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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorwelle für eine elektrische Maschine, welche hohl ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Maschine mit einer solchen Rotorwelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
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Eine elektrische Maschine weist einen Stator sowie einen Rotor auf. Der Rotor und der Stator wirken im Betrieb elektromagnetisch zusammen, sodass der Rotor im Betrieb um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor weist üblicherweise eine im Betrieb um die Rotationsachse rotierende Rotorwelle auf.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine entsteht dabei Wärme, welche eine Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich machen kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für eine Rotorwelle der eingangs genannten Art, für eine elektrische Maschine mit einer solchen Rotorwelle sowie für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine verbesserte oder andere Ausführungsformen anzugeben, welche Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Lösungen beseitigen. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, für die Rotorwelle, für die elektrische Maschine sowie für das Kraftfahrzeug Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine verbesserte Kühlung und/oder eine erhöhte Effizienz der elektrischen Maschine auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf dem allgemeinen Gedanken, eine hohl ausgebildete Rotorwelle für eine elektrische Maschine radial innen mit einer bei Rotation der Rotorwelle Drall erzeugenden Struktur zu versehen, derart, dass die Struktur im Betrieb und somit bei Rotation der Rotorwelle ein Kühlfluid entlang der Rotorwelle fördert. Dies führt zu einer verbesserten Verteilung des Kühlmittels entlang der Rotorwelle. Zudem kommt es auf diese Weise zu einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen der Rotorwelle und dem Kühlfluid, sodass eine Kühlung der Rotorwelle und somit einer zugehörigen elektrischen Maschine mittels des Kühlfluids verbessert ist. Die Struktur führt ferner zu einer Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche, welche ebenfalls zu einer Verbesserung der Kühlung der Rotorwelle mittels des Kühlfluids führt. Mit der verbesserten Kühlung erfolgt eine erhöhte Effizienz der zugehörigen elektrischen Maschine.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend ist die Rotorwelle hohl ausgebildet und weist somit eine radial innere Innenseite sowie einen inneren Hohlraum auf. Die Rotorwelle rotiert dabei im Betrieb um eine axiale Rotationsachse. Durch den Hohlraum führt ein Strömungspfad eines Kühlfluids, sodass im Betrieb das Kühlfluid durch den Hohlraum strömt. Dabei weist die Rotorwelle an der Innenseite eine radial vertiefte Struktur auf, welche nachfolgend auch als Führungsstruktur bezeichnet wird. Die Führungsstruktur weist zumindest eine axial gewindeartig verlaufende Führungskontur auf, sodass im Betrieb das Kühlfluid bei Rotation der Rotorwelle axial entlang der Innenseite gefördert wird.
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Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die axiale Rotationsachse. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse. Ferner verläuft die Umfangsrichtung die Rotationsachse umgebend.
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Das Kühlfluid kann prinzipiell eine beliebige Konsistenz aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei dem Kühlfluid um eine Kühlflüssigkeit.
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Durch die radial vertiefte Ausbildung entsteht die zumindest eine Führungskontur bevorzugt als eine radiale Vertiefung und eine radiale Erhöhung, wobei Abschnitte der Vertiefung und der Erhöhung axial abwechselnd aufeinanderfolgen. Die axial gewindeartig steigende Ausbildung der jeweiligen Forumskontur hat vorteilhaft zur Folge, dass die jeweilige Führungskontur die Rotationsachse umgebend und somit in eine Drehrichtung sowie axial verläuft. Die jeweilige Führungskontur weist somit eine axiale Steigung auf. Die axiale Steigung entspricht hierbei insbesondere dem axialen Abstand zweier axial aufeinanderfolgender Abschnitte der Erhöhung oder Vertiefung der zugehörigen Führungskontur.
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Prinzipiell können die Vertiefungen und/oder Erhöhungen jeweils spitz verlaufen/ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Vertiefungen und/oder die Erhöhungen, besonders bevorzugt die Vertiefungen und die Erhöhungen, abgerundet ausgebildet sind. Dies führt zu einer Vermeidung oder zumindest Reduzierung von Rissbildungen durch auftretende Druckspannungen und/oder Zugspannungen.
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Der Strömungspfad kann beliebig in den Hohlraum eintreten und aus dem Hohlraum auftreten.
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Insbesondere kann der Strömungspfad axial in den Hohlraum eintreten und/oder aus dem Hohlraum auftreten. Das heißt, dass das Kühlfluid axial in den Hohlraum eingebracht und/oder axial aus dem Hohlraum abgeführt sein kann.
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Bevorzugt begrenzt die Innenseite der Rotorwelle den Hohlraum radial. Somit kommt es zu einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen der Rotorwelle und dem Kühlfluid und folglich zu einer verbesserten Kühlung.
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Die Rotorwelle weist eine radial von der Innenseite abgewandte Außenseite auf.
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Die Rotorwelle kommt vorteilhaft in einer elektrischen Maschine, insbesondere in einem Elektromotor, zum Einsatz.
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In der elektrischen Maschine ist die Rotorwelle bevorzugt Bestandteil eines Rotors, welche eine Rotorspule umfasst. Die Rotorspule ist dabei bevorzugt drehfest an der Rotorwelle angebracht. Die elektrische Maschine weist ferner einen Stator mit einer Statorspule auf. Der Rotor und der Stator wirken im Betrieb derart zusammen, dass der Rotor und folglich die Rotorwelle um die Rotationsachse rotiert.
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Der Rotor weist bevorzugt ein auf der radial von der Innenseite abgewandten Seite der Rotorwelle angebrachtes Blechpaket auf, an welchem die Rotorspule angebracht, insbesondere um das die Rotorspule gewickelt ist. Bevorzugt ist das Blechpaket an der Außenseite der Rotorwelle angebracht.
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Die verbesserte Kühlung der Rotorwelle führt dabei zu einer verbesserten Kühlung des Blechpakets und/oder der Rotorspule. Somit wird die Effizienz der zugehörigen elektrischen Maschine erhöht.
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Die jeweilige Führungskontur kann prinzipiell eine beliebige Steigung aufweisen.
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Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen die axiale Steigung zumindest einer der wenigstens einen Führungskonturen, bevorzugt der jeweiligen Führungskontur, zwischen 0,2 mm und 4,3 mm beträgt. Bevorzugt beträgt die axiale Steigung zumindest einer der wenigstens einen Führungskonturen, vorteilhaft der jeweiligen Führungskontur, zwischen 0,5 mm und 4,0 mm. Auf diese Weise wird bei einer vereinfachten Herstellung der Rotorwelle eine effiziente Förderung des Kühlfluids entlang der Innenseite erreicht. Das heißt, dass bei einer einfachen Herstellung eine verbesserte Kühlung der Rotorwelle und folglich eine erhöhte Effizienz der zugehörigen elektrischen Maschine erreicht ist.
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Die jeweilige Führungskontur kann prinzipiell eine beliebige radiale Tiefe aufweisen.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen beträgt die radiale Tiefe zumindest einer der wenigstens einen Führungskonturen, bevorzugt der jeweiligen Führungskontur, zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Dabei entspricht die radiale Tiefe insbesondere dem radialen Abstand zwischen dem radial tiefsten und dem radial höchsten Punkt der zugehörigen Führungskontur. Derartige radiale Tiefen führen zu einer verbesserten Förderung des Kühlfluids bei Rotation der Rotorwelle sowie einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen der Rotorwelle und dem Kühlfluid.
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Mittels der Steigung sowie der Tiefe der jeweiligen Führungskontur lässt sich zusammen mit der Drehzahl der Rotorwelle im Betrieb eine erwünschte Fördermenge des Kühlfluids einstellen und insbesondere optimieren. Somit kann auf einfache und effektive Weise die Förderung des Kühlfluids entlang der Innenseite der Rotorwelle angepasst und eingestellt werden.
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Die jeweilige Führungskontur kann prinzipiell beliebig axial gewindeartig steigend verlaufen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich zumindest eine der wenigstens einen Führungskonturen, vorteilhaft die jeweilige Führungskontur, axial spiralförmig. Somit lässt sich die Rotorwelle vereinfacht herstellen und/oder das Kühlfluid verbessert fördern.
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Prinzipiell kann die Führungsstruktur lediglich eine einzige Führungskontur aufweisen. Dabei kann die Führungskontur entlang der gesamten Erstreckung eine konstante Steigung und/oder eine konstante Tiefe aufweist.
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Vorstellbar ist es auch, dass die Führungsstruktur zumindest zwei Führungskonturen aufweist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Führungsstruktur zwei Führungskonturen aufweist, welche in entgegengesetzten Drehrichtungen verlaufen. Somit kann das Kühlfluid im Betrieb axial in entgegengesetzten Richtungen gefördert werden. Das heißt, dass die Führungsstruktur eine erste Führungskontur aufweist, welche sich in einer ersten Drehrichtung und axial erstreckt. Zudem weist die Führungsstruktur eine zweite Führungskontur auf, welche sich in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung und axial erstreckt.
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Die entgegengesetzt verlaufenden Führungskonturen können in einem gemeinsamen Abschnitt enden, welcher nachfolgend auch als Übergangsabschnitt bezeichnet wird. Der Übergangsabschnitt ist dabei vorteilhaft frei von Führungskonturen. Bevorzugt ist es, wenn der Übergangsabschnitt radial zwischen den beiden Führungskonturen angeordnet ist.
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Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen der Übergangsabschnitt radial vertieft ausgebildet ist. Dies führt zu einer verbesserten und gezielteren Förderung des Kühlfluids entlang beider Führungskonturen.
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Der Übergangsabschnitt kann ferner als Ausgangspunkt zum Verteilen des Kühlfluids entlang der Führungskonturen zum Einsatz kommen. Bevorzugt sind daher Ausführungsformen, bei denen die Rotorwelle am Übergangsabschnitt eine radiale Öffnung aufweist, durch welche der Strömungspfad führt. Bevorzugt kommt die Öffnung dabei zum Einlassen des Kühlfluids in den Hohlraum der Rotorwelle zum Einsatz.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsstruktur zumindest zwei Führungskonturen aufweisen, welche sich in derselben Drehrichtung axial erstrecken und radial gestuft ineinander übergehen. Somit ist die Führungskontur in der Art eines mehrgängigen Gewindes ausgebildet. Dies führt zu einer erhöhten Fördermenge des Kühlfluids und folglich zu einer verbesserten Kühlung.
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Weist die Führungsstruktur zumindest zwei Führungskonturen auf, können diese prinzipiell die gleiche Steigung und/oder Tiefe aufweisen.
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Vorstellbar ist es auch, dass zumindest zwei der Führungskonturen unterschiedliche Steigungen und/oder Tiefen aufweisen.
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Die Führungsstruktur kann prinzipiell auf der Innenseite der Rotorwelle aufgebracht sein.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Führungsstruktur in der Innenseite der Rotorwelle integriert ist. Das heißt, dass zumindest eine der wenigstens einen Führungskonturen, bevorzugt die jeweilige Führungskontur, als eine Vertiefung in der Innenseite der Rotorwelle ausgebildet ist. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen dem Kühlfluid und der Rotorwelle und zudem zu einer gewichtsreduzierten und einfachen Ausbildung der Rotorwelle.
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Die jeweilige zumindest eine Führungskontur kann auf beliebige Weise in der Innenseite eingebracht sein.
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Vorstellbar ist es insbesondere, dass zumindest eine der wenigstens einen Führungskonturen in der Innenseite gedreht, geprägt oder geschnitten ist. Das heißt, dass zumindest eine der wenigstens einen Führungskonturen durch Drehen, Prägen oder Schneiden in der Innenseite eingebracht sein kann.
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Es versteht sich, dass neben der Rotorwelle auch eine elektrische Maschine mit der Rotorwelle zum Umfang dieser Erfindung gehört.
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Die elektrische Maschine kann in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Dabei kommt die elektrische Maschine insbesondere als ein Elektromotor zum Einsatz.
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Die elektrische Maschine kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Dabei kann die elektrische Maschine als Elektromotor dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen, also ein Traktionsmotor sein.
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Es versteht sich, dass ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine ebenfalls zum Umfang dieser Erfindung gehört.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 einen länglichen Schnitt durch eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle,
- 2 einen länglichen Schnitt durch die elektrische Maschine mit der Rotorwelle bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
- 3 eine stark vereinfachte Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit der elektrischen Maschine.
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Eine Rotorwelle 1, wie sie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist, kommt in einer elektrischen Maschine 2, welche in den 1 bis 3 gezeigt ist, zum Einsatz. Bei der elektrischen Maschine 2 handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor 3.
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In der elektrischen Maschine 2 ist die Rotorwelle 1 Bestandteil eines Rotors 18 (siehe 1 und 2), welcher mit einem nicht gezeigten Stator der elektrischen Maschine 2 elektromagnetisch zusammenwirkt. In der Folge rotiert die Rotorwelle 1 im Betrieb um eine axiale Rotationsachse 4. Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, weist der Rotor 18 in den gezeigten Ausführungsbeispielen ein radial außen drehfest an der Rotorwelle 1 angebrachtes Blechpaket 19 auf, um welches zumindest eine nicht gezeigte Rotorwicklung einer nicht gezeigten Rotorspule des Rotors 18 gewickelt sein kann. Das Blechpaket 19 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen an der Außenseite 6 der Rotorwelle 1 angebracht.
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Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die Rotationsachse 4. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse 4. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse 4. Ferner verläuft die Umfangsrichtung 21 die Rotationsachse 4 umgebend.
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Die Rotorwelle 1 erstreckt sich, wie den 1 und 2 entnommen werden kann, länglich entlang der Rotationsachse 4 und ist hohl ausgebildet. Somit weist die Rotorwelle 1 einen inneren Hohlraum 7, eine radial innere Innenseite 5 sowie eine von der Innenseite 5 radial abgewandte radiale Außenseite 6 auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Hohlraum 7 radial durch die Innenseite 5 begrenzt. Durch den Hohlraum 7 führt, wie in den 1 und 2 angedeutet, ein Strömungspfad 8 eines Kühlfluids, um im Betrieb die Rotorwelle 1 und folglich den Rotor 18 zu kühlen. Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorteilhaft um eine Kühlflüssigkeit.
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Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, weist die Rotorwelle 1 an der Innenseite 5 eine radial vertiefte Strukturierung 9 auf, welche nachfolgend auch als Führungsstruktur 9 bezeichnet wird. Die Führungsstruktur 9 weist zumindest eine axial gewindeartig verlaufende Kontur 10 aufweist, welche nachfolgend auch als Führungskontur 10 bezeichnet wird. In der Folge wird im Betrieb das in den Hohlraum eingebrachte Kühlfluid bei Rotation der Rotorwelle 10 axial entlang der Innenseite 5 gefördert. Die Führungsstruktur 9 wirkt dabei in der Art eines das Kühlfluid entlang der Innenseite 5 fördernden Dralls. Dies führt zu einer steigenden Wärmeübertragung von der Rotorwelle 1 auf das Kühlfluid und somit zu einer verbesserten Kühlung. Zudem ist mit der Führungsstruktur 9 die wärmeübertragende Oberfläche zwischen der Rotorwelle 1 und dem Kühlfluid vergrößert, sodass die Kühlung wiederrum verbessert ist. Insgesamt kommt es somit auch zu einer verbesserten Kühlung des Blechpakets 19. In den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die zumindest eine Führungskontur 9 unmittelbar in der Innenseite 5, beispielsweise durch Drehen, Prägen oder Schneiden, eingebracht.
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Durch den axial gewindeartigen Verlauf der zumindest einen Führungskontur 10 weist die jeweilige Führungskontur 10 einen axial gewindeartig steigenden Verlauf und somit eine Steigung 11 auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft die jeweilige Führungskontur 10 dabei rein beispielhaft axial spiralförmig. Durch die radial vertiefte Ausbildung der Führungsstruktur 9 entsteht die zumindest eine Führungskontur 10 als eine radiale Vertiefung 12 und eine radiale Erhöhung 13, wobei Abschnitte der Vertiefung 12 und der Erhöhung 13 axial abwechselnd aufeinander folgen. Durch den gewindeartigen, insbesondere spiralförmigen, Verlauf der jeweiligen Führungskontur 10 erstreckt sich die jeweilige Führungskontur 10 axial und entlang der Umfangsrichtung 21 in einer die Rotationsachse 4 umgebenden Drehrichtung 15. Dabei beträgt die axiale Steigung 11 (siehe 1 und 2) zumindest einer der wenigstens einen Führungskonturen 10, bevorzugt der jeweiligen Führungskontur 10, zwischen 0,2 mm und 4,3 mm, vorteilhaft zwischen 0,5 mm und 4,0 mm. Die Steigung 11 entspricht dabei vorteilhaft dem axialen Abstand von zwei axial aufeinanderfolgenden Abschnitten der Vertiefung 12 oder der Erhöhung 13 der zugehörigen Führungskontur 10. Bevorzugt beträgt eine radiale Tiefe 14 (siehe 1 und 2) zumindest einer der wenigstens einen Führungskonturen 10, vorteilhaft der jeweiligen Führungskontur 10, zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Die radiale Tiefe 14 entspricht vorteilhaft dem radialen Abstand zwischen dem radial tiefsten und höchsten Punkt der zugehörigen Führungskontur 10. Dies führt zu einem vorteilhaften und effizienten Fördern des Kühlfluids entlang der Innenseite 5.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die Führungsstruktur 9 eine einzige Führungskontur 10 auf, welche sich im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Erstreckung der Innenseite 5 erstreckt. Somit wird das Kühlfluid im Betrieb axial in dieselbe Richtung gefördert. Bei diesem Aufführungsbeispiel wird das Kühlfluids dementsprechend bevorzugt an einem axialen Ende der Rotorwelle 1 bzw. des Hohlraums 7 eingebracht. Der Strömungspfad 8 führt also axial in den Hohlraum 7.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 weist die Führungsstruktur 9 zwei Führungskonturen 10 auf welche sich in entgegengesetzten Drehrichtungen 15 axial erstrecken. Die Führungsstruktur 9 weist also eine erste Führungskontur 10, 10a auf, welche sich in einer ersten Drehrichtung 15, 15a und axial erstreckt. Zudem weist die Führungsstruktur 9 eine zweite Führungskontur 10, 10b auf, welche sich in einer der ersten Drehrichtung 15, 15a entgegengesetzten zweiten Drehrichtung 15, 15b und axial erstreckt. Somit wird im Betrieb das Kühlfluid mit der ersten Führungskontur 10, 10a hin zum einem axialen Ende der Rotorwelle 1 und mit der zweiten Führungskontur 10, 10b hin zum entgegengesetzten axialen Ende der Rotorwelle 1 gefördert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei axial zwischen der ersten Führungskontur 10, 10a und der zweiten Führungskontur 10, 10b ein Übergangsabschnitt 16 angeordnet ist, welcher frei von Führungskonturen 10 ist. Der Übergangsabschnitt 16 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel axial mittig der Rotorwelle 1 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Übergangsabschnitt 16 ferner radial vertieft ausgebildet. Wie 2 ferner entnommen werden kann, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel am Übergangsabschnitt 16 eine radiale Öffnung 17 in der Rotorwelle 1 ausgebildet, durch welche der Strömungspfad 8 führt. Die Öffnung 17 dient dabei dem Einbringen des Kühlfluids in den Hohlraum 7. In der Folge wird das Kühlfluid im Betrieb ausgehend vom Übergangsabschnitt 16 mittels den Führungskonturen 10 axial zu beidem Enden der Rotorwelle 1 hin gefördert. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel weisen dabei beide Führungskonturen 10 rein beispielhaft dieselbe Steigung 11 auf.
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Vorstellbar ist es auch, in einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel die Führungsstruktur 9 mit zumindest zwei Führungskonturen 10 zu versehen, welche sich in derselben Drehrichtung 15 axial erstrecken und radial gestuft ineinander übergehen. Die Führungsstruktur 9 wäre somit in der Art eines mehrgängigen Gewindes ausgebildet.
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Entsprechend 3 kann die elektrischen Maschine 2 in einem Kraftfahrzeug 20 zum Einsatz kommen. Im Kraftfahrzeug 20 kann die elektrischen Maschine 1 als Elektromotor 3 dem Antreiben des Kraftfahrzeugs 20 dienen.
