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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, umfassend einen relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Stator mindestens einen ersten scheibenförmigen Statorkörper aufweist und der Rotor sowie der erste Statorkörper so angeordnet sind, dass axial zwischen dem ersten Statorkörper und dem Rotor ein erster, in einer Radialebene verlaufender magnetisch wirksamer Spalt a gebildet ist, und der Stator von einem Motorgehäuse zumindest abschnittsweise umfasst ist. Die Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Achsantriebsstrang und ein Kraftfahrzeug.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegel-raddifferenzial oder Stirnraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach beiden eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge der Fall.
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Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
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In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
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Bei der Entwicklung der für E-Achsen und Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der Axialflussmaschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt. Dennoch sind diese Kühlstrategien oft unzureichend und/oder mit hohen Kosten in der technischen Realisierung verbunden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu beheben oder zumindest abzumildern und eine Axialflussmaschine mit einem effektiven und kostengünstigen Kühlsystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Axialflussmaschine, umfassend einen relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Stator mindestens einen ersten scheibenförmigen Statorkörper aufweist und der Rotor sowie der erste Statorkörper so angeordnet sind, dass axial zwischen dem ersten Statorkörper und dem Rotor ein erster, in einer Radialebene verlaufender magnetisch wirksamer Spalt a gebildet ist, und der Stator von einem Motorgehäuse zumindest abschnittsweise umfasst ist, wobei an dem Motorgehäuse eine zum ersten Statorkörper hin offene sowie sich in einer Radialebene erstreckende ringsegmentförmige Nut ausgebildet ist und in dem Bereich der ringsegmentförmigen Nut eine Mehrzahl an Kühlöffnungen in dem Motorgehäuse vorgesehen sind, mittels derer ein in die ringsegmentförmige Nut einbringbares Kühlfluid auf den ersten Statorkörper applizierbar ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine besonders effiziente Kühlfluidübergabe und -verteilung zwischen dem Motorgehäuse und dem Stator der Axialflussmaschine erfolgen kann. Ferner erlaubt die Kühlfluidübergabe und - verteilung mittels der ringsegmentförmigen Nut auch einen axial besonders kompakten Aufbau.
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Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Konfiguration, für unterschiedliche Bauraumsituationen lediglich die Gehäuse anzupassen, die elektrische Maschine als solches aber jeweils identisch auszuführen, wodurch eine bauraumspezifische Adaption entsprechend vereinfacht und auch kostengünstiger herstellbar ist.
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Durch flächige Kühlung eines Stators durch die ringsegmentartige Nut kann beispielsweise auch eine Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine realisiert werden, was die Kühlleistung weiter verbessert.
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Die ringsegmentförmige Nut befindet sich axial auf einer Seite der Axialflussmaschine und ist zu der Axialflussmaschine hin offen. In dem Gehäuse der Axialflussmaschine befinden sich durch das Gehäuse axial hindurcherstreckende Kühlöffnungen, wodurch das Kühlfluid in die Axialflussmaschine strömen kann und hierdurch den ersten Statorkörper der Axialflussmaschine kühlt.
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Es versteht sich, dass eine ringsegmentförmige Nut auch umlaufend geschlossen ausgebildet sein kann.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Der magnetische Fluss in einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine (AFM) ist im magnetisch wirksamen Spalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet. Es gibt unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Die erfindungsgemäße Axialflussmaschine kann als I- Typ konfiguriert sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung insbesondere auch vorgesehen sein, dass der Stator wenigstens einen zweiten scheibenförmigen Statorkörper umfasst, welcher koaxial zum ersten Statorkörper und zu der Rotorwelle angeordnet unter axialer Zwischenanordnung eines der Rotorkörper vom ersten Statorkörper beabstandet ist, so dass eine I-Konfiguration einer Axialflussmaschine realisiert ist.
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Ein Rotor kann ferner eine Rotorwelle aufweisen. Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass der Rotor eine Rotorwelle mit zumindest einem ersten scheibenförmig ausgebildeten, auf der Rotorwelle drehfest angeordneten Rotorkörper aufweist, was eine kosteneffiziente Fertigung durch Aufteilung des Rotors in magnetisch wirksame Bauteile (Rotorkörper) und rein mechanische Bauteile (Rotorwelle). Insbesondere ist es hierdurch auch möglich die vorangestellten verschiedenen I- und/oder H-Konfigurationen besonders flexibel auszubilden.
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Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann bevorzugt zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger bzw. Rotorkörper aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC-Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
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Ein Rotor kann einen Rotorkörper umfassen. Ein Rotortkörper weist in bevorzugter Weise ein Innenteil, über das der Rotor drehfest mit einer Welle verbindbar ist, und ein Außenteil auf, das den Rotor in radialer Richtung nach außen begrenzt. Der Rotorkörper kann zwischen Innenteil und Außenteil mit mehreren Rotorstreben ausgebildet sein, über das das Innenteil und das Außenteil miteinander verbunden sind und welches gemeinsam mit der radialen Außenfläche des Innenteils und der radialen Innenfläche des Außenteils einen Aufnahmeraum für die Aufnahme der Magnetelemente und der Flussleitelemente des Rotors bildet. Alternativ zu dem Aufnahmeraum können die Magnetelemente auf dem Rotorträger angeordnet bzw. aufgesetzt sein.
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Ein Magnetelement kann als Permanentmagnet in Form eines Stabmagneten oder in Form kleinerer als Klötze ausgebildeter Magnetblöcke gebildet sein. Die Magnetelemente sind in der Regel in, an oder auf einem Rotorträger angeordnet. Das als Permanentmagnet ausgebildete Magnetelement eines Rotors einer Axialflussmaschine steht in Wechselwirkung mit einem rotierenden Magnetfeld, welches durch die in der Regel mit einem Drehstrom beaufschlagten Statorwicklungspulen erzeugt ist.
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Der Stator einer elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpresstem weichmagnetischem Material, wie dem sogenannten SMC-Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
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Die Axialflussmaschine kann ein Motorgehäuse aufweisen. Das Motorgehäuse umhaust die Axialflussmaschine zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der Axialflussmaschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann.
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Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden. Besonders bevorzugt weist das Motorgehäuse eine zylinderringförmige Grundform auf. Das Motorgehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, dass ein oder mehrere Statorträger zumindest abschnittsweise einteilig mit dem Motorgehäuse ausgebildet sind, was die Montagefreundlichkeit der Axialflussmaschine weiter verbessern kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein erster scheibenförmiger Statorkörper und/oder ein zweiter scheibenförmiger Statorkörper als Leiterplatte, insbesondere als gedruckte Schaltung, welche auch als Printed-Circuit-Board PCB bezeichnet wird, ausgebildet sind/ist, wodurch der Statorkörper besonders kompakt und kostengünstig herstellbar ist. Die Wicklung des Statorkörpers ist dabei einstückig mit der Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterplatte ist bevorzugt eine Multilayer-Platine mit mehreren Kupferlagen, über die sich die Statorwicklungen erstrecken. Eine weitere mögliche Ausführungsform ist die Ausführung des Statorkörpers als Sandwich mehrerer Multilayer-Platinen. Die Leiterplatte ist bevorzugt aus einem Verbund aus Epoxyharz und Glasfaser gebildet.
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Die Axialflussmaschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die Axialflussmaschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist die Axialflussmaschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Axialflussmaschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der Kühlöffnungen der Anzahl an Spulen des ersten Statorkörpers entspricht, so dass eine effiziente Kühlung jeder einzelnen Spule bereitgestellt werden kann.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die ringsegmentförmige Nut mit einem sich in radialer Richtung nach außen erstreckenden Kühlkanalabschnitt hydraulisch leitend verbunden ist, welcher seinerseits über ein hydraulisches Kopplungsmittel mit der Ausgangsseite eines Wärmetauschers hydraulisch verbunden ist.
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Es kann hierdurch erreicht werden, dass das Kühlfluid vom Wärmetauscher über den Kühlkanalabschnitt in die ringsegmentförmige Nut gefördert wird.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen der ringsegmentförmigen Nut und dem hydraulischen Kopplungsmittel ein Überdruckventil angeordnet ist, welches ausgangsseitig in einen Überlaufkanal mündet. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass das hydraulische System der Statorkühlung vor einem Überdruck und möglicherweise daraus resultierenden Beschädigungen geschützt werden kann.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass radial außerhalb des ersten Statorkörpers ein Rücklaufkanal ausgebildet ist, mittels dessen Kühlfluid von dem ersten Statorkörper abführbar ist. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass hierdurch mehrere Statoren an das Kühlsystem anschließbar sind. Ferner kann hierdurch die Möglichkeit einer Stromschienenkühlung geschaffen werden.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Stator wenigstens einen zweiten scheibenförmigen Statorkörper umfasst, welcher koaxial zum ersten Statorkörper und unter axialer Zwischenanordnung des Rotors vom ersten Statorkörper beabstandet ist, wobei der Kühlkanalabschnitt wenigstens an einen ersten, sich axial durch die Axialflussmaschine erstreckenden Hydraulikpfad angeschlossen ist, so dass das Kühlfluid zu dem zweiten scheibenförmigen Statorkörper führbar ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass das Kühlöl axial von dem ersten zu dem zweiten Statorkörper transportiert werden kann, wobei es jedoch nur eines hydraulischen Anschlusses, nämlich des Kopplungsmittels, bedarf.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Axialflussmaschine einen zweiten, sich axial durch die Axialflussmaschine erstreckenden und mit dem Kühlkanalabschnitt verbundenen Hydraulikpfad aufweist. Hierdurch kann eine weitere Verbesserung der hydraulischen Kühlleistung und eine bessere Verteilung an Kühlfluid erreicht werden.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass an dem Motorgehäuse eine zum zweiten Statorkörper hin offene sowie sich in einer Radialebene erstreckende zweite ringsegmentförmige Nut ausgebildet ist und in dem Bereich der zweiten ringsegmentförmigen Nut eine Mehrzahl an Kühlöffnungen in dem Motorgehäuse und/ oder an einem Anbindungsgehäuse von übergeordneter Struktur vorgesehen sind, mittels derer ein in die zweite ringsegmentförmige Nut einbringbares Kühlfluid auf den zweiten Statorkörper applizierbar ist, wobei die zweite Nut mit dem ersten Hydraulikpfad und/oder zweiten Hydraulikpfad verbunden ist, was ebenfalls zu einer verbesserten Kühlleistung und Kühlfluidverteilung beiträgt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens zwei Axialflussmaschinen, nach einem der Ansprüche 1-8, deren Rotoren koaxial zueinander angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, zwei Fahrzeugräder einer Fahrzeugachse separat mit jeweils einer Axialflussmaschine anzutreiben.
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Ein elektrisch betreibbarer Antriebsstrang umfasst somit zwei elektrische Axialflussmaschinen und bevorzugt jeweils eine mit einer elektrischen Axialflussmaschine gekoppelten Getriebeanordnung. Die Getriebeanordnung und die elektrische Axialflussmaschine bilden eine bauliche Einheit. Diese kann beispielsweise mittels eines Antriebsstranggehäuses gebildet sein, in welchem die Getriebeanordnung und die elektrische Axialflussmaschine gemeinsam aufgenommen sind.
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Die elektrische Maschine besitzt bevorzugt ein Motorgehäuse und/oder das Getriebe ein Getriebegehäuse, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Das Getriebegehäuse ist ein Gehäuse zur Aufnahme eines Getriebes. Es hat die Aufgabe, vorhandene Wellen jeweils über die Lager zu führen und den Rädern (eventuell Kurvenscheiben) bei allen Belastungen diejenigen Freiheitsgrade zu gewähren, derer sie bedürfen, ohne sie in der Dreh- und eventuell Bahnbewegung zu behindern, sowie Lagerkräfte und Abstützmomente aufzunehmen. Ein Getriebegehäuse kann ein- oder mehrschalig, das heißt, ungeteilt oder geteilt ausgebildet sein. Das Getriebegehäuse sollte insbesondere auch sowohl Geräusche und Vibrationen dämpfen als auch Hydraulikfluid sicher aufnehmen können. Das Getriebegehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Grauguss oder Stahlguss, insbesondere mittels einem Urformverfahren wie Gießen oder Druckguss geformt.
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Die Getriebeanordnung ist insbesondere mit der elektrischen Maschine koppelbar, welche zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Bei dem Antriebsdrehmoment handelt es sich besonders bevorzugt um ein Hauptantriebsdrehmoment, sodass das Kraftfahrzeug ausschließlich durch das Antriebsdrehmoment angetrieben wird. Bevorzugt ist die Getriebeanordnung als ein Planetengetriebe ausgebildet, ganz besonders bevorzugt als ein schaltbares, insbesondere zweigängiges Planetengetriebe.
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Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch dadurch gelöst sein, durch ein Kraftfahrzeug, dass einen ersten elektrischen Achsantriebsstrang nach Anspruch 9 an einer ersten Fahrzeugachse und einen zweiten elektrischen Achsantriebsstrang nach Anspruch 9 an einer zweiten Fahrzeugachse aufweist. Hierdurch ist es insbesondere ermöglicht, dass jedes Fahrzeugrad eines zweiachsigen Kraftfahrzeugs durch eine ihm jeweils zugeordnete Axialflussmaschine antreibbar ist.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische hydraulische Blockschaltansicht einer Axialflussmaschine in einer Axialschnittdarstellung,
- 2 einen Achsantriebsstrang mit zwei Axialflussmaschinen in einer Axialschnittansicht,
- 3 eine erste Ausführungsform von hydraulischen Leitungen und Pfaden der Axialflussmaschine in einer freigestellten Querschnittsansicht,
- 4 eine zweite Ausführungsform von hydraulischen Leitungen und Pfaden der Axialflussmaschine in einer freigestellten Querschnittsansicht,
- 5 eine erste Querschnittsansicht auf das Motorgehäuse der Axialflussmaschine,
- 6 eine zweite Querschnittsansicht auf das Motorgehäuse der Axialflussmaschine,
- 7 eine dritte Querschnittsansicht auf das Motorgehäuse der Axialflussmaschine,
- 8 ein Kraftfahrzeug mit zwei elektrisch antreibbaren Fahrzeugachsen in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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Die 1 zeigt eine Axialflussmaschine 1, umfassend einen relativ zu einem Stator 2 drehbar gelagerten Rotor 3, wobei der Stator 2 einen ersten scheibenförmigen Statorkörper 21 aufweist und der Rotor 3 sowie der erste Statorkörper 21 so angeordnet sind, dass axial zwischen dem ersten Statorkörper 21 und dem Rotor 3 ein erster, in einer Radialebene 9 verlaufender magnetisch wirksamer Spalt 28 gebildet ist.
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Der Stator 2 ist von einem Motorgehäuse 4 zumindest abschnittsweise umfasst. An dem Motorgehäuse 4 ist eine zum ersten Statorkörper 21 hin offene sowie sich in einer Radialebene 8 erstreckende ringsegmentförmige Nut 5 ausgebildet. In dem Bereich der ringsegmentförmigen Nut 5 ist eine Mehrzahl an Kühlöffnungen 6 in dem Motorgehäuse 4 vorgesehen, mittels derer ein in die ringsegmentförmige Nut 5 einbringbares Kühlfluid 7 auf den ersten Statorkörper 21 applizierbar ist. Die Anzahl der Kühlöffnungen 6 entspricht hierbei der Anzahl an Spulen 10 des ersten Statorkörpers 21.Wie in der 1 angedeutet, können auch die Spulen 10 von dem Kühlfluid 7 umströmt werden, beispielsweise indem entsprechende Kanäle in dem Statorkörper 21 vorgesehen werden. Dabei sind die Kühlöffnungen 6 für das Kühlfluid 7 so gewählt, dass eine möglichst effiziente Kühlung der Spulen 10 bzw. der Statorkörper 21,22 sichergestellt werden kann.
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Aus Bauraumgründen liegen die beiden Axialflussmaschinen 1 direkt und unmittelbar axial aneinander an. Die Axialflussmaschine 1 wird hier also mit einem Kühlfluid 7 gekühlt, welches von einer nicht dargestellten Pumpe aus einem ebenfalls nicht gezeigten Sumpf durch den Wärmetauscher 13 gepumpt wird.
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In der 1 ist ferner gezeigt, dass der Stator 2 einen zweiten scheibenförmigen Statorkörper 22 umfasst, welcher koaxial zum ersten Statorkörper 21 und unter axialer Zwischenanordnung des Rotors 3 vom ersten Statorkörper 21 beabstandet ist, wobei der Kühlkanalabschnitt 11 wenigstens an einen ersten, sich axial durch die Axialflussmaschine 1 erstreckenden Hydraulikpfad 23 angeschlossen ist, so dass das Kühlfluid 7 zu dem zweiten scheibenförmigen Statorkörper 22 führbar ist. Die Axialflussmaschine 1 weist ferner einen zweiten, sich axial durch die Axialflussmaschine 1 erstreckenden und mit dem Kühlkanalabschnitt 11 verbundenen Hydraulikpfad 24 auf.
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Auch ist in der 1 gezeigt, dass an dem Motorgehäuse 4 eine zum zweiten Statorkörper 22 hin offene sowie sich in einer Radialebene 25 erstreckende zweite ringsegmentförmige Nut 26 ausgebildet ist und in dem Bereich der zweiten ringsegmentförmigen Nut 26 eine Mehrzahl an Kühlöffnungen 27 in dem Motorgehäuse 4 vorgesehen sind, mittels derer ein in die zweite ringsegmentförmige Nut 26 einbringbares Kühlfluid 7 auf den zweiten Statorkörper 22 applizierbar ist, wobei die zweite Nut 26 mit dem ersten Hydraulikpfad 23 und/oder zweiten Hydraulikpfad 24 verbunden ist.
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2 zeigt einen Ausschnitt durch einen elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang 30, wie er beispielsweise in der Vorderachse 33 eines Kraftfahrzeugs 31 verbaut sein kein, dass exemplarisch in der 8 skizziert ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei unabhängige Axialflussmaschinen 1 verbaut, die gespiegelt aufgebaut sind. Ein derartiger Achsantriebsstrang 30 besteht in dem gezeigten Beispiel aus jeweils einer Axialflussmaschine 1 mit einem dieser zugeordneten, aber nicht in der 2 sichtbaren, Getriebeanordnung. Wie aus der 8 ersichtlich, kann auch die Hinterachse 32 eines Kraftfahrzeugs 31 wiederum aus zwei gespiegelten und unabhängigen Systemen, wie in der 2 gezeigt, bestehen. Bevorzugt sind die Axialflussmaschinen 1 in dem Kraftfahrzeug 31 im Wesentlichen identisch ausgeführt.
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3 zeigt schematisch die Ölverteilungskanäle der Axialflussmaschine 1, umfassend die ringsegmentförmige Nut 5. Von der Ausgangsseite 12 des Wärmetauschers 13 führt ein Kühlkanalabschnitt 11 in die ringsegmentförmige Nut 5, die getriebeseitig angeordnet, aber offen zur Axialflussmaschine 1 hin gestaltet ist. Die Ölleitung in den ringsegmentförmige Nut 5 ist hier nur bespielhaft angedeutet. Um eine Gleichverteilung des Kühlfluids 7 zu verbessern, ist es z.B. sinnvoll, einen Kanal 18 zwischen Hydraulikpfaden 23,24 anzuordnen und diese so hydraulisch zu verbinden. Die 3 zeigte eine Ausführungsform ohne diesen Kanal 18. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die ringförmige Nut 5 in Umfangsrichtung, anders als in der 3 gezeigt, zwischen den Hydraulikpfaden 23,24 nicht geschlossen verläuft sondern zwischen den Hydraulikpfaden 23,24 unterbrochen ist.
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Von der ringsegmentförmige Nut 5 führen zwei Abgänge in radialer Richtung nach oben zu den axial verlaufenden Hydraulikpfaden 23,24, um die Ölkühlung des zweiten Statorkörpers 22 auf der getriebeabgewandten Seite der Axialflussmaschine 1 zu ermöglichen.
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Weiterhin ist der Rücklaufkanal 17 aus der Axialflussmaschine 1 in der 4 zu sehen, der in Schwerkraftrichtung am höchsten Punkt der Axialflussmaschine 1 das Kühlfluid 7 abgreift und in den nicht näher bezeichneten Sumpf leitet.
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Über die Höhe in Schwerkraftrichtung des Einspeisepunktes (Ausgang 12 des Wärmetauschers 13) bzw. den in Schwerkraftrichtung höchsten Punkt des Kühlkanalabschnitts 11 und die Höhe der Kühlöffnungen 6 in Schwerkraftrichtung kann das Ölniveau in der Axialflussmaschine 1 auch bei niedrigen/gestopptem Volumenströmen eingestellt werden. Somit kann einer Überhitzung der Axialflussmaschine vorgebeugt werden.
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Mit dem Volumenstrom können auch gleichzeitig weitere Komponenten versorgt werden, dies kann beispielsweise über eine Reihen- oder Parallelschaltung erfolgen. In diesem Fall werden nach der Axialflussmaschine weitere Komponenten (Getriebeverzahnungen, Lager usw.) über Blenden mit Kühlfluid versorgt. Über die Blenden, auch im Abgang zum Sumpf, kann die Aufteilung und Druck eingestellt werden. Dies ist jedoch in den Figuren nicht gezeigt.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine 1. Getriebeseitig sind hier mehrere axial verlaufende Kühlöffnungen 6 in dem Motorgehäuse 4 vorgesehen, die das Kühlfluid 7 zu dem getriebeseitigen ersten Statorkörper 21 des Stators 2 führt. Im Bereich der nicht näher bezeichneten elektrischen Anschlüsse befinden sich die zwei Hydraulikpfade 23,24, um den dem Getriebe abgewandten, zweiten Statorkörper 22 zu kühlen. Die Abgänge aus der ringsegmentförmige Nut 5 werden hier mit Verbindungsstücken zur Axialflussmaschine 1 hin abgedichtet. Natürlich ist es auch denkbar, das Dichtungen direkt im Motorgehäuse 4 an den Abgängen oder an der Axialflussmaschine 1 angebracht werden oder gar mit einer niedrigen Leckage ausgekommen werden kann.
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Die 6 und 7 zeigen die getriebeabgewandte Querschnittsseite der Axialflussmaschine 1. 7 zeigt das mittels eines Dichtungselements 29 geschlossene Motorgehäuse 4 der Axialflussmaschine 1 und 6 zeigt das offene Motorgehäuse 4 ohne das Dichtungselement 29. Unter dem Dichtungselement 29 befindet sich die Kühlöffnungen 27, die wieder den Ölzulauf in den zweiten Statorkörper 22 führen, dort die Wickelköpfe usw. kühlt und dann mit dem Rückfluss aus der getriebeseitigen, zweiten Statorkörper 22 in einem nutartigen Rücklaufkanal 17 am Außendurchmesser des Stators 2 abfliesen kann. Um das Kühlfluid 7 von den beiden Hydraulikpfaden 23,24 an die einzelnen Kühlöffnungen 27 verteilen zu können, befindet sich unter dem Dichtungselement 29 eine Kontur bzw. Kanalstrukturen, die das Kühlfluid 7 in Umfangsrichtung verteilen.
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In dem Rücklaufkanal 17 werden beide Volumenströme an Kühlfluid 7 aus den beiden Statorkörpern 21,22 zusammengefasst (getriebeseitige und getriebeabgewandte Statorkörper 21,22). Aus den beiden Statorkörpern 21,22 fliest das Kühlfluid 7 also in den Rücklaufkanal 17 am Umfang des Stators 2 zusammen und wird von dort am in Schwerkraftrichtung höchsten Punkt ausgeleitet und dem Sumpf zugeführt.
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Es wird somit innerhalb eines Achsantriebsstrangs 30 für den getriebeseitigen, ersten Statorkörper die Verteilung an Kühlfluid 7 und Zuführung durch das Getriebegehäuse erreicht und für den getriebeabgewandten, zweiten Statorkörper 22 die Ölverteilung intern im Motorgehäuse 4 der Axialflussmaschine 1 realisiert.
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Wie in der 3 und 4 gezeigt, ist die ringsegmentförmige Nut 5 mit einem sich in radialer Richtung nach außen erstreckenden Kühlkanalabschnitt 11 hydraulisch leitend verbunden, welcher seinerseits über ein hydraulisches Kopplungsmittel 14 mit der Ausgangsseite 12 eines Wärmetauschers 13 hydraulisch verbunden ist. Die 3-4 zeigen des Weiteren, dass radial oberhalb des ersten Statorkörpers 21 ein Rücklaufkanal 17 ausgebildet ist, mittels dessen Kühlfluid 7 von dem ersten Statorkörper 21 abführbar ist.
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Wie in der Ausführungsform der 3 dargestellt, ist zwischen der ringsegmentförmigen Nut 5 und dem hydraulischen Kopplungsmittel 14 ein Überdruckventil 15 angeordnet, welches ausgangsseitig in einen Überlaufkanal 16 mündet.
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Schließlich zeigt die 8 ein Kraftfahrzeug 31, das einen ersten elektrischen Achsantriebsstrang 30, wie er aus der 2 bekannt ist, an einer ersten Fahrzeugachse 32 und einen zweiten elektrischen Achsantriebsstrang 30, wie er aus der 2 bekannt ist, an einer zweiten Fahrzeugachse 33 aufweist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axialflussmaschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Motorgehäuse
- 5
- Nut
- 6
- Kühlöffnungen
- 7
- Kühlfluid
- 8
- Radialebene
- 9
- Radialebene
- 10
- Spulen
- 11
- Kühlkanalabschnitt
- 12
- Ausgangsseite
- 13
- Wärmetauscher
- 14
- Kopplungsmittel
- 15
- Überdruckventil
- 16
- Überlaufkanal
- 17
- Rücklaufkanal
- 18
- Kanal
- 21
- Statorkörper
- 22
- Statorkörper
- 23
- Hydraulikpfad
- 24
- Hydraulikpfad
- 25
- Radialebene
- 26
- Nut
- 27
- Kühlöffnungen
- 28
- Spalt
- 29
- Dichtungselement
- 30
- Achsantriebsstrang
- 31
- Kraftfahrzeug
- 32
- Fahrzeugachse
- 33
- Fahrzeugachse
