EP4623504A1

EP4623504A1 - Axialflussmaschine

Info

Publication number: EP4623504A1
Application number: EP24812731.8A
Authority: EP
Inventors: Tobias Schilder; Robert Lehmann
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-12-13
Filing date: 2024-11-19
Publication date: 2025-10-01
Also published as: DE102023005131A1; DE102023005131B4; WO2025124854A1

Abstract

Axialflussmaschinen können mit einem Kühlmittel gekühlt werden. Diese Kühlung soll verbessert werden. Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine (1), aufweisend einen Stator (3) und einen um eine Drehachse (A) relativ zu dem Stator (3) drehbaren Rotor (2) mit einer Rotorscheibe (4, 5) und einer zur Drehachse (A) senkrecht angeordneten Rotorfläche (6), wobei der Rotor (2) mindestens eine Kühlstruktur (7) aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel (8) entlang der Rotorfläche (6) zu führen, wobei ein Auslass (10) der mindestens einen Kühlstruktur (7) radial weiter außen liegt als ein Einlass (9) der mindestens einen Kühlstruktur (7), wobei eine radiale Koordinate eines Verlaufs der mindestens einen Kühlstruktur (7) von dem Einlass (9) ausgehend zunimmt und anschließend zumindest bereichsweise zum Auslass (10) hin wieder abnimmt. Die mindestens eine Kühlstruktur (7) ist hierzu als zwei ineinanderliegende Spiralen ausgebildet, deren radial außenliegende Enden miteinander verbunden sind und deren radial innen liegende Enden den Einlass und den Auslass darstellen.

Description

Axialflussmaschine

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, aufweisend einen Stator und einen um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor mit einer Rotorscheibe und einer zur Drehachse senkrecht angeordneten Rotorfläche.

Es sind elektrische Maschinen mit einem Rotor und einem Stator bekannt. Im Betrieb erhitzt sich die elektrische Maschine aufgrund von Verlusten. Diese lassen sich beispielsweise in ohmsche Verluste, Eisenverluste, Streuverluste und mechanische Verluste unterteilen. Eisenverluste treten hauptsächlich in Stator und Rotor auf und tragen einen wesentlichen Anteil zu den Gesamtverlusten bei. Erhitzt sich die elektrische Maschine zu stark, kann sie dadurch zerstört werden. Im Stand der Technik sind deshalb verschiedene Kühlsysteme bekannt.

So zeigt die gattungsbildende Schrift JP 3 938 572 B2 eine supraleitende Synchronmaschine mit einem Rotor auf einer Welle, wobei der Supraleiter am Rotor befestigt ist und ein Magnetfeld erzeugt. Der Rotor und die Welle weisen Kühlmittelkanäle auf, wobei die Kühlmittelkanäle in der Welle mit einer Kühlmittelquelle in Verbindung stehen und die Kühlmittelkanäle im Rotor mit Kühlmittel versorgen. Die Kühlmittelkanäle im Rotor weisen einen Einlassbereich auf, in dem diese mit dem Kühlmittel beflutet werden können, erstrecken sich dann am Supraleiter entlang und enden in einem Auslassbereich, aus dem das Kühlmittel dann wieder in den Kühlmittelkanäle der Welle übertritt und nach außen abgeführt wird.

Aus der DE 102020 101 979 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Axialflussmotor mit einem Stator und einem Rotor auf einer Rotorwelle bekannt. Auch hier beinhaltet die Rotorwelle einen axialen Kühlmittelkanal mit einem Einlass und einem Auslass. Der Rotor beinhaltet Kühlmittelkanäle, die sich radial von der Rotorwelle erstrecken und einen Einlass in Fluidverbindung mit dem Auslass des axialen Kühlmittelkanals der Welle aufweisen. Der radiale Kühlmittelkanal des Rotors endet am radialen äußeren Ende des Rotors mit einem Auslass, wobei das Kühlmittel hier in einen Eingang eines gehäusefesten Kühlmittelverteilerkopf mündet. Ein Auslass des Kühlmittelverteilerkopfs ist in axialer Überdeckung oberhalb des Stators und der Eingang des Kühlmittelsammelkopfs unterhalb des Stators in Bezug auf die Schwerkraftrichtung angeordnet.

Ergänzend zeigt die JP 2011 - 130 530 A beispielsweise einen Rotor eines Axialflussmotors, welcher aus einer Vielzahl von Magneten in einem Blechpaket besteht, wobei das Blechpaket aus einem bandförmigen elektromagnetischen Blech gebildet ist, welches spiralförmig aufgewickelt ist. In das Blechband sind Ausnehmungen gestanzt, welche im spiralförmig aufgewickelten Zustand Taschen zur Aufnahme der Magnete bildet. Zwischen den Ausnehmungen im Blechband zur Bildung der Magnettaschen sind weitere Ausnehmungen ausgestanzt, welche im aufgewickelten Zustand radiale Kühlkanäle zwischen den Magneten bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlung für eine Axialflussmaschine, insbesondere eines Rotors der Axialflussmaschine, bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken durch ein gezieltes radiales Hin- und Herführen eines Kühlmittels entlang einer Rotorfläche die Kühlung der Axialflussmaschine zu verbessern.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine. Die Axialflussmaschine weist einen Stator und einen Rotor auf. Der Rotor ist um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar. Der Rotor weist eine Rotorscheibe und eine zur Drehachse senkrecht angeordnete Rotorfläche der Rotorscheibe auf. Der Rotor weist mindestens eine Kühlstruktur auf, die dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel entlang der Rotorfläche zu führen. Die mindestens eine Kühl Struktur weist einen Einlass und einen Auslass auf. Der Auslass der mindestens einen Kühlstruktur liegt radial weiter außen als der Einlass der mindestens einen Kühlstruktur. Eine radiale Koordinate eines Verlaufs der mindestens einen Kühlstruktur nimmt von dem Einlass ausgehend zu und anschließend zumindest bereichsweise zum Auslass hin wieder ab. Der Verlauf der mindestens einen Kühlstruktur entfernt sich also von dem Einlass ausgehend von der Drehachse und nähert sich anschließend zumindest bereichsweise wieder der Drehachse zum Auslass hin. Durch eine gezielte Führung eines Stroms des Kühlmittels an der Rotorfläche von dem Einlass zu dem Auslass mittels der Kühlstruktur kann ein konvektiver Wärmeübergang zwischen dem Rotor und dem Kühlmittel verbessert werden. Somit wird ein definierter Wärmeaustausch vom Rotor zum Kühlmittel ermöglicht. Außerdem wird der Rotor besonders gleichmäßig gekühlt, da das Kühlmittel vom Eingang durch die Kühlstruktur zunächst radial nach außen und anschließend radial wieder nach innen zum Auslass führt. Dadurch gelangt durch den Rotor bereits erwärmtes Kühlmittel wieder radial nach innen und noch kühles Kühlmittel radial nach außen. Die Rotorfläche kann auch als Rotorrückseite oder Rotorscheibenoberfläche bezeichnet werden.

Bei rein radialem Fluss des Kühlmittels nach außen würde der Rotor radial sehr ungleichmäßig gekühlt werden, nämlich mit zunehmenden Radius immer weniger. In Folge kann eine Wirksamkeit einer Rotorkühlung durch die Kühlstruktur mit radialem Hin- und-Her-Fluss signifikant verbessert werden, wodurch eine Steigerung einer Dauerleistung der elektrischen Maschine ermöglich werden kann und/oder kostengünstigere Magnetmaterialien bzw. Klebstoffe und dergleichen eingesetzt werden können. Insbesondere ist dies möglich, da die verbesserte Kühlung des Rotors zu einer geringeren Temperatur der Magneten des Rotors und der Klebstoffe führt, wodurch Temperaturanforderungen an die Magnetmaterialien und Klebstoffe geringer sind.

Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Kühlstruktur als zwei ineinanderliegende Spiralen ausgebildet. Radial außenliegende Enden der Spiralen sind miteinander verbunden. Radial innen liegende Enden der Spiralen stellen den Einlass und den Auslass dar. Die mindestens eine Kühlstruktur weist also zumindest eine Schleife auf. Dadurch ergibt sich beispielsweise eine Art Mäander. Durch diese Form der mindestens einen Kühlstruktur kann das Kühlmittel radial nach außen und anschließend zumindest bereichsweise radial nach innen zum Auslass geführt werden. Dadurch wird der Rotor besonders gleichmäßig gekühlt.

Insbesondere ist die Rotorfläche senkrecht zur Drehachse angeordnet. Die Normalenrichtung in Bezug auf die Rotorfläche verläuft somit parallel zur Drehachse. Insbesondere wird also die senkrechte Rotorfläche gekühlt und nicht notwendigerweise eine Mantelfläche des Rotors. Dies ist besonders vorteilhaft für Axialflussmaschinen, bei denen die meiste Wärme an der Rotorfläche entsteht. In einigen Ausführungsformen befindet sich die Rotorfläche in axialer Richtung jeweils auf einer dem Stator abgewandten Seite der Rotorscheiben. Wird von einer axialen oder radialen Richtung gesprochen ist dies im vorliegenden Dokument stets in Bezug auf die Drehachse des Rotors bezogen zu verstehen, wenn keine andere Angabe gemacht wird.

Bei dem Kühlmittel handelt es sich insbesondere um ein Schmieröl von Lagern der elektrischen Maschine. Optional handelt es sich bei dem Kühlmittel um ein spezifisches Kühlöl.

Die Axialflussmaschine ist eine axial aufgebaute elektrische Maschine, beispielsweise indem eine Statorscheibe sandwichartig zwischen zwei Rotorscheiben angeordnet ist. Insbesondere ist die Statorscheibe an nur einer Rotorscheibe angeordnet. In der Axialflussmaschine fließt der magnetische Fluss parallel zur Drehachse des Rotors. Daher ist die Wärmeentwicklung bei der Axialflussmaschine auf der Rotorfläche, welche senkrecht zur Drehachse steht größer als bei einer Radialflussmaschine. Bei einer Radialflussmaschine entsteht mehr Wärme auf einer Mantelfläche des Rotors. Daher ist die erfindungsgemäße Rotoranordnung besonders vorteilhaft für Axialflussmaschinen. Insbesondere ist die Rotorfläche eine dem Stator abgewandte Seite des Rotors. Gibt es zwei Rotorscheiben, dann gibt es insbesondere genau zwei Rotorflächen, die sich jeweils auf einer Rotorscheibe befinden.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Rotor eine erste Rotorscheibe und eine zweite Rotorscheibe auf, die über eine Achse drehfest verbunden sind, sodass der Rotor im Längsschnitt eine H-Form aufweist. Zumindest an und/oder in der ersten Rotorscheibe ist die Kühlstruktur angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass sowohl an und/oder in der ersten Rotorscheibe als auch an und/oder in der zweiten Rotorscheibe jeweils eine Kühlstruktur angeordnet ist.

Beispielsweise ist die jeweilige Rotorscheibe ein Magnetträger. Dies bedeutet insbesondere, dass an der jeweiligen Rotorscheibe jeweilige Magnete, insbesondere Permanentmagnete, gehalten sein können, sodass die jeweiligen Magnete durch die jeweilige Rotorscheibe getragen sind. Somit sind die jeweiligen Magnete mit der jeweiligen Rotorscheibe, an dem die jeweiligen Magnete gehalten sind, um die Drehachse relativ zu dem Stator mitdrehbar. Ferner ist es denkbar, dass an dem Stator wenigstens eine oder mehrere Spulen gehalten sind. Die Spule kann bestromt werden. Dies bedeutet, dass ein elektrischer Strom durch die Spule hindurchfließen kann. Somit trägt beispielsweise der Stator die Spule. Insbesondere kann die Axialflussmaschine ein Gehäuse aufweisen, wobei die Rotorscheiben um die Maschinendrehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der Stator gehäusefest ist. Dies bedeutet, dass der Stator drehfest mit dem Gehäuse verbunden ist. Da der Stator in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen den Rotorscheiben angeordnet ist, wird der Stator auch als zentraler Stator bezeichnet. Insbesondere durch Bestromen der Spule, das heißt dadurch, dass ein elektrischer Strom durch die Spule beziehungsweise durch die Spulen hindurch geleitet wird, können die Rotorscheiben angetrieben und dadurch, insbesondere um die Drehachse, relativ zu dem Stator und vorzugsweise auch relativ zu dem Gehäuse gedreht werden.

Des Weiteren ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen dem Stator und einer ersten der Rotorscheiben ein erster Luftspalt angeordnet ist. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen dem Stator und einer zweiten der Rotorscheiben ein zweiter Luftspalt angeordnet ist. Insbesondere kann der jeweilige Luftspalt zumindest im Wesentlichen scheibenförmig sein.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Kühlstruktur als ein, insbesondere einziger, durchgängiger Kühlkanal ausgebildet. Dadurch entsteht ein, insbesondere einziger, homogener Kühlstrom. Dadurch kann die Rotorfläche besonderes gleichmäßig gekühlt werden.

Alternativ kann die Kühlstruktur auch mehrfach im Rotor vorgesehen und angeordnet sein, insbesondere dann auch gleichartig, so dass jede der mehreren Kühl Strukturen die gleiche Form aufweist.

In einem Ausführungsbeispiel verläuft die Kühlstruktur innerhalb der Rotorscheibe des Rotors. Die Kühlstruktur ist also in ein Material der Rotorscheibe eingebracht.

Beispielsweise durch rinnenartige Ausnehmungen in der Rotorscheibe. Dadurch kann Platz und Gewicht gespart werden. Insbesondere verläuft die Kühlstruktur vollständig innerhalb der Rotorscheibe.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Axialflussmaschine ein Gehäuse mit einer Hohlstruktur auf. Die Axialflussmaschine ist derart ausgebildet, dass das Kühlmittel vom Auslass der Kühlstruktur berührungslos in die Hohlstruktur fließt. Vorzugsweise ist die Hohlstruktur, insbesondere nur, an einer Gehäusefläche, die im Wesentlichen parallel zur Rotorfläche angeordnet ist und der Rotorfläche zugewandt ist, mit dem Auslass fluidisch verbunden. Beispielsweise tritt das Kühlmittel aus einer Rotorwelle des Rotors in die Kühlstruktur ein. Insbesondere nachdem das Kühlmittel die Kühlstruktur verlässt, fließt das Kühlmittel gegebenenfalls aufgrund der Schwerkraft in Einlassöffnungen der Hohlstruktur in die Hohlstruktur ab. Optional wird das Kühlmittel durch die Hohlstruktur, insbesondere mittels einer Pumpe, zurück in eine Rotorwelle des Rotors geführt. Vorzugsweise ist die Axialflussmaschine derart ausgebildet, dass das Kühlmittel in diesem Kreislauf fließen kann.

Insbesondere wird bei diesem Ausführungsbeispiel keine Wanne zum Auffangen des Kühlmittels benötigt. Dadurch können Schleppverluste reduziert werden, denn der Rotor wird nicht durch das Kühlmittel in einer Wanne gebremst und/oder es kann auch Bauraum gespart werden, denn es wird keine Wanne benötigt.

Berührungslos bedeutet insbesondere, dass keine Dichtungen oder Drehdurchführungen zum Transport des Kühlmittels in die Hohlstruktur benötigt werden, sodass auch dadurch Verluste der Axialflussmaschine reduziert werden.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Axialflussmaschine einen zur Rotorscheibe separaten Rotordeckel auf. Der Rotordeckel schließt die Kühlstruktur axial auf einer dem Stator abgewandten Seite ab. Diese dem Stator abgewandte Seite kann insbesondere als Außenseite des Rotors bezeichnet werden und eine dem Stator zugewandte Seite kann insbesondere als Magnetseite des Rotors bezeichnet werden.

Gegebenenfalls ist der Auslass dem Rotordeckel zugewandt und der Einlass der Magnetseite. Beispielsweise ist die Kühlstruktur rinnenartig in der Rotorscheibe angeordnet und axial auf der Außenseite offen. Durch den Rotordeckel wird die Kühlstruktur auf der Außenseite verschlossen.

In einem Ausführungsbeispiel Axialflussmaschine einen zur Rotorscheibe separaten Rotordeckel auf. Die Kühlstruktur verläuft innerhalb des Rotordeckels. Beispielsweise verläuft die Kühlstruktur vollständig innerhalb des Rotordeckels. Dann schließt vorzugsweise die Rotorscheibe die Kühlstruktur in axialer Richtung ab. Optional verläuft die Kühlstruktur teilweise innerhalb des Rotordeckels und teilweise innerhalb der Rotorscheibe. Gegebenenfalls weist die Kühlstruktur eine erste Halbrinne im Rotordeckel und eine zweite Halbrinne in der Rotorscheibe auf.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Rotordeckel einen Auslassteil auf. Der Auslassteil ist in axialer Richtung von der Rotorfläche erhaben. Ein axialer Abstand von der Rotorfläche nimmt mit abnehmenden Radius in Bezug auf die Drehachse zu. Der Auslassteil ist zur Drehachse hin geöffnet. Der Auslassteil ist ein der Drehachse in radialer Richtung am nächsten angeordnete Teil des Rotordeckels. Der Auslassteil ist von der Drehachse in radialer Richtung weiter entfernt als der Einlass der Kühlstruktur.

Insbesondere ist der Auslassteil in Bezug auf die Drehachse vollständig umlaufend ausgebildet, insbesondere um das Kühlmittel in die Hohlstruktur zu leiten.

In einem Ausführungsbeispiel ist der Auslassteil trichterförmig ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Auslassteil im Längsschnitt durch die Drehachse von der Rotorfläche absteht. Diese Form ist besonders geeignet durch einen entsprechenden Abstehwinkel das Kühlmittel in die Hohlstruktur zu führen. Insbesondere beträgt der Abstehwinkel in Bezug zur Rotorfläche zwischen 10° und 80°, insbesondere zwischen 40° und 60°.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse einen Fangteil auf. Der Fangteil ist in axialer Richtung von einer der Rotorfläche zugewandten Gehäusefläche des Gehäuses erhaben. Ein axialer Abstand nimmt von der Gehäusefläche mit abnehmenden Radius in Bezug auf die Drehachse zu. Der Fangteil ist zur Drehachse hin geöffnet. Der Fangteil überlappt in radialer Richtung zumindest bereichsweise mit der Öffnung des Rotordeckels.

Insbesondere ist der Fangteil in Bezug zur Drehachse vollständig umlaufend ausgebildet, um zu verhindern, dass das Kühlmittel außen an dem Fangteil vorbeifließt anstatt in die Hohl Struktur.

Insbesondere ist der Fangteil trichterförmig ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Fangteil im Längsschnitt durch die Drehachse von der Gehäusefläche absteht. Diese Form ist besonders geeignet das Kühlmittel einzufangen und insbesondere weiter in die Hohlstruktur zu führen. Insbesondere beträgt der Abstehwinkel des Fangteils in Bezug zur Gehäusefläche zwischen 10° und 80°, insbesondere zwischen 40° und 60°. Zum Beispiel ist nur ein mit dem Auslassteil überlappender Bereich des Fangteils trichterförmig. Gegebenenfalls ist der Fangteil v-förmig oder z-förmig, wobei ein erster Schenkel der Form entlang des Gehäuses an der Gehäusefläche, die im Wesentlichen parallel zur Rotorfläche angeordnet ist und der Rotorfläche zugewandt ist, direkt angeordnet ist. Vorzugsweise bildet ein zweiter und/oder ein dritter Schenkel der Form den trichterförmigen, überlappenden Bereich.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle einen Hohlraum auf. Der Hohlraum ist zum Einspeisen des Kühlmittels in die Kühlstruktur über den Einlass mit der Kühlstruktur fluidisch verbunden. Die Axialflussmaschine ist derart ausgebildet, dass das Kühlmittel berührungslos, insbesondere von der Hohlstruktur, in den Hohlraum der Rotorwelle gespritzt werden kann, insbesondere gespritzt wird.

Dazu weist die Axialflussmaschine beispielsweise ein Spritzröhrchen auf. Vorzugsweise weist die Axialflussmaschine eine Pumpe auf, mit der das Kühlmittel von der Hohlstruktur des Gehäuses über das Spritzröhrchen in die Rotorwelle transportiert werden kann.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine. Die Axialflussmaschine ist dazu ausgebildet, als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs das Fahrzeug anzutreiben.

Insbesondere ist die Axialflussmaschine eine antriebsdrehmomentbereitstellende Komponente des elektrischen Antriebsstrangs, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass die auch als Scheibenläufermaschine bezeichnete Axialflussmaschine für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, sodass das Kraftfahrzeug mittels der Axialflussmaschine, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Somit ist die Axialflussmaschine insbesondere eine Traktionsmaschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Das Kraftfahrzeug ist somit beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder aber ein Elektrofahrzeug, insbesondere ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV).

Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs folgen unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine und umgekehrt. Insbesondere lassen sich einzelne Merkmale und entsprechende Erläuterungen sowie Vorteile bezüglich der verschiedenen Ausführungsformen zu der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine analog auf entsprechende Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs übertragen und umgekehrt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. 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.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine;

Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Querschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine; und

Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine.

Fig. 1 zeigt ausschnittsweise eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Axialflussmaschine 1. Die Axialflussmaschine 1 kann auch als Scheibenläufermaschine bezeichnet werden. Insbesondere handelt es sich bei der Axialflussmaschine 1 um eine Axialflussmaschine für ein Kraftfahrzeug. Dies bedeutet beispielsweise, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Axialflussmaschine 1 aufweisen kann. Die Axialflussmaschine 1 ist eine elektrische Maschine, welche Drehmomente bereitstellen kann. Insbesondere können mittels des jeweiligen, von der Axialflussmaschine 1 bereitgestellten Drehmoments Fahrzeugräder einer Achse des Kraftfahrzeugs angetrieben werden, wodurch das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann.

Die Axialflussmaschine 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 (Fig. 3) auf. Der Rotor 2 weist insbesondere eine erste Rotorscheibe 4 und eine zweite Rotorscheibe 5 (Fig. 3) auf. Die Rotorscheiben 4, 5 sind, insbesondere gemeinsam beziehungsweise gleichzeitig, um eine einfach auch als Drehachse A bezeichnete Maschinendrehachse relativ zu relativ zu dem Stator 3 drehbar. Insbesondere kann die Axialflussmaschine 1 die zuvor genannten Drehmomente über den Rotor 2 bereitstellen. Die Drehachse A ist beispielsweise eine Symmetrieachse, bezüglich derer beispielsweise die jeweilige Rotorscheibe 4, 5 und/oder der Stator 3 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Außerdem wird die Drehachse A auch als Rotationsachse bezeichnet, da die Rotorscheiben 4, 5 und die Rotationsachse relativ zu dem Stator 3 drehbar sind. Insbesondere ist der Stator 3 in axialer Richtung der Axialflussmaschine 1 zwischen den Rotorscheiben 4, 5 angeordnet.

Der Rotor 2 weist eine zur Drehachse senkrecht angeordnete Rotorfläche 6 auf. Der Rotor 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kühlstruktur 7 auf, die dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel 8 (Fig. 3) entlang der Rotorfläche 6 zu führen. Die Kühlstruktur 7 weist einen Einlass 9 und einen Auslass 10 auf. Der Auslass 10 der Kühlstruktur 7 liegt radial weiter außen als der Einlass 9 der Kühlstruktur 7. Die Kühlstruktur 7 verläuft von dem Einlass 9 ausgehend radial nach außen und anschließend zumindest bereichsweise radial nach innen zum Auslass 10.

Alternativ kann auch in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel die Kühlstruktur mehrfach im Rotor vorgesehen und angeordnet sein. Diese können dann beispielsweise gleichartig sein, so dass jede der mehreren Kühl Strukturen die gleiche Form aufweist. Grundlegend sind auch unterschiedliche Formen der mehreren Kühlstrukturen möglich, wenn auch durch die ansonsten rotationssymmetrische Auslegung des Rotors nicht unbedingt empfehlenswert, da dies dann zu unterschiedlichen Kühleffekten kommen kann.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 2 einen Rotordeckel 11 auf. Zum Beispiel weist die erste Rotorscheibe 4 und/oder die zweite Rotorscheibe 5 die Kühlstruktur 7 auf. In anderen hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Rotordeckel 11 die Kühl Struktur 7 aufweisen.

Vorzugsweise weist der Rotordeckel 11 einen Auslassteil 11a auf. Der Auslassteil 11a ist gegebenenfalls trichterförmig und steht insbesondere von der Rotorfläche 6 in axialer Richtung ab.

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise eine schematische Querschnittdarstellung eines weiteren

Ausführungsbeispiels der Axialflussmaschine 1. Zum Beispiel ist in Fig. 2 die erste Rotorscheibe 4 oder die zweite Rotorscheibe 5 gezeigt. Beispielsweise ist die erste Rotorscheibe 4 in axialer Draufsicht auf die Kühlstruktur 7 ohne den Rotordeckel 11 in Fig. 2 dargestellt.

Zum Beispiel weist die Kühlstruktur 7 einen Kühlkanal 7c und eine Durchführung 7d auf. Die Durchführung 7d führt von einem Sammelbecken 15a (Fig. 3) im Inneren einer Rotorwelle 15 (Fig. 3) des Rotors 2 axial vom Stator 3 weg und radial nach außen zum Kühlkanal 7c.

Eine dem Stator 3 zugewandte Seite kann insbesondere als Magnetseite bezeichnet werden. Insbesondere weist die erste Rotorscheibe 4 eine erste Magnetseite auf und die zweite Rotorscheibe 5 weist eine zweite Magnetseite auf. Gegebenenfalls kann die jeweils gegenüberliegende Seite als erste Außenseite der ersten Rotorscheibe 4 und als zweite Außenseite der zweiten Rotorscheibe 5 bezeichnet werden. Insbesondere entspricht die jeweilige Außenseite der jeweiligen Rotorfläche 6. In der beispielhaften Draufsicht von Fig. 2 ist die Durchführung 7d auf die erste Außenseite zumindest teilweise verdeckt. Die Durchführung 7d führt vorzugsweise von dem Sammelbecken 15a aus jeweils von der Magnetseite zur Außenseite der jeweiligen Rotorscheibe 4, 5.

Zum Beispiel verläuft der Kühlkanal 7c von der Durchführung 7d, insbesondere spiralöder schneckenförmig, radial nach außen, insbesondere bis zu einer Wendeschlaufe 7a. Dies kann beispielsweise als mäanderartig bezeichnet werden. Vorzugsweise verläuft die Kühl Struktur 7 von der Wendeschlaufe 7a, insbesondere schneckenförmig, radial nach innen bis zum Auslass 10. Vorzugsweise verläuft die Kühlstruktur 7 möglichst rund. Das bedeutet insbesondere, dass sich ein Radius der schneckenförmig verlaufenden Kühlstruktur 7 gleichmäßig vergrößert. Eine Änderung des Radius der Kühlstruktur 7 kann also mit Ausnahme der Wendeschlaufe 7a beispielsweise konstant sein.

In anderen nicht dargestellten Ausführungsformen weist die Kühlstruktur mehrere Wendeschlaufen 7a auf.

Vorzugsweise weist eine Breite 7b der Kühlstruktur 7 zwischen 1 mm und 4 mm auf, insbesondere zwischen 2 mm und 3 mm, insbesondere 2,5 mm auf. Vorzugsweise weist eine axiale Tiefe der Kühlstruktur 7 zwischen 1 mm und 4 mm auf, insbesondere zwischen 1 ,5 mm und 2,5 mm, insbesondere 2 mm auf. Fig. 3 zeigt ausschnittsweise eine schematische Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Axialflussmaschine 1. Die Axialflussmaschine 1 weist beispielsweise ein Gehäuse 12 auf. Zum Beispiel umschließt das Gehäuse 12 einen Innenraum 1a der Axialflussmaschine. Gegebenenfalls sind der Stator 3 und die Rotorscheiben 4, 5 jeweils zumindest teilweise, insbesondere vollständig in dem Innenraum 1a angeordnet. Der Stator 3 ist vorzugsweise gehäusefest montiert, das heißt drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden. Insbesondere sind die Rotorscheiben 4, 5 um die Drehachse A relativ zu dem Gehäuse 12 und relativ zu dem Stator 3 drehbar. An den Rotorscheiben 4, 5 sind beispielsweise Magneten 13, 14 gehalten, insbesondere derart, dass die Rotorscheiben 4, 5 die Magneten 13, 14 jeweils zumindest teilweise aufnehmen. Insbesondere sind die Magneten 13 und 14 als Permanentmagneten ausgebildet. Zum Beispiel weist der Rotor 2 die Rotorwelle 15 auf. Die Rotorwelle 15 verläuft insbesondere parallel zu Drehachse A.

Vorzugsweise weist das Gehäuse 12 eine in Fig. 3 nicht vollständig gezeigte Hohlstruktur 12a auf. Die Hohlstruktur 12a weist insbesondere eine Öffnung 12 b in den Innenraum 1a der Axialflussmaschine 1 auf. Zum Beispiel ist die Öffnung 12b an einem Seitenteil 12c des Gehäuses 12 angeordnet. Das Seitenteil 12c ist vorzugsweise senkrecht zur Drehachse A angeordnet und weist insbesondere eine der Rotorscheibe 4, 5 zugewandte Gehäusefläche auf. Es ist möglich, dass die Hohlstruktur mehrere Öffnungen 12b aufweist. Beispielsweise verläuft die Hohlstruktur 12a rohrartig oder schachtartig radial nach außen, insbesondere in dem Seitenteil 12c. Zum Beispiel weist das Gehäuse 12 einen Mantelteil 12d auf. Vorzugsweise verläuft die Hohlstruktur 12a, insbesondere zusätzlich, in dem Mantelteil 12d. Insbesondere verläuft die Hohlstruktur 12a in einem Bereich des Mantelteils 12d der sich bei bestimmungsgemäßem Verbau der Axialflussmaschine 1 unten befindet.

Optional weist das Gehäuse 12 einen Fangteil 12e auf. Der Fangteil 12e ist gegebenenfalls trichterförmig und steht insbesondere von dem Seitenteil 12c in axialer Richtung ab. Beispielsweise überlappen der Fangteil 12e und der Auslassteil 11a radial. Insbesondere ist der Auslassteil 11a zumindest teilweise radial weiter innen angeordnet als der Fangteil 12e.

Ein Kreislauf des Kühlmittels 8 kann beispielsweise wie folgt ausgebildet sein. Das Kühlmittel 8 kann beispielsweise durch die Durchführung 7d von der Rotorwelle 15 in den Kühlkanal 7c gelangen. In dem Kühlkanal 7c wird das Kühlmittel vorzugsweise erst radial nach außen geführt, insbesondere bis zu der Wendeschlaufe 7a, und dann radial wieder nach innen geführt zum Auslass 10. Vom Auslass 10 gelangt das Kühlmittel 8 insbesondere über das Auslassteil 11a in den Fangteil 12e. Der Fangteil 12e führt das Kühlmittel optional durch die Öffnung 12b in die Hohlstruktur 12a durch das Seitenteil 12c und gegebenenfalls in das Mantelteil 12d.

Vorzugsweise pumpt eine in Fig. 3 nicht dargestellte Pumpe das Kühlmittel 8 aus der Hohlstruktur 12a, insbesondere vom Mantelteil 12d, in die Rotorwelle 15. Gegebenenfalls weist die Axialflussmaschine 1 ein Spritzröhrchen 16 auf. Optional wird das Kühlmittel 8 über das Spritzröhrchen 16 in die Rotorwelle 15 gesprüht. Vorzugsweise weist die Rotorwelle 15 ein trichterförmiges Sammelteil 15a auf. Das Sammelteil 15a steht insbesondere radial nach innen von der Rotorwelle 15 ab und leitet das Kühlmittel 8 axial in Richtung des Einlasses 9.

In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Axialflussmaschine 1 ein Planetengetriebe 17 auf. Beispielsweise wird das Kühlmittel 8 von der Hohlstruktur 12a durch eine Drehdurchführung 19 in eine Abtriebswelle 17a des Planetengetriebes 17 geführt. Beispielsweise wird das Kühlmittel 8 dann von der Abtriebswelle 17a über das Spritzröhrchen 16 in die Rotorwelle 15 gespritzt.

Optional ist die Rotorwelle 15 als Differentialwelle ausgebildet und das Kühlmittel 8 tritt durch die Differentialwelle in den Einlass 9. In anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen weist die Axialflussmaschine 1, insbesondere anstatt des Planetengetriebes 17, eine Stirnradpaarung auf.

Bezugszeichenliste

1 Axialflussmaschine

1a Innenraum

2 Rotor

3 Stator

4 Erste Rotorscheibe

5 Zweite Rotorscheibe

6 Rotorfläche

7 Kühl Struktur

7a Wendeschlaufe

7b Breite

7c Kühlkanal

7d Durchführung

8 Kühlmittel

9 Einlass

10 Auslass

11 Rotordeckel

11a Auslassteil

12 Gehäuse

12a Hohlstruktur

12b Öffnung

12c Seitenteil

12d Mantelteil

12e Fangteil

13 Magnet

14 Magnet

15 Rotorwelle

15a Sammelteil

16 Spritzröhrchen

17 Planetengetriebe

Claims

Patentansprüche

1. Axialflussmaschine (1), aufweisend einen Stator (3) und einen um eine Drehachse (A) relativ zu dem Stator (3) drehbaren Rotor (2) mit einer Rotorscheibe (4, 5) und einer zur Drehachse (A) senkrecht angeordneten Rotorfläche (6) der Rotorscheibe (4, 5), wobei der Rotor (2) mindestens eine Kühlstruktur (7) aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel (8) entlang der Rotorfläche (6) zu führen; ein Auslass (10) der mindestens einen Kühlstruktur (7) radial weiter außen liegt als ein Einlass (9) der mindestens einen Kühlstruktur (7); und eine radiale Koordinate eines Verlaufs der mindestens einen Kühlstruktur (7) von dem Einlass (9) ausgehend zunimmt und anschließend zumindest bereichsweise zum Auslass (10) hin wieder abnimmt dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühlstruktur (7) als zwei ineinanderliegende Spiralen ausgebildet ist, deren radial außenliegende Enden miteinander verbunden sind und deren radial innen liegende Enden den Einlass und den Auslass darstellen.

2. Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühlstruktur (7) innerhalb der Rotorscheibe (4, 5) des Rotors (2) verläuft.

3. Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflussmaschine (1) ein Gehäuse (12) mit einer Hohlstruktur (12a) aufweist, und die Axialflussmaschine (1) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmittel (8) vom Auslass (10) der mindestens einen Kühlstruktur (7) berührungslos in die Hohlstruktur (12a) fließt.

4. Axialflussmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflussmaschine (1) einen zur Rotorscheibe (4, 5) separaten Rotordeckel (11) aufweist, der die mindestens eine Kühlstruktur (7) axial auf einer dem Stator (3) abgewandten Seite abschließt.

5. Axialflussmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflussmaschine (1) einen zur Rotorscheibe (4, 5) separaten Rotordeckel (11) aufweist, wobei die mindestens eine Kühlstruktur (7) innerhalb des Rotordeckels (11) verläuft.

6. Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotordeckel (11) einen Auslassteil (11a) aufweist, wobei der Auslassteil (11a): in axialer Richtung von der Rotorfläche (6) erhaben ist, wobei ein axialer Abstand von der Rotorfläche (6) mit abnehmenden Radius in Bezug auf die Drehachse (A) zunimmt, zur Drehachse (A) hin geöffnet ist und eine entsprechende Öffnung (12b) aufweist, ein der Drehachse (A) in radialer Richtung am nächsten angeordneter Teil des Rotordeckels (11) ist, und von der Drehachse (A) in radialer Richtung weiter entfernt ist als der Einlass (9) der mindestens einen Kühlstruktur (7).

7. Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 3 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) einen Fangteil (12e) aufweist, wobei der Fangteil (12e): in axialer Richtung von einer der Rotorfläche (6) zugewandten Gehäusefläche des Gehäuses (12) erhaben ist, wobei ein axialer Abstand von der Gehäusefläche mit abnehmenden Radius in Bezug auf die Drehachse (A) zunimmt, zur Drehachse (A) hin geöffnet ist, und in radialer Richtung zumindest bereichsweise mit der Öffnung (12b) des Rotordeckels (11) überlappt.

8. Axialflussmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (15) einen Hohlraum aufweist, der zum Einspeisen des Kühlmittels

(8) in die mindestens eine Kühlstruktur (7) über den Einlass (9) mit der mindestens einen Kühlstruktur (7) fluidisch verbunden ist, und die Axialflussmaschine (1) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmittel (8) im Betrieb berührungslos, insbesondere von der Hohlstruktur (12a), in den Hohlraum der Rotorwelle (15) gespritzt wird.

9. Fahrzeug mit einer Axialflussmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Axialflussmaschine (1) dazu ausgebildet ist, als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs das Fahrzeug anzutreiben.