Axialflussmaschine mit Statorkühlung und Kraftfahrzeug mit Axialflussmaschine

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, wobei die Axialflussmaschine eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, die ringförmig angeordnet sind, wobei zwischen den Statorzähnen ein Kühlkanal mäanderförmig verläuft, so dass an jeden zweiten Statorzahn der Kühlkanal auf einer Innenseite vorbeigeführt ist, und bei dem dazwischenliegenden Statorzahn der Kühlkanal auf der Außenseite entlanggeführt ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine.

Axialflussmaschinen sind grundsätzlich bekannt. Ebenso ist bekannt, dass der Stator der Axialflussmaschine gekühlt werden sollte, um die Leistungsfähigkeit der Axialflussmaschine zu erhöhen. Zum Kühlen des Stators sind unterschiedliche Varianten bekannt. Zum einen ist bekannt, dass ein äußerer und ein innerer Kühlkanal vorgesehen ist, wobei zwischen dem äußeren Kühlkanal und dem inneren Kühlkanal die Statorzähne angeordnet sind. Das Kühlmedium kann über einen in radialer Richtung verlaufenden Spalt zwischen den Statorzähnen vom äußeren Kühlkanal in den inneren Kühlkanal fließen. Auf diese Weise wird das Kühlmedium direkt an den Statorzähnen vorbeigeführt. Nachteilig bei dieser Kühlung ist, dass hier vorzugsweise lediglich Öl als Kühlmittel verwendet werden kann, da beispielsweise bei einem wasserbasierten Kühlmedium Korrosionsschäden entstehen können.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Axialflussmaschine mit einer Statorkühlung bereitzustellen, die eine erhöhte Kühlwirkung aufweist und für unterschiedliche Kühlmedien ausgelegt ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 . Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei kann jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.

Gemäß einem ersten Aspekt ist erfindungsgemäß eine Axialflussmaschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen, aufweisend einen kreisringförmig ausgebildeten Zahnhalter, eine Mehrzahl von in und/oder auf dem Zahnhalter angeordneten Statorzähnen, wobei die Statorzähne in Umfangsrichtung des Zahnhalters nebeneinander und zueinander beabstandet angeordnet sind, einen Kühlkanal, der schleifenartig zwischen den Statorzähnen angeordnet ist, so dass der Kühlkanal bei jedem zweiten Statorzahn auf einer in radialer Richtung nach innen gerichteten Innenseite entlanggeführt ist, und bei einem dazwischen liegenden Statorzahn auf einer in radialer Richtung nach außen gerichtenten Außenseite vorbeigeführt ist.

Mit anderem Worten ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass eine Axialflussmaschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bereitgestellt wird. Die Axialflussmaschine weist einen kreisringförmig ausgebildeten Zahnhalter auf. Auf dem Zahnhalter und/oder in dem Zahnhalter ist eine Mehrzahl von Statorzähnen angeordnet, wobei die Statorzähne in Umfangsrichtung des Zahnhalters nebeneinander und zueinander beabstandet angeordnet sind. Mit anderen Worten ist der Zahnhalter dazu eingerichtet und/oder ausgebildet, die Statorzähne aufzunehmen, so dass diese lagesicher in dem Zahnhalter gehalten sind. Weiterhin ist ein Kühlkanal vorgesehen, durch den ein Kühlmedium führbar ist bzw. durch den ein Kühlmedium geführt wird. Der Kühlkanal ist schleifenartig und/oder mäanderartig zwischen den Statorzähnen angeordnet, so dass der Kühlkanal bei jedem zweiten Statorzahn auf einer in radialer Richtung nach innen gerichteten Innenseite entlanggeführt ist, und bei einem dazwischen liegenden Statorzahn auf einer in radialer Richtung nach außen gerichtenten Außenseite vorbeigeführt ist. Ein innerer Abschnitt des Kühlkanals, der an der Innenseite vorbeiführt, und ein äußerer Abschnitt des Kühlkanals, der an der Außenseite vorbeiführt, ist über einen Verbindungsabschnitt verbunden, der zwischen den Statorzähnen, bezogen auf die radiale Richtung des Zahnhalters, verläuft. Bedingt dadurch, dass ein geschlossener Kühlkanal bereitgestellt wird, können unterschiedliche Kühlmedien, beispielsweise ein Fluid, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch, oder ein Öl als Kühlmedium genutzt werden. Kühlmedium bedingte Korrosionsschäden können somit vermieden werden. Durch den schleifenförmig ausgebildeten Kühlkanal, der sowohl die Innenseite als auch die Außenseite von Statorzähnen kühlt, kann die Kühlwirkung erhöht werden. Somit wird eine Axialflussmaschine bereitgestellt, die eine erhöhte Kühlwirkung für unterschiedliche Kühlmedien aufweisen kann. Somit kann auch die Leistungsfähigkeit der Axialflussmaschine erhöht werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass eine Breite des Kühlkanals wenigstens um das Dreifache, vorzugsweise um das Fünffache und besonders bevorzugt um das Siebenfache, größer ist als eine Dicke des Kühlkanals. Mit anderen Worten ist der Kühlkanal bezogen auf dessen äußerer Querschnittsgeometrie vorzugsweise rechteckig und insbesondere flach ausgebildet. Auf diese Weise kann der Kühlkanal platzsparend in die Zwischenräume und die einzelnen Statorzähne gelegt werden, wobei die Breite dann vorzugsweise in etwa der Dicke des Statorzahns, bezogen auf die Längsrichtung des Zahnhalters, entspricht. Auf diese Weise kann der Kühlkanal nicht nur platzsparend angeordnet sein, sondern zudem noch eine vergrößerte Kühlfläche aufweisen, wodurch die Kühlleistung des Stators und somit auch die Performance der Axialflussmaschine erhöht werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkanal wenigstens eine in Längsrichtung des Kühlkanals verlaufende Versteifungsrippe aufweist. Durch die Versteifungsrippe kann die strukturelle Steifigkeit des Kühlkanals erhöht werden.

In diesem Zusammenhang liegt eine vorteilhafte Weiterbildung darin, dass die Versteifungsrippe im Innenraum des Kühlkanals ausgebildet ist. Durch die innenliegende Versteifungsrippe kann einerseits die Formtreue des Kühlkanals gewährleistet werden. Andererseits kann die strukturelle Steifigkeit des Kühlkanals erhöht sein. Insbesondere bewirkt die innenliegende Versteifungsrippe in einem Biege- und/oder Umlenkbereich des Kühlkanals, einen ausreichenden und definierten Abstand zwischen den zwei zueinander parallel verlaufenden Seiten des Kühlkanals, so dass die Strömung des Kühlmediums im Biege- und/oder Umlenkbereich nicht oder nicht nennenswert reduziert ist. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kühlleistung der Axialflussmaschine aus.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versteifungsrippe wenigstens zwei voneinander fluidtechnisch getrennte Volumina im Kühlkanal ausbildet. Anders ausgedrückt verläuft die innenliegende Versteifungsrippe von einer ersten Innenwand des Kühlkanals bis zu einer von der ersten Innenwand beabstandet und parallel angeordneten zweiten Innenwand des Kühlkanals.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass das Kühlmedium durch beide von der innenliegenden Versteifungsrippe getrennten Volumina in der gleichen Strömungsrichtung durchströmt. Dies kann sich vorteilhaft auf die Anströmung des Kühlkanals auswirken, wodurch Herstellungskosten reduziert werden können.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die über die innenliegende Versteifungsrippe getrennten Volumina gegenläufig mit dem Kühlmedium durchströmt werden. Somit kann eine gleichmäßigere Kühlung innerhalb des Stators erzielt werden, wodurch thermische Spannungen in der Axialflussmaschine reduziert werden können.

Denkbar ist, dass in dem Kühlkanal lediglich eine innere Versteifungsrippe vorgesehen ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass eine Mehrzahl von zueinander beabstandeter Versteifungsrippen im Kühlkanal ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von zueinander beabstandeter Versteifungsrippen kann vorteilhaft sein, wenn der Kühlkanal vorzugsweise eine Breite aufweist, die wenigstens um das Fünffache größer ist als die Dicke des Kühlkanals. Somit kann eine erhöhte Formtreue im Biege- und/oder Umlenkbereich des Kühlkanals gegeben sein, was sich vorteilhaft auf die Strömung des Kühlmediums im Kühlkanal und somit auch auf die Kühlwirkung der Axialflussmaschine auswirken kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Kühlkanal aus einem Metall und/oder aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Ein derartiger Kühlkanal ist preiswert herstellbar und lässt sich sehr leicht schleifenförmig und/oder mäanderförmig zwischen die Statorzähne anordnen. Somit können die Herstellungskosten des Stators reduziert sein. Zudem kann ein derartiger Kühlkanal auch sehr einfach mit innenliegenden Versteifungsrippen hergestellt und/oder ausgebildet werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Zwischenraum zwischen dem Statorzahn und dem Kühlkanal mit einem elektrisch isolierenden Vergussmaterial vergossen ist. Vorzugsweise ist der Zwischenraum mit einem Kunststoff oder einem Harz vergossen. Durch den Verguss kann eine erhöhte thermische Anbindung des Kühlkanals an den Statorzahn und an den Zahnhalter erfolgen. Durch die thermische Anbindung kann die Kühlwirkung erhöht werden, was sich positiv auf die Leistungsfähigkeit der Axialflussmaschine auswirken kann.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Breite des Kühlkanals in axialer Richtung des Zahnhalters größer als 60% einer Breite des Statorzahns, bezogen auf die axiale Richtung des Zahnhalters, ist, wobei die Grenzen mit eingeschlossen sind. Auf diese Weise kann mit lediglich einem schleifenförmig ausgebildeten und/oder verlegten Kühlkanal eine große Kühlfläche bereitgestellt werden, um die Statorzähne entsprechend zu kühlen.

Alternativ dazu liegt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, dass eine Breite des Kühlkanals in axialer Richtung des Zahnhalters kleiner als 50% einer Breite des Statorzahns, bezogen auf die axiale Richtung des Zahnhalters, ist, wobei die Grenzen mit eingeschlossen sind, und ein zweiter Kühlkanal vorgesehen ist, dessen Verlauf in Umfangsrichtung des Statorzahns um einen Statorzahn versetzt zum Kühlkanal angeordnet ist. Auf diese Weise sind wenigstens zwei Kühlkanäle vorgesehen, die in axialer Richtung des Zahnhalters zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnet sind. Durch den Versatz des zweiten Kühlkanals um einen Statorzahn können alle Statorzähne zumindest abschnittsweise sowohl auf der in radialer Richtung des Zahnhalters gerichteten Innenseite des Statorzahns als auch auf der in radialer Richtung des Zahnhalters gerichteten Außenseite des Statorzahns gekühlt werden, so dass die Kühlwirkung in Summe erhöht ist.

Denkbar ist, dass der Kühlkanal und der zweite Kühlkanal getrennt voneinander angesteuert und mit einem Kühlmedium durchströmt werden.

Alternativ dazu liegt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass der Kühlkanal und der zweite Kühlkanal fluidtechnisch miteinander gekoppelt sind. In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Kühlkanal und der zweite Kühlkanal gegenläufig durchströmt werden. Somit kann eine gleichmäßigere Kühlwirkung erzielt werden.

Die vorstehend beschriebene strukturelle Ausgestaltung des Kühlkanals gilt gleichermäßen auch für die strukturelle Ausgestaltung des zweiten Kühlkanals.

Die Erfindung betrifft in einem zweiten Aspekt ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine.

Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Die Axialflussmaschine sitzt vorzugsweise in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs. Sie ist dazu eingerichtet und/oder ausgebildet, das Kraftfahrzeug anzutreiben. Es sei bemerkt, dass sämtliche Merkmale, welche vorstehend und nachfolgend in Bezug auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, gleichermaßen für jeden anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gelten. Im Speziellen können sämtliche Merkmale der Axialflussmaschine auch Merkmale des Kraftfahrzeugs sein. Dies gilt auch umgekehrt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalen zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen, oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

In diesen zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht eines Stators einer Axialflussmaschine, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Detailansicht des Stators im Bereich eines schleifenförmig ausgebildeten Kühlkanals, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Detailansicht des Kühlkanals mit inneren Versteifungsrippen, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Kraftfahrzeug mit der Axialflussmaschine.

In Fig. 1 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Stators ST einer Axialflussmaschine AFM gezeigt. Die Axialflussmaschine AFM weist einen kreisringförmig ausgebildeten Zahnhalter ZH auf. Auf dem Zahnhalter ZH und/oder in dem Zahnhalter ZH ist eine Mehrzahl von Statorzähnen SZ angeordnet, wobei die Statorzähne SZ in Umfangsrichtung des Zahnhalters ZH nebeneinander und zueinander beabstandet angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind 12 Statorzähne nebeneinander angeordnet, die eine dreieckförmige Ausgestaltung, ähnlich einem gleichschenkeligen Dreieck, aufweisen. Jeder Statorzahn SZ weist einen Kern KE und eine auf dem Kem KE aufgewickelte Wicklung Wl auf. Der Zahnhalter ZH ist dazu eingerichtet und/oder ausgebildet, die Statorzähne SZ aufzunehmen, so dass diese lagesicher in dem Zahnhalter ZH gehalten sind.

Weiterhin ist ein Kühlkanal KK vorgesehen, durch den ein Kühlmedium führbar ist bzw. durch den ein Kühlmedium geführt wird. Der Kühlkanal KK ist schleifenartig und/oder mäanderartig zwischen den Statorzähnen SZ angeordnet, so dass der Kühlkanal KK bei jedem zweiten Statorzahn SZ auf einer in radialer Richtung nach innen gerichteten Innenseite IS entlanggeführt ist, und bei einem dazwischen liegenden Statorzahn SZ auf einer in radialer Richtung nach außen gerichtenten Außenseite AS vorbeigeführt ist. Ein innerer Abschnitt des Kühlkanals KK, der an der Innenseite IS vorbeiführt, und ein äußerer Abschnitt des Kühlkanals KK, der an der Außenseite vorbeiführt, sind über einen Verbindungsabschnitt VA fluidtechnisch verbunden. Der Verbindungsabschnitt VA verläuft zwischen den Statorzähnen SZ, bezogen auf die radiale Richtung des Zahnhalters ZH. Bedingt dadurch, dass ein geschlossener Kühlkanal KK bereitgestellt wird, können unterschiedliche Kühlmedien, beispielsweise ein Fluid, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch, oder ein Öl als Kühlmedium genutzt werden. Kühlmedium bedingte Korrosionsschäden am Stator ST können somit vermieden werden. Durch den schleifenförmig ausgebildeten Kühlkanal KK, der sowohl die Innenseite IS als auch die Außenseite AS von Statorzähnen SZ kühlt, kann die Kühlwirkung erhöht werden. Somit wird eine Axialflussmaschine AFM bereitgestellt, die eine erhöhte Kühlwirkung für unterschiedliche Kühlmedien aufweisen kann. Somit kann auch die Leistungsfähigkeit der Axialflussmaschine AFM erhöht werden.

Der Kühlkanal KK ist vorzugsweise aus einem Metall ausgebildet und weist zumindest auf einer Außenseite des Kühlkanals KK eine Kunststoffbeschichtung auf. Die Kunststoffbeschichtung kann vor der Anordnung des Kühlkanals KK zwischen den Statorzähnen SZ auf der metallischen Außenseite des Kühlkanals KK angeordnet sein. Über die Kunststoffbeschichtung kann die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Statorzähnen SZ reduziert werden. Nach der Anordnung des Kühlkanals KK zwischen den Statorzähnen SZ wird ein Spalt bzw. Zwischenraum zwischen den Statorzähnen SZ und dem Kühlkanal KK mit einem elektrisch isolierenden Vergussmaterial vergossen, so dass eine erhöhte thermische Anbindung des Kühlkanals KK an die Statorzähne SZ bereitgestellt wird. Denkbar ist jedoch auch, dass der metallische Kühlkanal KK beschichtungsfrei ausgebildet ist und zwischen die Statorzähne SZ eingelegt wird. Im Anschluss wird der Spalt bzw. Zwischenraum zwischen den Statorzähnen SZ und dem Kühlkanal KK mit dem elektrisch isolierenden Vergussmaterial vergossen, wodurch eine erhöhte thermische Anbindung zwischen dem Kühlkanal KK und den Statorzähnen SZ ermöglicht wird.

In Fig. 2 ist eine Detailansicht des Stators ST im Bereich des schleifenförmig ausgebildeten Kühlkanals KK gezeigt. Der Kühlkanal KK weist einen Einlass EL, über den das Kühlmedium in den Kühlkanal KK eintreten kann, und einen Auslass AL, über den das Kühlmedium aus dem Kühlkanal KK austreten kann. Das Kühlmedium ist vorzugsweise ein Fluid, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht des Kühlkanals KK. Der Kühlkanal KK weist eine Breite b auf, die um das Siebenfache größer ist als eine Dicke d des Kühlkanals KK. Mit anderen Worten ist der Kühlkanal KK bezogen auf dessen äußerer Querschnittsgeometrie vorzugsweise rechteckig und insbesondere flach ausgebildet. Auf diese Weise kann der Kühlkanal KK platzsparend in die Zwischenräume der einzelnen Statorzähne SZ angeordnet werden, wobei die Breite dann vorzugsweise in etwa der Dicke des Statorzahns SZ, bezogen auf die Längsrichtung des Zahnhalters ZH, entspricht. Auf diese Weise kann der Kühlkanal KK nicht nur platzsparend angeordnet sein, sondern zudem noch eine vergrößerte Kühlfläche aufweisen, wodurch die Kühlleistung des Stators ST und somit auch die Performance der Axialflussmaschine AFM erhöht werden kann.

Der Kühlkanal KK weist wenigstens eine in Längsrichtung des Kühlkanals KK verlaufende innere Versteifungsrippe VR auf. Durch die Versteifungsrippe VR kann die strukturelle Steifigkeit des Kühlkanals KK erhöht werden. Zudem kann die Formtreue des Kühlkanals KK in einem Biege- und/oder Umlenkbereich ULB des Kühlkanals KK erhöht sein, um einen ausreichenden und definierten Abstand zwischen den zwei zueinander parallel verlaufenden Seiten des Kühlkanals KK sicherzustellen. Somit wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums im Biege- und/oder Umlenkbereich ULB nicht oder nicht nennenswert reduziert. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kühlleistung der Axialflussmaschine AFM aus.

Durch die inneren Versteifungsrippe VR bzw. die Mehrzahl der inneren Versteifungsrippen VR werden mehrere voneinander fluidtechnisch getrennte Volumina im Kühlkanal KK ausbildet. Diese können entweder in der gleichen Richtung durchströmt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass die über die innenliegende Versteifungsrippe VR getrennten Volumina gegenläufig mit dem Kühlmedium durchströmt werden. Somit kann eine gleichmäßigere Kühlung innerhalb des Stators ST erzielt werden, wodurch thermische Spannungen in der Axialflussmaschine AFM reduziert werden können.

In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug KFZ mit der Axialflussmaschine AFM gezeigt. Das Kraftfahrzeug KFZ ist ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug KFZ. Die Axialflussmaschine AFM sitzt im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs KFZ. Sie ist dazu eingerichtet, das Kraftfahrzeug KFZ zumindest teilweise elektrisch anzugreiben.