DE102021104253A1

DE102021104253A1 - Axial flow machine with braking device

Info

Publication number: DE102021104253A1
Application number: DE102021104253.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Immler; Christian Schilling; Thomas HACKENBERG; Jörg Meyer
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, insbesondere zum Betätigen von Stellflächen eines Luftfahrzeugs, Popellern oder Turbofans, umfassend einen Rotor, der sich um eine Rotationsachse der Axialflussmaschine dreht, einen Stator, der gegenüber dem Rotor starr angeordnet ist, und eine Bremsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, bei einem Bremsvorgang den Rotor entgegen einer Antriebskraft abzubremsen und/oder in Position zu halten, wobei der Rotor eine die Rotationsachse der Axialflussmaschine umgebende und radial davon abstehende Scheibe umfasst, die mindestens einen Permanentmagneten aufweist. Die Axialflussmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung dazu ausgelegt ist, bei einem Bremsvorgang an der Scheibe des Rotors anzugreifen.The invention relates to an axial flow machine, in particular for actuating the positioning surfaces of an aircraft, popellers or turbofans, comprising a rotor which rotates about an axis of rotation of the axial flow machine, a stator which is rigidly arranged in relation to the rotor, and a braking device which is designed for this to brake the rotor during a braking operation against a driving force and/or to hold it in position, the rotor comprising a disk which surrounds the axis of rotation of the axial flow machine and projects radially therefrom and which has at least one permanent magnet. The axial flow machine is characterized in that the braking device is designed to act on the disk of the rotor during a braking process.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine mit einer Bremsvorrichtung, insbesondere eine Axialflussmaschine, die dazu ausgelegt ist, eine Stellfläche eines Luftfahrzeugs, eine Propeller oder Turbofan zu betätigen.The present invention relates to an axial-flow machine with a braking device, in particular an axial-flow machine designed to actuate an aircraft footprint, a propeller or a turbofan.

In Flugsteuerungssystemen kommen typischerweise hydraulische Servo-Aktuatoren zum Einsatz. Sie erzeugen eine Fluglageänderung über die Steuerung von hydraulischem Druck in Hydraulikzylindern, welcher letztlich die Betätigung von Steuerflächen (bspw. Seiten-, Quer- oder Höhenruder) eines Luftfahrzeugs ermöglicht. Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung von Flugzeugsystemen werden zu diesem Zweck allerdings zunehmend elektromechanische Stellantriebe (EMAs) eingesetzt.Hydraulic servo actuators are typically used in flight control systems. They generate a change in attitude by controlling hydraulic pressure in hydraulic cylinders, which ultimately enables the control surfaces (e.g. rudder, aileron or elevator) of an aircraft to be actuated. However, as aircraft systems become increasingly electrified, electromechanical actuators (EMAs) are increasingly being used for this purpose.

Hierbei handelt es sich typischerweise um rotatorische EMAs, deren Drehachse parallel zur Drehachse der Steuerklappe bzw. Steuerfläche ist. Über eine Hebelkinematik wird dann das Drehmoment auf die Klappe umgelenkt. Zusätzlich werden anstelle von Hydraulikzylindern auch linear betätigte EMAs verwendet.These are typically rotary EMAs whose axis of rotation is parallel to the axis of rotation of the control flap or control surface. The torque is then redirected to the flap via lever kinematics. Additionally, linearly actuated EMAs are also used instead of hydraulic cylinders.

Der wesentliche Vorteil an der Verwendung von Axialflussmaschinen ist, dass durch deren Einsatz auf das in herkömmlichen elektrischen Antrieben erforderliche Untersetzungsgetriebe verzichtet werden kann. Die dadurch reduzierte Komplexität bzw. Fehleranfälligkeit ermöglicht eine elektromechanische Ansteuerung von sicherheitskritischen Stellelementen in Luftfahrzeugen, da ein Klemmen im Pfad der Kraftübertragung ausgeschlossen werden kann und sich damit auf Flugzeugebene einfache Systemarchitekturen ergeben. Gleichzeitig entfallen die bei Getrieben typischen Probleme des Verschleißes bzw. der Wartung/Schmierung.The main advantage of using axial flow machines is that their use means that the reduction gear required in conventional electric drives can be dispensed with. The resulting reduction in complexity and susceptibility to errors enables an electromechanical control of safety-critical actuating elements in aircraft, since jamming in the power transmission path can be ruled out, resulting in simple system architectures at aircraft level. At the same time, the problems of wear and tear or maintenance/lubrication that are typical of gearboxes are eliminated.

Das Problem der Komplexität und der Fehlerwahrscheinlichkeit von elektromechanischen Stellantrieben reduziert sich wesentlich, wenn -wie mit Axialflussmaschinen möglich- auf eine Getriebeübersetzung verzichtet werden kann. Bei einem solchen Direktantrieb (direct-drive Prinzip), muss jedoch die erforderliche Ausgangslast direkt vom Motor (Single- oder Multistack) aufgebracht werden. Für solche Anwendungen bietet die Axialflussmaschine gegenüber konventionellen Motorbauweisen (typischerweise in Form von Radialflussmaschinen) eine höhere Drehmomentdichte, d.h. mit ihr lässt sich bei vergleichbarer Motormasse ein höheres Antriebsmoment erzeugen.The problem of complexity and the probability of errors in electromechanical actuators is significantly reduced if - as is possible with axial flow machines - a gear ratio can be dispensed with. With such a direct drive (direct-drive principle), however, the required output load must be applied directly by the motor (single or multi-stack). For such applications, the axial flux machine offers a higher torque density than conventional motor designs (typically in the form of radial flux machines), i.e. it can generate a higher drive torque with a comparable motor mass.

Darüber hinaus ist es ein wesentlicher Vorteil, wenn eine Axialflussmaschine kompakte Abmessungen aufweist und über eine Bremsvorrichtung verfügt. Insbesondere im Luftfahrtbereich ist es von Vorteil, wenn die Dimensionen eines Stellantriebs (beispielsweise verkörpert durch eine Axialflussmaschine) gering ausfallen, da dann besonders wenige Einschränkungen in Bezug auf deren Einsatzort vorliegen. Somit ist es dann beispielsweise möglich diese Axialflussmaschinen auch in besonders engen Raumverhältnissen in dem Flügelbereich eines Luftfahrzeugs anzuordnen. Gerade diese kompakte Bauweise ermöglicht dann den Einsatz für Stellantriebe für Propeller und Turbofans.In addition, it is a significant advantage if an axial flow machine has compact dimensions and has a braking device. In the aviation sector in particular, it is advantageous if the dimensions of an actuator (embodied, for example, by an axial flow machine) are small, since there are then particularly few restrictions with regard to their place of use. It is then possible, for example, to arrange these axial flow machines in the wing area of an aircraft even in particularly narrow spatial conditions. It is precisely this compact design that enables it to be used for actuators for propellers and turbofans.

Zudem ist es von Vorteil, wenn eine Axialflussmaschine mit einer Brems-/Haltefunktion zum Halten eines auf die Ausgangswelle einwirkenden Drehmoments ausgestattet ist. So ist es beispielsweise wünschenswert, dass bei einem Stromausfall an der Axialflussmaschine eine Bremsvorrichtung vorhanden ist, die die Ausgangswelle der Axialflussmaschine auch in einem stromlosen Zustand und bei Einwirken eines Drehmoments von außen in ihrer Position halten kann. Bezogen auf ein Luftfahrzeug ist es dann beispielsweise möglich, dass eine mit der Axialflussmaschine betätigte Stellfläche trotz Stromausfall bzw. einer Unterbrechung in der Energieversorgung ihre zuletzt eingenommene Position halten kann oder in ihrer Bewegung dämpft. Dies trägt maßgeblich zur Flugsicherheit bei und verhindert ein ungesteuertes Bewegen der Stellfläche.In addition, it is advantageous if an axial flow machine is equipped with a braking/holding function for holding a torque acting on the output shaft. For example, it is desirable for a braking device to be present in the event of a power failure on the axial flow machine, which can hold the output shaft of the axial flow machine in its position even when it is de-energized and when external torque is applied. With regard to an aircraft, it is then possible, for example, for a positioning surface actuated with the axial flow machine to be able to hold its last position or dampen its movement despite a power failure or an interruption in the energy supply. This contributes significantly to flight safety and prevents uncontrolled movement of the footprint.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Axialflussmaschine mit einer Bremsvorrichtung vorzusehen, die in Bezug auf ihre Abmessungen besonders kompakt ist und einen einfachen strukturellen Aufbau aufweist.The aim of the present invention is to provide an axial flow machine with a braking device which is particularly compact in terms of its dimensions and has a simple structural design.

Dies gelingt mit einer Axialflussmaschine, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dabei in den Unteransprüchen angegeben.This is achieved with an axial flow machine that has all the features of claim 1. Advantageous refinements of the present invention are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist demnach eine Axialflussmaschine vorgesehen, insbesondere eine Axialflussmaschine zum Betätigen von Stellflächen eines Luftfahrzeugs, die einen Rotor, der sich um eine Rotationsachse der Axialflussmaschine dreht, einen Stator, der gegenüber dem Rotor starr angeordnet ist, und eine Bremsvorrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, bei einem Bremsvorgang den Rotor entgegen einer Antriebskraft abzubremsen und/oder in Position zu halten, wobei der Rotor eine die Rotationsachse der Axialflussmaschine umgebende und radial davon abstehende Scheibe umfasst, die mindestens einen Permanentmagneten aufweist. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung dazu ausgelegt ist, bei einem Bremsvorgang an der Scheibe des Rotors anzugreifen. So kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung bei einem Bremsvorgang direkt an die Scheibe ansetzt und diese durch einen unmittelbaren Kontakt abbremst bzw. entgegen einer von außen eingeprägten Antriebskraft in ihrer Position hält oder in ihrer Bewegung dämpft..According to the invention, an axial flow machine is therefore provided, in particular an axial flow machine for actuating positioning surfaces of an aircraft, which comprises a rotor which rotates about an axis of rotation of the axial flow machine, a stator which is arranged rigidly with respect to the rotor, and a braking device which is designed for this purpose to brake the rotor during a braking operation against a driving force and/or to hold it in position, the rotor comprising a disk which surrounds the axis of rotation of the axial flow machine and projects radially therefrom and which has at least one permanent magnet. The axial flow machine according to the invention is characterized in that the braking device is designed to act on the disk of the rotor during a braking process. So it can be provided according to the invention that the Bremsvorrich During a braking process, the device attaches directly to the disc and brakes it through direct contact or holds it in position against an external driving force or dampens its movement.

Indem nach der Erfindung vorgesehen sein kann, dass die Bremsvorrichtung direkt an die sich radial zur Rotationsrichtung erstreckende Scheibe des Rotors ansetzt, wird eine besonders kompakte Axialflussmaschine mit Bremsvorrichtung geschaffen. Es ist nicht notwendig, eine zur Axialflussmaschine separate Bremsvorrichtung vorzusehen, da sie gemäß der Erfindung in die Axialflussmaschine integriert sein kann und eine Bremswirkung direkt auf die Scheibe des Rotors ausübt.Since it can be provided according to the invention that the braking device attaches directly to the disk of the rotor that extends radially to the direction of rotation, a particularly compact axial flow machine with a braking device is created. It is not necessary to provide a braking device separate from the axial flow machine since, according to the invention, it can be integrated into the axial flow machine and exert a braking effect directly on the disk of the rotor.

Eine Bremswirkung der Bremsvorrichtung wird also auf die Scheibe des Rotors ausgeübt. Dies hat auch Vorteile in Bezug auf die Dimensionierung der Bremsvorrichtung, da ein Ansetzen einer Bremsvorrichtung in einem Scheibenbereich, der radial zur Rotationsachse beabstandet ist, eine höhere Leistung erzielt als ein dazu nach innen hin zur Rotationsachse versetztes Ansetzen der Bremsvorrichtung.A braking effect of the braking device is thus exerted on the disk of the rotor. This also has advantages with regard to the dimensioning of the braking device, since applying a braking device in a disk area that is radially spaced from the axis of rotation achieves higher performance than applying the braking device offset inwards towards the axis of rotation.

Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung im Inneren eines den Rotor umfassenden Gehäuses der Axialflussmaschine angeordnet ist, und vorzugsweise fest mit dem Gehäuse verbunden ist.According to a further development of the invention, it can be provided that the braking device is arranged inside a housing of the axial flow machine that encompasses the rotor, and is preferably firmly connected to the housing.

Weiter kann nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung radial an einer äußeren Stirnseite der Scheibe angreift und vorzugsweise radial zur Scheibe angeordnet ist und bei einem Bremsvorgang in radialer Richtung nach innen zur Rotationsachse ausfährt, um an der äußeren Stirnseite der Scheibe anzugreifen.Furthermore, according to an optional development of the invention, it can be provided that the braking device acts radially on an outer end face of the disc and is preferably arranged radially to the disc and extends in a braking process in the radial direction inwards to the axis of rotation in order to act on the outer end face of the disc .

Demnach besitzt die Bremsvorrichtung mindestens ein bewegliches Teil, das bei einer Aktivierung der Bremsvorrichtung in Kontakt mit der Scheibe des Rotors gebracht wird. Vorliegen kann vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung radial nach außen versetzt zu der schmalen Seite der Scheibe des Rotors (Stirnseite) angeordnet ist und mit einem radial nach innen verfahrbaren beweglichen Teil wahlweise in Kontakt mit der Stirnfläche der Scheibe gebracht werden kann. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung mehrere Einheiten (bspw. zwei, drei, vier fünf, oder sechs) umfasst, die vorzugsweise in Umfangsrichtung äquidistant zueinander angeordnet sind und/oder an gegenüberliegenden Seiten der Stirnfläche der Scheibe angreifen. Bei einer geradzahligen Anzahl an Bremseinheiten kann eine gedachte Verbindungslinie der mehreren Bremseinheiten die Rotationsachse der Axialflussmaschine schneiden.Accordingly, the braking device has at least one moving part which is brought into contact with the disc of the rotor when the braking device is activated. It can be provided that the braking device is arranged offset radially outwards to the narrow side of the disc of the rotor (front side) and can be selectively brought into contact with the front face of the disc with a movable part that can be moved radially inwards. It can also be provided that the braking device comprises a plurality of units (e.g. two, three, four, five, or six) which are preferably arranged equidistantly from one another in the circumferential direction and/or act on opposite sides of the end face of the disk. If there is an even number of braking units, an imaginary connecting line between the plurality of braking units can intersect the axis of rotation of the axial flow machine.

Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung an mindestens einer der beiden flächigen Seiten der Scheibe angreift, vorzugsweise an beiden flächigen Seiten der Scheibe und bevorzugterweise dabei an nur in der Axialrichtung versetzten gegenüberliegenden Bereichen der beiden flächigen Seiten der Scheibe. Die rotierbare Scheibe und die Bremsvorrichtung können also demnach in Bremskontakt miteinander gebracht werden, wenn eine Relativbewegung entlang der Rotationsachse der Axialflussmaschine, senkrecht zur Radialrichtung, zwischen Scheibe und Bremsvorrichtung durchgeführt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung über ein bewegliches Teil verfügt, insbesondere eine Bremsbacke oder einen Bremsbelag, die/der bei Betätigung der Bremsvorrichtung in Axialrichtung hin zur Scheibe bewegt wird und mit dieser zusammenwirkt, um über die dabei erzeugte Reibung ein Bremsen oder ein Halten der Scheibe zu bewirken. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bremsvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Bremskontakt nicht nur auf einer der beiden flächigen Seiten der Scheibe herzustellen, sondern einen Bremskontakt auf jeder der beiden flächigen Seiten erzeugen kann. Dabei bietet es sich an, die Bremsvorrichtung so auszugestalten, dass die auf beiden Seiten der Scheibe angeordneten bewegbaren Teile der Bremsvorrichtung an Bereichen der Scheibe angreifen, die nur in der Axialrichtung der Axialflussmaschine zueinander versetzt sind. Dadurch wird verhindert, dass eine einseitig wirkende Kraft auf die Scheibe ausgeübt wird, die auf Dauer zu Beschädigungen führen kann.Furthermore, according to the invention it can be provided that the braking device acts on at least one of the two flat sides of the disc, preferably on both flat sides of the disc and preferably on opposite areas of the two flat sides of the disc that are offset only in the axial direction. The rotatable disk and the braking device can therefore be brought into braking contact with one another if a relative movement is carried out between the disk and the braking device along the axis of rotation of the axial flow machine, perpendicular to the radial direction. For example, it can be provided that the braking device has a movable part, in particular a brake shoe or a brake pad, which is moved in the axial direction towards the disc when the braking device is actuated and interacts with it in order to brake or cause the disc to hold. It is particularly advantageous if the braking device is designed to produce a braking contact not only on one of the two flat sides of the disc, but rather can produce a braking contact on each of the two flat sides. It makes sense to design the braking device in such a way that the movable parts of the braking device arranged on both sides of the disk act on areas of the disk that are offset from one another only in the axial direction of the axial flow machine. This prevents a one-sided force being exerted on the disc, which can lead to permanent damage.

Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung dazu ausgelegt ist, an einem Abschnitt der Scheibe anzugreifen, der radial weiter außen angeordnet ist, als der mindestens eine auf der Scheibe angeordnete Permanentmagnet. Das Angreifen der Bremsvorrichtung an einem radial weiter außen liegenden Abschnitt ist von Vorteil, da hierdurch die auf die Scheibe wirkende Bremskraft erhöht wird und der bei einem Umlauf der Scheibe beanspruchte Bereich der Scheibe größer ist, als bei einem Angreifen an einem dazu radial nach innen versetzten Bereich.According to an optional modification of the present invention, it can be provided that the braking device is designed to act on a section of the disk that is arranged radially further outward than the at least one permanent magnet arranged on the disk. It is advantageous if the braking device acts on a radially outer section, since this increases the braking force acting on the disk and the area of the disk that is stressed when the disk rotates is larger than if it acts on a section that is offset radially inward Area.

Vorzugsweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Scheibe mit einem Reibbelag und/oder einer Bremsscheibe zum Angreifen der Bremsvorrichtung versehen ist und/oder dazu ausgelegt ist, mit der Bremsvorrichtung einen Formschluss einzugehen. Beispielsweise kann sich der Reibbelag an der äußeren Stirnseite der Scheibe und/oder an einer oder beiden flächigen Seiten der Scheibe befinden. Selbstverständlich ist auch der Fall umfasst, dass der Reibbelag nur in einem umlaufenden Ringabschnitt auf mindestens einer der flächigen Seiten angeordnet ist. Typischerweise ist der Reibbelag an eben jenem Abschnitt der Scheibe angeordnet, an dem ein Kontakt mit der Bremsvorrichtung vorgesehen ist.It can preferably be provided according to the invention that the disk is provided with a friction lining and/or a brake disk for engaging the braking device and/or is designed to enter into a form fit with the braking device. For example, the friction lining can be located on the outer end face of the disk and/or on one or both flat sides of the disk. Of course that is too Case includes that the friction lining is arranged only in a circumferential ring portion on at least one of the flat sides. Typically, the friction lining is located on that very portion of the disc where contact with the braking device is intended.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Scheibe eine Bremsscheibe umfasst. Dies kann bspw. dadurch umgesetzt werden, indem an dem radialen Endabschnitt der Scheibe eine umlaufende, sich in Radialrichtung erstreckende Nut vorgesehen ist, die zum Aufnehmen einer Bremsscheibe dient. Es könnten auch axiale Nuten ausgebildet sein - als schwimmender Bremsbelag zur Vermeidung von Axialkräften auf den Rotor.Alternatively or additionally, it can also be provided that the disk comprises a brake disk. This can be implemented, for example, by providing a circumferential groove, which extends in the radial direction, on the radial end section of the disk and serves to accommodate a brake disk. It could also be formed axial grooves - as a floating brake lining to avoid axial forces on the rotor.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Bremswirkung der Bremsvorrichtung auch dadurch erzeugt werden, indem die Bremsvorrichtung und der mit der Bremsvorrichtung zusammenwirkende Abschnitt der Scheibe bei Betätigen der Bremsvorrichtung einen Formschluss bilden. So sind entsprechend aufeinander abgestimmte Konturen denkbar, beispielsweise eine Sägezahnoberfläche in die eine entsprechend ausgebildete komplementäre Sägezahnoberfläche eingreifen kann, sodass es zu einem Abbremsen oder einem Halten der Rotorscheibe bzw. des Rotors kommt. Dem Fachmann ist klar, dass für einen solchen Formschluss auch (federvorgespannte) Rutschkupplungen infrage kommen, die bei Überschreiten eines maximal anliegenden Drehmoments Auskuppeln und eine Bewegung der Ausgangswelle zulassen.Alternatively or additionally, the braking effect of the braking device can also be generated in that the braking device and the section of the disk interacting with the braking device form a form fit when the braking device is actuated. Correspondingly coordinated contours are conceivable, for example a sawtooth surface in which a correspondingly designed complementary sawtooth surface can engage, so that the rotor disk or rotor is braked or held. It is clear to a person skilled in the art that (spring-loaded) slipping clutches can also be used for such a form fit, which disengage and allow movement of the output shaft when a maximum applied torque is exceeded.

Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine eine Synchronmaschine ist. Bei einer Synchronmaschine läuft der Rotor (auch: Läufer) synchron mit dem Drehfeld des Stators. Die Synchronmaschine weist demnach die Betriebseigenschaft auf, dass ihr Rotor exakt mit dem durch die Netzfrequenz vorgegebenen Drehfeld synchron umläuft. Bei einer Synchronmaschine ist insbesondere die Regelung einfacher auszuführen, wenn diese im läuferfesten Koordinatensystem (d-Achse und q-Achse) erfolgt. Das läuferfeste Koordinatensystem ist mit dem Polrad des Synchronmotors verbunden und rotiert mit diesem. Seine Achsen tragen die Bezeichnungen „d“ und „q“. Die d-Achse des läuferfesten Koordinatensystems wird entlang der Magnetisierungsrichtung des Polrades ausgerichtet.Furthermore, it can be provided according to the invention that the axial flow machine is a synchronous machine. In a synchronous machine, the rotor (also: runner) runs synchronously with the rotating field of the stator. The synchronous machine therefore has the operating characteristic that its rotor rotates exactly synchronously with the rotary field specified by the mains frequency. In the case of a synchronous machine, the control is particularly easier to carry out if it takes place in the rotor-fixed coordinate system (d-axis and q-axis). The rotor-fixed coordinate system is connected to the flywheel of the synchronous motor and rotates with it. Its axes are labeled "d" and "q". The d-axis of the rotor-fixed coordinate system is aligned along the direction of magnetization of the pole wheel.

Nutzt man das läuferfeste Koordinatensystem, stehen Strom- und Spannungszeiger still, da sie mit der gleichen Geschwindigkeit laufen wie das läuferfeste Koordinatensystem selbst. Die d- und q-Komponenten des Strom- und des Spannungszeigers werden im läuferfesten Koordinatensystem zu Gleichgrößen, was die Ansteuerung der Synchronmaschine und die Regelung bedeutend vereinfacht.If the rotor-fixed coordinate system is used, the current and voltage vectors stand still because they run at the same speed as the rotor-fixed coordinate system itself Synchronous machine and the control significantly simplified.

Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotor und/oder die Scheibe in Axialrichtung verschiebbar ist/sind.According to an optional modification of the present invention, it can be provided that the rotor and/or the disk is/are displaceable in the axial direction.

So kann durch den in Axialrichtung verschiebbaren Rotor bzw. die in Axialrichtung verschiebbare Scheibe ein Zusammenwirken mit einer Bremsvorrichtung auch dann erfolgen, wenn nicht etwa ein bewegliches Teil der Bremsvorrichtung betätigt wird, sondern der Rotor bzw. die Scheibe an sich. Die zum Erzeugen einer Bremswirkung zwischen Bremsvorrichtung und Scheibe erforderliche Relativbewegung kann dabei also durch die Bewegung der Scheibe ausgeführt werden.Thus, the axially displaceable rotor or the axially displaceable disk can also interact with a braking device if it is not a movable part of the braking device that is actuated, but rather the rotor or the disk itself. The relative movement required to generate a braking effect between the braking device and the disk can thus be carried out by the movement of the disk.

Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung ein Bremsstator ist, der gegenüber dem Stator der Axialflussmaschine unbeweglich angeordnet ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Bremsstator an dem den Rotor umgebenden Gehäuse angeordnet ist. Durch das starre Anordnen des Bremsstators ist der Aufbau der beanspruchten Axialflussmaschine mit der Bremsvorrichtung weiter vereinfacht.It can be provided, for example, that the braking device is a braking stator, which is arranged immovably with respect to the stator of the axial flow machine. Furthermore, it can be provided that the brake stator is arranged on the housing surrounding the rotor. The rigid arrangement of the brake stator further simplifies the structure of the claimed axial flow machine with the braking device.

Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotor und/oder die Scheibe mit einem elastischen Element gegen eine Bremsvorrichtung federvorgespannt ist/sind, sodass der Rotor und/oder die Scheibe in Richtung der Bremsvorrichtung gedrängt wird/werden, um mit dieser zusammenzuwirken.According to a further optional development of the present invention, it can be provided that the rotor and/or the disk is/are spring-loaded with an elastic element against a braking device, so that the rotor and/or the disk is/are urged in the direction of the braking device to cooperate with this.

Der Rotor bzw. die Scheibe sind dabei in der Axialrichtung der Axialflussmaschine bewegbar und in eine Richtung vorgespannt, in der der Rotor bzw. die Scheibe gegen eine Bremsvorrichtung gedrängt werden. Wird also keine Kraft auf den Rotor bzw. die Scheibe ausgeübt, die in entgegengesetzte Richtung der Vorspannkraft wirkt, wird der Rotor bzw. die Scheibe durch das Zusammenwirken mit der Bremsvorrichtung gebremst oder in seiner Position gehalten.The rotor or the disk can be moved in the axial direction of the axial flow machine and is prestressed in a direction in which the rotor or the disk is urged against a braking device. Thus, if no force is exerted on the rotor or the disk that acts in the opposite direction of the prestressing force, the rotor or the disk is braked or held in its position by the interaction with the braking device.

Nach einer vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotor und/oder die Scheibe über eine vom Stator bzw. von einer Statorwicklung eingeprägte Magnetkraft in Axialrichtung bewegbar ist/sind. Zum Betätigen einer Bremsvorrichtung ist es demnach nicht mehr erforderlich, eine separate Verkabelung für die Bremsvorrichtung vorzusehen, da die Bremsvorrichtung nun über das gezielte Ansteuern der Statorwicklungen bzw. der Statoren möglich ist. Positiver Nebeneffekt hierbei ist, dass auch im Falle eines Ausfalls einer Energieversorgung für die Axialflussmaschine der Rotor abgebremst bzw. in seiner letzten Position gehalten werden kann, da der Ausfall der Energieversorgung dazu führt, dass der Rotor aufgrund der durch das elastische Element wirkenden Vorspannkraft in Richtung der Bremsvorrichtung gedrängt wird. Kommt es demnach zu einem Ausfall der Stromversorgung bleibt die Ausgangswelle der Axialflussmaschine fest abgebremst und kann von außen einwirkenden Drehmomenten widerstehen.According to an advantageous modification of the present invention, it can be provided that the rotor and/or the disk is/are movable in the axial direction via a magnetic force impressed by the stator or by a stator winding. Accordingly, in order to actuate a braking device, it is no longer necessary to provide separate cabling for the braking device, since the braking device is now possible via the targeted activation of the stator windings or the stators. A positive side effect here is that even in the event of a power failure for the axial flow machine, the rotor can be braked or held in its last position, since the failure of the energy supply means that the rotor is pushed in the direction of the braking device due to the prestressing force acting through the elastic element. If the power supply fails, the output shaft of the axial flow machine remains firmly braked and can withstand external torques.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die vom Stator bzw. der Statorwicklung/en eingeprägte Magnetkraft dazu in der Lage ist, entgegen der Vorspannrichtung des elastischen Elements, bspw. einer Feder, zu wirken, um die Bremsvorrichtung außer Eingriff mit dem Rotor und/oder der Scheibe zu bringen, sodass ein Rotieren des Rotors und/oder der Scheibe durchführbar ist.It is preferably provided that the magnetic force impressed by the stator or the stator winding(s) is able to act counter to the prestressing direction of the elastic element, e.g. a spring, in order to disengage the braking device from the rotor and/or the To bring disc so that a rotation of the rotor and / or the disc is feasible.

Nach einer bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine dazu ausgelegt ist, durch Bestromung des Stators, vorzugsweise mindestens einer daran angeordneten Statorwicklung, in der d-Achse des läuferfesten Koordinatensystems ein magnetisches Feld zu erzeugen, dass zu einer Bewegung des Rotors und/oder der Scheibe in Axialrichtung führt, wobei vorzugsweise bei einem Vorhandensein von zwei Statoren mit dazwischenliegenden Rotor einer der Statoren mit einem positiven d-Achsen-Strom und der andere Stator mit einem negativen d-Achsen-Strom zu beaufschlagen ist.According to a preferred modification of the present invention, it can be provided that the axial flux machine is designed to generate a magnetic field in the d-axis of the rotor-fixed coordinate system by energizing the stator, preferably at least one stator winding arranged on it, that leads to a movement of the rotor and/or the disk in the axial direction, with preferably one of the stators being supplied with a positive d-axis current and the other stator with a negative d-axis current when there are two stators with a rotor in between.

Zum leichteren Verständnis wird nachfolgend der erforderliche theoretische Hintergrund für das Drehmoment einer elektrischen Maschine dargestellt. Dem mit dem vorliegenden Sachverhalt vertrauten Fachmann ist dieser Hintergrund bereits bekannt.For easier understanding, the required theoretical background for the torque of an electrical machine is presented below. This background is already known to a person skilled in the art who is familiar with the present situation.

Allgemein gilt für das Drehmoment einer elektrischen Maschine: $M = \sum_{n = 1}^{P h} I_{n} \frac{d ψ_{n}}{d t}$

In general, the following applies to the torque of an electric machine:

M = \sum_{n = 1}^{P H} I_{n} \frac{i.e ψ_{n}}{i.e t}

Für sinusförmige Größen kann dieser Zusammenhang zwischen den elektrischen und mechanischen Größen einer elektrischen Maschine vereinfacht in folgender Leistungsbilanz ausgedrückt werden: $M * ω = P h / 2 * \hat{U} * \hat{I} * c o s φ * η$

For sinusoidal quantities, this relationship between the electrical and mechanical quantities of an electrical machine can be expressed in simplified form in the following power balance:

M * ω = P H / 2 * \hat{u} * \hat{I} * c O s φ * n

Sind mehrere (n) Motoren auf einer gemeinsamen Welle angebracht, dann gilt, unter der Annahme, dass Spannung Ü, Effizienz η, und die Phasenlage φ zwischen Strom und Spannung ist für alle Teilmotoren identisch ist, folgender Zusammenhang: $M * ω = P h / 2 * \hat{U} * \hat{I} * c o s φ * {\sum \hat{I}}_{n}$

M * ω = \frac{P h}{2} * \hat{U} * \hat{I} * c o s φ * η * n * \hat{I}

cos φ beschreibt hierbei das Verhältnis von Wirk- und Scheinleistung. Bei identischer elektrischer Belastung ist das Drehmoment an der gemeinsamen Welle also direkt proportional zur Anzahl n der gekoppelten Motoren.If several (n) motors are mounted on a common shaft, then the following relationship applies, assuming that voltage Ü, efficiency η, and the phase position φ between current and voltage is identical for all sub-motors:

M * ω = P H / 2 * \hat{u} * \hat{I} * c O s φ * {\sum \hat{I}}_{n}

M * ω = \frac{P H}{2} * \hat{u} * \hat{I} * c O s φ * n * n * \hat{I}

cos φ describes the ratio of active and apparent power. With an identical electrical load, the torque on the common shaft is directly proportional to the number n of coupled motors.

Für den einzelnen Motor gilt (wieder unter der Annahme sinusförmiger Größen und Beschreibung in rotorfesten Koordinaten d und q): $M_{M} = \frac{P h}{2} * p * \underset{Hauptmoment}{\underset{︸}{(ψ_{P M} * i_{q}}} + \underset{Reluktanzmoment}{\underset{︸}{(L_{d} - L_{q}) * i_{q} * i_{d})}}$

The following applies to the individual motor (again assuming sinusoidal quantities and description in rotor-fixed coordinates d and q):

M_{M} = \frac{P H}{2} * p * \underset{main moment}{\underset{︸}{(ψ_{P M} * i_{q}}} + \underset{reluctance moment}{\underset{︸}{(L_{i.e} - L_{q}) * i_{q} * i_{i.e})}}

Für Motoren mit identischer Induktivität in d- und q- Achse ergibt sich eine Proportionalität zwischen q-Achsenstrom und Drehmoment. $I = \sqrt{i_{d}^{2} + i_{q}^{2}}$

For motors with identical inductance in the d and q axes, there is a proportionality between the q axis current and the torque.

I = \sqrt{i_{i.e}^{2} + i_{q}^{2}}

Dieser Gleichung ist zu entnehmen, dass der d-Achsenstrom zur Gesamtlänge des Stromzeigers beiträgt.From this equation it can be seen that the d-axis current contributes to the total length of the current phasor.

Die Klemmenspannung der Maschine ergibt sich zu: $\hat{U} = \sqrt{u_{d}^{2} + u_{q}^{2}} = \sqrt{ω_{e l}^{2} * {(L_{q} * i_{q})}^{2} + ω_{e l}^{2} * {(L_{d} * i_{d} | ψ_{P M} |)}^{2}}$

The terminal voltage of the machine results in:

\hat{u} = \sqrt{{and}_{i.e}^{2} + {and}_{q}^{2}} = \sqrt{ω_{e l}^{2} * {(L_{q} * i_{q})}^{2} + ω_{e l}^{2} * {(L_{i.e} * i_{i.e} | ψ_{P M} |)}^{2}}

Im einfachsten Fall trägt der d-Achsenstrom nicht zur Drehmomentbildung bei, kann jedoch zur Beeinflussung der Klemmenspannung verwendet werden und kann demnach auch zur Magnetisierung zwischen der mindestens einen Statorwicklung und dem an der Scheibe angeordneten Permanentmagnet herangezogen werden. Der d-Achsenstrom bewirkt demnach keine Rotation der Scheibe bzw. des Rotors kann aber dazu genutzt werden, die in Axialrichtung bewegbare Scheibe in der Axialrichtung zu versetzen, sodass die Scheibe beispielsweise außer Eingriff mit der Bremsvorrichtung gebracht wird, in die diese durch eine Federvorspannung gedrängt wird.In the simplest case, the d-axis current does not contribute to torque generation, but can be used to influence the terminal voltage and can therefore also be used to magnetize between the at least one stator winding and the permanent magnet arranged on the disk. The d-axis current therefore does not cause any rotation of the disk or the rotor, but can be used to displace the disk that is movable in the axial direction in the axial direction, so that the disk is disengaged from the braking device, for example, into which it is urged by a spring preload becomes.

Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine dazu ausgelegt ist, durch Bestromung in der q-Achse des läuferfesten Koordinatensystems ein Drehmoment in dem Rotor und/oder der Scheibe zu erzeugen, um den Rotor und/oder die Scheibe gegen äußere Lasten in Rotationsrichtung zu beschleunigen.Furthermore, according to the present invention, it can be provided that the axial flux machine is designed to generate a torque in the rotor and/or the disk by energizing it in the q-axis of the rotor-fixed coordinate system in order to counteract the rotor and/or the disk against external loads to accelerate in the direction of rotation.

Entsprechend den vorhin dargelegten allgemeingültigen Überlegungen ist ersichtlich, dass der q-Strom eine Rotation des Rotors bzw. der Scheibe bewirkt.According to the general considerations presented above, it can be seen that the q-current causes a rotation of the rotor or the disk.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Stator und/oder der Rotor über einen magnetischen Rückschluss verfügt/verfügen.According to a preferred embodiment of the present invention, it can be provided that the stator and/or the rotor has/have a magnetic yoke.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass der Rotor/die Scheibe drehfest an einer Welle der Axialflussmaschine angeordnet ist und vorzugsweise entlang der Längsrichtung der Welle verschiebbar ist.As an alternative or in addition to this, it can be provided that the rotor/the disk is arranged in a rotationally fixed manner on a shaft of the axial flow machine and can preferably be displaced along the longitudinal direction of the shaft.

Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine einen zwischen zwei Statoren angeordneten innenliegenden Rotor, zwei Rotoren mit einem dazwischenliegenden Stator oder einen Rotor mit einem dazu nur einseitig angeordneten Stator umfasst. Dem Fachmann ist klar, dass die Axialflussmaschine nicht auf die vorstehend näher beschriebenen Konfigurationen beschränkt ist, sondern auch davon abweichende Konfigurationen in einem Singlestack oder einem Multistack einnehmen kann. Ein Multistack ist beispielsweise dann verwirklicht, wenn mehrere mit einer gemeinsamen Welle in drehfester Verbindung stehende Rotoren vorliegen, die jeweils über mindestens einen Stator angetrieben werden. So kann die Leistung mehrerer Statoren bzw. mehrerer Statorwicklungen über mehrere Rotoren auf eine gemeinsame Welle übertragen werden. Ein Singlestack beschreibt hingegen das Vorhandensein von nur einem fest mit der Welle in Verbindung stehenden Rotor, der über mindestens einen Stator bzw. mindestens eine Statorwicklung angetrieben wird.According to the invention, it can also be provided that the axial flux machine comprises an internal rotor arranged between two stators, two rotors with a stator in between, or a rotor with a stator arranged only on one side. It is clear to the person skilled in the art that the axial flow machine is not limited to the configurations described in more detail above, but can also assume configurations deviating therefrom in a single stack or a multi-stack. A multistack is realized, for example, when there are a plurality of rotors which are non-rotatably connected to a common shaft and are each driven via at least one stator. In this way, the power from a number of stators or a number of stator windings can be transmitted to a common shaft via a number of rotors. A single stack, on the other hand, describes the presence of only one rotor that is firmly connected to the shaft and is driven via at least one stator or at least one stator winding.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung aus mehreren Bremseinheiten besteht, die sämtlich dazu ausgelegt sind, an einer zugehörigen Scheibe anzugreifen. So können in Umfangsrichtung der Scheibe gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt mehrere Bremseinheiten vorgesehen sein und/oder auch an unterschiedlichen Seiten der Scheibe (beiden flächigen Seite und/oder die Stirnseite) unterschiedliche Bremseinheiten vorgesehen sein.Furthermore, it can be provided that the braking device consists of a plurality of braking units, all of which are designed to act on an associated disk. Thus, several brake units can be provided distributed uniformly or unevenly in the circumferential direction of the disk and/or different brake units can also be provided on different sides of the disk (both flat sides and/or the end face).

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine,
2a-c: unterschiedliche Axialflussmaschinen zum Erläutern des Erfindungsgegenstands,
3: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine mit einer Bremsvorrichtung,
4: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine mit einer Bremsvorrichtung, und
5: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine mit einer Bremsvorrichtung.

Further advantages, features and details of the invention can be seen from the following description of the figures. show:

1 : a schematic representation of an axial flow machine,
2a-c : different axial flow machines to explain the subject of the invention,
3 : a further embodiment of an axial flow machine according to the invention with a braking device,
4 : a further embodiment of an axial flow machine according to the invention with a braking device, and
5 1: a further embodiment of an axial flow machine according to the invention with a braking device.

1 zeigt den Grundaufbau einer Axialflussmaschine 1, die um eine Rotationsachse X rotierbar antreibbar ist. Dabei ist eine Welle 11 vorgesehen, die mittig zu der Rotationsachse X angeordnet ist und bei einem Betrieb der Axialflussmaschine 1 um diese Rotationsachse X dreht. Drehfest mit der Welle 11 verbunden ist eine sich radial nach außen erstreckende Scheibe 5, welche umlaufend um die Welle 11 herum angeordnet ist. Da die Scheibe 5 zusammen mit der Welle 11 bei einem Betrieb der Axialflussmaschine 1 rotiert, wird die Scheibe 5 (manchmal zusammen mit der Welle 11) als Rotor 2 oder als Rotorscheibe bezeichnet. 1 shows the basic structure of an axial flow machine 1, which can be driven to rotate about an axis of rotation X. A shaft 11 is provided, which is arranged centrally to the axis of rotation X and rotates about this axis of rotation X when the axial flow machine 1 is in operation. A disk 5 which extends radially outward and is arranged circumferentially around the shaft 11 is connected in a rotationally fixed manner to the shaft 11 . Since the disk 5 rotates together with the shaft 11 in an operation of the axial flux machine 1, the disk 5 (sometimes together with the shaft 11) is referred to as the rotor 2 or as a rotor disk.

In Axialrichtung zu den flächigen Seiten der Scheibe 5 versetzt ist mindestens ein Stator 3 angeordnet, der zum Einprägen eines Magnetfelds auf die Rotorscheibe 2 ausgebildet ist. Wie der Name der Axialflussmaschine 1 bereits verrät ist der magnetische Fluss von dem Stator 3 zu dem Rotor 2 dabei in Axialrichtung orientiert und besitzt im Wesentlichen keine radiale Komponente beim Übertritt vom Stator 3 hin zum Rotor 2. Der Magnetfluss ist dabei also zwischen den Komponenten Rotor 2 und Stator 3 etwa parallel zur Orientierung der Rotationsachse X. Die Rotation des Rotors 2 entsteht dann mit Hilfe von durch die Scheibe 5 getragenen Permanentmagneten 6 (vgl. 2a), die sich von einem entsprechend eingeprägten Magnetfeld des Stators 3 abstoßen. Zum Einprägen des Magnetfelds weist der Stator 3 entsprechende Elektromagneten auf, deren Magnetfeld über Statorwicklungen 10 (vgl. 2a) gesteuert werden kann, so dass es zu einer Rotation des Rotors 2 um die Rotationsachse X kommt.At least one stator 3 , which is designed to impress a magnetic field on the rotor disk 2 , is arranged offset in the axial direction to the flat sides of the disk 5 . As the name of the axial flux machine 1 already suggests, the magnetic flux from the stator 3 to the rotor 2 is oriented in the axial direction and essentially has no radial component when passing from the stator 3 to the rotor 2. The magnetic flux is therefore between the rotor components 2 and stator 3 approximately parallel to the orientation of the axis of rotation X. The rotation of the rotor 2 then occurs with the help of permanent magnets 6 carried by the disk 5 (cf. 2a ), which are repelled by a correspondingly impressed magnetic field of the stator 3. To impress the magnetic field, the stator 3 has corresponding electromagnets whose magnetic field is generated via the stator windings 10 (cf. 2a ) can be controlled so that the rotor 2 rotates about the axis of rotation X.

2a zeigt nun eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Bremsvorrichtung 4 bei einem Bremsvorgang direkt an der Scheibe 5 bzw. dem Rotor 2 angreift, um eine Rotation des Rotors 2 abzubremsen oder zu unterbinden. 2a now shows a first embodiment of the invention, in which a braking device 4 acts directly on the disc 5 or the rotor 2 during a braking process in order to brake or prevent rotation of the rotor 2.

Die Bremsvorrichtung 4 ist dabei radial von der äußeren Stirnseite der Scheibe 5 beabstandet angeordnet und kann einen Brems- oder Haltevorgang auslösen, indem sie ein bewegbares Teil (Bremsklotz oder dergleichen) radial nach innen verfährt, so dass es mit der Stirnseite der Scheibe 5 in Kontakt kommt.. Dieser Kontakt führt aufgrund einer so entstehenden Reibkraft bzw. Haltekraft zu einem Bremsen oder Halten der drehbaren Scheibe Alternativ kann zu Abbremsung auch ein Magnetfeld anlegt werden.The braking device 4 is arranged at a radial distance from the outer end face of the disc 5 and can trigger a braking or stopping process by moving a movable part (brake pad or the like) radially inwards so that it comes into contact with the end face of the disc 5 comes.. Due to the resulting frictional force or holding force, this contact leads to a Braking or holding the rotating disc Alternatively, a magnetic field can also be applied for braking.

Vorteilhafterweise ist dabei an dem Kontaktbereich mit der Bremsvorrichtung 4 ein Reibbelag 7 vorgesehen, der die Reibkraft bei einem Kontakt mit der Bremsvorrichtung 4 erhöht und die ausübbare Bremskraft weiter erhöht.Advantageously, a friction lining 7 is provided on the contact area with the braking device 4, which increases the frictional force upon contact with the braking device 4 and further increases the braking force that can be exerted.

Der Vorteil einer solchen Bremsvorrichtung 4 liegt in der kompakten Umsetzung, da die Bremsvorrichtung mit der Rotorscheibe 5 zusammenwirkt bzw. direkt an dieser ansetzt. Es kann also demnach vorgesehen sein, dass die Bremsvorrichtung 4 in demselben Gehäuse angeordnet ist, das auch den Stator 3 und die Rotorscheibe 5 umgibt. Zudem wird die Bremskraft an einer energetisch vorteilhaften Stelle direkt auf den Rotor 2 eingeleitet, da das Einleiten von Bremskraft an einer radial nach außen versetzten Position aufgrund der Hebelmechanismen effektiver wirkt als an einer dazu nach innen versetzten Position.The advantage of such a braking device 4 lies in the compact implementation, since the braking device interacts with the rotor disk 5 or attaches directly to it. Provision can therefore be made for the braking device 4 to be arranged in the same housing that also surrounds the stator 3 and the rotor disk 5 . In addition, the braking force is introduced directly onto the rotor 2 at an energetically advantageous point, since the introduction of braking force at a radially outwardly offset position acts more effectively due to the lever mechanisms than at an inwardly offset position.

2b zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Bereich zum Ansetzen der Bremsvorrichtung 4 an der Scheibe 5 nicht mehr die radiale Stirnseite der Scheibe ist, sondern sich nun an der flächigen Seite der Scheibe 5 befindet. 2 B FIG. 1 shows a further embodiment of the present invention, in which the area for applying the braking device 4 to the disc 5 is no longer the radial end face of the disc, but is now located on the flat side of the disc 5.

Im Unterschied zur 2a befindet sich die Bremsvorrichtung 4 nun nicht mehr radial nach außen versetzt zur Scheibe 5 sondern wirkt auf die flächige Seite der Scheibe 5. Die Bremsvorrichtung 4 kann dabei mit einem in Axialrichtung bewegbaren Teil auf die flächige Seite der Scheibe 5 einwirken, um einen Brems- oder Halteeffekt zu erreichen. Wie dargestellt können dabei auch mehrere Bremseinheiten vorgesehen sein, die in Axialrichtung zueinander versetzt angeordnet sind und vorzugsweise in Umfangsrichtung der Scheibe an gleicher Position liegen. Die beiden Bremseinheiten können demnach auf unterschiedliche der beiden flächigen Seiten der Scheibe 5 wirken, so dass die Bremswirkung durch das Vorhandensein der mehreren Bremseinheiten verbessert werden kann. Auch hier kann an der Angriffsfläche der Bremsvorrichtung ein Reibbelag 7 an der Scheibe 5 vorgesehen sein, der dazu dient, die Reibwirkung zu erhöhen. Die Bremsvorrichtung weist in dieser Ausführung ein in axialer Richtung bewegliches Teil auf, das bei Bedarf die Scheibe 5 kontaktiert, um diese abzubremsen oder in Position zu halten.In contrast to 2a the braking device 4 is no longer offset radially outwards from the disc 5 but acts on the flat side of the disc 5. The braking device 4 can act on the flat side of the disc 5 with a part that can be moved in the axial direction in order to generate a braking or achieve holding effect. As shown, several brake units can also be provided, which are arranged offset from one another in the axial direction and are preferably in the same position in the circumferential direction of the disk. The two braking units can therefore act on different ones of the two flat sides of the disc 5, so that the braking effect can be improved by the presence of the multiple braking units. Here, too, a friction lining 7 can be provided on the disk 5 on the contact surface of the braking device, which serves to increase the friction effect. In this embodiment, the braking device has a part which can be moved in the axial direction and which, if necessary, contacts the disk 5 in order to brake it or to hold it in position.

Die Bremseinheiten 4 sind vorliegend gegenüber den Permanentmagneten 6 der Scheibe 5 radial nach innen versetzt, was eine besonders kompakte Bauform zulässt, jedoch den um die Rotationsachse X laufenden ringförmigen Angriffsbereich der Bremsvorrichtung 4 auf der Scheibe 5 flächenmäßig verringert. Dabei kann das Wirken der Bremsvorrichtung 4 auf einer kleinen Angriffsfläche zu einer hohen thermischen Belastung und unter Umständen zu einer beschleunigten Abnutzung führen.The brake units 4 are offset radially inwards compared to the permanent magnets 6 of the disk 5, which allows a particularly compact design, but reduces the area of the ring-shaped contact area of the brake device 4 running around the axis of rotation X on the disk 5. In this case, the action of the braking device 4 on a small contact surface can lead to a high thermal load and, under certain circumstances, to accelerated wear.

Das bewegliche Teil der Bremsvorrichtung kann bspw. ein verfahrbarer Stempel sein, der bspw. hydraulisch oder elektromechanisch ausgefahren werden kann. Dem Fachmann ist klar, dass es hierbei eine Vielzahl von möglichen Umsetzungen der Bremsvorrichtung gibt, die sich zur Umsetzung der Erfindungsidee eignen und mit sämtlichen vorgestellten Ausführungsformen verwendet werden können.The moving part of the braking device can, for example, be a movable plunger that can be extended, for example, hydraulically or electromechanically. It is clear to the person skilled in the art that there are a large number of possible implementations of the braking device which are suitable for implementing the idea of the invention and can be used with all of the embodiments presented.

2c zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die sehr kompakten Ausmaße der Umsetzung aus der 2b zugunsten einer leichteren Zugänglichkeit der Bremseinheiten 4, einer verbesserten thermischen Belastung und einer sich hieraus ergebenden geringeren Abnutzung aufgegeben werden. 2c shows another embodiment of the present invention, in which the very compact dimensions of the implementation of the 2 B be abandoned in favor of easier accessibility of the brake units 4, an improved thermal load and a resulting lower wear.

Man erkennt, dass die Bremsvorrichtung 4 mit ihren beiden Bremseinheiten nun nicht mehr radial nach innen versetzt zu den Permanentmagneten 6 angeordnet ist, sondern radial nach außen hierzu angeordnet ist. Die Bremsvorrichtung wirkt demnach auf einen größeren Flächenabschnitt einer jeweiligen flächigen Seite der Scheibe 5, so dass sich die thermische Belastung besser verteilen kann und es demzufolge zu einer geringeren Abnutzung kommt.It can be seen that the braking device 4 with its two braking units is no longer arranged offset radially inwards with respect to the permanent magnets 6, but is arranged radially outwards thereto. The braking device therefore acts on a larger surface section of a respective flat side of the disk 5, so that the thermal load can be better distributed and consequently there is less wear.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Anders als in den vorstehenden Ausführungsformen wird die zum Ausüben einer steuerbaren Bremskraft erforderliche Relativbewegung zwischen Bremsvorrichtung 4 und Scheibe 5 nun nicht mehr von der Bremsvorrichtung 4 geliefert, sondern von der Scheibe 5. Es ist nun also die Rotorscheibe 5, die sich auf die Bremsvorrichtung zubewegt, damit eine Bremskraft entsteht. Da die Bremsvorrichtung 4 nun keine bewegbaren Teile mehr enthalten muss, kann diese auch als Bremsstator 4 umgesetzt werden. 3 shows another embodiment of the present invention. In contrast to the above embodiments, the relative movement between the braking device 4 and the disk 5 required to exert a controllable braking force is now no longer supplied by the braking device 4, but by the disk 5. It is now the rotor disk 5 that is moving towards the braking device , so that a braking force is created. Since the braking device 4 no longer has to contain any movable parts, it can also be implemented as a braking stator 4 .

3 zeigt eine Umsetzung einer Axialflussmaschine 1, die über eine Rotorscheibe 5 und nur einen Stator 3 verfügt. Dem Fachmann ist klar, dass die grundlegende erfinderische Idee nicht auf diese konkret dargestellte Umsetzung der Axialflussmaschine beschränkt ist, sondern allgemein gültig auf verschiedenste Typen von Axialflussmaschinen angewendet werden kann. 3 shows an implementation of an axial flow machine 1, which has a rotor disk 5 and only one stator 3. It is clear to the person skilled in the art that the basic inventive idea is not limited to this specifically illustrated implementation of the axial flow machine, but can be applied generally to a wide variety of types of axial flow machines.

Vorliegend ist die Rotorscheibe 5 mit ihren Permanentmagneten 6 drehfest mit der Welle 11 der Axialflussmaschine 1 verbunden, ist aber in Axialrichtung (parallel zur Rotationsachse X) bewegbar. Die Bewegbarkeit der Rotorscheibe 5 entlang der Axialrichtung ist dabei in der 3 mit Pfeilen 12 hervorgehoben.In the present case, the rotor disk 5 with its permanent magnets 6 is connected to the shaft 11 of the axial flow machine 1 in a torque-proof manner, but is in Movable in the axial direction (parallel to the axis of rotation X). The mobility of the rotor disk 5 along the axial direction is in the 3 highlighted with arrows 12.

Die Rotorscheibe 5 besitzt dabei eine solche Bewegbarkeit entlang der Welle 11, dass sie bei einer entsprechenden Verschiebung mit einer vorzugsweise am Gehäuse 13 angeordneten Bremsvorrichtung 4 in Kontakt treten kann. Wie dargestellt, kann vorgesehen sein, dass die Rotorscheibe 5 eine starr mit ihr verbundene Bremsscheibe 8 aufweist, so dass die Bremsvorrichtung an die Scheibe 5 über die Bremsscheibe 8 angreift.The rotor disk 5 has such a mobility along the shaft 11 that it can come into contact with a braking device 4 preferably arranged on the housing 13 in the event of a corresponding displacement. As shown, it can be provided that the rotor disk 5 has a brake disk 8 rigidly connected to it, so that the braking device acts on the disk 5 via the brake disk 8 .

Damit die bewegbare Rotorscheibe 5 gezielt entlang der Axialrichtung verschoben werden kann, um so einen Bremsvorgang auszulösen oder diesen nicht auszuführen, wird zwischen dem Stator 3 und der Scheibe 5 ein abstoßendes oder anziehendes Magnetfeld erzeugt. Die Statorwicklung 10 kann je nach zugeführter Stromrichtung ein anziehendes oder abstoßendes Magnetfeld in Bezug auf die von der Scheibe 5 getragenen Permanentmagneten 6 erzeugen. In 3 führt bspw. ein abstoßendes Magnetfeld der Statorwicklung 10 dazu, dass die Rotorscheibe 5 von dem Stator 3 wegbewegt wird und die Bremsvorrichtung 4, (bspw. in Form eines Bremsstators) kontaktiert.A repelling or attracting magnetic field is generated between the stator 3 and the disk 5 so that the movable rotor disk 5 can be displaced in a targeted manner along the axial direction in order to trigger a braking process or not to carry it out. Depending on the direction of current supplied, the stator winding 10 can generate an attractive or repulsive magnetic field in relation to the permanent magnets 6 carried by the disc 5 . In 3 For example, a repelling magnetic field of the stator winding 10 leads to the rotor disk 5 being moved away from the stator 3 and making contact with the braking device 4 (e.g. in the form of a braking stator).

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Erzeugung des vorstehend beschriebenen Magnetfelds der d-Achsenstrom (bei Betrachtung des läuferfesten Koordinatensystems) verwendet wird, da dieser nicht zu einer Drehung des Rotors beiträgt. Es ist demnach möglich, ganz gezielt die Rotorscheibe in Axialrichtung zu bewegen, um bspw. diese aus einer gebremsten Position von der Bremsvorrichtung zu entfernen und erst danach zu beschleunigen. Das Beschleunigen wird dabei vorzugsweise durch Bestromung der q-Achse (im läuferfesten Koordinatensystem) in dem Stator durchgeführt. Die Regelung bzw. die Steuerung zur der Rotorscheibe ist demnach sehr einfach umzusetzen, sofern man im läuferfesten Koordinatensystem agiert. Natürlich ist auch möglich, dass zur Bewegung in Axialrichtung ein separates Magnetfeld erzeugt wird, das durch andere Elektromagneten und nicht durch die die Drehung des Rotors 2 bewirkenden Statorwicklung(en) erzeugt wird.It is particularly advantageous if the d-axis current (when considering the rotor-fixed coordinate system) is used to generate the magnetic field described above, since this does not contribute to a rotation of the rotor. It is therefore possible to move the rotor disk in a very targeted manner in the axial direction, for example in order to remove it from the braking device from a braked position and only then to accelerate it. The acceleration is preferably carried out by energizing the q-axis (in the rotor-fixed coordinate system) in the stator. The regulation or the control for the rotor disk is therefore very easy to implement, provided one acts in the rotor-fixed coordinate system. Of course, it is also possible for a separate magnetic field to be generated for the movement in the axial direction, which is generated by other electromagnets and not by the stator winding(s) causing the rotation of the rotor 2 .

Weiter ist in der 3 ein elastisches Element 9 dargestellt, das die in Axialrichtung bewegbare Rotorscheibe 5 derart vorspannt, dass diese hin zur Bremsvorrichtung 4, bspw. in Form eines Bremsstators, gedrängt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass das elastische Element sich an einer Auskragung der Welle 11 abstützt und mit seinem dazu entfernten Ende an der Rotorscheibe anliegt und diese in die gewünschte Axialrichtung drängt. Ein Anliegen des elastischen Elements an einem Bereich des Stators 3 ist aber ebenso denkbar. In einer weiteren Ausführungsforum kann die axiale Vorspannkraft auch durch magnetische Elemente erzeugt werden. Hierdurch kann eine vorteilhafte Kraft-Weg-Kennlinie geschaffen werden.Next is in the 3 an elastic element 9 is shown, which prestresses the rotor disk 5, which can be moved in the axial direction, in such a way that it is pushed towards the braking device 4, for example in the form of a brake stator. In this case, it can be provided that the elastic element is supported on a projection of the shaft 11 and rests with its end remote from it on the rotor disk and urges it in the desired axial direction. However, it is also conceivable for the elastic element to rest against a region of the stator 3 . In a further embodiment, the axial prestressing force can also be generated by magnetic elements. In this way, an advantageous force-displacement characteristic can be created.

So kann durch das elastische Element bei einem plötzlichen Stromausfall die Drehposition der Welle 11 gesichert werden, da durch den Abbau des magnetischen Felds (bedingt durch den Stromausfall), die Vorspannkraft des elastischen Elements 9 dazu führt, dass das Drehen der Rotorscheibe 5 und damit der Welle 11 abgebremst wird und schlussendlich zu einem Festhalten der Rotorscheibe 5 führt.In the event of a sudden power failure, the rotational position of the shaft 11 can be secured by the elastic element, since the reduction in the magnetic field (caused by the power failure) causes the pretensioning force of the elastic element 9 to prevent the rotation of the rotor disk 5 and thus the Shaft 11 is decelerated and ultimately leads to the rotor disk 5 being held.

Insbesondere in Zusammenhang mit einem Antrieb für eine Stellfläche eines Luftfahrzeugs ist dies von Vorteil, da eine Steuerfläche dann nicht mehr ohne Weiteres von äußeren Kräften hin- und herbewegt werden kann, da die Axialflussmaschine im stromlosen Zustand automatisch in den gebremsten Zustand übergeht.This is advantageous in particular in connection with a drive for a positioning surface of an aircraft, since a control surface can then no longer be easily moved back and forth by external forces, since the axial flow machine automatically switches to the braked state when de-energized.

Ist hingegen eine andere Auslegung der Axialflaussmaschine von Vorteil, bei der in einem stromlosen Zustand die Freigabe der Welle 11 gewünscht ist, kann die Vorspannkraft des elastischen Elements 9 auch in entgegengesetzte Richtung wirken.On the other hand, if a different design of the axial flow machine is advantageous, in which the release of the shaft 11 is desired in a currentless state, the prestressing force of the elastic element 9 can also act in the opposite direction.

Weiter von Vorteil ist, dass die Bremsvorrichtung 4 als Bremsstator ausgebildet sein kann, da keine beweglichen Teile erforderlich sind. So kann der Bremsstator fest an dem Gehäuse 13 angeordnet sein, das den Rotor 2 und den Stator 3 umgibt. Auch kann vorgesehen sein, dass der Bremsstator lediglich einen Reibbelag darstellt, der auf einem Teil des Gehäuses angeordnet ist.Another advantage is that the braking device 4 can be designed as a brake stator, since no moving parts are required. Thus, the brake stator can be fixedly arranged on the housing 13 surrounding the rotor 2 and the stator 3 . It can also be provided that the brake stator merely represents a friction lining that is arranged on part of the housing.

Die Struktur zum Ansteuern der Bremsvorrichtung lässt sich demnach vereinfachen, da es nicht mehr zwangsläufig notwendig ist, dass die Bremsvorrichtung selbst über eine Ansteuerung bzw. über Leitungen für die Ansteuerung verfügen muss. Die bereits bestehende Verkabelung hin zu der mindestens einen Statorwicklung kann dazu genutzt werden die Rotorscheibe auch in ihrer axialen Richtung zu bewegen. Dies senkt die Fehleranfälligkeit und die Herstellungskosten.The structure for controlling the braking device can therefore be simplified since it is no longer absolutely necessary for the braking device itself to have a control or lines for the control. The existing wiring to the at least one stator winding can also be used to move the rotor disk in its axial direction. This reduces the susceptibility to errors and the manufacturing costs.

4, eine zu 3 ähnliche Abbildung, offenbart die Erfindung in Zusammenhang mit einer Axialflussmaschine, die über zwei Statoren 3 und eine dazwischen angeordnete Rotorscheibe 5 verfügt. Die Funktionsweise ist im Wesentlichen gleich, wobei nun aber zur Verschiebung der bewegbaren Rotorscheibe 2 nicht nur ein Stator 3 mit seinen Spulenwicklungen sondern zwei axial zur Rotorscheibe 2 versetzte Statoren 3 vorhanden sind. Jeder der beiden den unterschiedlichen flächigen Seiten der Rotorscheibe 2 zugewandten Statoren 3 kann nun ein entsprechendes Magnetfeld aufbauen, das mit den zugehörigen Permanentmagneten 6 auf der Rotorscheibe 5 zusammenwirkt. Damit diese axial zueinander versetzen Spulenwicklungen ein Magnetfeld erzeugen, das die Rotorscheibe in gleicher Richtung entlang der Axialrichtung bewegt, ist es von Vorteil, wenn ein Steuergerät vorhanden ist, das dazu ausgelegt ist, an einem der beiden Statoren eine Bestromung in der positiven Richtung der d-Achse und an dem anderen in der negativen Richtung der d-Achse (im läuferfesten Koordinatensystem) durchzuführen. 4 , one to 3 Similar figure, discloses the invention in connection with an axial flow machine, which has two stators 3 and a rotor disk 5 arranged between them. The mode of operation is essentially the same, but now not only one stator 3 with its coil windings but two axially to the rotor disk 2 for the displacement of the movable rotor disk 2 offset stators 3 are present. Each of the two stators 3 facing the different flat sides of the rotor disk 2 can now build up a corresponding magnetic field which interacts with the associated permanent magnets 6 on the rotor disk 5 . In order for these coil windings, which are offset axially to one another, to generate a magnetic field that moves the rotor disk in the same direction along the axial direction, it is advantageous if a control unit is present that is designed to apply current to one of the two stators in the positive direction of the d -axis and on the other in the negative direction of the d-axis (in the rotor-fixed coordinate system).

5 zeigt eine etwas verallgemeinerte Darstellung, bei der die Bremsvorrichtung nicht explizit eingezeichnet ist. Zu erkennen ist im Bereich der Welle 11 ein elastisches Element 9, bspw. eine Feder, die die in Axialrichtung bewegbare Rotorscheibe 2 in einem Mittelbereich zwischen den beiden die Rotorscheibe 2 zwischen sich aufnehmenden Statoren 3 zentriert, bzw. in einen solchen Mittelbereich vorspannt. Eine Bremsvorrichtung kann hier dann in Kontakt mit der Rotorscheibe 2 kommen, wenn eine Auslenkung der Rotorscheibe aus ihrem Mittelbereich erfolgt. So kann vorgesehen sein, dass zwei Bremsvorrichtungen gleichermaßen vorhanden sein können, von denen eine in Axialrichtung aufwärts und die andere in Axialrichtung abwärts gegenüber dem Mittelbereich versetzt ist. Jede der Bremsvorrichtungen kann dabei als Bremsstator ausgebildet sein, wie es in 3 oder 4 dargestellt ist. Vorteil hieran ist, dass mehrere gleichwirkende Bremsstatoren zur Verfügung stehen, die bspw. abwechselnd oder nacheinander benutzt werden können. Die Verschleissdauer bis zu einem erforderlichen Wartungseinsatz kann demnach vergrößert werden, da die Bremsstatoren oder die Anordnung mit einseitigem Brems- und gegenüberliegendem Feststellstator weniger oft eingesetzt werden müssen. 5 shows a somewhat generalized representation in which the braking device is not explicitly shown. An elastic element 9, for example a spring, can be seen in the area of the shaft 11, which centers the rotor disk 2, which can be moved in the axial direction, in a middle area between the two stators 3 holding the rotor disc 2 between them, or prestresses it in such a middle area. A braking device can then come into contact with the rotor disk 2 if the rotor disk is deflected from its central area. It can thus be envisaged that two braking devices can equally be present, one offset axially upwards and the other axially downwards relative to the central area. Each of the braking devices can be designed as a brake stator, as shown in 3 or 4 is shown. The advantage of this is that several brake stators with the same effect are available, which can be used alternately or one after the other, for example. The period of wear before maintenance is required can accordingly be increased, since the brake stators or the arrangement with a brake stator on one side and a parking stator on the opposite side have to be used less often.

Claims

Axial flow machine (1), in particular for actuating the positioning surfaces of an aircraft, propellers or turbofans, comprising: a rotor (2) which rotates about an axis of rotation (X) of the axial flow machine (1), a stator (3) which rotates opposite the rotor (2) is arranged rigidly, and a braking device (4) which is designed to brake the rotor (2) against a driving force during a braking process and/or to hold it in position and/or to dampen its movement, the rotor (2) comprises a disk (5) which surrounds the axis of rotation (X) of the axial flow machine (1) and protrudes radially from it and which has at least one permanent magnet (6), characterized in that the braking device (4) is designed to during a braking process to attack the disc (5) of the rotor (2).

Axial flow machine (1) according to the preceding one claim 1 , wherein the braking device (4) acts radially on an outer face of the disc (5) and is preferably arranged radially to the disc (5) and during a braking process acts in the radial direction inwards towards the axis of rotation (X) in order to act on the outer face of the attack disc (5).

Axial flow machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the braking device (4) acts on at least one of the two flat sides of the disc (5), preferably on both flat sides of the disc (5) and preferably on opposite areas offset in the axial direction of the two flat sides of the disc (5) attacks.

Axial flow machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the braking device (4) is designed to act on a section of the disc (5) which is arranged radially further outwards than the at least one permanent magnet ( 6).

Axial flow machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the disc (5) is provided with a friction lining (7) and/or a brake disc (8) for engaging the braking device (4) and/or is designed to engage with the braking device ( 4) to enter into a formal agreement.

Axial flux machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the axial flux machine (1) is a synchronous machine.

Axial flow machine (1) according to one of the preceding claims, wherein a relative movement between at least one rotor (2) and/or a disk (5) can be induced in the axial direction.

Axial flow machine (1) according to the preceding claim 7, wherein the braking device (4) is a brake stator which is arranged immovably in relation to the stator (3) of the axial flow machine (1) or the brake stator is a separate active brake stator.

Axial flow machine (1) according to one of the preceding Claims 7 or 8th , Wherein the rotor (2) and / or the disc (5) with an element (9) for applying force, preferably with elastic or magnetic principle of action is/are preloaded against a braking device (4), so that the rotor (2) and/or the disk (5) is/are urged towards the braking device (4) in order to interact with it.

Axial flow machine (1) according to one of the preceding Claims 7 until 9 , wherein the rotor (2) and/or the disc (5) is/are movable in the axial direction via a magnetic force applied by the stator (3), preferably via a magnetic force applied by the stator winding (10).

Axial flow machine (1) according to the preceding ones claims 9 and 10 , the magnetic force impressed by the stator (3) being able to act against the biasing direction of the element (9) in order to disengage the braking device (4) from the rotor (2) and/or the disc (5). bring, so that a rotation of the rotor (2) and / or the disc (5) can be performed.

Axial flow machine (1) according to one of the preceding Claims 10 or 11 , wherein the axial flux machine (1) is designed to generate a magnetic field in the d-axis by energizing the stator, preferably a stator winding (10) arranged thereon, that leads to a movement of the rotor (2) and/or the disc (5) in the axial direction, preferably when there are two stators (3) with an intermediate rotor (2), one of the stators (3) with a positive d-axis current and the other stator (3) with a negative d-axis Axis current is to be applied.

Axial flow machine (1) according to one of the preceding Claims 10 until 12 , wherein the axial flux machine (1) is designed to generate a torque in the rotor (2) and/or the disk (5) by supplying current in the q-axis in order to rotate the rotor (2) and/or the disk (5 ) to accelerate against external loads in the direction of rotation.

Axial flow machine (1) according to any one of the preceding claims, wherein the stator (3) and/or the rotor (2) has/have a magnetic yoke, and/or the rotor (2) is arranged in a rotationally fixed manner on a shaft (11) of the axial flow machine and is preferably displaceable along the longitudinal direction of the shaft (11).

Axial flux machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the axial flux machine (1) has an internal rotor (2) arranged between two stators (3), two rotors (2) with an intermediate stator (3) or a rotor (2) with a for this purpose, the stator (3) is only arranged on one side.