專利名稱：監測軌道車輛磁力制動器的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種監測軌道車輛磁力制動器的裝置，該磁力制動器與供電電壓源相
連接，并且該裝置包括接通和監測制動器磁電流，以及還涉及一種監測磁力制動器的方法。
背景技術：
磁力軌道制動器是用于軌道車輛的制動器。通常制動器由具有內嵌螺線管的鐵制 滑瓦組成。通常磁性被壓縮空氣降低，但是軌道只可能在電流被接通后接觸。當電流通過 螺線管的時候，制動靴降到軌道上并且拉向軌道，由此由于磁力而擠壓軌道，即通過摩擦力 實現制動力。 摩擦力確保了制動動作，該制動動作也不會被光滑的鐵軌顯著的削弱。制動力本
身取決于抱緊力，軌道制動磁鐵極靴的摩擦系數，以及軌道頭和制動磁鐵間的空氣間隙或
者雜質。由于通過摩擦力實現制動動作，磁力制動器會遭受到嚴重的磨損，以及需要高成本
的維護與修理，所以通常僅用作在緊急情況下被激活的快速，緊急或者自動的停車制動器。 為了在與空中交通的競爭中保持競爭力，其中一個目標是不斷地提高軌道旅客的
旅行速度。然而，相應軌道車輛的較高速度在制動器概念構思方面也制造了增長的需求。伴
隨著更高的制動器的初速度，一方面提高必要的制動能量，而另一方面降低了車輪和軌道
之間的粘滯系數。磁力軌道制動器在此是有利的因為不僅不依靠粘滯系數，而且提供了非
常有用的高制動力，尤其在冬季，當依靠粘滯系數的制動系統因為樹葉或者冰而不能提供
足夠的安全的時候。 現在，磁力制動器通常受到限制僅用于作為快速作用制動器或者緊急制動器。但 是，在制動器概念構思上日益增加的要求，需要磁力制動器集成成為制動功率構思的組成 部分。 然而，為了保證這個集成，磁力制動器必須滿足安全和可靠性的特別需要。此處決 定性的重點是對用作探測運轉的磁力制動器的診斷。相應的檢查裝置必須模仿駕駛者的制 動閥位置和速度，據此磁鐵和供電電流的降低可被辨識。通常，這個降低過程可通過光學檢 測來控制，以及由此可為每一個車輛單獨執行。 德國專利DE 20 2007 009 724 Ul公開了一種用于控制磁力軌道制動器的半導體 開關元件。此處，在軌道制動器中的電流強度可以通過使用一個或者多個功率半導體器件， 主要是M0S-FET，以及控制模塊來設置，該控制模塊產生用于控制半導體器件的適當的調制 信號。此外，工作電流的改變是在軌道制動器的降低和接合的過程中被評估作為位置報告。 然而在這種情況下，沒有特定的裝置或者評估方法被揭示用于獲得在這種情況下的位置報
告 發明目的 本發明的目的是提供一種用于監測磁力制動器的裝置和方法，可以監測，且能夠 確保該磁力制動器的運轉，從而磁力制動器完全歸因于制動器的重量，以及，制動器的總的 數量可被減少。
本發明上述目的是通過一種用于監測在軌道車輛上的磁力制動器的裝置來實現 的，該磁力制動器與供電電壓源相連接，該裝置包括接通和監測該制動器磁電流，以及該監 測裝置包括確定裝置和評估裝置，該確定裝置持續監測用于給該磁力制動器的供電電流和 記錄該電流和/或該電壓曲線(輪廓)的電路的運轉，所述評估裝置基于該記錄的電流和 /或電壓曲線，通過探測電流和/或電壓曲線的一階導數的兩個過零點，來確定該軌道上的 磁力制動器的放置。 因此，由于本發明裝置，一方面執行診斷磁力制動器系統的準備情況，另一方面監 測制動器運轉；更加具體地，識別出在鐵軌上放置制動磁鐵。從而，確保磁力制動器的運轉， 以完全地歸因于車輛的制動功率。 —階導數的過零點的探測是可靠的方法，以確保所做的制動操作，而無需考慮由
于外部的影響，例如制動磁鐵的支持表面的改變，而引起磁場的改變。從而本發明裝置首次
允許可靠的監測方法使得磁力制動器的制動功率可完全地歸因于制動器重量。 由于本發明的裝置一方面探測流經磁鐵的電流，另一方面探測磁鐵與軌道的接
觸，能推斷磁力制動器的制動動作。同時，本發明的裝置允許對系統中錯誤或者故障的可靠
且快速的確定。 本發明的裝置能夠用于單獨的磁鐵，旋轉轉向架(swive truck)，即兩個磁鐵，以
及還用于車輛即兩個旋轉轉向架，從而允許可定制化地應用于廣泛的領域。 本發明優選實施例機電分離器可被設置為電路中的應急斷路器。這就允許在傳輸
錯誤消息后快速地將制動器解制動。 按照另一個優選實施例，確定裝置還監測該電路的單個單元，尤其是機電分離器、
電流傳感器、干擾抑制器二極管(suppressor diode)以及開關元件，從而監測裝置可單獨
地對任何一種故障起作用，并且對該裝置中出現故障實現非常短的反應時間。 有利地，該開關元件是IGBT模塊。該相應模塊經過實踐證明是有用的。IGBT模塊
的數量可根據各自的需要而來選擇。例如，每一個開關元件一個IGBT模塊，以及任何其他
的開關元件，可用于磁鐵、轉動旋轉架或者車輛。 按照另一個優選實施例，每一個制動磁鐵包括位置傳感器，從而除了通過探測過
零點的監測操作之外，可探測制動磁鐵和軌道頭之間的距離。 有利地，位置傳感器在此可為一電感性的、電容性的或者光學的傳感器。 根據另一個實施例，每一個制動磁鐵包括溫度計。額外的磁鐵的使用還提供了描
述磁鐵與軌道接觸的其他的監測方法。 而且，熱敏傳感器可以設置在每一個制動磁鐵的前方和后方，以通過磁鐵的前方 和后方的溫度變化探測磁鐵的放置。在此，傳感器沒有設置在磁鐵的載體上，從而可改進傳 感器的服務壽命和維護。 根據另一個優選實施例，每一個制動磁鐵被設置在本身的電路里，以獲得每一個 單獨的磁鐵的盡可能精確的結果。在出現錯誤消息后，錯誤可更加快速地分配和消除。
至于方法，本發明通過用于監測在軌道車輛上的磁力制動器的方法來實現的，該 方法包括持續監測用于供電給該磁力制動器和記錄該電流和/或該電壓曲線(輪廓)的電 路的運轉，基于該記錄的電流和/或電壓曲線，通過探測該電流和/或電壓曲線的一階導數 的兩個過零點，來確定該磁力制動器在軌道上的放置。
4
本發明方法可靠地監測獨立于外部影響的磁力制動器，且對電路中出現的故障或 者錯誤能夠快速地作出反應。 有利地，電流以1至30毫秒的恒定的時間間隔來測量。相應的時間間隔經證明完 全符合實際情況。 根據優選實施例，每一個制動磁鐵的電流路徑可被分開分別地監測，以便于能夠 在每一個制動磁鐵上作出決定(statement)。 另外，該電流可在流出線路和回流線路中進行測量；這就提高了測量的精度，尤其 每個磁鐵都被單獨檢查，并且可防止一側的制動動作的重要狀況，例如由于磁路中的線路 斷開。 有利地，供電電壓和系統內電壓在磁路中被循環地測量。這就允許了非常短的故 障探測時間。 根據另一個優選的實施例，制動測試可以以預定時間間隔來進行。從而可檢查制 動器的運轉以及制動監測動作。同時，制動測試產生電流曲線，該電流曲線可與通常的制動 操作的電流曲線進行比較。 有利地，還可來監測電路的單個元件，并且能夠診斷每一個單獨的元件，可獲得盡 可能短的錯誤探測時間。
現將參見附圖，闡述本發明的優選實施例；其中
圖1是本發明裝置的電路圖； 圖2是在供電至磁力制動器以及在軌道上放置該制動器過程中的電流的曲線的 示意圖； 圖3是圖2的電流曲線的導數的示意說明圖。
具體實施例方式
圖l所示為本發明磁力制動器監測(系統)。在此，該檢測系統分為兩個電隔離部 分，高電流部分和監測部分。該兩個電路部分可被設置為單獨的印刷電路板。這些部分通 過連接器相互連接。 高電流部分將車輛蓄電池連接到制動磁鐵1、2。該兩個制動磁鐵直接連接到蓄電
池電壓的正極端子。在電流通路中，機電分離器3(例如電流接觸器)被設置在車輛蓄電池
和制動磁鐵之間，以將蓄電池正電勢從裝置分離，而且也在出現故障的情況下從磁鐵分離。
分離器3通過評估電路被驅動。分離器3可以被平等地通過主控器單元驅動。 用于兩個制動磁鐵1、2的電流通路緊隨該分離器3連接，兩個制動磁鐵1、2的電
流通路分開導向，但是每一個都具有相同的結構。每一個所述的通路包括電流傳感器4、或
5，例如電流變壓器或者電流分路器，然后與該磁鐵的正極端子連接。 從該磁鐵的負極端子引出的電纜與磁力監測系統的另一個連接點相連接。 在該兩個連接點即磁鐵的正負極之間，干擾抑制器二極管6、7置于裝置里作為慣
性滑行電路。所述二極管在切斷時刻接收流經磁鐵的電流。 磁鐵的負極端子通過開關元件8、9連接車輛蓄電池的負極端子。所述開關元件8、9用來可操作性的接通制動磁鐵1、2。方便地，它是半導體裝置，例如IGBT。兩者在被啟動 或者去啟動時，兩個磁鐵電路的開關元件8、9同時開關。 磁鐵1、2的每一個通路的單獨元件，即電流傳感器4、5，干擾抑制器二極管6、7， IGBT 8、9等被分別地彼此監測。根據本發明的另一個實施例，每一對磁鐵也可以通過共享 的評估電路來監測。因此，配線作業以及必需的元件數量能夠被保持小量，這是因為僅需一 個用于磁鐵的正負極端子的電纜通到旋轉轉向架(swivel truck)。 此外，該電流傳感器4、5還可以被設置在該制動磁鐵的負極端子之后，優選的是 設置在在該端子和集成在該IGBT模塊8、9中的慣性滑行二極管之間。
對于流出線路中的每一個磁鐵，該電流被測量。 另外，也可對在回流線路中的兩個磁鐵一起測量電流。為此目的，附加的電流傳感 器22被提供設置在IGBT8、9的后面。在電流傳感器22的線路中，總電流的冗余測量被進 行了，由此所有的電流表的運轉被監測。 雖然在所例示的實施例中，僅僅一個電流傳感器設置在回流線路中，但是還可能
是使用兩個，即每一個磁鐵使用一個電流傳感器，從而改進故障分配。該附加的電流傳感器
22提高了整個系統的精確性，這是因為可以更加精確地分配錯誤或者故障。 附圖標記IO指示監測單元。該監測單元用作評估在磁力制動監測系統中的系統
狀態。該評估電路通過車輛蓄電池路饋電。蓄電池電壓通過裝置中的保險絲保護。基于這
個蓄電池提供電壓的基礎，電源單元23產生電子設備電路所需要的次級電壓。 接通指令通過輸入電路發出，該輸入電路也是彼此電隔離的。有各自用于制動動
作和制動測試的分開的輸入電路。制動器通過硬件直接的激活。將接通信息發送到處理器
僅僅用來通知處理器有關系統狀態。 當信號輸出時，電隔離接觸器用于顯示系統狀態。作為分離元件，例如可使用繼電 器11、12、21。如圖l所示的方案中，具有三路輸出。提供用于評估電流制動請求的信號。 另一個信號用來存儲關于該制動請求的錯誤信息。第三個信號用來評估制動測試。這樣劃 分可提高這整個系統的精確性。診斷鏈路24用來通過外部裝置例如計算機讀出詳細的系 統信息，該外部裝置通過串行接口與本發明裝置連接。 系統的處理器核心作操作運轉上述描述的輸入和輸出，以及診斷連接。通過在高 電流部分內的電子系統的特別的測量元件，系統的內部狀態被傳送至處理器。在此處理器 已經分配了配置為IC的單獨的監測模塊13，該檢測模塊13遠離處理器，還監測系統中的次 級電壓。 通過磁鐵電路上的測量點，處理器獲取系統狀態的信息。根據該信息，處理器生成 相應的錯誤信號，然后進入錯誤存儲器內，以通過診斷接口輸出。 該評估電路分為兩個子單元，即磁力制動監測系統的診斷和制動功能的監測。該 系統診斷監測高電流部分中的單獨的部件和其他事物。這可通過例如電壓測量來實現。通 常，在文中執行如下所述的測量/監測操作。
執行1、磁鐵的電壓提供的監測 在這里，低電流產生在蓄電池的連接(端子)之間，并且在監測元件(單元)10中 被估計。在出現至少一個連接故障，例如保險絲故障或者電纜斷裂時，可能沒有電流，而且 這可立馬上被檢測到。
執行2 、機電分離器3的監測 檢測單元14測量分離器3之后的電壓。如果該電壓被施加至該裝置，即從執行1 所描述的測量得出結論在連接(端子)之間產生電流，而且檢測單元14沒有檢測到電壓， 則分離器3被開啟。在此，該分離器3的故障位置可以即刻檢測到。
執行3 、流經磁鐵的電流的監測 通過電流變壓器4、5或者分路器，測量流經單個制動磁鐵1、2的電流。依靠磁路， 在檢測單元15、16上執行測量。傳感器提供的該信號經過低通濾波。由此濾除蓄電池提供 系統上呈現的噪音。通過電流的測量可以在此檢測下述的系統狀態
-如果沒有測量到電流，在制動器磁鐵的連接中有線路斷裂；-如果檢測到電流而制動器沒有被接通，則在制動磁鐵的連接中有短路，或者相連 的開關元件8、9有缺陷；-處理器在兩磁鐵之間進行真實性檢查的比較，用來測定絕對電流位準。
執行4、干擾抑制器二極管6、7的監測 檢測單元17、18測量流向中的干擾抑制器二極管的電壓。在正常操作中，在切斷 時刻這個電壓是低的，但在出現故障的情況下，電流的前置電壓，由于中斷的干擾抑制器電 路，明顯的高電壓峰值在此處產生。通過檢測單元15、 16和/或17、 18確定在阻斷動作上 的不足。 執行5、開關元件8、9的監測 通過檢測單元19、20執行通過開關元件8、9的電壓，例如在IGBT里的源極和漏極 之間的電壓的檢測。當檢測單元19、20測量的電壓符合在執行1中描述的測量中所確定的 供應電壓時，對應的開關元件8、9被切斷；沒有電流流過。在低電壓范圍內的小的正極電壓 是通過流經元件的電流測量的。因此，相應的電流傳感器也可通過測量執行5被監測。
除上述的監測操作以外，前期也可以被監測。 伴隨制動操作的開始，設定等待周期，該等待周期對應磁力制動器的最長的激活 周期。在該等待周期期滿后，在正常狀態下制動操作結束；觸發信號取消。如果在等待周期 結束之后仍然應用著該觸發信號，則假定輸入電路中出現故障。 處理器提供有測量元件的信息，而且從其得出錯誤狀態。這些狀態通過輸出線路 到主系統被得知，而且又被儲存在非易失性錯誤存儲器中。 在鐵路運轉的時候，每隔一段例行時間或者在需要時，執行制動測試。基于在請求 的制動測試的情況下的系統診斷的測量值，所述測試的評估用來推斷在軌道上的兩個制動 磁鐵的可靠布置。在這個制動測試的范圍內，充分地監測該系統，而且記錄電流曲線。尤其 執行過零點的監測，以及絕對值的記錄。 在制動測試的開始時，電子開關是關閉的。根據制動磁鐵的時間常量，建立流經磁 鐵的電流。于此在軌道上平行放置制動磁鐵。當磁鐵接觸軌道時，一些電流已經流過制動 磁鐵。由于軌道是鐵質，兩個制動磁鐵的磁路的總電感改變了。這個過程表明本身處于流 經制動磁鐵的電流減少的過程中。隨后，電流將再次升高直到它達到恒量終值。圖2示出 了具有典型的突變彎頭的所述電流曲線。 軌道上的制動磁鐵的可靠布置可以從這個電流曲線推斷出。在根據制動測試的評 估進行使用的期間，檢測制動磁鐵的布置。
7
但是，在操作期間，不能保證電流曲線總是對應制動測試的電流曲線。例如，制動 磁鐵的磨損，以及軌道上的雜質或者類似物，有時候對測量值具有相當大的影響，因此，被 削弱的電流曲線被測得，而且，同時，典型的突變彎頭不再是如此顯著的。磨損也可影響制 動測試，從而曲線的絕對值可彼此不相同。 因此，根據本發明，制動的功能不是直接基于電流曲線的值來確定，但是形成了連 續測量值的導數。在很長一段時間是正的，在接觸點變成負的，然后又變成正的。從圖3所 示的導數曲線來看很顯然，通過派生曲線的兩個過零點的出現，可確保制動器的正確位置。 在削弱電流曲線的情況下，這些過零點可以通過一定的方法來檢測，從而確保可靠的監測 操作。在使用期間，連續的測量值的導數在此復制。在很長一段時間是正的，在接觸時間恰 好變成負的，以及再次變成正的。磁鐵和軌道之間的接觸以及距離的測量是電流曲線上的 下陷部，其表明了本身處于在導數的負向峰值。 此外，還可評估電流的最小和最大值。除此之外，存儲曲線達到的最大值。當磁鐵 和軌道互相接觸的時候，曲線的導數是負的；瞬間測量值比先前達到的最大值小。經過一段 時間，電流再升高，以及達到或者超過之前已經確定的最大值。
在操作時，通常以10毫秒時間的常量間隔來測量電流。 除基于電流曲線磁監測力制動器以外，通過使用結合之前描述的監測裝置的其他 的裝置/方法，還可確保磁力制動的動作。 例如，與此同時通過另外的振蕩電路，監測磁力制動器。利用制動磁鐵作為元件， 振蕩電路由此建立。磁鐵的上升和下降狀態中的不同的電感產生所述振蕩電路不同的共振 頻率。 另外，制動磁鐵還可以提供有位置傳感器器。所述傳感器感應本身和軌道頭部之 間的距離。如果某一距離小于某一個值，這就解釋為放置在軌道頭部上。通過磁鐵兩端的 傳感器可以檢測非水平位置。電感性的、電容性的或者光學的傳感器可以作為傳感器。
另外，溫度計能被集成在制動磁鐵中。當制動器被啟動，流經磁鐵的電流產生自身 加熱。在磁鐵與軌道接觸后，通過摩擦力車輛被阻滯。而其產生的熱要比電流的自加熱大 很多。 此外，通過各自的熱敏元件可以測量磁力制動器前方或者后方的軌道頭的溫 度。在制動后，摩擦使得軌道溫度增加。比較在磁鐵的前方和后方的溫度也可以檢測制動 器的動作。這個結構具有傳感器不用安裝在磁鐵的載體上，而是安裝在第一系彈簧懸掛 (primary suspension)來保護的區域上的優點。 除上述的監測方法之外，還可以基于比較方法來執行監測操作。為此，以短的間隔 取得的兩個測量結果被互相比較。在制動操作的開始，磁鐵是接通的。電流產生。當到達 特定的電流時，磁鐵切斷，從而電流減少。 一些時間之后，磁鐵通常到達軌道頭之后，磁鐵在 再次接通。電流再次產生，通過改變磁路來改變電流再次接通的時間恒量。基于電流曲線 形狀或者時間的比較進行比較，直到達到某一電流。在第一個提及的例子中，與磁鐵在提高 狀態上的電流相比，磁鐵在降低狀態的接通必須呈現較小的電流。在最后提及的例子，直到 獲得定義的電流才比較時間。在磁鐵的降低狀態下，時間是比較長。
權利要求
一種監測軌道車輛的磁力制動器的裝置，所述磁力制動器與用于供電電壓源相連接，所述裝置包括接通和監測該制動器磁電流，以及監測裝置包括確定裝置和評估裝置，所述確定裝置持續監測用于供電給所述磁力制動器的電路的運轉，和記錄電流和/或電壓曲線，其特征在于，所述評估裝置通過檢測電流和/或電壓曲線的一階導數的兩個過零點，基于所述記錄的電流和/或電壓曲線，確定所述軌道上的所述磁力制動器的放置。
2. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，機電分離器(3)被設置為所述電路中的應 急斷路器。
3. 根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述確定裝置進一步地監測所述電 路的單獨元件，尤其監測所述機電分離器(3)、電流傳感器(4，5)、干擾抑制器二極管(6， 7) 以及開關元件(8， 9)。
4. 根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述開關元件是IGBT模塊。
5. 根據權利要求l-3任意一項所述的裝置，其特征在于，每一個制動磁鐵包括位置傳 感器。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述位置傳感器為電感性的、電容性的或 者光學的傳感器。
7. 根據權利要求l-3任意一項所述的裝置，其特征在于，每一個制動磁鐵包括溫度計。
8. 根據權利要求l-3任意一項所述的裝置，其特征在于，熱敏傳感器被設置在每一個 制動磁鐵的前方和后方。
9. 根據權利要求l-6任意一項所述的裝置，其特征在于，每一個制動磁鐵被設置在其 本身的電路里。
10. 根據權利要求l-9任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置用兩個磁鐵監測旋 轉轉向架或者用兩個旋轉轉向架監測車輛。
11. 一種監測軌道車輛磁力制動器的方法，包括持續監測供電給所述磁力制動器和記 錄電流和/或電壓曲線的電路的運轉，其特征在于，基于所述記錄的電流和電壓曲線，所述 軌道上的磁力制動器的放置是通過檢測所述電流和/或電壓曲線的一階導數的兩個過零 點來確定的。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述電流是以1至30毫秒的恒定的時 間間隔來測量的。
13. 根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于，每一個制動磁鐵的電流通路是分 別監測的。
14. 根據權利要求11至13任意一項所述的方法，其特征在于，所述電流是在流出線路 和回流線路中測量的。
15. 根據權利要求11至14任意一項所述的方法，其特征在于，所述供電電壓和/或系 統內電壓是在磁路中循環地測量的。
16. 根據權利要求11至15任意一項所述的方法，其特征在于，將關于狀態和/或一般 故障情形的報告傳輸至主系統內。
17. 根據權利要求11至16任意一項所述的方法，其特征在于，進一步地監測所述電路 的單獨元件，以及診斷每一個單獨元件。
全文摘要
本發明涉及一種用于監測軌道車輛的磁力制動器的裝置，所述磁力制動器與供電電壓源連接，所述裝置包括接通和監測制動器磁電流，以及所述監測裝置包括確定裝置和評估裝置，所述確定裝置連續監測在制動過程中給磁力制動器供電的電路的運轉，且記錄電流和/電壓的曲線。在此，所述評估裝置通過探測電流和/或電壓曲線的一階導數的兩個過零點，根據記錄的電流和/或電壓曲線，確定所述磁力制動器在軌道上的放置。
文檔編號G01M17/08GK101750218SQ20091022480
公開日2010年6月23日 申請日期2009年11月18日 優先權日2008年12月1日
發明者赫爾穆特·埃德林格 申請人:沙爾特寶有限公司