EP4721237A1

EP4721237A1 - Rotor, axialflussmaschine und antriebsstrang

Info

Publication number: EP4721237A1
Application number: EP24728484.7A
Authority: EP
Inventors: Henrik MENGELKAMP; Richard Bernauer; Aurelie Keller; Holger Witt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-06-01
Filing date: 2024-05-16
Publication date: 2026-04-08
Also published as: WO2024245498A1; DE102023114387A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (6) für eine als Axialflussmaschine (70) konfigurierte elektrische Maschine (4), wobei der scheibenförmige Rotor (6) eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung über den Rotor (6) verteilt angeordnete Magneteinheiten (25) aufweist, wobei jeweils ein wenigstens einen Scheitelpunkt (71) aufweisender Magnetflusspfad (72) durch jeweils eine der Magneteinheiten (25) verläuft, so dass ein erster magnetischer Pol (73) und ein zweiter magnetischer Pol (74) umfänglich nebeneinander an der jeweiligen Magneteinheit (25) ausgebildet wird.

Description

Rotor, Axialflussmaschine und Antriebsstranq

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine als Axialflussmaschine konfigurierte elektrische Maschine, wobei der scheibenförmige Rotor eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung über den Rotor verteilt angeordnete Magneteinheiten aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Axialflussmaschine und einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.

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.

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, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.

Zunehmend werden in derartigen E-Achsen auch Axialflussmaschinen eingesetzt. 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 Elektrofahrzeuge der Fall. Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweisen 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 und das Gewicht der Maschine auswirkt.

Durch seine scheibenförmigen Hauptbaugruppen eignet sich eine Axialflussmaschine besonders gut für Anwendungen, bei denen es auf eine sehr kurze Baulänge des Elektromotors ankommt und bei denen ein relativ großer Motordurchmesser noch akzeptabel ist. Bei der Entwicklung von entsprechenden Axialflussmaschinen ist es daher regemäßig sinnvoll, eine möglichst kurze Bauweise anzustreben, wobei der Außendurchmesser der Axialflussmaschine jedoch nicht größer werden sollte als unbedingt nötig. Bei Axialflussmaschinen für Kraftfahrzeuge bestehen zusätzlich auch immer die Anforderungen nach geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte und geringen Kosten.

Eine besondere Herausforderung bei der Herstellung und dem Betrieb eines Rotors stellt die Gestaltung und die Anordnung der Magnetelemente in einem Rotor dar.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Rotor sowie eine verbesserte Axialflussmaschine zu realisieren. Auch ist es die Aufgabe der Erfindung einen optimierten Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor für eine als Axialflussmaschine konfigurierte elektrische Maschine, wobei der scheibenförmige Rotor eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung über den Rotor verteilt angeordnete Magneteinheiten aufweist, wobei jeweils ein wenigstens einen Scheitelpunkt aufweisender Magnetflusspfad durch jeweils eine der Magneteinheiten verläuft, so dass ein erster magnetischer Pol und ein zweiter magnetischer Pol umfänglich nebeneinander an der jeweiligen Magneteinheit ausgebildet wird.

Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass sich durch die Hallbachanordnung der Magnetelemente der benötigte Rückschluss hinter den Magnetelementen verkleinern lässt oder dieser sogar vollständig entfallen kann. Hierbei übernehmen dann die Magnetelemente, zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, die Umlenkung des magnetischen Flusses in dem Rotor. Dadurch kann die axiale Länge des Rotors deutlich reduziert werden, während gleichzeitig das erzeugbare Maximalmoment erhöht werden kann. Somit eine axial besonders kompakt bauende Axialflussmaschine mit einer hohen Leistungsdichte, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt werden. Die Hallbach- Anordnung der Magnetelement kann sich auch vorteilhaft auf die Effizienz der Axialflussmaschine auswirken.

Ein Magnetflusspfad im Sinne dieser Anmeldung ist eine magnetische Flusslinie des Magnetfelds durch den Rotor, inklusive des Magneten und des den Magneten umgebenden Materials.

Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen. 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.

Insbesondere ist die elektrische 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 der Elektromotor 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 elektrische Maschine 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.

Die Leistungselektronik zur Bestromung der elektrischen Maschine kann bevorzugt in einem Invertergehäuse aufgenommen sein. Das Invertergehäuse kann bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Grauguss oder Stahlguss, insbesondere mittels einem Urformverfahren wie Gießen oder Druckguss geformt sein. Besonders bevorzugt besitzt das Invertergehäuse eine topfartige Raumform. In diesem Zusammenhang ist es besonders zu bevorzugen, dass der Gehäusedeckel in das topfartige Invertergehäuse einsetzbar ist. Alternativ wäre es auch denkbar, dass der Gehäusedeckel auf dem topfartigen Invertergehäuse aufliegt und dessen Öffnung überdeckt.

Das Invertergehäuse kann auch Bestandteil des Motorgehäuses sein oder umgekehrt. Dies bedeutet, dass das Invertergehäuse ganz oder teilweise einstückig, insbesondere monolithisch, mit dem Motorgehäuse ausgebildet ist.

Die in dem Invertergehäuse aufgenommene Leistungselektronik kann insbesondere für eine elektrische Maschine vorgesehen sein. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B.

Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf.

Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 1000 W, bevorzugt mindestens 10000 W besonders bevorzugt mindestens 100000 W zu steuern oder regeln.

Bevorzugt weist die Leistungselektronik zusätzlich Steuerelektronik und/oder Sensorelektronik für die elektrische Maschine auf, z.B. einen ACU. Das Leistungselektronikmodul weist bevorzugt wenigstens einen Motorstromanschluss und/oder einen elektrischen Signalanschluss auf.

Der Rotor und/oder Stator können vorteilhafter Weise durch ein Kühlfluid gekühlt werden. Das Kühlfluid hat in dem Rotor und/oder Stator die Funktion, Wärme möglichst effizient aus sich erwärmenden Bereichen des Stators und/oder Rotors abzuführen und ein unerwünschtes Überhitzen dieser Bereiche zu vermeiden.

Neben dieser Hauptaufgabe kann das Kühlfluid insbesondere auch die Schmierung und den Korrosionsschutz für bewegliche Teile und die Metalloberflächen des Kühlsystems der elektrischen Maschine bereitstellen. Außerdem kann es insbesondere auch Verunreinigungen (beispielsweise durch Abrieb), Wasser und Luft abführen. Das Kühlfluid ist bevorzugt eine Flüssigkeit. Das Kühlfluid kann insbesondere ein Öl sein. Grundsätzlich ist es allerdings auch denkbar, wässrige Kühlfluide, beispielsweise auch Emulsionen wie Wasser-Glykol-Mischungen, zu verwenden.

Das Kühlfluid des Stators und/oder des Rotors kann an ein hydraulisches Kühlsystem mit einem hydraulischen Kühlkreislauf verbunden sein. Ein derartiges hydraulisches Kühlsystem dient der Abfuhr der innerhalb einer elektrischen Maschine durch elektrische Verluste erzeugten Wärme. Ein derartiges Kühlsystem kann Kühlkanäle innerhalb von Rotor (Rotorkühlkanal) und/oder Stator (Statorkühlkanal) und insbesondere auch eine Durchströmung der Statornuten aufweisen, durch die ein entsprechendes Kühlfluid zwecks Abtransports der Wärme geführt ist.

Das Kühlfluid kann insbesondere bevorzugt mittels einer Pumpe durch den hydraulischen Kreislauf gefördert werden. Es ist grundsätzlich denkbar, dass eine Mehrzahl von hydraulischen Kreisläufen zur Kühlung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Hierbei ist es dann höchst bevorzugt, dass die Kühlkanäle des Stators an einem hydraulischen Kühlkreislauf oder an verschiedenen Kühlkreisläufen des Kühlsystems angeschlossen sind. Insbesondere durch den Anschluss an mehrere Kühlkreisläufe ist es möglich, eine genauere Kühlung bereitstellen zu können, da beispielsweise die Temperatur des Kühlfluids bei Eintritt in die Kühlkanäle des Stators, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids oder auch die Art des Kühlfluids (Öl, Emulsion) einstellbar ist.

Die elektrische Maschine ist erfindungsgemäß als Axialflussmaschine konfiguriert. Es kann, je nach Anwendungsgebiet, vorteilhaft sein, eine Axialflussmaschine in I- Anordnung oder H-Anordnung auszubilden. Bei einer I-Anordnung ist der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet. Bei einer H- Anordnung sind zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet.

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, mehrere Rotor-Stator- Konfigurationen des I-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.

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 verpressten weichmagnetischen Material, wie dem sogenannten SMC- Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.

Der Stator ist vorteilhafterweise in einem Gehäuse aufgenommen. Das Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse aus einem Kunststoff gefertigt. Das Gehäuse kann allseitig geschlossen ausgeführt sein. Auch ist es möglich, Öffnungen in dem Gehäuse vorzusehen, beispielsweise zur Gewichtsreduktion oder für einen Zugang zu einem Bauteil.

Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist.

Die elektrische Axialflussmaschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Axialflussmaschine.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Magneteinheiten geometrisch im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Dies kann fertigungstechnische sowie Kostenvorteile realisieren, was in dem größeren Grad an Gleichteiligkeit eines entsprechenden Rotors begründet ist.

Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Magneteinheiten äquidistant über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sind. Es kann hierdurch erreicht werden, dass der Rotor gute Rundlauf- und Wuchteigenschaften aufweist.

Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die die Magneteinheiten in dem Rotor fixierende Struktur aus Kunststoff geformt ist, wodurch der Rotor besonders leichtbauend und kostengünstig herstellbar ist. Ferner ist es in diesem Zusammenhang bevorzugt, dass die Magneteinheiten in Umfangsrichtung voneinander beabstandet in dem Rotor angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine genau einen Stator und einen Rotor aufweist. Hierdurch lässt sich eine ganz besonders kompakt bauende Axialflussmaschine ausgebildet werden.

Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Magneteinheiten axial beidseits von je einer ringscheibenartigen Abdeckscheibe zumindest abschnittsweise überdeckt sind, was dazu beitragen kann, die Magneteinheiten axial in dem Rotor zu fixieren. Die Magneteinheiten liegen hierzu jeweils auf den Innenseiten der Abdeckscheiben an.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Abdeckscheiben aus einem Kunststoff oder einem Aluminium gefertigt sind, was sowohl gewichtstechnisch als auch kostenseitig vorteilhaft ist.

Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Rotor mittels sich in Axialrichtung erstreckender Nietverbindungen an einem Flansch einer Rotornabe drehmomentübertragend fixiert ist, was ebenfalls zu einer axial besonders kompakt bauenden Hybridmodul beitragen kann, da der axiale Bauraumbedarf einer Nietverbindung, beispielsweise verglichen mit einer Schraubverbindung, vergleichsweise gering ist.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Nietverbindungen die beiden Abdeckscheiben durchgreifen. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich die durch die Nietverbindung aufgebrachten Axialkräfte gut und großflächig über die Abdeckscheiben abgeleitet werden können.

Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Rotor kein magnetisches Rückschlusselement, insbesondere kein Eisenjoch, aufweist, wodurch der Rotor besonders leichtbauend und axial kompakt ausgebildet werden kann und ferner keine Ummagnetisierungsverluste aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Magneteinheiten, bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten, höchst bevorzugt alle Magneteinheiten, jeweils wenigstens einen isotropen Magneten umfasst/umfassen. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass diese besonders kostengünstig gefertigt werden kann.

Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Magneteinheiten, bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten, höchst bevorzugt alle Magneteinheiten, jeweils wenigstens einen anisotropen Magneten umfasst/umfassen. Ein wesentlicher Vorteil von anisotropen Magneten ist es, dass mit ihnen besonders hohe magnetische Feldstärken und Flussdichten realisierbar sind. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Magneteinheiten, bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten, höchst bevorzugt alle Magneteinheiten, jeweils ein erstes Magnetelement mit einem ersten Magnetflusspfad und wenigstens ein in Umfangsrichtung zum ersten Magnetelement benachbart angeordnetes zweites Magnetelement mit einem zweiten Magnetflusspfad aufweist/aufweisen, wobei der erste Magnetflusspfad von dem zweiten Magnetflusspfad verschieden ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass die entsprechenden Magnetelemente separat voneinander magnetisierbar sind, was fertigungstechnische und auch montagetechnische Vorteile mit sich bringen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich mittels separat ausgeführter Magnetelemente stärkere Magnete bereitstellen lassen.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Magneteinheiten, bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten, höchst bevorzugt alle Magneteinheiten, jeweils ein drittes Magnetelement mit einem dritten Magnetflusspfad aufweist/aufweisen, wobei der dritte Magnetflusspfad von dem ersten Magnetflusspfad und dem zweiten Magnetflusspfad verschieden ist. Hierdurch lässt sich die Magnetflussführung durch die Magneteinheiten weiter optimieren bzw. genauer steuern.

Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass wenigstens zwei der Magnetelemente, bevorzugt alle Magnetelemente einer der Magneteinheiten in umfänglicher Richtung aneinander anliegen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass ein Höchstmaß an magnetischem Material in dem Rotor angeordnet werden kann.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei umfänglich benachbarte Magnetelemente einer der Magneteinheiten in radialer Richtung durch ein Tragelement voneinander beabstandet sind. Hierdurch kann eine höhere Drehzahlfestigkeit des Rotors erreicht werden. Ein Tragelement kann insbesondere aus einem Kunststoff oder aus Aluminium geformt sein. Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Magnetflusspfade der Magneteinheiten in dem Rotor durch kein weichmagnetisches Material verlaufen. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass ein gewichtsoptimierter Rotor ohne Eisenwerkstoffe realisiert werden kann. Ferner weist ein derartiger Rotor auch praktisch keine weichmagnetische Verluste auf.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine Axialflussmaschine umfassend einen scheibenförmigen Rotor nach einem der Ansprüche 1-8 und genau einem Stator. Hierdurch kann eine axial besonders kompakt bauende elektrische Maschine realisiert werden.

Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch einen elektrischen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfassend eine Axialflussmaschine nach Anspruch 9.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.

Es zeigt:

Figur 1 jeweils eine Axialflussmaschine in I- und H-Konfiguration ein einer schematischen Axialschnittdarstellung,

Figur 2 eine erste Ausführungsform eines Rotors in einer teilweise freigestellten, perspektivischen Detaildarstellung,

Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines Rotors in einer teilweise freigestellten, perspektivischen Detaildarstellung,

Figur 4 einen Rotor in einer Axialschnittdarstellung,

Figur 5 eine schematische Schnittansicht der ersten Ausführungsform des Rotors, Figur 6 eine schematische Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Rotors,

Figur 7 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des Rotors,

Figur 8 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform des Rotors,

Figur 9 eine schematische Schnittansicht einer fünften Ausführungsform des Rotors,

Figur 10 eine schematische Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform des Rotors,

Figur 11 ein Kraftfahrzeug mit einem hybriden Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung,

Figur 12 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.

Die Figur 1 zeigt einen Rotor 6 für eine als Axialflussmaschine 70 konfigurierte elektrische Maschine 4, wobei die Abbildung a eine Axialflussmaschine 70 in I- Konfiguration und die Abbildung b eine Axialflussmaschine 70 in H-Konfiguration wiedergibt. Auch wenn es in der Figur 1 nicht explizit gezeigt ist, so kann die Axialflussmaschine 70 insbesondere genau einen scheibenförmigen Rotor 6 und genau einen Stator 5 umfassen, und nicht wie in der Abbildung a der Figur 1 gezeigt, zwei Statoren 5.

Wie anhand der Figuren 2-3 erkennbar, weist der der scheibenförmige Rotor 6 eine

Mehrzahl von in Umfangsrichtung über den Rotor 6 verteilt angeordnete Magneteinheiten 25 aufweist, wobei jeweils ein wenigstens einen Scheitelpunkt 71 aufweisender Magnetflusspfad 72 durch jeweils eine der Magneteinheiten 25 verläuft, so dass in Umfangsrichtung ein erster magnetischer Pol 73 und ein zweiter magnetischer Pol 74 an der jeweiligen Magneteinheit 25 ausgebildet wird.

Wenigstens eine der Magneteinheiten 25, bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten 25, höchst bevorzugt alle Magneteinheiten 25, können jeweils wenigstens einen isotropen Magneten umfassen. Ebenso ist es möglich, dass wenigstens eine der Magneteinheiten 25, bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten 25, höchst bevorzugt alle Magneteinheiten 25, jeweils wenigstens einen anisotropen Magneten umfassen.

Die Figur 3 zeigt für eine als Axialflussmaschine 70 konfigurierte elektrische Maschine 4 einen scheibenförmigen Rotor 6, welcher eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung über den Rotor 6 verteilt angeordneter Magneteinheiten 25 aufweist. Ein solcher Rotor 6 ist beispielsweise in der Ausführungsform, wie sie in der Figur 1 zu sehen ist, verbaut.

Jede der Magneteinheiten 25 der Figur 3 verfügt über ein erstes Magnetelement 26, ein zweites Magnetelement 27 und ein drittes Magnetelement 28, wobei das erste Magnetelement 26 und das zweite Magnetelement 27 eine erste sich in radialer Richtung erstreckende Kontaktfläche 29 und das zweite Magnetelement 27 und das dritte Magnetelement 28 eine zweite sich in radialer Richtung erstrechende Kontaktfläche 30 besitzen. Die Ausführungsform der Figur 2 besitzt nur zwei Magnetelemente 26,27.

Die Magnetelemente 26,27,28 in den Figuren 2-3 sind nun so magnetisiert, dass sie eine Hallbach-Anordnung ausbilden. Der dadurch erzeugte magnetische Fluss durch die Magneteinheiten 25 ist in der Figur 2 und der Figur 3 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet.

Die Magneteinheiten 25 sind geometrisch im Wesentlichen tortenstückartig und identisch ausgebildet sowie äquidistant über den Umfang des Rotors 6 verteilt angeordnet. Bevorzugt werden die Magneteinheiten 25 in dem Rotor 6 durch eine fixierende Struktur aus Kunststoff umgeben. Durch die Hallbach-Anordnung der Magnetelement 26,27,28 ist es möglich, dass die elektrische Maschine 4 genau einen Stator 5 und einen Rotor 6 aufweist und hierdurch axial besonders kompakt bauend bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte ausgeführt werden kann. Dies wird auch dadurch unterstützt, dass der Rotor 6 kein magnetisches Rückschlusselement, insbesondere kein Eisenjoch, aufweist.

Um die die Magneteinheiten 25 vor mechanischen Einflüssen zu schützen und axial in dem Rotorfestzulegen, sind diese axial beidseits von je einer ringscheibenartigen Abdeckscheibe 31 zumindest abschnittsweise überdeckt, was sich gut anhand der Figur 4 nachvollziehen lässt. Die Abdeckscheiben 31 können auch in Umfangsrichtung segmentartig ausgebildet sein. Die Abdeckscheiben 31 sind aus einem Kunststoff oder einem Aluminium gefertigt.

Anhand der Figuren 4 ist auch gut zu erkennen, dass der Rotor 6 mittels sich in Axialrichtung erstreckender Nietverbindungen 32 an einem Flansch 33 der Rotornabe 34 drehmomentübertragend fixiert ist. Dabei durchgreifen die Nietverbindungen 32 jeweils die beiden Abdeckscheiben 31 des Rotors 6. Radial sind die Magneteinheiten 25 in dem Rotor 6 durch das ringförmige Bandageelement 35 gesichert. Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer Rotornabe 34 mit einem Flansch 33, bei der der Rotor 6 in radialer Richtung auch durch die Nietverbindungen 32 getragen wird.

Wie in der Figur 5 dargestellt, können die Magneteinheiten 25, jeweils ein erstes Magnetelement 26 mit einem ersten Magnetflusspfad 77 und wenigstens ein in Umfangsrichtung zum ersten Magnetelement 26 benachbart angeordnetes zweites Magnetelement 27 mit einem zweiten Magnetflusspfad 78 aufweisen, wobei der erste Magnetflusspfad 77 von dem zweiten Magnetflusspfad 78 verschieden ist, so dass sich hierdurch unterschiedliche magnetische Pole ausbilden lassen. Diese Pole sind in der Figur 5 mit N für Nordpol und S für Südpol angedeutet. Zwischen dem Stator 5 und dem Rotor 6 ist der Luftspalt 50 ausgebildet. Hierdurch ergibt sich ein einen Scheitelpunkt 71 aufweisender Magnetflusspfad 72, der durch jeweils eine der Magneteinheiten 25 verläuft, so dass in Umfangsrichtung ein erster magnetischer Pol 73 und ein zweiter magnetischer Pol 74 an der jeweiligen Magneteinheit 25 ausgebildet wird.

Die Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotors 6, bei dem die Magneteinheiten 25, jeweils ein drittes Magnetelement 28 mit einem dritten Magnetflusspfad 79 aufweisen, wobei der dritte Magnetflusspfad 79 von dem ersten Magnetflusspfad 77 und dem zweiten Magnetflusspfad 78 verschieden ist. Die Magnetelemente 26,27,28 einer der Magneteinheiten 25 liegen hierbei in umfänglicher Richtung aneinander an. Hierdurch ergeben sich ein erster Scheitelpunkt 71 a und einen zweiten Scheitelpunkt 71 b aufweisender Magnetflusspfad 72, der bogenartig durch jeweils eine der Magneteinheiten 25 verläuft, so dass in Umfangsrichtung ein erster magnetischer Pol 73 und ein zweiter magnetischer Pol 74 an der jeweiligen Magneteinheit 25 ausgebildet wird.

Was der Figur 7 entnommen werden kann ist, dass wenigstens zwei umfänglich benachbarte Magnetelemente 26,27 einer der Magneteinheiten 25 in umfänglicher Richtung durch ein Tragelement 80 voneinander beabstandet sind. Die Tragelemente 80 sind hierbei speichenartig ausgebildet und angeordnet und liegen an den umfänglich benachbarten Magnetelementen 26,27 an, so dass die vergleichsweise spröden Magnetelemente 26,27 im Betrieb des Rotors 6 nicht aneinander reiben.

Die Ausführungsform der Figur 8 ist aus zwei isotropen Magnetelementen 26,27 gebildet, in denen bereits ein Magnetflusspfad 72 mit jeweils einem Scheitelpunkt 71 definiert ist.

Die Figur 9 zeigt eine Ausführungsvariante des Rotors 6, bei der eine Magneteinheit 25 aus einem isotropen Magnetelement 26 und vier anisotropen Magnetelementen 28,81 ,82,83 besteht, wobei das isotropische Magnetelement 26 den Nordpol und die vier anisotropen Magnetelemente 28,81 ,82,83 den magnetischen Südpol definieren.

Figur 10 zeigt eine Abwandlung des aus der Figur 8 bekannten Rotors 6, bei dem zur Ausbildung der magnetischen Pole 73,74 anstelle von zwei isotropen Magnetelementen 26,27, insgesamt acht anisotrope Magnetelemente 26,27,28,81 ,82,83,84,85 verwendet werden.

Die Magnetflusspfade 72 der Magneteinheiten 25 in dem Rotor 6, so wie sie in den Ausführungsbeispielen gezeigt werden, verlaufen hierbei durch kein weichmagnetisches Material.

Die Axialflussmaschine 70 kann beispielsweise in einem Hybridmodul 1 eines Kraftfahrzeugs 3 verbaut sein, so wie es in der Figur 11 gezeigt ist. Hierbei ist das Hybridmodul 1 zwischen der Verbrennungskraftmaschine 11 und einem Getriebe 24 in dem Antriebsstrang 2 positioniert. Auch ist es möglich, die Axialflussmaschine 70 in einem rein elektrischen Antriebsstrang 2 eines Kraftfahrzeugs 3 zu integrieren, so wie es in der Figur 12 skizziert ist.

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.

Bezuqszeichenliste

1 Hybridmodul

2 Antriebsstrang

3 Kraftfahrzeug

4 elektrische Maschine

5 Stator

6 Rotor

11 Verbrennungskraftmaschine

24 Getriebe

25 Magneteinheiten

26 Magnetelement

27 Magnetelement

28 Magnetelement

29 Kontaktfläche

30 Kontaktfläche

31 Abdeckscheibe

32 Nietverbindung

33 Flansch

34 Rotornabe

35 Bandageelement

50 Luftspalt

70 Axialflussmaschine

71 Scheitelpunkt

72 Magnetflusspfad

73 Pol

74 Pol

77 Magnetflusspfad

78 Magnetflusspfad 79 Magnetflusspfad

80 Tragelement

81 Magnetelement

82 Magnetelement 83 Magnetelement

84 Magnetelement

85 Magnetelement

Claims

Ansprüche

1 . Rotor (6) für eine als Axialflussmaschine (70) konfigurierte elektrische Maschine (4), wobei der scheibenförmige Rotor (6) eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung über den Rotor (6) verteilt angeordnete Magneteinheiten (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein wenigstens einen Scheitelpunkt (71 ) aufweisender Magnetflusspfad (72) durch jeweils eine der Magneteinheiten (25) verläuft, so dass ein erster magnetischer Pol (73) und ein zweiter magnetischer Pol (74) umfänglich nebeneinander an der jeweiligen Magneteinheit (25) ausgebildet wird.

2. Rotor (6) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Magneteinheiten (25), bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten (25), höchst bevorzugt alle Magneteinheiten (25), jeweils wenigstens einen isotropen Magneten umfasst/umfassen.

3. Rotor (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Magneteinheiten (25), bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten (25), höchst bevorzugt alle Magneteinheiten (25), jeweils wenigstens einen anisotropen Magneten umfasst/umfassen.

4. Rotor (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Magneteinheiten (25), bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten (25), höchst bevorzugt alle Magneteinheiten (25), jeweils ein erstes Magnetelement (26) mit einem ersten Magnetflusspfad (77) und wenigstens ein in Umfangsrichtung zum ersten Magnetelement (26) benachbart angeordnetes zweites Magnetelement (27) mit einem zweiten Magnetflusspfad (78) aufweist/aufweisen, wobei der erste Magnetflusspfad (77) von dem zweiten Magnetflusspfad (78) verschieden ist.

5. Rotor (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Magneteinheiten (25), bevorzugt eine Mehrzahl der Magneteinheiten (25), höchst bevorzugt alle Magneteinheiten (25), jeweils ein drittes Magnetelement (28) mit einem dritten Magnetflusspfad (79) aufweist/aufweisen, wobei der dritte Magnetflusspfad (79) von dem ersten Magnetflusspfad (77) und dem zweiten Magnetflusspfad (78) verschieden ist.

6. Rotor (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Magnetelemente (26,27,28), bevorzugt alle Magnetelemente (26,27,28) einer der Magneteinheiten (25) in umfänglicher Richtung aneinander anliegen.

7. Rotor (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnetelemente (26,27,28) einer der Magneteinheiten (25) in umfänglicher Richtung durch ein Tragelement (80) voneinander beabstandet sind.

8. Rotor (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflusspfade (72) der Magneteinheiten (25) in dem Rotor (6) durch kein weichmagnetisches Material verlaufen.

9. Axialflussmaschine (70) umfassend einen scheibenförmigen Rotor (6) nach einem der vorherigen Ansprüche und genau einem Stator (5).

10. Elektrischer Antriebsstrang (2) eines Kraftfahrzeugs (3) umfassend eine

Axialflussmaschine (70) nach Anspruch 9.