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Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß Patentanspruch 1.
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Eine solche Axialflussmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits aus der
DE 10 2021 006 008 A1 bekannt. Die Axialflussmaschine weist einen Stator sowie zwei relativ zu dem Stator drehbare Rotoren auf, wobei der Stator in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen den Rotoren angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2020 114 855 B3 ist eine Axialflussmaschine für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit einem Stator, mit zwei relativ zu dem Stator drehbaren Rotoren, wobei der Stator in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen den Rotoren angeordnet ist.
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Die
DE 298 02 374 U1 beschreibt eine elektrische Maschine mit einem Stator und zwei formschlüssig miteinander verbundenen, drehbar auf einer Welle angeordneten Rotorhälften.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Axialflussmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Axialflussmaschine der im Patentanspruch 1 angegebenen Art zu verbessern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in axialer Richtung einander zugewandte Seiten der Rotoren jeweils Verzahnungssegmente als erste Segmente aufweisen, welche in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine aufeinanderfolgend und voneinander beabstandet angeordnet sind und eine jeweilige Verzahnung aufweisen. Die ersten Segmente werden auch als verzahnte Segmente bezeichnet. Die einander zugewandten Seiten weisen außerdem verzahnungsfreie, zweite Segmente auf, in welchen keine Verzahnung ausgebildet ist. Die zweiten Segmente sind in um die axiale Richtung der Axialflussmaschine verlaufender Umfangsrichtung der Axialflussmaschine voneinander beabstandet und aufeinanderfolgend und zwischen den Verzahnungssegmenten angeordnet, insbesondere derart, dass die jeweiligen Verzahnungssegmente und die jeweiligen zweiten Segmente der jeweiligen Seite in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine abwechselnd aufeinanderfolgen. Somit ist in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine betrachtet zwischen zwei benachbarten Verzahnungssegmenten der jeweiligen Seite, insbesondere genau, ein verzahnungsfreies, mithin nicht verzahntes, zweites Segmente der jeweiligen Seite angeordnet.
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Die zweiten Segmente einer ersten der Seiten und die zweiten Segmente einer zweiten der Seiten sind in axialer Richtung der Axialflussmaschine einander zugewandt und in axialer Richtung der Axialflussmaschine voneinander beabstandet, so dass in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen den zweiten Segmenten der ersten der Seiten und den zweiten Segmenten der zweiten der Seiten wenigstens ein jeweiliger Luftspalt angeordnet ist. Somit ist es bei der Erfindung vorgesehen, dass nur einzelne Segmente am Umfang verzahnt werden und die nicht verzahnten Segmente der beiden Seiten sind nicht in gegenseitigem Kontakt, und zwischen Ihnen ist mindestens ein Luftspalt vorhanden. Dadurch kann eine zeit- und somit kostengünstige Bearbeitungszeit der Seiten realisiert werden, so dass die Axialflussmaschine zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Verzahnungen als Hirth-Verzahnungen ausgebildet sind.
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In vorteilhafter alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Verzahnungen als axiale Kerbverzahnungen ausgebildet sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass je Rotor jeweils drei Bereiche am Umfang verzahnt sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die beiden Rotoren im Bereich der verzahnungsfreien, zweiten Segmente über je eine Dehnschraube miteinander verschraubt und dadurch miteinander verspannt sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass unterhalb der Verzahnung eine Dichthülse vorgesehen ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Markierung am Umfang jedes Rotors vorgesehen ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass an jeweils einem der verzahnten, ersten Segmente jedes Rotors eine um zumindest einen Zahn veränderte Zähnezahl der Verzahnung vorgesehen im Vergleich zu den anderen Verzahnungssegmenten.
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Ein Vorteil der Verschraubung der Rotoren im Bereich der nicht verzahnten Segmente über je eine Dehnschraube ist, dass mehrere Dehnschrauben verwendet werden können, da die Dehnschrauben parallel beziehungsweise auf einem Radius mit der Verzahnung angeordnet werden können. Es muss keine Hohlschraube zur Einsparung von radialem Bauraum verwendet werden.
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Ein Vorteil der Markierung ist, dass dann, wenn die Rotoren zusammen gewuchtet werden, ein Zusammenbau der Axialflussmaschine mit derselben Winkelposition der Rotoren zueinander möglich ist, in welche die Rotoren zuvor miteinander gewuchtet wurden.
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Ein Vorteil der um einen Zahn veränderten Zähnezahl ist, dass bei einem Zusammenbau der Axialflussmaschine Fehlmontagen vermieden beziehungsweise eine Wahrscheinlichkeit von solchen Fehlmontagen besonders gering gehalten werden kann.
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Im Vergleich zu einer solchen Ausführung, bei der die gesamte, jeweilige Seite des jeweiligen Rotors mit einer beispielsweise als Hirth-Verzahnung oder axialen Kerbverzahnung ausgebildeten Verzahnung versehen wird, mithin an oder auf der jeweiligen Seite eine sich in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine durchgängig erstreckende Verzahnung ausgebildet ist oder wird, kann durch die Erfindung eine Prozesszeit zur Fertigung der Verzahnungssegmente reduziert werden, insbesondere ohne funktionale Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Somit kann eine besonders kostengünstige Fertigung realisiert werden. Die Erfindung berücksichtigt auch, dass die Wuchtgüte der Rotoren ein ausschlaggebendes Gütesiegel schnell laufender Axialflussmaschinen ist. Die Erfindung ermöglicht es besonders kostengünstig, eine mittels der Wuchtmaschine und somit durch Wuchten erreichte Wuchtgüte der Rotoren in die fertige Axialflussmaschine ohne Abstriche zu übertragen, insbesondere dadurch, dass durch die Verzahnungen die Rotoren vorteilhaft drehfest miteinander verbunden und insbesondere präzise relativ zueinander ausgerichtet werden können, insbesondere in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine betrachtet.
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Insbesondere liegen der Erfindung die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Axialflussmaschinen sind nach dem Stand der Technik in zwei unterschiedlichen Bauweisen bekannt. Bei der so genannten H-Bauweise umschließen zwei scheibenförmige Rotoren als Magnetenträger einen zentralen, gehäusefesten Stator, der die bestromten Spulen trägt. Bei der anderen, so genannten I-Bauweise ist ein zentraler Rotor zwischen zwei Statoren angeordnet. Im Folgenden wird von einer H-Bauweise ausgegangen, wie etwa nach dem Stand der Technik aus
WO 2021/ 032 236 A1 bekannt.
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Der ringscheibenförmige Luftspalt zwischen Stator und den beiden Rotoren ist vorzugsweise in axialer Richtung bezogen auf die Drehachse der auch als Motor bezeichneten Axialflussmaschine sehr schmal, welche auch als elektrische Maschine, Elektromaschine oder Elektromotor bezeichnet. Insbesondere für Motoren, die bei hohen Drehzahlen arbeiten, im Bereich von 15.000 Umdrehungen pro Minute oder auch darüber, ist es neben elektromagnetischen, auch aus mechanischen Wirkungsgradgründen von Bedeutung, die Luftspalte während des gesamten Betriebs weitgehend ölfrei zu halten, um sonst anfallende Scherungsverluste zu vermeiden, die auftreten würden, falls Öl oder selbst Ölnebel in nennenswerten Mengen in den Luftspalt geraten würden. Andererseits ist bei den genannten Drehzahlen und dem schmalen Luftspalt zwischen den Rotoren und dem Stator eine vorzugsweise breitbasige Wälzlagerung der Rotoren besonders vorteilhaft. Eine solche Lagerung ist, speziell bei hohen Drehzahlen, vorzugsweise permanent mit Frischöl versorgt, um Schmierung und Kühlung der Wälzkörper in ausreichendem Maße über eine angemessene Lebensdauer zu gewährleisten. In den schmalen, scheibenförmigen Luftspalten ist es zudem aus Gesichtspunkten des mechanischen Wirkungsgrads des Motors vorteilhaft, selbst eine Luftzirkulation vom Innendurchmesser nach außen nach Möglichkeit zu unterbinden.
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Ein Merkmal einer insbesondere als Hirth-Verzahnung nach dem Stand der Technik ausgebildeten Verzahnung ist insbesondere, dass sie selbstzentrierend ist und bei wiederholtem Zusammenbau eine vorteilhafte Reproduzierbarkeit der gegenseitigen Lage der beiden Rotoren zueinander gewährleistet. Zudem besitzt sie eine hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit, die mit jeder einer Hohlwelle, an deren Wellenenden eine jeweilige Hirth-Verzahnung gefertigt wird, vergleichbar ist. Da für den Nabenbereich auch sonstige Festigkeits- und Steifigkeitskriterien zur Dimensionierung herangezogen werden, überschreitet eine vollumfängliche Hirth-Verzahnung in der Regel die Anforderungen an ihre Drehmomentübertragungskapazität um ein Vielfaches. Daher werden erfindungsgemäß nur die einzelnen, ersten Segmente am Umfang verzahnt. Dies wird beispielsweise derart erreicht, dass nur segmentweise eine bestimmte Anzahl von Zähnen bearbeitet, andere ausgelassen werden in dem Sinne, dass sie nicht bearbeitet werden. Je nach Bedarf können beispielsweise nur an drei, gleichmäßig am Umfang verteilten Segmenten je drei vollständige Zähne ausgearbeitet werden. Dabei wird der Teilungsschritt der vollumfänglichen Verzahnung beibehalten, wodurch sich keine Einbußen, weder für das Ausbilden eines gleichmäßigen Tragbildes der einander anliegenden Zahnflanken, noch für die Selbstzentrierung über die Hirth-Verzahnungssegmente ergeben. Im Bereich der nicht verzahnten, zweiten Segmente bietet es sich erfindungsgemäß an, die beiden Rotoren über je eine Dehnschraube miteinander zu verschrauben. Die letztendlich gewählte Zahl der ausgearbeiteten, auch als Zahnsegmente bezeichneten Verzahnungssegmente der jeweiligen ausgearbeiteten Zähne pro Segment und damit auch die Zahl der über den Umfang gleichmäßig verteilten Dehnschrauben ergeben sich aus der Drehmomentkapazität des Motors, den Maßen der Hohlwelle der Rotoren und/oder aus sonstigen geometrischen Randbedingungen. Beispielsweise werden je drei vollständige Zähne in drei gleichmäßig am Umfang verteilten Segmenten voll ausgearbeitet, wobei die Rotoren mit drei, zwischen den verzahnten Segmenten angeordneten Dehnschrauben miteinander verschraubt werden. Diese Dehnschrauben bieten zudem den zusätzlichen Vorteil, dass, sofern sachgemäß verschraubt, sie über der gesamten Lebensdauer der auch als Aggregat bezeichneten Axialflussmaschine selbstsichernd wirken und es daher keiner weiteren Schraubensicherungsmaßnahmen bedarf. Der Kontakt zwischen den beiden Rotoren erfolgt ausschließlich über die Zahnflanken der vorzugsweise als Hirth-Verzahnungen ausgebildeten Verzahnungen. Die nicht verzahnten, zweiten Segmente der beiden Rotoren sind nicht in gegenseitigem Kontakt, zwischen Ihnen besteht mindestens ein Luftspalt, der gegebenenfalls aus Gewichtsgründen auch großzügig ausfallen kann. Durch den Verzicht auf das Bearbeiten einer Anzahl von Zähnen der Hirth-Verzahnung kann die dazu notwendige Bearbeitungszeit anteilmäßig verkürzt und damit auch die Herstellungskosten reduziert werden, ohne jegliche funktionale Einbußen in Kauf nehmen zu müssen.
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Ein besonderes, vorteilhaftes Maß der mittels, selbstzentrierter Hirth-Verzahnung gefügten Rotoren einer Axialflussmaschine in H-Anordnung oder H-Bauweise ergibt sich auch daher, dass die Rotoren als Zusammenbau gewuchtet werden können, wobei sie vorzugsweise über die Durchmesser der Lagerstellen in die Wuchtmaschine aufgenommen werden und vorzugsweise in zwei Ebenen, jeweils entsprechend der beiden Rotorscheiben im verschraubten Zustand gewuchtet werden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass nach dem Wuchten und gegebenenfalls weiteren, den Wuchtzustand nicht beeinflussenden Arbeiten an den Rotorhälften, bei der Endmontage der Rotoren durch die gegebene, gegenseitige Positions-Reproduzierbarkeit der Hirth-Verzahnung bei sukzessiven Montagen, die im Wuchtprozess erzielte Auswuchtgenauigkeit in das fertige Aggregat besser übertragen werden kann, als das durch andere Verfahren möglich wäre. Gemeinsam im Zusammenbau gewuchtete Rotoren sind als Paar zu handhaben. Bei der Endmontage sollten die Rotoren in der gleichen Winkellage, wie sie gewuchtet werden, montiert werden, was entweder durch die genannte Markierung oder, insbesondere günstig, durch ein Poka Yoke-Verfahren erreicht werden kann. Dazu bietet es sich etwa an, an einem der verzahnten Segmente eine um einen Zahn veränderte Zähnezahl der Hirth-Verzahnung auszuführen, als an den anderen Segmenten.
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Ein Vorteil, der insbesondere bei hochdrehenden Axialflussmaschinen zum Tragen kommt, ist ein optimales, auch als NVH-Verhalten bezeichnetes Geräuschverhalten (NVH - Noise Vibration Harshness), ermöglicht durch das Beibehalten der auf der Wuchtmaschine erzielten Wuchtgüte, so bezüglich der radialen Unwucht beider Scheiben, als auch einer sonst eventuell resultierenden Momentenunwucht. Dadurch wird die an das Gehäuse über die Lagerstellen geleitete Vibrationsanregung minimiert.
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Um eine Öl- und/oder Luftzirkulation durch die Luftspalte zwischen den Rotoren und dem Stator zu unterbinden oder vorteilhaft gering zu halten, ist unterhalb der Hirth-Verzahnung eine Dichthülse vorgesehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht einer Rotoreinrichtung für eine Axialflussmaschine;
- 2 eine schematische Perspektivansicht der Rotoreinrichtung; und
- 3 eine schematische Perspektivansicht eines Rotors der Rotoreinrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine mit 12 bezeichnete Rotoreinrichtung für eine Axialflussmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens. In ihrem vollständig hergestellten Zustand weist die auch als Motor oder Aggregat bezeichnete Axialflussmaschine einen Stator und die Rotoreinrichtung 12 auf, welche einen ersten Rotor 10A und einen zweiten Rotor 10B aufweist. In axialer Richtung der Axialflussmaschine ist der Stator zwischen den Rotoren 10A und 10B angeordnet. Mittels des Stators können die Rotoren 10A und 10B, mithin die Rotoreinrichtung 12, angetrieben und dadurch um eine Maschinendrehachse relativ zu dem Stator getrieben werden, wobei die axiale Richtung der Axialflussmaschine mit der Maschinendrehachse zusammenfällt. In 1 ist ein Wellenstummel-Abtrieb mit 20, eine auch als Abtrieb bezeichnete Lauf- oder Mitnahmeverzahnung mit 21, ein Festlager mit 30, eine Wellenmutter mit 31, ein Loslager mit 40, eine Dehnschraube mit 50, ein erstes Ölleitblech mit 60A, ein zweites Ölleitblech mit 60B, eine Dichthülse mit 70 und ein verzahntes Segment mit 100 bezeichnet, wobei dadurch, dass das Segment 100 verzahnt ist, das Segment 100 eine Verzahnung aufweist, die als Hirth-Verzahnung ausgebildet ist.
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Aus 1 ist erkennbar, dass der Rotor 10A eine erste Seite 14 aufweist, welche insbesondere eine erste Stirnseite des Rotors 10A ist. In Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass der zweite Rotor 10B eine zweite Seite 16 aufweist, welche insbesondere eine zweite Stirnseite ist. Die Seiten 14 und 16 liegen in axialer Richtung der Axialflussmaschine einander gegenüber. Wie aus 3 am Beispiel des Rotors 10A erkennbar ist, weist die jeweilige Seite 14, 16 mehrere Verzahnungssegmente 18 auf, welche auch als erste Segmente bezeichnet werden. Die Verzahnungssegmente 18 sind in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine 10 aufeinanderfolgend und voneinander beabstandet angeordnet. Außerdem weist das jeweilige Verzahnungssegment 18 eine jeweilige Verzahnung 19 auf, welche vorzugsweise als Hirth-Verzahnung ausgebildet ist. Des Weiteren ist aus 3 am Beispiel der Seite 14 des Rotors 10A erkennbar, dass die jeweilige Seite 14, 16 zweite Segmente 22 aufweist, welche verzahnungsfreie, mithin nicht verzahnte Segmente sind, wobei die jeweiligen, zweiten Segmente 22 in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine aufeinanderfolgend und voneinander beabstandet angeordnet sind. Das jeweilige, zweite Segment 22 der jeweiligen Seite 14, 16 ist frei von einer Verzahnung. Die verzahnungsfreien, zweiten Segmente 22 und die Verzahnungssegmente 18 der jeweiligen Seite 14, 16 sind in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine abwechselt aufeinanderfolgend angeordnet, so dass, besonders gut aus 3 erkennbar ist, zwischen zwei benachbarten Verzahnungssegmenten 18 der jeweiligen Seite 14, 16, insbesondere genau, ein verzahnungsfreies Segment 22 der jeweiligen Seite 14, 16 angeordnet ist.
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In dem in 1 mit 100 bezeichneten Segment steht, insbesondere genau, eines der Verzahnungssegmente 18 der Seite 14 mit, insbesondere genau, einem der Verzahnungssegmente 18 der Seite 16 in Eingriff, wobei beispielsweise die jeweiligen, in Eingriff miteinander stehenden Verzahnungssegmente 18 der Seiten 14 und 16 eine jeweilige Hirth-Verzahnung beziehungsweise ein jeweiliges Hirth-Verzahnungssegment bilden.
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Die verzahnungsfreien Segmente 22 der Seite 14 und die verzahnungsfreien Segmente 22 der Seite 16 liegen in axialer Richtung der Axialflussmaschine 10 einander gegenüber und sind einander zugewandt, wobei die verzahnungsfreien Segmente 22 der Seite 14 und die verzahnungsfreien Segmente 22 der Seite 16 in axialer Richtung der Axialflussmaschine voneinander beabstandet sind, so dass in axialer Richtung die Axialflussmaschine zwischen dem jeweiligen, verzahnungsfreien Segment 22 der Seite 14 und dem jeweiligen, verzahnungsfreien Segment 22 der Seite 14 zugewandten, verzahnungsfreien Segment 22 der Seite 16 wenigstens ein jeweiliger Luftspalt angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die verzahnungsfreien Segmente 22 der Seite 14 die verzahnungsfreien Segmente 22 der Seite 16 nicht kontaktieren.
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Somit sind beispielsweise mehrere, in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine aufeinanderfolgend und voneinander beabstandete Segmente 100 vorgesehen, wobei das jeweilige, verzahnte Segment 100 jeweils ein Verzahnungssegment 18 der Seite 14 und ein Verzahnungssegment 18 der Seite 16 umfasst. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Verzahnungen 19 eines ersten der Segmente 100 eine jeweilige, insbesondere die gleiche, erste Zähnezahl aufweisen, wobei beispielsweise die Verzahnungen 19 eines zweiten der Segmente 100 eine jeweilige, vorzugsweise die gleiche, zweite Zähnezahl aufweisen. Vorzugsweise unterscheidet sich die zweite Zähnezahl von der ersten Zähnezahl, um insbesondere wenigstens oder genau einen Zahn. Hierdurch kann eine sichere und einfache Montage gewährleistet werden.
