DE102020126068A1

DE102020126068A1 - Axial flux machine with vibration damping

Info

Publication number: DE102020126068A1
Application number: DE102020126068.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Witt; Dennis Kuhl
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine (1) mit einem Rotor (6) und zwei axial von dem Rotor (6) beabstandeten Statoren (2,4). Ein erster Stator (2) umfasst eine erste Statorwicklung (3). Ein zweiter Stator (4) umfasst eine zweite Statorwicklung (5). Zur Reduktion axialer Schwingungen ist eine Einrichtung zur Erzeugung einer axialen gerichteten Kraft auf den Rotor (6) durch unterschiedliche Bestromung gegenüberliegender Phasenspulen (9) der ersten und zweiten Statorwicklung (3;5) vorgesehen.The invention relates to an axial flow machine (1) with a rotor (6) and two stators (2, 4) spaced axially from the rotor (6). A first stator (2) includes a first stator winding (3). A second stator (4) includes a second stator winding (5). In order to reduce axial vibrations, a device is provided for generating an axially directed force on the rotor (6) by supplying opposite phase coils (9) of the first and second stator windings (3; 5) with different currents.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine mit einem Rotor und zwei axial von dem Rotor beabstandeten Statoren. Die Erfindung kann sowohl bei motorisch als auch generatorisch betriebenen Axialflussmaschinen zum Einsatz kommen.The invention relates to an axial flow machine with a rotor and two stators spaced axially from the rotor. The invention can be used both in motor-driven and in generator-driven axial flux machines.

Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist vielfach bei elektrischen Antriebsystemen für Elektrofahrzeuge der Fall. Beispielsweise bei Radnabenmotoren ist der axiale Bauraum durch die Maße der Felge begrenzt, in denen die Traktionsmaschine untergebracht wird. Auch bei sogenannten elektrischen Achssystemen besteht häufig eine Limitierung des axialen Bauraums für die E-Maschine, sodass der Einsatz einer Axialflussmaschine gegenüber einer Radialflussmaschine vorzuziehen ist.An axial flux machine is a dynamo-electric machine in which the magnetic flux between the rotor and stator runs parallel to the axis of rotation of the rotor. Often, both the stator and the rotor are largely disc-shaped. Axial flow machines are particularly advantageous when the space available axially is limited in a given application. This is often the case with electric drive systems for electric vehicles. For example, in the case of wheel hub motors, the axial installation space is limited by the dimensions of the rim in which the traction machine is housed. Even with so-called electrical axle systems, there is often a limit to the axial installation space for the e-machine, so that the use of an axial flux machine is preferable to a radial flux machine.

Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.In addition to the shortened axial length, another advantage of the axial flow machine is its comparatively high torque density. The reason for this is the larger air gap area compared to radial flux machines, which is available for a given installation space. Furthermore, a lower iron volume is required compared to conventional machines, which has a positive effect on the efficiency of the machine.

In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklung über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.As a rule, an axial flux machine includes at least one stator that has windings for generating the axially aligned magnetic field. At least one rotor is equipped with permanent magnets, for example, whose magnetic field generates a drive torque via an air gap in interaction with the magnetic field of the stator winding.

Axialflussmaschinen können mehr als einen Stator und/oder Rotor umfassen. Bekannt sind Anordnungen, bei denen ein Stator zwei Rotoren antreibt, von denen jeder auf einer Seite des Stators über einen Luftspalt beabstandet angeordnet ist. Ebenfalls bekannt sind Anordnungen, bei denen zwei Statoren einen Rotor antreiben, der mittig zwischen den beiden Statoren angeordnet ist.Axial flux machines may include more than one stator and/or rotor. Arrangements are known in which a stator drives two rotors, each of which is arranged on one side of the stator spaced by an air gap. Arrangements are also known in which two stators drive a rotor which is arranged centrally between the two stators.

Bei derartigen Maschinen ist der Rotor im Idealfall frei von axialen Kräften, da die magnetischen Anziehungskräfte in axialer Richtung zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Phasenspulen der beiden Statorscheiben betragsmäßig gleich aber entgegengerichtet sind. Aufgrund von Toleranzen und Formfehlern ist dieser Idealzustand jedoch nicht immer gegeben, so dass im Betrieb der Axialflussmaschinen resultierende axiale Kräfte auf den Rotor verbleiben, die diesen zu axialen Schwingungen anregen können.In such machines, the rotor is ideally free of axial forces, since the magnetic forces of attraction in the axial direction between the permanent magnets of the rotor and the phase coils of the two stator disks have the same absolute value but are directed in opposite directions. Due to tolerances and shape errors, however, this ideal state is not always given, so that during operation of the axial flow machine, resulting axial forces remain on the rotor, which can excite axial vibrations.

Eine Axialflussmaschine mit einem Rotor und zwei Statoren, die jeweils auf einer der Stirnseiten des Rotors über jeweils einen Luftspalt von diesem beabstandet sind, ist beispielsweise aus EP 2 733 822 B1 bekannt. Um Schäden durch lastinduzierte axiale Auslenkungen der Rotorscheibe zu vermeiden, werden axial auslenkbare Statorringsegmente vorgeschlagen, die über eine Verbindungselement derart gekoppelt sind, dass sie als Reaktion auf eine Auslenkung des Rotors gemeinsam übereinstimmend in der Axialrichtung auslenken.An axial flux machine with a rotor and two stators, each of which is spaced apart from the rotor by an air gap on one of its end faces, is possible, for example EP 2 733 822 B1 famous. In order to avoid damage caused by load-induced axial deflections of the rotor disk, axially deflectable stator ring segments are proposed, which are coupled via a connecting element in such a way that they jointly deflect in the axial direction in response to a deflection of the rotor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, axiale Schwingungen in Axialflussmaschinen mit einem Rotor und zwei Statoren zu reduzieren.The object of the invention is to reduce axial vibrations in axial flow machines with one rotor and two stators.

Diese Aufgabe wird durch eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This task is solved by an axial flux machine with the features according to patent claim 1 . Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent patent claims.

Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine umfasst einen ersten Stator mit einer ersten Statorwicklung. Ferner weist die Maschine einen zweiten Stator mit einer zweiten Statorwicklung auf und einen zwischen den beiden Statoren angeordneten Rotor, der vom ersten Stator über einen ersten Luftspalt und vom zweiten Stator über einen zweiten Luftspalt beabstandet ist. Die erste Statorwicklung erzeugt im ersten Luftspalt ein axialgerichtetes, d. h. parallel zur Rotationsachse des Rotors orientiertes, Magnetfeld. Die zweite Statorwicklung erzeugt gleichermaßen im zweiten Luftspalt ein axialgerichtetes, d. h. parallel zur Rotationsachse des Rotors orientiertes, Magnetfeld. Der Rotor ist insbesondere scheibenförmig ausgebildet und an beiden luftspaltseitigen Stirnseiten zum Beispiel mit Permanentmagneten bestückt. Die Permanentmagnete erzeugen ihrerseits sowohl im ersten als auch im zweiten Luftspalt ein Magnetfeld, das mit den Magnetfeldern der ersten und zweiten Statorwicklung in Wechselwirkung tritt, sodass durch geeignete Bestromung der Statorwicklungen ein Antriebsmoment in Umfangsrichtung auf den Rotor erzeugt wird.The axial flux machine according to the invention comprises a first stator with a first stator winding. The machine also has a second stator with a second stator winding and a rotor which is arranged between the two stators and which is spaced apart from the first stator by a first air gap and from the second stator by a second air gap. The first stator winding generates an axially directed, i. H. Magnetic field oriented parallel to the axis of rotation of the rotor. The second stator winding likewise creates an axially directed, i. H. Magnetic field oriented parallel to the axis of rotation of the rotor. The rotor is designed in particular in the form of a disk and is fitted with permanent magnets, for example, on both end faces on the air gap side. The permanent magnets in turn generate a magnetic field both in the first and in the second air gap, which interacts with the magnetic fields of the first and second stator windings, so that a drive torque is generated on the rotor in the circumferential direction by suitably energizing the stator windings.

Wäre die Axialflussmaschine ideal achsensymmetrisch aufgebaut, was unter anderem exakt identische Abmessungen des ersten und zweiten Luftspaltes und vollkommen homogene magnetische Eigenschaften der Permanentmagnete des Rotors sowie exakt baugleiche Phasenspulen der ersten und zweiten Statorwicklung erfordern würde, wäre der Rotor zumindest soweit frei von axialen Kräften, als diese nicht von einer Last von außen auf ihn ausgeübt werden. In der Praxis ist ein solcher Zustand bedingt durch unvermeidbare Fertigungstoleranzen etc. nicht realisierbar. Vielmehr können kleinste Abweichung von diesem Idealzustand resultierende, axialgerichtete und periodische Kräfte auf den Rotor zur Folge haben, die im ungünstigsten Fall Eigenschwingungen des Rotors anregen und somit Geräuschentwicklungen, Verschleiß oder sogar Zerstörung des Rotors verursachen.If the axial flux machine were ideally axisymmetric, which would require, among other things, exactly identical dimensions of the first and second air gap and completely homogeneous magnetic properties of the permanent magnets of the rotor as well as phase coils of the first and second stator winding that are exactly identical in construction the rotor is free from axial forces at least to the extent that they are not exerted on it by an external load. In practice, such a condition cannot be realized due to unavoidable manufacturing tolerances, etc. Rather, the smallest deviation from this ideal state can result in axially directed and periodic forces on the rotor, which in the worst case excite natural vibrations of the rotor and thus cause noise, wear or even destruction of the rotor.

Kerngedanke der Erfindung ist es nun, die Axialflussmaschine mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer axial gerichteten Kraft auf den Rotor auszustatten, die oben beschriebenen Kräften entgegenwirkt und mithin zumindest in der Lage ist, auftretende Eigenschwingung des Rotors zu dämpfen. Besagte Einrichtung erzeugt diese Kraft durch eine unterschiedliche Bestromung axial gegenüberliegender Phasenspulen der ersten und zweiten Statorwicklung. Gegenüberliegend ist hier sowie im gesamten Dokument so zu interpretieren, dass die gegenüberliegenden Phasenspulen zumindest teilweise überlappen. D. h., dass ein geringer Versatz in Umfangsrichtung der sich gegenüberliegenden Phasenspulen in diesem Zusammenhang durchaus zulässig und im erfindungsgemäßen Sinne als „gegenüberliegend“ zu interpretieren ist, solange dieser nicht die umfangsseitige Ausdehnung einer Phasenspule übersteigt.The core idea of the invention is now to equip the axial flow machine with a device for generating an axially directed force on the rotor, which counteracts the forces described above and is therefore at least able to dampen occurring natural oscillations of the rotor. Said device generates this force by supplying different currents to axially opposite phase coils of the first and second stator windings. Here, as well as throughout the document, opposite is to be interpreted in such a way that the opposite phase coils at least partially overlap. This means that a slight offset in the circumferential direction of the opposite phase coils is permissible in this context and is to be interpreted as “opposite” in the sense of the invention, as long as it does not exceed the circumferential extent of a phase coil.

Gegenüberliegende Phasenspulen, also Spulen der ersten und zweiten Statorwicklung, die umfangsseitig im oben beschriebenen Sinne im Wesentlichen gleich positioniert sind, werden in der Regel bezüglich Betrag und Phase gleich bestromt. Durch eine gezielte Abweichung hiervon kann eine Axialkraftkomponente erzeugt werden, die beispielsweise einer Kraftkomponente entgegenwirkt, die durch unterschiedliche Luftspaltausdehnungen links und rechts der Rotorscheibe verursacht wird. Im Idealfall kann diese Kraftkomponente vollständig kompensiert werden. Zumindest aber kann eine effektive Dämpfung einer durch diese Kraftkomponente möglicherweise hervorgerufenen Resonanz in das System eingebracht werden.Opposite phase coils, ie coils of the first and second stator windings, which are essentially positioned in the same way on the circumference in the sense described above, are generally energized in the same way with regard to magnitude and phase. By deliberately deviating from this, an axial force component can be generated which, for example, counteracts a force component which is caused by different air gap expansions on the left and right of the rotor disk. Ideally, this force component can be fully compensated. At least, however, an effective damping of a resonance possibly caused by this force component can be introduced into the system.

In vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einrichtung eine Erfassungseinheit zur Erfassung axialer Schwingungen des Rotors und einen Controller zur Bestimmung eines zur Dämpfung der Schwingungen geeigneten Differenzstromes zwischen gegenüberliegenden Phasenspulen der ersten und zweiten Statorwicklung. Bei der Erfassungseinheit kann es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Sensor oder einen insbesondere frequenzselektiv arbeitenden MEMS-basierten (Micro Electro Mechanical System) Schwingungssensor handeln, der mechanisch mit dem Rotor verbunden ist. Bei einem nicht frequenzselektiv arbeitenden Sensor wie einem Piezosensor können mittels einer Fourieranalyse dominierende Eigenschwingungen der Rotorscheibe aus dem erfassten Signal extrahiert werden. Ferner ist es auch möglich, beispielsweise optisch arbeitende Sensoren an einem feststehenden Teil außerhalb des Rotors zu positionieren, der die axiale Position des Rotors und damit etwaige axiale Schwingungen optisch erfasst. Die Phasenströme der sich direkt gegenüberliegenden Phasenspulen der ersten und zweiten Statorwicklung können sich um einen Kompensationsstrom unterscheiden, der von Frequenzanteilen der detektieren Eigenschwingungen dominiert wird und zumindest eine Dämpfung der Eigenschwingung der Rotorscheibe bewirkt.In an advantageous embodiment of the invention, the device comprises a detection unit for detecting axial vibrations of the rotor and a controller for determining a differential current between opposite phase coils of the first and second stator windings that is suitable for damping the vibrations. The detection unit can be, for example, a piezoelectric sensor or a MEMS-based (Micro Electro Mechanical System) vibration sensor that works in particular in a frequency-selective manner and is mechanically connected to the rotor. In the case of a sensor that does not operate in a frequency-selective manner, such as a piezo sensor, dominant natural vibrations of the rotor disk can be extracted from the detected signal by means of a Fourier analysis. Furthermore, it is also possible, for example, to position optically operating sensors on a stationary part outside of the rotor, which optically detects the axial position of the rotor and thus any axial vibrations. The phase currents of the directly opposite phase coils of the first and second stator windings can differ by a compensation current which is dominated by frequency components of the detected natural oscillations and at least causes damping of the natural oscillations of the rotor disk.

Alternativ kann die Erfassungseinheit einen Spannungssensor zur Erfassung von in die Phasenspulen induzierten Spannungen oder einen Stromsensor zur Erfassung von in die Phasenspulen induzierten Ströme aufweisen. Eine axial gerichtete Schwingung des Rotors relativ zu den beidseitig angeordneten Statoren hat eine periodische Veränderung des ersten und zweiten Luftspaltes zur Folge. Durch die hierdurch verursachte Reluktanzänderung in den jeweiligen magnetischen Kreisen werden in den Phasenspulen der ersten und zweiten Statorwicklung Spannungen und Ströme induziert, die zur Schwingungsamplitude des Rotors proportional sind und gleiche Frequenzanteile aufweisen. Durch eine gezielte Analyse dieser induzierten Strom-/Spannungsschwankungen lassen sich somit die axialen Rotorschwingungen auch im feststehenden Statorsystem messtechnisch erfassen, wodurch der Aufwand gegenüber einer Lösung mit einem Schwingungssensor am Rotor reduziert werden kann.Alternatively, the detection unit can have a voltage sensor for detecting voltages induced in the phase coils or a current sensor for detecting currents induced in the phase coils. An axially directed vibration of the rotor relative to the stators arranged on both sides results in a periodic change in the first and second air gap. The resulting change in reluctance in the respective magnetic circuits induces voltages and currents in the phase coils of the first and second stator windings, which voltages and currents are proportional to the oscillation amplitude of the rotor and have the same frequency components. Through a targeted analysis of these induced current/voltage fluctuations, the axial rotor vibrations can also be measured in the fixed stator system, which means that the effort can be reduced compared to a solution with a vibration sensor on the rotor.

Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass sich gegenüberliegende Phasenspulen der ersten und zweiten Statorwicklung mit unterschiedlichen Strömen beaufschlagen lassen können. Zur technischen Realisierung können die Stromversorgungen der ersten und zweiten Statorwicklung voneinander getrennt werden, in dem eine erste leistungselektronische Baugruppe zur Bestromung von Phasenspulen der ersten Statorwicklung, eine zweite leistungselektronische Baugruppe zur Bestromung von Phasenspulen der zweiten Statorwicklung und Mitteln zur getrennten Ansteuerung der ersten und zweiten leistungselektronischen Baugruppe zur Erzeugung der axial gerichteten Kraft auf den Rotor vorgesehen sind. Beispielsweise können mithilfe eines digitalen Signalprozessors zwei unterschiedliche Sollstromvektoren für die erste und zweite Statorwicklung auf Grundlage eines erfassten Schwingungssignals berechnet werden. Die beiden Sollstromvektoren unterscheiden sich hierbei in dieser Ausführungsform um einen Differenzstromvektor, der als Stellgröße zur Dämpfung der axialen Schwingung des Rotors in das System eingebracht wird.A basic idea of the invention is that opposing phase coils of the first and second stator windings can have different currents applied to them. For the technical implementation, the power supplies of the first and second stator windings can be separated from one another, in which a first electronic power assembly for energizing phase coils of the first stator winding, a second electronic power assembly for energizing phase coils of the second stator winding and means for separate activation of the first and second electronic power Assembly for generating the axially directed force are provided on the rotor. For example, two different target current vectors for the first and second stator windings can be calculated using a digital signal processor on the basis of a detected vibration signal. In this embodiment, the two target current vectors differ by a difference current vector, which is used as the control size for damping the axial vibration of the rotor is introduced into the system.

Die erste leistungselektronische Baugruppe bestromt die Phasenspulen der ersten Statorwicklung entsprechend einer Sollstromvorgabe mittels gängiger aus der Stromrichtertechnik bekannter Verfahren wie beispielsweise der Pulsweitenmodulation. Entsprechendes erfolgt durch die zweite leistungselektronische Baugruppe auf Grundlage ihrer Sollstromvorgabe, die von der Sollstromvorgabe der ersten leistungselektronischen Baugruppe abweicht.The first electronic power assembly energizes the phase coils of the first stator winding in accordance with a target current specification using methods known from power converter technology, such as pulse width modulation. The same is done by the second electronic power assembly on the basis of its target current specification, which differs from the target current specification of the first electronic power assembly.

Alternativ zu dieser Ausführungsform ist es aber auch möglich, die Stromversorgung beider Statorwicklungen über einen gemeinsamen Stromrichter zu realisieren. Eine solche „Hauptstromversorgung“ könnte zunächst identische Phasenströme in die erste und zweite Statorwicklung einprägen. Zur Kompensation der axialen Schwingungen kann eine weitere leistungselektronische Baugruppevorgesehen werden, die beispielsweise nur eine der beiden Statorwicklungen versorgt oder alternativ auch Phasenspulen beider Statorwicklungen versorgen kann, wobei sie dazu ausgebildet ist, einen ersten Kompensationsstrom in Phasenspulen der ersten Statorwicklung einzuprägen und einen zweiten Kompensationsstrom mit entgegengesetztem Vorzeichen in Phasenspulen der zweiten Statorwicklung einzuprägen. Eine solche weitere leistungselektronische Baugruppe kann deutlich kleiner dimensioniert sein als die „Hauptstromversorgung“, da sie lediglich den zur Schwingungsdämpfung vorgesehenen Offsetstrom in eine der beiden Statorwicklungen einprägen muss.As an alternative to this embodiment, however, it is also possible to implement the power supply for both stator windings via a common power converter. Such a “main power supply” could initially impress identical phase currents into the first and second stator windings. To compensate for the axial vibrations, another power electronic assembly can be provided, which, for example, only supplies one of the two stator windings or alternatively can also supply phase coils of both stator windings, it being designed to impress a first compensation current in phase coils of the first stator winding and a second compensation current with the opposite Imprint sign in phase coils of the second stator winding. Such a further electronic power assembly can be dimensioned significantly smaller than the “main power supply” since it only has to impress the offset current intended for vibration damping into one of the two stator windings.

Sofern alle Phasenspulen einer der beiden Statorwicklungen mit einer gemeinsamen Leistungselektronik angesteuert werden, also beispielsweise sämtliche Phasenspulen der ersten Statorwicklung mit der ersten Leistungselektronik und sämtliche Phasenspulen der zweiten Statorwicklung mit der zweiten Leistungselektronik, ist eine winkelabhängige Differenzierung axial eingebrachte Kräfte nicht möglich. Eine solche Ausführungsform eignet sich zur Dämpfung von sogenannten Schirmmoden.If all phase coils of one of the two stator windings are controlled with common power electronics, for example all phase coils of the first stator winding with the first power electronics and all phase coils of the second stator winding with the second power electronics, an angle-dependent differentiation of axially introduced forces is not possible. Such an embodiment is suitable for damping so-called umbrella modes.

Moden höherer Ordnung, beispielsweise sogenannte Kipp-Moden, die ein Verkippen des Rotors gegenüber der Drehachse verursachen, lassen sich in vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch gezielt dämpfen, dass die Phasenwicklungen der ersten Statorwicklung in unabhängig voneinander ansteuerbare erste Gruppen von Phasenspulen eingeteilt sind und die Phasenwicklungen der zweiten Statorwicklung in gleicher Weise in unabhängig voneinander ansteuerbare zweite Gruppen von Phasenspulen eingeteilt sind, so dass sich die Phasenspulen der ersten und zweiten Gruppen jeweils axial gegenüberstehen und durch die unterschiedliche Bestromung jeweils eine axial gerichtete Kraft auf den Rotor bewirken können.Higher-order modes, for example so-called tilting modes, which cause the rotor to tilt with respect to the axis of rotation, can be specifically damped in advantageous embodiments of the invention in that the phase windings of the first stator winding are divided into first groups of phase coils that can be controlled independently of one another and the phase windings the second stator winding are equally divided into independently controllable second groups of phase coils, so that the phase coils of the first and second groups face each other axially and can cause an axially directed force on the rotor due to the different energization.

Besagte Gruppeneinteilung kann auf verschiedene Art und Weisen realisiert werden. Beispielsweise können die Gruppen jeweils umfangsseitig benachbarte Phasenspulen umfassen. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass die Gruppen jeweils die auf einem Winkelbereich von 180 Grad benachbarten Phasenspulen umfassen. Hierbei können zum Beispiel sämtliche im Winkelbereich von 180° angeordnete Phasenspulen, egal welcher Phase sie zugehörig sind, als eine Gruppe zusammengefasst werden, die von einer einzigen leistungselektronischen Baugruppe versorgt wird. Alternativ ist auch denkbar, dass innerhalb dieses Winkelbereichs von 180° jeweils die Phasenspulen der gleichen Phase von einer leistungselektronischen Baugruppe versorgt sind, aber unterschiedliche leistungselektronische Baugruppen für die verschiedenen Phasen bereitgestellt werden. Diese Möglichkeiten bestehen unabhängig davon, welchen Winkelbereich eine der Gruppen abdeckt.Said grouping can be realized in different ways. For example, the groups can each include phase coils that are adjacent on the circumferential side. One possibility is, for example, that the groups each include the phase coils that are adjacent in an angular range of 180 degrees. In this case, for example, all phase coils arranged in the angular range of 180°, regardless of which phase they belong to, can be combined as a group that is supplied by a single electronic power assembly. Alternatively, it is also conceivable that within this angular range of 180°, the phase coils of the same phase are each supplied by a power electronics assembly, but different power electronics assemblies are provided for the different phases. These possibilities exist regardless of which angle range one of the groups covers.

Die Kompensationsmöglichkeit für verschiedene Schwingungsmoden lassen sich in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch weiter erhöhen, dass die Gruppen jeweils die auf einem Winkelbereich von 120 Grad benachbarten Phasenspulen umfassen.In a further advantageous embodiment of the invention, the possibility of compensating for different oscillation modes can be further increased in that the groups each include the phase coils that are adjacent in an angular range of 120 degrees.

Eine weitere Möglichkeit der Gruppeneinteilung besteht darin, dass die Gruppen jeweils ausschließlich Phasenspulen der gleichen Phase umfassen und die Gruppen mit Phasenspulen einer ersten Phase einen umfangsseitigen Winkelversatz zu den Gruppen mit Phasenspulen einer zweiten Phase aufweisen. Diese besagte Winkelversatz kann zwischen allen phasenspezifischen Gruppen vorgesehen werden. Der Winkelversatz der Gruppen ermöglicht einen Winkelversatz der von den einzelnen Gruppen hervorgerufenen axialen Kräfte. Durch Überlagerung dieser umfangsseitig versetzten Axialkräfte ist es möglich, auch komplexere Schwingungsmusters des Rotors aktiv zu dämpfen, ohne die Anzahl der individuell ansteuerbare Phasenspulen weiter zu steigern.A further possibility of the group division is that the groups each exclusively comprise phase coils of the same phase and the groups with phase coils of a first phase have a circumferential angular offset to the groups with phase coils of a second phase. Said angular offset can be provided between all phase-specific groups. The angular misalignment of the groups allows for an angular misalignment of the axial forces generated by the individual groups. By superimposing these circumferentially offset axial forces, it is possible to actively damp even more complex oscillation patterns of the rotor without further increasing the number of phase coils that can be controlled individually.

Im Extremfall ist es aber auch möglich, jede Phasenspule unabhängig von den anderen Phasenspulen ansteuerbar zu gestalten. Hierdurch ergibt sich ein Maximum an Flexibilität in der Einleitung axialer Kräfte.In the extreme case, however, it is also possible to design each phase coil to be controllable independently of the other phase coils. This results in maximum flexibility in the introduction of axial forces.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Funktional gleichartige Elemente werden in der Regel mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1 eine erste Ansicht einer Axialflussmaschine mit zwei Statoren und einem in der Mitte der Statoren befindlichen Rotor,
2 eine zweite Ansicht der Axialflussmaschine aus 1,
3 eine dritte Ansicht der Axialflussmaschine aus 1,
4 eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine mit zwei Statoren und einem in der Mitte der Statoren befindlichen Rotor sowie einer ersten Einrichtung zur Steuerung der Axialflussmaschine,
5 eine schematische Darstellung der Axialflussmaschine nach 4 mit einer zweiten Einrichtung zur Steuerung der Axialflussmaschine,
6 eine schematische Darstellung der Axialflussmaschine nach 4 und 5 mit einer dritten Einrichtung zur Steuerung der Axialflussmaschine,
7 schematisch den Verlauf des magnetischen Flusses bei einer Axialflussmaschine mit zwei Luftspalten unterschiedlicher Ausdehnung ohne Kompensation,
8 schematisch den Verlauf des magnetischen Flusses bei der Axialflussmaschine aus 7 mit Kompensation,
9 eine Aufsicht auf eine Statorwicklung mit Gruppen unabhängig voneinander ansteuerbarer Phasenwicklungen,
10 eine isometrische Darstellung der Statorwicklung nach 9 und
11 eine Aufsicht auf eine alternative Gruppierung der Phasenwicklungen einer Statorwicklung.

The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Functionally similar elements are generally provided with the same reference symbols. Show it:

1 a first view of an axial flow machine with two stators and a rotor located in the middle of the stators,
2 a second view of the axial flow machine 1 ,
3 a third view of the axial flow machine 1 ,
4 a schematic representation of an axial flux machine with two stators and a rotor located in the middle of the stators and a first device for controlling the axial flux machine,
5 a schematic representation of the axial flow machine 4 with a second device for controlling the axial flow machine,
6 a schematic representation of the axial flow machine 4 and 5 with a third device for controlling the axial flow machine,
7 Schematically the course of the magnetic flux in an axial flux machine with two air gaps of different dimensions without compensation,
8th schematically shows the course of the magnetic flux in the axial flux machine 7 with compensation,
9 a top view of a stator winding with groups of independently controllable phase windings,
10 an isometric view of the stator winding 9 and
11 a top view of an alternative grouping of the phase windings of a stator winding.

1 zeigt eine erste Ansicht einer Axialflussmaschine 1 mit einem ersten Stator 2 und einem zweiten Stator 4 und einem in der Mitte der Statoren 2,4 befindlichen Rotor 6. 2 zeigt eine zweite Ansicht der Axialflussmaschine 1 und 3 eine dritte Ansicht, bei der die beiden Statoren 2,4 und der dazwischen positionierte Rotor 6 auseinandergezogen dargestellt sind. 1 shows a first view of an axial flow machine 1 with a first stator 2 and a second stator 4 and a rotor 6 located in the middle of the stators 2,4. 2 shows a second view of the axial flow machine 1 and 3 a third view, in which the two stators 2,4 and the rotor 6 positioned between them are shown in an exploded manner.

Der erste Stator 2 trägt eine erste Statorwicklung 3. Der zweite Stator 4 trägt eine zweite Statorwicklung 5. Der Rotor 6 ist über einen ersten Luftspalt von dem ersten Stator 2 beabstandet. Über einen zweiten Luftspalt ist der Rotor 6 von dem zweiten Stator 4 beabstandet. Der Rotor 6 ist mit Permanentmagneten 17 bestückt, die ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugen. Dieses tritt im Betrieb der Axialflussmaschine 1 in Wechselwirkung mit magnetischen Feldern, die die erste und zweite Statorwicklung 3, 5 erzeugen, sodass ein Antriebsmoment auf den Rotor 6 ausgeübt werden kann.The first stator 2 carries a first stator winding 3. The second stator 4 carries a second stator winding 5. The rotor 6 is spaced from the first stator 2 by a first air gap. The rotor 6 is spaced apart from the second stator 4 by a second air gap. The rotor 6 is fitted with permanent magnets 17 which generate an axially directed magnetic field. During operation of the axial flux machine 1, this interacts with magnetic fields that generate the first and second stator windings 3, 5, so that a drive torque can be exerted on the rotor 6.

Zwischen dem Rotor 6 und den beiden Statoren 2, 4 herrschen axial gerichtete magnetische Anziehungskräfte. Die Anziehungskräfte zwischen dem ersten Stator 2 und dem Rotor 6 sind den Anziehungskräften zwischen dem zweiten Stator 4 und dem Rotor 6 entgegengerichtet. Bei einem ideal symmetrischen Aufbau mit exakt homogenen und gleichartigen Luftspalten auf der linken und rechten Seite des Rotor 6 sowie absolut baugleichen Elementen der beiden Statoren 2, 4 würden sich diese axial gerichteten Anziehungskräfte gerade kompensieren, sodass auf den Rotor 6 keine resultierende axiale Kraft wirken würde. Aufgrund nicht vermeidbarer Fertigungstoleranzen ist ein solcher Zustand in der Praxis hingegen nicht zu erzielen. Vielmehr können im Betrieb beispielsweise Inhomogenitäten der Luftspaltausdehnung rechts und links des Rotors 6 resultierende axiale Kräfte auf den Rotor 6 ausüben. Da der scheibenförmig ausgeführte Rotor 6 aufgrund seiner Geometrie eine gewisse Nachgiebigkeit in axialer Richtung aufweist, können diese Kräfte zu dessen Verformung führen. Im Betrieb der Axialflussmaschine 1 können hierbei Schwingungen der Rotorscheibe angeregt werden, die unerwünschte Geräusche verursachen.Axially directed magnetic forces of attraction prevail between the rotor 6 and the two stators 2, 4. The forces of attraction between the first stator 2 and the rotor 6 oppose the forces of attraction between the second stator 4 and the rotor 6 . With an ideally symmetrical structure with exactly homogeneous and similar air gaps on the left and right side of the rotor 6 and absolutely identical elements of the two stators 2, 4, these axially directed forces of attraction would just compensate each other, so that no resultant axial force would act on the rotor 6 . However, due to unavoidable manufacturing tolerances, such a state cannot be achieved in practice. Rather, during operation, for example, inhomogeneities in the extent of the air gap to the right and left of the rotor 6 can exert resulting axial forces on the rotor 6 . Since the disk-shaped rotor 6 has a certain flexibility in the axial direction due to its geometry, these forces can lead to its deformation. During operation of the axial flow machine 1, vibrations of the rotor disk can be excited, which cause unwanted noise.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine 1 mit zwei Statoren 2, 4 und einem in der Mitte der Statoren 2, 4 über einen ersten und zweiten Luftspalt 7, 8 beabstandeten Rotor 6 sowie einer ersten Einrichtung zur Steuerung der Axialflussmaschine1. Der erste Stator 2 trägt eine erste Statorwicklung 3, deren Phasenspulen von einer ersten leistungselektronischen Baugruppe 10 mit Strom versorgt wird. Der zweite Stator 4 trägt eine zweite Statorwicklung 5, deren Phasenspulen von einer zweiten leistungselektronischen Baugruppe 11 mit Strom versorgt wird. 4 shows a schematic representation of an axial flux machine 1 with two stators 2, 4 and a rotor 6 spaced in the middle of the stators 2, 4 via a first and second air gap 7, 8, and a first device for controlling the axial flux machine 1. The first stator 2 carries a first stator winding 3, the phase coils of which are supplied with power by a first electronic power assembly 10. The second stator 4 carries a second stator winding 5, the phase coils of which are supplied with power by a second electronic power assembly 11.

Gemäß dem Stand der Technik werden die beiden Statorwicklungen 2, 4 häufig in Serie und von einer gemeinsamen leistungselektronischen Baugruppe angesteuert, um eine symmetrische Stromverteilung zu gewährleisten. In der dargestellten Ausführungsform wird gerade davon abgesehen und durch die Verwendung der beiden voneinander unabhängigen leistungselektronischen Baugruppen 10, 11 eine unterschiedliche Bestromung der Phasenspulen ermöglicht. Ziel ist hierbei, beispielsweise geometrisch bedingte Asymmetrien in der Anordnung durch eine gezielte unterschiedliche Bestromung der beiden Statorwicklungen 3, 5 auszugleichen und somit mechanische Schwingungen und/oder Verformungen des Rotors 6 zu kompensieren, zumindest aber zu dämpfen.According to the prior art, the two stator windings 2, 4 are often driven in series and by a common electronic power assembly in order to ensure symmetrical current distribution. In the embodiment shown, this is avoided and the use of the two power electronic assemblies 10, 11, which are independent of one another, allows different energization of the phase coils. The aim here is, for example, to compensate for geometrically caused asymmetries in the arrangement through a targeted different energization of the two stator windings 3, 5 and thus to compensate for mechanical vibrations and/or deformations of the rotor 6, but at least to dampen them.

Zu diesem Zweck ist an dem Rotor 6 zunächst eine Erfassungseinheit 14 angeordnet, mit der axiale Schwingungen des Rotor 6 erfasst werden können. Die hier nur schematisch dargestellte Erfassungseinheit 14 kann in der Praxis beispielsweise durch piezoelektrische Schwingungssensoren realisiert werden, die auf der Rotorscheibe geeignet angeordnet sind. Das Ausgangssignal dieser Schwingungssensoren wird einem Controller 12 zugeführt. Handelt es sich bei den Schwingungssensoren um nicht frequenzselektiv arbeitende piezoelektrische Sensoren, führt der Controller 12 zunächst eine Fourieranalyse der Sensorsignale durch, um dominierende Frequenzanteile zu bestimmen. In Form eines geschlossenen Regelkreises, der in 4 nicht im Detail dargestellt ist, können diese dominierenden Frequenzanteile gedämpft werden. Hierzu bestimmt der Controller 12 geeignete Kompensationsstromsollwerte, die von den leistungselektronischen Baugruppen 10, 11 in die Phasenspulen der Statorwicklungen 3, 5 eingeprägt werden müssen. Hierbei kann der Kompensationsstrom nur von einer der beiden leistungselektronischen Baugruppen 10, 11 in die zugehörigen Phasenspulen eingeprägt werden. Als Resultat unterscheiden sich die Phasenströme der ersten und zweiten Statorwicklung 3, 5 demnach um die Höhe des Kompensationsstromes, der notwendig ist, axiale Schwingungen des Rotor 6 zu unterdrücken.For this purpose, a detection unit 14 is arranged on the rotor 6, with which axial vibrations of the rotor 6 can be detected. The detection unit 14 shown here only schematically can be implemented in practice, for example, by piezoelectric vibration sensors that are suitably arranged on the rotor disk. The output signal from these vibration sensors is fed to a controller 12 . If the vibration sensors are piezoelectric sensors that do not operate in a frequency-selective manner, the controller 12 first carries out a Fourier analysis of the sensor signals in order to determine dominant frequency components. In the form of a closed-loop control system, 4 is not shown in detail, these dominant frequency components can be attenuated. For this purpose, the controller 12 determines suitable setpoint compensation current values, which must be impressed into the phase coils of the stator windings 3, 5 by the electronic power assemblies 10, 11. In this case, the compensation current can only be impressed by one of the two electronic power assemblies 10, 11 in the associated phase coils. As a result, the phase currents of the first and second stator windings 3, 5 differ by the level of the compensation current that is necessary to suppress axial oscillations of the rotor 6.

5 zeigt eine schematische Darstellung der Axialflussmaschine 1 nach 4 mit einer zweiten Einrichtung zur Steuerung der Axialflussmaschine 1. Der Unterschied zu der Anordnung nach 4 besteht darin, dass die Erfassungseinheit 14 nunmehr nicht direkt die axialen Schwingungen des Rotors 6 am Rotor 6 selbst erfasst, sondern indirekt über eine in die erste und zweite Statorwicklung 3, 5 induzierte Spannung. 5 shows a schematic representation of the axial flow machine 1 4 with a second device for controlling the axial flow machine 1. The difference to the arrangement according to 4 is that the detection unit 14 now does not directly detect the axial vibrations of the rotor 6 on the rotor 6 itself, but indirectly via a voltage induced in the first and second stator windings 3, 5.

Eine axiale Schwingung des Rotor 6 bewirkt eine periodische Änderung des ersten und zweiten Luftspaltes 7, 8. Hierdurch entsteht eine periodische Änderung der Reluktanz des magnetischen Kreises zwischen Rotor 6 und erstem bzw. zweitem Stator 2, 4. Schließlich ist diese periodische Schwingung auch in den Phasenspulen der Statorwicklungen 3, 5 in Form eines periodischen Offsets auf der Phasenspannung messbar. Auch hier kann nun eine aktive Dämpfung dieser durch axiale Schwingungen des Rotor 6 induzierten Spannung in Form eines geschlossenen Regelkreises erzielt werden. Aus der von der Erfassungseinheit 14 gemessenen induzierten Spannung wird mittels des Controller 12 eine Sollstromvorgabe für die erste und zweite leistungselektronischen Baugruppe 10, 11 erzeugt, die eine Dämpfung der axialen Schwingungen bewirkt.An axial vibration of the rotor 6 causes a periodic change in the first and second air gap 7, 8. This results in a periodic change in the reluctance of the magnetic circuit between the rotor 6 and the first or second stator 2, 4. Finally, this periodic vibration is also in the Phase coils of the stator windings 3, 5 can be measured in the form of a periodic offset on the phase voltage. Here, too, an active damping of this voltage induced by axial vibrations of the rotor 6 can now be achieved in the form of a closed control loop. From the induced voltage measured by the detection unit 14, a setpoint current specification for the first and second electronic power assemblies 10, 11 is generated by means of the controller 12, which causes a damping of the axial vibrations.

6 zeigt eine schematische Darstellung der Axialflussmaschine 1 nach 4 und 5 mit einer dritten Einrichtung zur Steuerung der Axialflussmaschine 1. Die Einrichtung unterscheidet sich insoweit von der Ausführungsform nach 5, als dass zunächst nur in der ersten Statorwicklung 3 das Spannungssignal abgegriffen wird. Zur Bestimmung der durch die axialen Schwingungen induzierten Spannung ist es ausreichend, nur an einer der beiden Statorwicklungen 3, 5 eine Spannungsmessung durchzuführen. Ein weiterer Unterschied besteht in der Stromversorgung der Statorwicklungen 3, 5. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Hauptstromrichter 15 vorgesehen, der sowohl die erste als auch die zweite Statorwicklung 3, 5 bestromt. Der Hauptstromrichter 15 bestromt die beiden Statorwicklungen 3, 5 zunächst symmetrisch. Zusätzlich ist ein deutlich kleiner dimensionierter Kompensationsstromrichter 16 integriert, der auf Basis einer Sollstromvorgabe des Controllers 12 einen Kompensationsstrom in die zweite Statorwicklung 5 einprägt. Selbstverständlich könnte auch die in die zweite Statorwicklung 5 induzierte Spannung als Eingangssignal für die Erfassungseinheit 14 dienen. Auch könnte der Kompensationsstromrichter 16 den Kompensationsstrom in die erste Statorwicklung 3 statt in die zweite Statorwicklung 5 einprägen. Ebenfalls möglich, unabhängig davon, auf welche Art und Weise das axiale Schwingungsverhalten des Rotors 6 detektiert wird, ist eine Ausführungsform, bei der der Kompensationsstromumrichter 16 den Kompensationsstrom betragsgleich jedoch gegenphasig sowohl in die erste Statorwicklung 3 als auch in die zweite Statorwicklung 5 einprägt. 6 shows a schematic representation of the axial flow machine 1 4 and 5 with a third device for controlling the axial flow machine 1. The device differs from the embodiment according to FIG 5 , than that initially only in the first stator winding 3, the voltage signal is tapped. To determine the voltage induced by the axial vibrations, it is sufficient to carry out a voltage measurement on only one of the two stator windings 3, 5. Another difference is the power supply of the stator windings 3, 5. In the illustrated embodiment, a main power converter 15 is provided, which energizes both the first and the second stator winding 3, 5. The main converter 15 initially energizes the two stator windings 3, 5 symmetrically. In addition, a significantly smaller-sized compensation converter 16 is integrated, which impresses a compensation current into the second stator winding 5 on the basis of a target current specification from the controller 12 . Of course, the voltage induced in the second stator winding 5 could also serve as an input signal for the detection unit 14 . The compensation converter 16 could also impress the compensation current into the first stator winding 3 instead of into the second stator winding 5 . Also possible, regardless of the manner in which the axial vibration behavior of the rotor 6 is detected, is an embodiment in which the compensation current converter 16 impresses the compensation current with the same amount but in antiphase both in the first stator winding 3 and in the second stator winding 5.

7 zeigt schematisch den Verlauf des magnetischen Flusses bei einer Axialflussmaschine 1 mit zwei Luftspalten 7,8 unterschiedlicher Ausdehnung ohne Kompensation dieser geometrischen Asymmetrie. Dargestellt sind der erste und der zweite Stator 2, 4 mit Wickelnuten und dazwischen liegenden Statorzähnen (es sind nur zwei Statorzähne dargestellt). Dazwischen befindet sich der Rotorträger (nicht dargestellt) mit Permanentmagneten 17. Die Permanentmagnete17 sind nicht mittig zu den Statoren 2,4 (bei Konstruktion des Motors die Sollposition) dargestellt, sondern zum ersten Stator 2 versetzt dargestellt. Dies soll beispielhaft die Abweichungen aufgrund von Toleranzen, Formfehler, etc. darstellen. 7 shows schematically the course of the magnetic flux in an axial flux machine 1 with two air gaps 7.8 of different dimensions without compensation for this geometric asymmetry. Shown are the first and the second stator 2, 4 with winding slots and stator teeth lying between them (only two stator teeth are shown). In between is the rotor carrier (not shown) with permanent magnets 17. The permanent magnets 17 are not shown in the center of the stators 2, 4 (the desired position when the motor is designed), but shown offset to the first stator 2. This is intended to show the deviations due to tolerances, form errors, etc. as an example.

Aufgrund der außermittigen Position der Magnete ist die magnetische Anziehungskraft zum ersten Stator 2 größer als zum zweiten Stator 4. Bei einer Rotationsbewegung des Rotors bewegen sich die Permanentmagnete 17 z.B. in Richtung des Pfeils relativ zu den Statorzähnen. Aufgrund der Nuten und weiteren Konturen der Statorhälften schwanken die Kräfte zwischen den Magneten und den Statorhälften. Während der Rotationsbewegung und aufgrund der im mittel größeren Kraft zum ersten Stator 2 entsteht somit eine schwankende axiale Kraft auf die Permanentmagnete 17 und somit auch auf den Rotor, welche den Rotor zu Schwingungen anregen kann.Due to the off-center position of the magnets, the magnetic attraction force to the first stator 2 is greater than to the second stator 4. When the rotor rotates, the permanent magnets 17 move, for example, in the direction of the arrow relative to the stator teeth. Due to the grooves and other contours of the stator halves, the forces between the magnets and the stator halves vary. During the rotational movement and due to the medium-larger force to the first stator 2, there is thus a fluctuating axial force Force on the permanent magnets 17 and thus also on the rotor, which can excite the rotor to vibrate.

Für die Drehmomenterzeugung werden in den Statornuten Ströme eingeprägt. Normalerweise werden die Wicklungen des ersten und des zweiten Stators 2, 4 nicht gezielt unterschiedlich angesteuert (dargestellt durch das gleiche Vorzeichen in den Wickel-Nuten). Somit kann keine Gegenkraft zu den oben beschriebenen Anregungskräften gezielt erzeugt werden.Currents are injected into the stator slots to generate torque. Normally, the windings of the first and second stators 2, 4 are not specifically controlled differently (represented by the same sign in the winding slots). Thus, no counteracting force to the excitation forces described above can be generated in a targeted manner.

8 zeigt schematisch den Verlauf des magnetischen Flusses bei der Axialflussmaschine aus 7 mit Kompensation. Bei getrennter Ansteuerung der Phasen des ersten und zweiten Stators 2, 4 kann in den Nuten des ersten und zweiten Stators 2, 4 dem drehmomentgenerierenden Gesamtstrom gezielt ein Differenzstrom überlagert werden. In 8 ist dieser Differenzstrom durch die unterschiedlichen Vorzeichen in den gegenüberliegenden Nuten des ersten und zweiten Stators 2, 4 schematisch dargestellt. Aufgrund dieses überlagerten Differenzstromes kann zusätzlich zum Drehmoment gezielt eine axiale Kraft auf die Permanentmagneten 17 erzeugt werden, so dass axiale Schwingungen des Rotors gezielt gedämpft werden können. 8th shows schematically the course of the magnetic flux in the axial flux machine 7 with compensation. When the phases of the first and second stators 2, 4 are controlled separately, a differential current can be selectively superimposed on the torque-generating total current in the slots of the first and second stators 2, 4. In 8th this differential current is shown schematically by the different signs in the opposite slots of the first and second stators 2, 4. Due to this superimposed differential current, an axial force can be generated in a targeted manner on the permanent magnets 17 in addition to the torque, so that axial oscillations of the rotor can be damped in a targeted manner.

9 zeigt eine Aufsicht auf eine Statorwicklung mit Gruppen unabhängig voneinander ansteuerbarer Phasenwicklungen. 10 zeigt eine isometrische Darstellung der Statorwicklung nach 9. Wenn alle auf dem Umfang verteilten U-Wicklungen (bzw. V- und W-Wicklungen) einer Statorhälfte bei einer 3-Phasenwicklung mittels einer gemeinsamen Leistungselektronik angesteuert werden können, so kann die axiale dämpfende Kraft nicht gezielt auf einen Winkelbereich begrenzt werden, so dass nur Schirmmoden des Rotors gedämpft werden können. Daher wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Wicklungen auf dem Umfang in Bereiche aufgeteilt werden und z.B. jeweils Phasenwicklungen 9 auf jeder Hälfte des Umfanges von getrennten leistungselektronischen Baugruppen angesteuert werden. Diese erste Aufteilung 18 der Statorwicklung ist durch die inneren halbkreisförmigen Doppelpfeile angedeutet. Bei der ersten Aufteilung 18 der Phasenspulen 9 können z.B. auch Kippschwingungen (z.B. ein Verkippen der Rotorscheibe gegenüber der Drehachse) gedämpft werden, indem auf dem Umfang verteilt zwei unterschiedliche Kräfte eingeleitet werden können. 9 shows a top view of a stator winding with groups of phase windings that can be controlled independently of one another. 10 shows an isometric view of the stator winding 9 . If all the U windings (or V and W windings) distributed around the circumference of a stator half in a 3-phase winding can be controlled using common power electronics, the axial damping force cannot be specifically limited to an angular range, so that only shielding modes of the rotor can be damped. It is therefore also proposed that the windings be divided into areas on the circumference and, for example, phase windings 9 on each half of the circumference be controlled by separate electronic power assemblies. This first division 18 of the stator winding is indicated by the inner semicircular double arrows. In the case of the first division 18 of the phase coils 9, for example, tilting oscillations (eg a tilting of the rotor disk relative to the axis of rotation) can also be damped, in that two different forces can be introduced distributed over the circumference.

Alternativ werden die Phasenspulen 9 in mehrere Bereiche auf dem Umfang unterteilt und jeder Bereich wird getrennt angesteuert. Diese zweite Aufteilung 19 der Phasenspulen 9 ist durch die äußeren kreisbogenförmigen Doppelpfeile in 9 angedeutet. So können auf dem Umfang verteilt mehrere unterschiedliche axiale Kräfte eingeleitet werden.Alternatively, the phase coils 9 are divided into a plurality of areas on the circumference and each area is driven separately. This second division 19 of the phase coils 9 is indicated by the outer arc-shaped double arrows in 9 implied. In this way, several different axial forces can be introduced distributed over the circumference.

Im Extremfall wird jede Phasenspule 9 separat angesteuert. Hierbei steigt die Anzahl der separat anzusteuernden Phasen durch die Leistungselektronik.In the extreme case, each phase coil 9 is driven separately. The number of phases to be controlled separately increases here due to the power electronics.

11 zeigt eine Aufsicht auf eine alternative Gruppierung der Phasenspulen 9 einer Statorwicklung. Hier werden die Bereichsaufteilungen für jede Phase um einen Winkelversatz 13 verdreht. In der dargestellten Ausführung kann jede Phase auf dem Umfang verteilt zwei unterschiedliche axiale Kräfte einleiten. Da die einzelnen Phasen jeweils um 1/3 versetzte Kräftepaare auf dem Umfang verteilt einleiten können, wird mittels Überlagerung der versetzten Kräftepaare der einzelnen Phasen die Fähigkeit erreicht, auf dem Umfang unterschiedliche axiale Kräfteverteilungen einzuleiten. Dies ermöglicht, auch komplexe Schwingmuster des Rotors aktiv zu dämpfen, ohne dass die Anzahl der individuell ansteuerbaren Phasen weiter steigt (im Vergleich zur ersten Aufteilung 18 in 9). 11 shows a top view of an alternative grouping of the phase coils 9 of a stator winding. Here, the area divisions for each phase are rotated by an angular offset 13. In the embodiment shown, each phase can introduce two different axial forces distributed over the circumference. Since the individual phases can introduce force pairs that are offset by 1/3 on the circumference, the ability to introduce different axial force distributions on the circumference is achieved by superimposing the offset force pairs of the individual phases. This makes it possible to actively damp even complex oscillation patterns of the rotor without further increasing the number of individually controllable phases (compared to the first division 18 in 9 ).

Weiterhin kann auch eine Kombination von verschiedenen Aufteilungen (gemäß 9, 10 und 11) auf dem Umfang je Phase kombiniert werden. So können z.B. die U-Phase gemäß der ersten Aufteilung 18, die V-Phase gemäß der zweiten Aufteilung 19 und die W-Phase z.B. ohne eine Aufteilung kombiniert werden. Alternativ können auch alle Phasenspulen 9 der Phase W hierbei einzeln angesteuert werden. Oder die Aufteilung erfolgt gemäß einer auf dem Umfang oder mit einer um einen Winkel versetzten ersten oder zweiten Aufteilung 18, 19.Furthermore, a combination of different divisions (according to 9 , 10 and 11 ) can be combined on the circumference per phase. For example, the U-phase according to the first division 18, the V-phase according to the second division 19, and the W-phase can be combined, for example, without a division. Alternatively, all phase coils 9 of phase W can also be controlled individually. Or the division takes place according to a first or second division 18, 19 on the circumference or offset by an angle.

BezugszeichenlisteReference List

11: Axialflussmaschineaxial flow machine
22: erster Statorfirst stator
33: erste Statorwicklungfirst stator winding
44: zweiter Statorsecond stator
55: zweite Statorwicklungsecond stator winding
66: Rotorrotor
77: erster Luftspaltfirst air gap
88th: zweiter Luftspaltsecond air gap
99: Phasenwicklungphase winding
1010: erste leistungselektronische Baugruppefirst power electronics assembly
1111: zweite leistungselektronische Baugruppesecond power electronic assembly
1212: Controllercontrollers
1313: Winkelversatzangular misalignment
1414: Erfassungseinheitregistration unit
1515: Hauptstromrichtermain power converter
1616: Kompensationsstromumrichtercompensation current converter
1717: Permanentmagnetpermanent magnet
1818: erste Aufteilung der Phasenspulenfirst division of the phase coils
1919: zweite Aufteilung der Phasenspulensecond division of phase coils

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 2733822 B1 [0007]

Claims

Axial flux machine (1) with • a first stator (2) with a first stator winding (3), • a second stator (4) with a second stator winding (5) and • a rotor (6 ) spaced from the first stator (2) by a first air gap (7) and from the second stator (3) by a second air gap (8), characterized by means for generating an axially directed force on the rotor (6). different energization of opposing phase coils (9) of the first and second stator winding (3; 5).

axial flow machine claim 1 , wherein the device comprises a detection unit (14) for detecting axial vibrations of the rotor (6) and a controller (12) for determining a differential current suitable for damping the vibrations between opposite phase coils (9) of the first and second stator windings (3; 5). .

axial flow machine claim 2 wherein the detection unit (14) comprises a voltage sensor for detecting voltages induced in the phase coils or a current sensor for detecting currents induced in the phase coils.

Axial flow machine according to one of the preceding claims • a first electronic power assembly (10) for energizing phase coils (9) of the first stator winding (3), • a second electronic power assembly (11) for energizing phase coils (9) of the second stator winding (5) and • Means for the separate activation of the first and second electronic power assemblies (10,11) to generate the axially directed force on the rotor (6).

Axial flow machine according to one of Claims 1 until 4 with • a main converter (15) for energizing phase coils (9) of the first and second stator windings (3, 5) to generate a torque on the rotor (6) and • a compensation current converter (16) with a comparison to the main converter (15) lower electrical power for energizing phase coils (9) of the first stator winding (3) with a first compensation current and the second stator winding (5) with a second compensation current which is in phase opposition to the first compensation current and has the same amount in order to generate the axially directed force on the rotor (6) .

Axial flux machine according to one of the preceding claims, wherein the phase windings (9) of the first stator winding (3) are divided into independently controllable first groups of phase coils (9) and the phase windings (9) of the second stator winding (5) are divided in the same way independently of one another controllable second groups of phase coils (9) are divided so that the phase coils (9) of the first and second groups face each other axially and can cause an axially directed force on the rotor (6) due to the different energization.

axial flow machine claim 6 , wherein the groups each comprise circumferentially adjacent phase coils (9).

axial flow machine claim 7 , wherein the groups each comprise the adjacent phase coils (9) in an angular range of 180 degrees or 120 degrees.

axial flow machine claim 6 , wherein the groups each exclusively comprise phase coils (9) of the same phase and wherein the groups with phase coils of a first phase have a circumferential angular offset (13) to the groups with phase coils (9) of a second phase.

Axial flow machine according to one of Claims 1 until 5 , wherein each phase coil (9) can be controlled independently of the other phase coils (9).