140)，在该输入接口上能够输入才交正角。
8. 根据权利要求2至7中任一项所述的极位置测量装置，其特征在于，这 样构造所述分析装置，使得该分析装置利用所述辅助测量值根据下式确定辅助极位置角丫l = atan2(Hl/H2)其中，Yl表示辅助极位置角并且Hl和H2表示辅助测量值，并且使得该分析 装置利用该辅助极位置角确定所述极位置角。
9. 根据权利要求2至8中任一项所述的极位置测量装置，其特征在于，这样构造所述分析装置，使得该分析装置利用两个磁场传感器的测量值如下确定所述辅助测量值<formula>formula see original document page 3</formula> 其中，Sm和Cm表示两个测量传感器的测量值并且/ 表示所述校正角。
10. 根据权利要求5至9中任一项所述的极位置测量装置，其特征在于， 这样构造所述分析装置，使得该分析装置如下确定所述校正角<formula>formula see original document page 3</formula>其中A表示所述间隔，r表示路段侧的定子磁场的基波的波长。
11. 根据上述权利要求中任一项所述的极位置测量装置，其特征在于， 在两个磁场传感器之间设置了用于产生磁场的至少 一个主动测量线圏(330 )，并且探测装置(340)与该测量线圈相连，利用该探测装置能够确定， 是否在测量线圏的紧邻的附近有定子的定子槽(40)或定子齿(50)。
12. 根据权利要求11所述的极位置测量装置，其特征在于，所述探测装置 通过数定子槽和/或定子齿进行增量的位置测量。
13. —种用于测量磁悬浮铁路路段的路段侧的定子(30)的磁场(S)和位 于该磁悬浮铁路路段上的磁悬浮车辆(10)的磁参考轴(Bf)之间的极位置角(Y)的方法，其中，-利用磁场传感器对(120， 130)测量路段侧的定子的磁场，并且 -利用所述两个磁场传感器的测量值确定所述极位置角， 其特征在于，-利用其互相之间的间隔小于路段侧的定子磁场的基波的半波长(t/2)的 磁场传感器的测量值，确定所述极位置角。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，-利用两个磁场传感器的对应于在以路段侧的定子磁场的基波的半波长的 间隔设置所述石兹场传感器的情况下出现的测量值形成辅助测量值(HI, H2)， 并且-利用以这种方式形成的辅助测量值确定所述极位置角。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于， 利用所述辅助测量值按照下式确定辅助极位置角 Yl =atan2(Hl/H2)其中，yl表示辅助极位置角并且HI和H2表示辅助测量值。
16. 根据权利要求14至15中任一项所述的方法，其特征在于，利用两个^磁场传感器的测量值如下确定所述辅助测量值 肌— 5Vn ■ cos(/ ) C附.sin(yg)_ cos2 (/ ) - sin2 (/ ) — cos2 - sin2 (釣u， C附 cos(y5) . sin(")2 =-^-^---^-^-cos2G5)-sin2(P) cos2⑨-sin2⑨其中，Sm和Cm表示两个测量传感器的测量值并且p表示校正角。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，如下确定所述校正角其中，A表示所述间隔，r表示路段侧的定子磁场的基波的波长。
全文摘要
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。
文档编号G01R33/06GK101583513SQ200780050224
公开日2009年11月18日 申请日期2007年12月14日 优先权日2006年12月21日
发明者罗伯特·施密德 申请人:西门子公司