DE102018109966A1

DE102018109966A1 - Drahtlose in-wheel-elektrobaugruppen mit integrierter in-wheel-kühlung und fahrzeuge, die diese enthalten

Info

Publication number: DE102018109966A1
Application number: DE102018109966.5A
Authority: DE
Inventors: Feng Zhou; Ercan Mehmet DEDE; Hiroshi N. Ukegawa; Kyosuke Miyagi
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc; Toyota Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: US20180331601A1; CN108859731A; JP2019011041A; DE102018109966B4; US10381901B2; JP6829222B2; CN108859731B

Abstract

Eine drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe mit einem Rad, einem Elektromotor, der innerhalb des Rades angeordnet ist, wobei der Elektromotor einen Stator und einen Rotor aufweist, einer Empfangsspule, die innerhalb des Rades angeordnet ist und dazu dient, drahtlos übertragene Energie zu empfangen, einem ersten Wandler, der innerhalb des Rades angeordnet ist, elektrisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist und dazu dient, die drahtlos übertragene Energie von der Empfangsspule in Gleichstrom umzuwandeln, einer Wechselrichterschaltung, die innerhalb des Rades angeordnet ist, elektrisch mit der Wandlerschaltung und dem Elektromotor verbunden ist und dazu dient, den Elektromotor mit Leistung zu versorgen. Die drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe weist ferner ein Kühlsystem auf, das innerhalb des Rades angeordnet ist und das aufweist: eine Mikropumpe, die dazu dient, Kühlmittel zu pumpen, eine Fluidleitung, die dazu dient, das Kühlmittel nahe an der Wandlerschaltung und/oder der Wechselrichterschaltung entlangzuleiten, und einen Wärmetauscher, der dazu dient, erwärmtes Kühlmittel zu empfangen und Wärme an die Umgebung abzuleiten.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein drahtlos mit Leistung versorgte Elektromotoren zum Antreiben von Fahrzeugen, um diese zum Fahren zu bringen, und genauer drahtlos mit Leistung versorgte Elektromotoren, die ein integriertes Kühlsystem enthalten.
Hintergrund
Manche Fahrzeuge werden durch Elektromotoren mit Leistung versorgt. Solche Motoren können elektrische Energie von einer Batterie oder einer anderen Quelle in mechanische Energie umwandeln, um zu bewirken, dass sich ein oder mehrere Räder drehen. Im Allgemeinen erzeugen elektrische Vorrichtungen, die verwendet werden, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, Wärme und können somit wärmeabziehende Komponenten benötigen. Der Elektromotor erzeugt ebenfalls Wärme. Daher sollten die elektronischen Vorrichtungen, welche die elektrische Energie umwandeln, und der Elektromotor selbst durch ein Kühlsystem gekühlt werden, wie etwa ein Flüssigkeitskühlsystem, wodurch ein Kühlmittel an den elektrischen Vorrichtungen und/oder am Motor entlang strömt, um Wärmeenergie davon abzuziehen.
In vielen Elektrofahrzeugen sind der Elektromotor und die Ansteuerungselektronik unter der Motorhaube des Elektrofahrzeugs angeordnet und ersetzen einen herkömmlichen Verbrennungsmotor. Der Ort unterhalb der Motorhaube des Elektrofahrzeugs bietet ausreichend Platz für ein Kühlsystem.
Jedoch sind in manchen Elektrofahrzeugen die Elektromotoren innerhalb der Räder selbst angeordnet. Herkömmliche in Räder eingebaute bzw. In-Wheel-Elektromotoren benötigen Leiterdrähte, die zwischen einer Karosserie des Fahrzeugs und dem In-Wheel-Motor verlaufen. Außerdem können Fluidleitungen erforderlich sein, die Kühlmittel zwischen einem Wärmetauscher in der Karosserie des Elektrofahrzeugs und dem in-Wheel-Motor leiten.
Die Umgebung zwischen der Karosserie des Elektrofahrzeugs und dem In-Wheel-Elektromotor kann während des Betriebs des Fahrzeugs harsch sein, wodurch die Leiterdrähte und die Fluidleitungen für Beschädigungen anfällig sind. Drahtlose In-Wheel-Motoren machen Leiterdrähte überflüssig, da sie elektrische Energie von der Karosserie des Fahrzeugs drahtlos zum In-Wheel-Motor übertragen. Zum Beispiel können primäre und sekundäre Spulen verwendet werden, um die elektrische Energie drahtlos zu übertragen.
Jedoch machen die Ansteuerungselektronik und der drahtlose In-Wheel-Motor, die innerhalb des Rades angeordnet sind, immer noch eine Kühlung und daher Fluidleitungen in der harschen Umgebung zwischen der Karosserie des Elektrofahrzeugs und dem drahtlosen in-Wheel-Motor notwendig. Auch wenn die elektrisch leitenden Drähte durch den drahtlosen In-Wheel-Motor überflüssig werden, sind somit immer noch Fluidleitungen nötig.
Somit besteht ein Bedarf an alternativen drahtlosen In-Wheel-Elektromotoren.
Kurzfassung
In einer Ausführungsform weist eine drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe auf: ein Rad, einen im Rad angeordneten Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Stator und einen Rotor aufweist, eine Empfangsspule, die dazu dient, drahtlos übertragene Energie zu empfangen. In Ausführungsformen ist die Empfangsspule im Rad angeordnet. Die Baugruppe weist ferner einen ersten Wandler auf, der elektrisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist und dazu dient, die drahtlos übertragene Energie von der Empfangsspule in Gleichstrom umzuwandeln, und der Wandler ist innerhalb des Rades angeordnet. Die Baugruppe weist außerdem eine Wechselrichterschaltung auf, die elektrisch mit der Wandlerschaltung und dem Elektromotor verbunden ist, und der Wechselrichter dient dazu, den Elektromotor mit Leistung zu versorgen und ist innerhalb des Rades angeordnet. Die Baugruppe weist ferner ein Kühlsystem auf, das innerhalb des Rades angeordnet ist, wobei das Kühlsystem aufweist: eine Mikropumpe, die dazu dient, Kühlmittel zu pumpen, eine Fluidleitung, die dazu dient, das Kühlmittel nahe an der Wandlerschaltung und/oder der Wechselrichterschaltung vorbeizuleiten, und einen Wärmetauscher, der dazu dient, erwärmtes Kühlmittel zu empfangen und Wärme an die Umgebung abzuleiten.
In einer anderen Ausführungsform schließt ein Fahrzeug ein: eine oder mehrere Batterien, eine Sendespule, die elektrisch mit der einen oder den mehreren Batterien gekoppelt ist und die dazu dient, drahtlos übertragene Energie zu übertragen, und eine drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe, die einschließt: ein Rad, einen innerhalb des Rades angeordneten Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Stator und einen Rotor aufweist, eine Empfangsspule, die dazu dient, drahtlos übertragene Energie von der Sendespule zu empfangen, einen ersten Wandler, der elektrisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist und dazu dient, die drahtlos übertragene Energie von der Empfangsspule in Gleichstrom umzuwandeln, wobei der Wandler innerhalb des Rades angeordnet ist, eine Wechselrichterschaltung, die elektrisch mit der Wandlerschaltung und dem Elektromotor gekoppelt ist, wobei der Wechselrichter dazu dient, den Elektromotor mit Leistung zu versorgen, und innerhalb des Rades angeordnet ist, und ein Kühlsystem. Das Kühlsystem weist auf: eine Mikropumpe, die dazu dient, Kühlmittel zu pumpen, eine Fluidleitung, die dazu dient, das Kühlmittel nahe an der Wandlerschaltung und/oder der Wechselrichterschaltung vorbeizuleiten, und einen Wärmetauscher, der dazu dient, erwärmtes Kühlmittel zu empfangen und Wärme an die Umgebung abzuleiten.
Diese und weitere Merkmale, die von den hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt werden, werden angesichts der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen klarer werden.
Figurenliste
Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen dienen der Veranschaulichung und als Beispiele und sollen den von den Ansprüchen definierten Gegenstand nicht beschränken. Die folgende ausführliche Beschreibung der zur Veranschaulichung dienenden Ausführungsformen wird klar, wenn man sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen liest, wo eine ähnliche Struktur mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet ist:

1A zeigt schematisch einen Abschnitt eines Fahrzeugs mit einem Beispiel für eine drahtlos mit Leistung versorgte Elektromotorbaugruppe gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen;
1B zeigt schematisch das drahtlos Energie übertragende Elektroniksystem des Fahrzeugs von 1A gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
2 zeigt schematisch Komponenten der drahtlos mit Leistung versorgten In-Wheel-Motorbaugruppe des Fahrzeugs von 1A gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
3 zeigt schematisch eine Explosionsansicht eines Beispiels für eine drahtlos mit Leistung versorgte In-Wheel-Motorbaugruppe gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen;
4 zeigt schematisch eine Explosionsansicht eines Beispiels für ein Kühlsystem des Beispiels für eine drahtlos mit Leistung versorgte In-Wheel-Motorbaugruppe von 3 gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen; und
5A zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Beispiel für Kühlkanäle der Verteilerplatte des Kühlsystems von 4 gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen; und
5B zeigt schematisch eine Seite eines Beispiels für Kühlkanäle der Verteilerplatte des Kühlsystems von 4 gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen.

Ausführliche Beschreibung
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppen mit einem integrierten Kühlsystem gerichtet. Somit weisen die hierin beschriebenen drahtlosen In-Wheel-Elektromotorbaugruppen auf: einen drahtlosen Elektromotor, wärmeerzeugende Komponenten in Form einer Ansteuerungselektronik (z.B. Halbleitervorrichtungen, die Wandler- und Wechselrichterfunktionen bereitstellen) und ein integriertes Kühlsystem, die alle innerhalb eines Rades enthalten sind. Somit machen die hierin beschriebenen drahtlosen In-Wheel-Elektromotorbaugruppen die Aufnahme sowohl elektrischer Leiterdrähte als auch von Fluidleitungen zwischen der Karosserie des Fahrzeugs und dem In-Wheel-Motor überflüssig. Insbesondere müssen Elektrofahrzeuge, welche die hierin beschriebenen drahtlosen In-Wheel-Elektromotorbaugruppen aufweisen, keine elektrischen Verbindungen zwischen dem Rad und dem Fahrzeug aufweisen, da die drahtlose Energie über einen Luftspalt zwischen der Fahrzeugkarosserie und dem Rad übertragen wird. Da das Kühlsystem innerhalb des Rades eigenständig ist, strömt das Kühlmittel nur innerhalb des Rades und muss nicht zwischen dem drahtlosen In-Wheel-Elektromotor und der Karosserie des Fahrzeugs hin und her überführt werden.
In 1A ist ein Abschnitt für ein Beispielsfahrzeug 10 gezeigt. Das Beispielsfahrzeug 10 weist einen Hauptkörper 11 mit einem Rahmen 12 und ein oder mehrere Rädern 104 auf. In der gesamten Patentschrift können das eine oder die mehreren Räder 104 austauschbar im Singular als „das“ Rad 104 oder im Plural als „das eine oder die mehreren“ Räder 104 bezeichnet werden. Somit kann das Beispielsfahrzeug 10 ein oder mehrere Räder aufweisen wie hierin beschrieben. Das Beispielsfahrzeug 10 ist mechanisch und elektrisch mit dem einen oder den mehreren Rädern 104 gekoppelt. Das Rad 104 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Lenkhebel 16, eines oder mehrerer Federbeine 18, einer oder mehrerer Federn 20 oder einer oder mehrerer anderer Komponenten zum mechanischen Koppeln eines Rades mit einem Fahrzeug mechanisch mit der Aufhängung (14) des Rahmens 12 gekoppelt sein. Die Lenkhebel 16 können mit dem Triebstrang (nicht gezeigt) verbunden sein und können mit dem Lenkrad (nicht gezeigt) oder anderen Komponenten, die bewirken, dass sich die Räder 104 drehen, gekoppelt sein, um ein Lenken des Fahrzeugs 10 zu ermöglichen. Das Rad 104 kann einen Achsschenkel 102 aufweisen zum Koppeln der Lenkhebel 16, der Streben 18, einer oder mehrerer Federn 20 oder anderer Komponenten mit dem Rad 104, und um das Rad 104 in die Lage zu versetzen, sich relativ zum Beispielsfahrzeug 10 zu drehen. Der Achsschenkel 102 kann eine Radnabe (nicht gezeigt) oder eine Spindel (nicht gezeigt) enthalten und eine Drehbewegung des Rades 104 in Bezug auf das Beispielsfahrzeug 10 zulassen. Das Rad 104 kann über eine oder mehrere Federn 20 mechanisch mit dem Rahmen 12 des Beispielsfahrzeugs 10 gekoppelt sein, um eine relative Bewegung zwischen dem Rad 104 und dem Beispielsfahrzeug 10 in der vertikalen Fahrzeugrichtung zu ermöglichen. Das Rad 104 kann durch die Befestigungen zwischen dem Achsschenkel 102 und den Lenkhebeln 16, den Streben 18 und den Federn 20 in Bezug auf das Beispielsfahrzeug 10 in Vorwärts-Rückwärts-Richtung fixiert sein. In manchen Ausführungsformen weist das Rad einen Reifen 103 auf. Der Reifen 103 kann eine Lauffläche für eine zusätzliche Traktion und Stabilität aufweisen und kann allgemein aus Gummi oder einer synthetischen Gummisubstanz gebildet sein.
Das Rad 104 ist eine Komponente einer drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100, die verschiedene Teile und Systeme für die Leistungsversorgung eines Motors enthält, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. In Ausführungsformen des Rades 104 ist die gesamte drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 im Rad 104 untergebracht, so dass das Rad 104 durch eine eigenständige Baugruppe mit Leistung versorgt wird. Außerdem kann eines oder können mehrere Räder 104 des Beispielsfahrzeugs 10 drahtlos Energie übertragende Elektroniksysteme 105 für eine drahtlose Energieübertragung zwischen dem Beispielsfahrzeug 10 und der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 aufweisen.
Wie in 1B gezeigt ist, weist das Beispielsfahrzeug 10 eine oder mehrere Batterien 108 im Hauptkörper 11 auf. In der gesamten Patentschrift können die eine oder die mehreren Batterien 108 austauschbar im Singular als „die“ Batterie 108 oder im Plural als „die eine oder die mehreren“ Batterien 108 bezeichnet werden. Die Batterie 108 ist wiederaufladbar und kann elektrische Leistung in Form von Gleichstrom (DC) an einer oder mehreren Komponenten des Beispielsfahrzeugs 10 bereitstellen. Die Batterie 108 kann eine Bleisäurebatterie, eine Nickelmetallhydrid-, eine Lithiumionenbatterie oder irgendeine andere Art von Batterie sein, die sich für Fahrzeuganwendungen eignet.
Wie in 1B gezeigt ist, ist die Batterie 108 elektrisch mit der Sendespule 107 gekoppelt, so dass die Batterie elektrische Energie an der Sendespule 107 des drahtlos Energie übertragenden Elektroniksystems 105 bereitstellt. Die Sendespule 107 überträgt über einen Luftspalt 109 drahtlos elektrische Wechselstrom(AC)-Energie auf die Empfangsspule 106 des drahtlos Energie übertragenden Elektroniksystems 105, um die Komponenten der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 mit Leistung zu versorgen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Verschiedene Komponenten der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um, um das Beispielsfahrzeug 10 so anzutreiben, dass es fährt.
Wie hierin verwendet, ist eine „drahtlose Energieübertragung“ die Übertragung von elektrischer Energie von einer Leistungsquelle oder einem Energiespeicher, wie etwa einer Batterie, auf einen elektrischen Verbraucher, wie etwa eine drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100, ohne dafür elektrisch leitende Medien wie etwa Drähte oder Kabel zu verwenden. Das drahtlos Energie übertragende Elektroniksystem 105 kann im Zeitverlauf variierende elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder elektronischer oder elektromagnetischer Wellen verwenden. Wie in 1B gezeigt ist, wandelt die Sendespule 107 elektrische Energie in Feldenergie 110 um und überträgt die Feldenergie 110 über den Luftspalt 109, so dass die Feldenergie 110 von Komponenten im Rad 104 wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um das Rad 104 mit Leistung zu versorgen.
Dieses drahtlos Energie übertragende Elektroniksystem 105 kann eine Nahfeld- oder Fernfeldtechnologie für eine drahtlose Energieübertragung verwenden. Jede bekannte oder noch zu entwickelnde Einrichtung für eine drahtlose Energieübertragung kann dafür vorgesehen werden. Als nichtbeschränkende Beispiele kann das drahtlos Energie übertragende Elektroniksystem 105 eine induktive Kopplung, eine resonante induktive Kopplung, eine kapazitive Kopplung, eine magnetodynamische Kopplung oder irgendeine andere Einrichtung für die Übertragung elektrischer Energie über den Luftspalt 109 verwenden. Das Beispielsfahrzeug 10 kann mit einer beliebigen Anzahl von Sendespulen 107 ausgestattet sein, so dass mehrere Orte im Beispielsfahrzeug 10 verwendet werden können, um elektrische Leistung drahtlos auf mehr als ein Rad 104 gleichzeitig zu übertragen. In manchen Ausführungsformen ist das Beispielsfahrzeug 10 ein vierrädriges Fahrzeug und das Beispielsfahrzeug 10 weist vier Sendespulen 107 (beispielsweise zwei Vorderräder, zwei Hinterräder, wie bei einem normalen vierrädrigen Fahrzeug) zum Senden von elektrischer Energie an vier drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppen 100 auf, um das Beispielsfahrzeugs 10 so anzutreiben, dass es fährt, wie nachstehend beschrieben; allerdings sind die Ausführungsformen nicht darauf beschränkt. In anderen Ausführungsformen kann das Beispielsfahrzeug 10 ein oder mehr Räder aufweisen, wie beispielsweise bei einem Motorrad mit zwei Rädern, von denen eines oder beide eine drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppen 100 aufweisen, oder bei einem Dreirad, bei dem ein oder mehr Räder eine drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppen 100 aufweisen. Es kommen Ausführungsformen in Betracht, bei denen alle, keines oder manche von den Rädern des Fahrzeugs drahtlos mit Leistung versorgt werden.
Nun wird unter Bezugnahme auf 2 das drahtlos Energie übertragende Elektroniksystem 105 ausführlicher beschrieben. Die Batterie 108, die im Hauptkörper 11 des Beispielsfahrzeugs 10 untergebracht ist, ist elektrisch mit einem oder mehreren primären Wechselrichtern 112 gekoppelt. In der gesamten Patentschrift können der eine oder die mehreren primären Wechselrichter 112 austauschbar im Singular als „der“ primäre Wechselrichter 112 oder im Plural als „der eine oder die mehreren“ primären Wechselrichter 112 bezeichnet werden. Die Batterie 108 kann elektrisch mit dem primären Wechselrichter 112 gekoppelt sein, um die Gleichstrom(DC)-Leistung von der Batterie 108 in Wechselstromleistung zur Übertragung durch die eine oder die mehreren Sendespulen 107 wechselzurichten. Nach der Wechselrichtung von Gleichstrom in Wechselstrom kann die Wechselstromleistung von der Sendespule 107 auf die eine oder die mehreren Empfangsspulen 106 des drahtlos Energie übertragenden Elektroniksystems 105 übertragen werden In der gesamten Patentschrift können die eine oder die mehreren Empfangsspulen 106 austauschbar im Singular als „die“ Empfangsspule 106 oder im Plural als „die eine oder die mehreren“ Empfangsspulen 106 bezeichnet werden. Die Batterie 108 liefert ausreichend elektrische Leistung an den primären Wechselrichter 112, damit die Sendespule 107 elektrische Energie über den Luftspalt 109 übertragen kann.
Die Empfangsspule 106 empfängt die drahtlos übertragene elektrische Leistung über den Luftspalt 109. Die Empfangsspule 106 ist elektrisch mit einem oder mehreren sekundären Wandlern 113 gekoppelt. In der gesamten Patentschrift können der eine oder die mehreren sekundären Wandler 113 austauschbar im Singular als „der“ sekundäre Wandler 113 oder im Plural als „der eine oder die mehreren“ sekundären Wandler 113 bezeichnet werden. Der sekundäre Wandler 113 wandelt die Wechselstromleistung von der Empfangsspule 106 in Gleichstromleistung um, die von einem oder mehreren sekundären Wechselrichtern 114 in Wechselstromleistung umgewandelt wird.
Der sekundäre Wandler 113 ist elektrisch mit den sekundären Wechselrichtern 114 gekoppelt, die dazu dienen Wechselstromleistung an der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 bereitzustellen. In manchen Ausführungsformen ist der sekundäre Wechselrichter 114 als Impulsbreitenmodulations(PWM)-Schaltung konfiguriert, welche die Wechselstromleistung regelt, die zum Elektromotor 115 geliefert wird. Der sekundäre Wechselrichter 114 kann eine oder mehrere leistungselektronische Vorrichtungen aufweisen, um die Gleichstromleistung umzuschalten, um die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umzuwandeln, wie unter anderem Inverter-Gate-Bipolartransistoren (IGBT) und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Vorrichtungen.
Wie ebenfalls in 2 zu sehen ist, weisen manche Ausführungsformen der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 einen oder mehrere Abwärtswandler 128 auf. Der Abwärtswandler 128 kann elektrisch mit dem sekundären Wandler 113 gekoppelt sein, um die Spannung vom sekundären Wandler auf einen Pegel herabzusetzen, der für die Leistungsversorgung einer oder mehrerer zusätzlicher elektronischer Einrichtungen der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 geeignet ist. Zum Beispiel können manche Ausführungsformen der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 eine Mikropumpe 129 zum Pumpen von Kühlmittel durch verschiedene Komponenten des Rades 104 zum Kühlen der Komponenten aufweisen. Solch eine Mikropumpe 129 könnte eine andere, in manchen Fällen niedrigere Spannung benötigen als die Spannung, die von den sekundären Wandlern 113 an den sekundären Wechselrichter 114 geliefert wird. Außerdem kann in manchen Ausführungsformen des Rades 104 ein Ventilator 130 (auch in 3 gezeigt) verwendet werden, um Luft über einer oder mehreren Komponenten umzuwälzen. In solchen Ausführungsformen kann der Abwärtswandler 128 elektrische Leistung einer geeigneten Spannung an den zusätzlichen elektronischen Einrichtungen bereitstellen. Der Abwärtswandler 128 kann unter Verwendung elektrischer Leiterdrähte, wie etwa Kupferdrähte, elektrisch mit der einen oder den mehreren zusätzlichen elektronischen Einrichtungen gekoppelt sein.
Der Elektromotor 115 kann eine beliebige Art von Wechselstrom- oder Gleichstrommotor sein. In manchen Ausführungsformen ist die drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 ein dreiphasiger, sechspoliger Käfigläufermotor. Wie in 3 gezeigt ist, weist der Elektromotor 115 einen Rotor 116 und einen Stator 118 auf. In manchen Ausführungsformen umgibt der Rotor 116 den Stator 118. In manchen Ausführungsformen umgibt der Stator 118 den Rotor 116. Wie in 4 gezeigt ist, weist der Stator 118 einen Statorkörper 120 und einen oder mehrere Statorpole 121 innerhalb des Statorkörpers 120 auf. Zur Verdeutlichung ist nur ein Statorpol 121 abgebildet, der sich über die gesamte Breite W des Stators 118 erstreckt. Jeder Statorpol 121 kann ein Eisen- oder auf andere Weise magnetisch permeables Material und eine Magnetflusserzeugungsvorrichtung aufweisen, wie etwa eine Statorspule, die um die einzelnen Statorpole 121 gewickelt sein kann. Der Statorkörper 120 muss keinen kreisförmigen Außenquerschnitt aufweisen (auch wenn er in manchen Ausführungsformen einen solchen Querschnitt haben kann), sondern kann in jeder zum Tragen der Statorpole 121 geeigneten Anordnung konfiguriert sein.
In der konkreten abgebildeten Ausführungsform wird eine einzelne Phase des simulierten dreiphasigen Wechselstroms vom sekundären Wechselrichter 114 an zwei einander gegenüberliegende Statorpole 121 angelegt. Wie der Fachmann verstehen wird, weist jede der drei Stromphasen rotierend in aufeinanderfolgenden Statorpolen 121 einen Spitzenwert auf, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen. Das Drehfeld zieht die zugehörigen Rotorpole synchron an, um ein Drehmoment am Rotor 116 zu erzeugen, der mechanisch mit dem Rad 104 gekoppelt ist, wie nachstehend beschrieben.
Es wird erneut auf 3 verwiesen, wo gezeigt ist, dass der Rotor 116 des Elektromotors 115 einen Rotorkörper 122 aufweist, der eine Mehrzahl von Rotorpolen (nicht gezeigt) trägt. In manchen Ausführungsformen ist die Anzahl der Rotorpole der Anzahl der Statorpole 121 gleich, so dass jeder Rotorpol an einem Statorpol 121 ausgerichtet ist, wenn der Elektromotor 115 in Betrieb ist. In Ausführungsformen, in denen der Rotor 116 den Stator 118 umgibt, hat der Rotor 116 die Funktion, sich um den Statorkörper 120 zu drehen, beispielsweise bei einer geeigneten Erregung der Statorpole 121 durch die Statorspulen. Der Rotor 116 ist mechanisch mit dem radial äußeren Laufring 125 des Lagers 126 gekoppelt. Das Lager 126 kann so konfiguriert sein, dass der radial äußere Laufring 125 um die Achse des Rades 104 drehbar ist, was schematisch durch eine gestrichelte Linie 127 dargestellt ist. Auf diese Weise ist der Rotor 116 drehbar mit der Achse des Rades 104 gekoppelt. Die Achse des Rades 104 ist durch die mechanischen Verbindungen, wie etwa die oben erörterten Lenkhebel 16 drehfest (und anderweitig) in Bezug auf das Fahrzeug fixiert. Dies ermöglicht eine Drehbewegung des Rotors 116 und dadurch des Rades 104 und des Reifens 103 relativ zum Beispielsfahrzeug 10 und anderen Komponenten der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100.
Wie oben angegeben ist, kann das Rad 104 einen Achsschenkel 102 aufweisen. Der Achsschenkel 102 kann einen oder mehrere Achsschenkelarme 131 zum Befestigen des Rades 104 am Beispielsfahrzeug 10 aufweisen. Die Achsschenkelarme 131 können mechanisch mit den Federn 20, den Lenkhebeln 16 oder den Streben 18 gekoppelt sein, die in 1A gezeigt sind. Manche Ausführungsformen des Achsschenkels 102 können eine mittlere Bohrung aufweisen, durch die verschiedene Komponenten der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 hindurch passen. Zum Beispiel kann die Empfangsspule 106 eine einwärts gerichtete Fläche eines Gehäuses aufweisen, das durch eine mittlere Bohrung im Achsschenkel 102 zwischen dem Achsschenkel 102 und dem Hauptkörper 11 des Beispielsfahrzeugs 10 vorsteht, wie in 1A gezeigt ist.
Wie in 3 und 4 gezeigt ist, ist in manchen Ausführungsformen der Achsschenkel 102 an seiner nach außen gewandten Fläche mechanisch mit einer Elektronikabdeckung 132 zum Aufnehmen der verschiedenen elektrischen Komponenten der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 auf einer Leistungselektronikplatte 152 gekoppelt. Manche Ausführungsformen können auch einen Ventilator 130 aufweisen, der sich dreht, um Luft durch die drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 zu blasen. Die Elektronikabdeckung 132 kann die verschiedenen elektronischen Einrichtungen, wie den sekundären Wandler 113, den sekundären Wechselrichter 114 und andere Komponenten, vor Feuchtigkeit, Schlamm, Schmutz, Staub und anderen Substanzen schützen, denen die Komponenten des Rades 104 während der Nutzung des Beispielsfahrzeugs 10 ausgesetzt sein können, und mit der Leistungselektronikplatte 152 gekoppelt sein. Die Leistungselektronikplatte 152 kann eine oder mehrere Leistungselektronikplatinen 134 aufweisen, wie in 4 gezeigt, die eine oder mehrere gedruckte Schaltungen (PCBs) und/oder verschiedene andere elektronische Einrichtungen aufweisen, um die verschiedenen hierin beschriebenen Funktionen auszuführen, wie der Fachmann erkennen wird. Manche Ausführungsformen der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 können eine Verteilerplatte 154 aufweisen. Die Verteilerplatte 154 kann zwischen der Statorplatte 156 und der Leistungselektronikplatte 152 positioniert sein, um Kühlmittel zum Stator 118 und/oder zu den Leistungselektronikplatinen 134 zu liefern.
Nun wird unter Bezugnahme auf 4 ein Kühlsystem 150 der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 beschrieben. Das Beispielskühlsystem 150 kann Kühlplatten wie etwa die Leistungselektronikplatte 152, die Verteilerplatte 154 und die Statorplatte 156 aufweisen. In manchen Ausführungsformen stehen Merkmale der Leistungselektronikplatte 152, der Verteilerplatte 154 und der Statorplatte 156 über verschiedene Kühlleitungen, wie etwa, als nichtbeschränkendes Beispiel, über Kunststoff- oder Gummirohre, um unter Verwendung einer oder mehrerer Mikropumpen 129, wie oben erörtert, Kühlmittel zu verschiedenen Komponenten auf den Platten zu pumpen. In manchen Ausführungsformen sind die verschiedenen Kühlplatten ohne die Verwendung von Rohren oder anderen Komponenten außer den Fluidleitungen auf der Platte direkt fluidtechnisch und mechanisch gekoppelt.
Die Mikropumpe 129 kann jede Art von Pumpe sein, die ausreicht, um Kühlmittel durch die verschiedenen Leitungen und Kanäle des Kühlsystems 150 zu bewegen. Als nichtbeschränkendes Beispiel kann die Mikropumpe 129 eine reziprozierende Pumpe sein, wie etwa eine Zahnradpumpe, eine Drehkolbenpumpe, eine Schraubpumpe, eine Flügelzellenpumpe oder eine regenerative Pumpe. Als weiteres nichtbeschränkendes Beispiel kann die Mikropumpe 129 eine Druckpumpe, beispielsweise eine Kolbenpumpe sein. Die Mikropumpe 129 weist mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass auf und erzeugt ein positives Druckdifferential über dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass, so dass der Druck am Auslass der Pumpe höher ist. Der Auslass der Pumpe ist die Quelle für die anderen Komponenten des Kühlsystems 150. Die Mikropumpe 129 ist klein genug, um sie vollständig innerhalb der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 aufnehmen zu können. Wie oben beschrieben, kann die Mikropumpe 129 elektrisch durch Abwärtswandler 128 oder irgendeine andere Einrichtung mit Leistung versorgt werden.
Außerdem kann das Kühlsystem 150 einen oder mehrere Kühlkörper 144 zum Abstrahlen der Wärme aufweisen, die von den Komponenten erzeugt und vom Kühlmittel absorbiert wird, während dieses durch die wärmeerzeugenden Komponenten oder nahe an ihnen vorbei strömt. Diese Wärme kann in die Umgebung oder an ein oder mehrere externe Kühlsysteme abgeführt werden. In einer Ausführungsform ist der Kühlkörper 144 an der einwärts gewandten Fläche 149 der Leistungselektronikplatte 152 montiert. Wie hierin verwendet, implizieren die Ausdrücke „einwärts gewandt“ und „auswärts gewandt“ (oder einfach „einwärts“ oder „auswärts“ oder „innere“ oder „äußere“) eine allgemeine Symmetrie, die in den meisten Fahrzeugen um eine Fahrzeugmittellinie (oder - achse) herum gegeben ist, und bezeichnen somit die Richtung in das Fahrzeug hinein oder aus dem Fahrzeug heraus in Bezug auf eine Mittellinie des Fahrzeugs. Der Kühlkörper kann jede Form auf der Oberfläche der Leistungselektronikplatte 152 haben, beispielsweise die eines Rings oder eines Streifens entlang der Oberfläche der Platte. Wie in 4 gezeigt ist, kann der Kühlkörper 144 durch einen Zulauf 136 und einen Rücklauf 138 mit den Platten in Fluidaustausch stehen. Der Zulauf 136 kann gekühltes Kühlmittel, das vom Kühlkörper 144 gekühlt worden ist, zu den verschiedenen Komponenten, wie etwa den wärmeerzeugenden Komponenten und dem Elektromotor 115 liefern. Dagegen kann der Rücklauf 138 das erwärmte Kühlmittel von den Komponenten zurückleiten.
Die verschiedenen Platten des Kühlsystems 150 verteilen das Kühlmittel an die wärmeerzeugenden Komponenten der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100, wie etwa die Statorpole 121 und die Leistungselektronikschaltung, die oben beschrieben wurden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 drei Platten auf, nämlich eine Leistungselektronikplatte 152, eine Verteilerplatte 154 und eine Statorplatte 156, aber die Ausführungsformen sind nicht darauf beschränkt. Die Statorplatte 156 kann beispielsweise ein integraler Abschnitt des Statorkörpers 120 sein. Andere Ausführungsformen können andere Verteiler zum Liefern von Fluid zwischen dem Stator 118 und dem Kühlkörper 144 aufweisen. Die verschiedenen Platten können aus jedem geeigneten Material, wie etwa aus Metall oder Kunststoff, bestehen. Das Material kann allgemein auf Basis von Haltbarkeit und der Fähigkeit, Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten abzuleiten, ausgewählt werden. Zum Beispiel kann das Material, aus dem die Statorplatte 156 besteht, auf Basis seiner Fähigkeit, Wärme von den Statorpolen 121 abzuleiten, ausgewählt werden. Die verschiedenen Platten können anhand beliebiger Mittel, beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben, Schrauben oder irgendwelche anderen geeigneten Mittel, gekoppelt werden.
Wie ebenfalls in 4 zu sehen ist, weist die Leistungselektronikplatte 152 in manchen Ausführungsformen einen Zuleitungsdurchlass 141 auf. Der Zuleitungsdurchlass 141 der Leistungselektronikplatte 152 steht mit dem Kühlmittelauslass 148 des Kühlkörpers 144 in Fluidaustausch, wie schematisch durch die Einfügung von 4 dargestellt ist. Der Zuleitungsdurchlass 141 ist mit einem oder mehreren Zuleitungskanälen 158 an der Leistungselektronikplatte 152 gekoppelt. Die Zuleitungskanäle 158 stehen mit einer oder mehreren Kälteplatten 142, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden, in Fluidaustausch. Die Kälteplatten 142 sind thermisch mit der einen oder den mehreren Leistungselektronikplatinen 134 gekoppelt. Die Kälteplatten 142 können Wärme aus den wärmeerzeugenden Komponenten der Leistungselektronikplatinen 134, wie etwa dem sekundären Wechselrichter 114, abziehen, um die wärmeerzeugenden Komponenten zu kühlen, wie nachstehend beschrieben wird. Die Leistungselektronikplatte 152 weist auch Leistungselektronikabführleitungen 160 auf. Die Leistungselektronikabführleitungen 160 münden an einer Öffnung 161.
Die Öffnung 161 in der Leistungselektronikplatte 152 steht mit der Öffnung 170 in der Verteilerplatte 154 in Fluidaustausch. In manchen Ausführungsformen kann eine nach außen gewandte Fläche 162 der Verteilerplatte 154 mechanisch und fluidtechnisch mit der einwärts gewandten Fläche 157 der Statorplatte 156 gekoppelt sein. In solchen Ausführungsformen weist die nach außen gewandte Fläche 162 der Verteilerplatte 154 einen äußeren Kanal 166 und einen inneren Kanal 168 auf. Der äußere Kanal 166 ist mechanisch und fluidtechnisch mit einem oder mehreren Zuleitungskanälen 172 gekoppelt, die durch die Statorpole 121 verlaufen. Der äußere Kanal 166 kann in Bezug auf die Mittelachse des Zuleitungskanals 172 den gleichen Radius aufweisen und durch ein oder mehrere Statoreisen 174 verlaufen, so dass Fluid, das durch den äußeren Kanal 166 fließt, durch die Zuleitungskanäle 172 gelenkt wird, so dass es durch die Statoreisen 174 strömt und Wärme von den Statoreisen 174 abzieht. Jedes Statoreisen 174 kann durch die Breite W der Statorplatte 156 hindurch verlaufen. Die Statoreisen 174 können ferner einen Rückleitungskanal 176 zum Zurückführen des Kühlmittels durch das Statoreisen 174 aufweisen. Die Zuleitungskanäle 172 und die Rückleitungskanäle 176 können mit der auswärts gewandten Fläche 159 der Statorplatte 156 in Fluidaustausch stehen. Die auswärts gewandte Fläche 159 der Statorplatte 156 kann einen Fluidkopplungsmechanismus aufweisen zum Umlenken von Kühlmittel, das durch den Zuleitungskanal 172 strömt, zum Rückleitungskanal 176, wie etwa ein Rohr oder eine Abdeckplatte (nicht gezeigt). Jeder positive Druckgradient zwischen dem Zuleitungskanal 172 und dem Rückleitungskanal 176 bewirkt dann, dass Kühlmittel über den Fluidkopplungsmechanismus durch den Zuleitungskanal 172 zum Rückleitungskanal 176 und zurück zum Rücklauf 138 strömt.
Genauer kehrt Kühlmittel, das an der auswärts gewandten Fläche 159 der Statorplatte 156 umgelenkt wird, durch den Rückleitungskanal 176 durch das Statoreisen 174 zum inneren Kanal 168 zurück. Der innere Kanal 168 weist eine Öffnung 180 zum Koppeln des inneren Kanals 168 mit dem Rücklauf 138 auf, um erwärmtes Kühlmittel zum Kühlkörper 144 zurückzuleiten. Für die Rückleitung zum Kühlkörper 144 kann der Rücklauf 138 eine Öffnung 182 durch die Leistungselektronikplatte 152 aufweisen.
5A zeigt die auswärts gewandte Fläche 162 der Verteilerplatte 154 detaillierter. In manchen Ausführungsformen weist die nach außen gewandte Fläche 162 der Verteilerplatte 154 zwei konzentrische Kanäle auf, die einen inneren Kanal 168 und einen äußeren Kanal 166 einschießen, wie oben beschrieben. An den Kanälen können Rillen oder andere Merkmale ausgebildet sein, um den Strom des Kühlmittels durch die Kanäle zu fördern. Die Öffnung 170 stellt eine Fluidverbindung mit dem inneren Kanal 168 her, damit Fluid in den inneren Kanal 168 eintreten kann. Der innere Kanal 168 steht mit dem Einlass des Zuleitungskanals 172 in Fluidaustausch (4). Die Fluidkupplung kann ein Dichtungsstück, einen O-Ring oder irgendeine andere Möglichkeit zum Abdichten des Fluidkanals einschließen. Ebenso steht der innere Kanal 168 mit dem Rückleitungskanal 176 in Fluidaustausch (4), und ein Dichtungsstück oder ein O-Ring kann die Fluidkupplung abdichten, um zu verhindern, dass Kühlmittel austritt.
5B zeigt eine Seitenansicht des inneren Kanals 168 und des äußeren Kanals 166. Die Kanäle können Nuten oder Kanäle beinhalten, die aus der Oberfläche der Verteilerplatte 154 gefräst sind. In manchen Ausführungsformen werden die Kanäle mittels einer vertikalen Fräse oder einer Drehmaschine direkt in die Oberfläche der Platte gefräst. In anderen Ausführungsformen können die Kanäle erhabene Oberflächen aufweisen, die auf der Oberfläche der Platte ausgebildet sind. In manchen Ausführungsformen können die Kanäle Rohre zwischen der Verteilerplatte 154 und der Statorplatte 156 aufweisen, mit geeigneten Fluidkupplungen zwischen den verschiedenen Zuleitungskanälen 172, Rückleitungskanälen 176 und den Kanälen auf der Verteilerplatte 154. Die Zuleitungskanäle 158 und die Leistungselektronikabführleitungen 160 auf der Leistungselektronikplatte 152 können ähnlich ausgebildet werden.
Wie in der Einfügung von 4 gezeigt ist, kann der Kühlkörper 144 allgemein einen Wärmetauscher aufweisen, dessen letzte Wärmesenke die Umgebung, wie etwa die Umgebungsluft, oder irgendein anderes Kühlsystem ist. Manche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung schließen Kreuzstromwärmetauscher ein, wo warmes Kühlmittel durch einen oder mehrere Kühlkanäle 146 strömt, die mit der Luft oder irgendeinem anderen Kühlmedium in Kontakt stehen, so dass Wärme an die Luft abgegeben wird, wenn das Kühlmittel durch die Kanäle strömt. Die mehreren Kühlkanäle 146 können eine zum Fahrzeuginneren gewandte Fläche der Elektronikabdeckung 132 queren. Die Kühlkanäle 146 können über einen Kühlkörpereinlass 147 und einen Kühlkörperauslass 148 mit dem Zulauf 136 und dem Rücklauf 138 in Fluidaustausch stehen. In manchen Ausführungsformen kann die einwärts gewandte Fläche 149 der Elektronikabdeckung 132 Rippen aufweisen oder kann aus einem wärmeleitenden Material gefertigt sein, wie Kupfer, Zinn oder irgendeinem anderen Metall, um Wärme von dem Kühlmittel, das durch die Kühlkanäle 146 strömt, an die Luft abzuleiten, während sich das Rad 104 dreht oder der Ventilator 130 bläst. In manchen Ausführungsformen werden das Gehäuse der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 oder andere Teile des Rades 104 in die Atmosphäre entlüftet, um für eine bessere Zirkulation Luft durch das Gehäuse 104 strömen zu lassen. In manchen Ausführungsformen wird Luft durch Komponenten wie den ventilatorförmigen Radkappeneinsatz 184 durch das Rad 104 geblasen.
Wie oben angegeben, weist die drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 in manchen Ausführungsformen einen Ventilator auf. Der Ventilator 130 kann vom Abwärtswandler 128 oder irgendeiner anderen Komponente, die ausreichend Spannung erzeugt und die im Rad 104 untergebracht ist, mit Leistung versorgt werden. Wie ebenfalls oben angegeben ist, kann der Ventilator 130 so konfiguriert sein, dass er auch dann Luft über die Kühlkanäle des Kühlkörpers 144 bläst, wenn sich das Rad 104 nicht dreht, so dass Komponenten des Rades 104 auch dann gekühlt werden können, wenn sich das Rad 104 nicht dreht oder sich langsam dreht, wie etwa wenn die Geschwindigkeit des Beispielsfahrzeugs 10 niedrig ist, aber die ausgegebene Leistung (und somit die Kühllast) hoch ist, weil eine hohe Last auf die verschiedenen drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppen 100 des Beispielsfahrzeugs 10 wirkt.
Wie in 3 gezeigt ist, weisen manche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einen ventilatorförmigen Radkappeneinsatz 184 auf, um Luft in das Rad 104 oder über den Kühlkörper 144 zu blasen. In solchen Ausführungsformen kann ein Luftstrom über den Kühlkörper 144 geblasen werden, während sich das Rad 104 dreht, um das Beispielsfahrzeug 10 zu bewegen. Ausführungsformen können einen ventilatorförmigen Radkappeneinsatz 184 einschließen, der unter Verwendung eines Satzes von Zahnrädern so übersetzt wird, dass sich der ventilatorförmige Radkappeneinsatz 184 mit einer größeren Drehgeschwindigkeit dreht als das Rad 104, um den Grad der Kühlung der Komponenten zu erhöhen, wenn sich das Rad 104 mit einer relativ geringen Drehzahl dreht. Verschiedene Ausführungsformen des Rades 104 können ventilatorförmige Radkappeneinsätze 184 einschließen, die so konstruiert sind, dass sie sich unabhängig davon drehen, ob sich das Rad 104 dreht oder nicht, so dass Luft auch dann über den Kühlkörper 144 geblasen werden kann, wenn sich das Rad 104 nicht dreht. Der Ventilator 130 kann sich gemeinsam mit dem ventilatorförmigen Radkappeneinsatz 184 drehen, um Luft über die Kühlspiralen zu blasen, so dass Wärme aus dem Kühlmittel abgezogen wird. Außerdem kann je nachdem, ob sich der ventilatorförmige Radkappeneinsatz 184 dreht, Leistung zum Ventilator 130 geführt werden. Ausführungsformen können ferner eine Radkappe 186 aufweisen.
Im Betrieb befielt der Fahrer eines Fahrzeugs, dass ein bestimmter Leistungspegel an die Räder 104 des Beispielsfahrzeugs 10 angelegt werden soll. Der Leistungspegel kann unter Verwendung eines Pedals oder irgendeiner anderen Einrichtung wie etwa über einen Sprachbefehl oder irgendeine andere Einrichtung befohlen werden. Außerdem kann das Beispielsfahrzeug 10 autonom oder halbautonom sein, so dass der Leistungspegel automatisch befohlen wird. Sobald der Leistungspegel befohlen worden ist, liefert die Batterie 108 die geeignete Menge an elektrischer Leistung an den primären Wechselrichter 112, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erreichen. Die gewünschte Ausgangsleistung kann einer Fahrzeuggeschwindigkeit, wie etwa 70 mph oder einer bestimmten PS-Leistung, oder irgendeinem anderen Verfahren zum Messen der Ausgangsleistung des Fahrzeugs entsprechen, wie etwa einer Zugleistung oder dergleichen.
Der primäre Wechselrichter ändert das Gleichstromsignal von der Batterie in ein Wechselstromsignal um, um es von der Sendespule 107 über den Luftspalt 109 an die Empfangsspule 106 zu senden. Das Signal wird als Feldenergie 110 über den Luftspalt 109 gesendet und von der Empfangsspule 106 empfangen. Die Empfangsspule 106 ist mit dem sekundären Wandler 113 gekoppelt, der die elektrische Energie wieder in ein Gleichstromsignal umwandelt, das im sekundären Wechselrichter 114 verwendet wird. Wie oben beschrieben, moduliert der sekundäre Wechselrichter 114 das Gleichstromsignal als simulierten Wechselstrom, um die Leistung für die drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 zu regeln.
Der sekundäre Wechselrichter 114 liefert simulierte Wechselstromleistung zu den Statorwicklungen, um ein Magnetfeld zu erzeugen. In manchen Ausführungsformen ist das Feld ein sechspoliges Feld. Wie der Fachmann weiß, wird durch das Magnetfeld ein Drehmoment an die festen Magnete des Rotors 116 angelegt. In Ausführungsformen, in denen der Rotor 116 den Stator 118 umgibt, ist der Rotor mechanisch mit dem Rad 104 gekoppelt, so dass sich bei einer Drehung des Rotors 116 das Rad 104 ebenfalls dreht. Während das Fahrzeug so angetrieben wird, dass es vorwärts fährt, erzeugen die Komponenten wie etwa die Empfangsspule 106, der primäre Wechselrichter 112, der sekundäre Wandler 113, der sekundäre Wechselrichter 114, der Rotor 116 und der Stator 118 des Elektromotors 115 Wärme. Das Kühlsystem 150 liefert Kühlmittel zu den Komponenten wie etwa zur Empfangsspule 106, zum primären Wechselrichter 112, zum sekundären Wandler 113, zum sekundären Wechselrichter 114, zum Rotor 116 und zum Stator 118. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt das Kühlmittel zuerst in den Zulauf 136 ein. Der Zulauf 136 ist über einen Zulaufanschluss 141 fluidtechnisch mit Zuleitungskanälen 158 gekoppelt. Somit strömt das Kühlmittel durch die Zuleitungskanäle 158 zu den Kälteplatten 142 und durch die Abführleitungen 160 aus den Kälteplatten 142 hinaus, nachdem es die wärmeerzeugende Vorrichtung an der Leistungselektronikplatine 134 (z.B. elektronische Komponenten, die den sekundären Wandler 113 und den sekundären Wechselrichter 114 definieren), gekühlt hat.
Die Abführleitungen 160 stehen mit dem äußeren Kanal 166 der Verteilerplatte 154 durch die Öffnung 170 hindurch in Fluidaustausch. Somit strömt das Kühlmittel durch die Öffnung 170 zum äußeren Kanal 166. Der äußere Kanal 166 steht außerdem durch die Statoreisen 174 mit den Zuleitungskanälen 172 in Fluidaustausch, so dass Kühlmittel entlang der Breite W des Statoreisens 174 strömt. Das Kühlmittel strömt aus dem Zuleitungskanal 172 durch ein Rückleitungsmerkmal (nicht gezeigt) zum Rückleitungskanal 176. Das Kühlmittel strömt dann durch den Rückleitungskanal 176, der mit dem inneren Kanal 168 auf der Verteilerplatte 154 in Fluidaustausch steht. aus dem Statoreisen 174 hinaus. Die Verteilerplatte steht durch Öffnungen 180 im inneren Kanal 168 der Verteilerplatte mit dem Rücklauf 138 und durch die Leistungselektronikplatte 152 mit der Öffnung 182 in Fluidaustausch. Somit strömt Kühlmittel durch den Rücklauf 138 zur Ansaugung der Mikropumpe 129. Und ein solcher Beispielsstrom kann sich im Bedarfsfall von selbst wiederholen, um die drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 zu kühlen.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Fluidleitungen des Kühlsystems 150 in Reihe angeordnet. Es sei jedoch klargestellt, dass verschiedene Ausführungsformen der drahtlosen In-Wheel-Elektrobaugruppe 100 ein Kühlsystem 150 aufweisen, das so angeordnet ist, dass Komponenten parallel gekühlt werden, wie etwa in einem Beispiel, wo das Kühlmittel parallel zum Stator und zu den Kälteplatten strömt, nachdem es den Auslass der Kühlpumpe verlassen hat.
Es sollte nun klargeworden sein, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung drahtlose In-Wheel-Elektrobaugruppen angeben, die ein integriertes Kühlsystem für elektrische Fahrzeuge aufweisen. Die hierin beschriebenen drahtlosen In-Wheel-Elektromotorbaugruppen machen daher Fluidaustauschleitungen zwischen einer Karosserie eines Fahrzeugs und dem In-Wheel-Elektromotor überflüssig. Somit können die hierin beschriebenen drahtlosen In-Wheel-Elektromotorbaugruppen zuverlässiger sein als existierende In-Wheel-Elektromotoren, da keine Fluidaustauschleitungen mehr in der harschen Betriebsumgebung zwischen der Karosserie des Fahrzeugs und dem drahtlosen In-Wheel-Elektromotor nötig sind.
Man beachte, dass die Begriffe „im Wesentlichen“ und „etwa“ hierin verwendet werden können, um den unvermeidlichen Grad der Unsicherheit zu bezeichnen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder jeder anderen Angabe innewohnt. Diese Begriffe werden hierin auch verwendet, um den Grad anzugeben, bis zu dem eine quantitative Angabe von einem angegebenen Bezugswert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der grundlegenden Funktion des fraglichen Gegenstands zu führen.
Auch wenn hierin konkrete Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, sei klargestellt, dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Bereich des beanspruchten Gegenstands abzuweichen. Darüber hinaus wurden hierin zwar verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstands beschrieben, aber diese Aspekte müssen nicht in Kombination verwendet werden. Daher sollen die beigefügten Ansprüche all diese Änderungen und Modifikationen, die im Bereich des beanspruchten Gegenstands liegen, einschließen.

Claims

Drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe, aufweisend: ein Rad; einen Elektromotor, der innerhalb des Rades angeordnet ist, wobei der Elektromotor einen Stator und einen Rotor aufweist; eine Empfangsspule, die dazu dient, drahtlos übertragene Energie zu empfangen, wobei die Empfangsspule innerhalb des Rades angeordnet ist; einen ersten Wandler, der elektrisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist und dazu dient, die drahtlos übertragene Energie von der Empfangsspule in Gleichstrom umzuwandeln, wobei der Wandler innerhalb des Rades angeordnet ist; eine Wechselrichterschaltung, die elektrisch mit der Wandlerschaltung und dem Elektromotor gekoppelt ist, wobei der Wechselrichter dazu dient, den Elektromotor mit Leistung zu versorgen, und innerhalb des Rades angeordnet ist; und ein Kühlsystem, das innerhalb des Rades angeordnet ist, wobei das Kühlsystem aufweist: eine Mikropumpe, die dazu dient, ein Kühlmittel zu pumpen; eine Fluidleitung, die dazu dient, das Kühlmittel in der Nähe der Wandlerschaltung und/oder der Wechselrichterschaltung entlangzuleiten; und einen Wärmetauscher, der dazu dient, erwärmtes Kühlmittel zu empfangen und Wärme an die Umgebung abzugeben.
Drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 1, ferner eine zweite Wandlerschaltung aufweisend, die elektrisch mit der ersten Wandlerschaltung und der Mikropumpe gekoppelt ist, wobei die zweite Wandlerschaltung dazu dient, die Mikropumpe mit Leistung zu versorgen, und im Gehäuse angeordnet ist.
Drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 1, ferner einen Ventilator aufweisend, der so konfiguriert ist, dass er Luft bläst, um diese über den Wärmetauscher strömen zu lassen, wobei der Ventilator auf Basis einer Drehungsgeschwindigkeit des Rades, einer Temperatur des Kühlmittels, einer Temperatur der elektrischen Komponenten des Systems, einer elektrischen Ausgangsleistung des Motors und/oder einer mechanischen Ausgangsleistung des Motors selektiv mit Leistung versorgt wird.
Drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 1, ferner eine Radkappe mit einer Ventilatorflügelform aufweisend, so dass eine Drehung der Radkappe Luft über einen oder mehrere von den Wärmetauschern treibt, um Wärme durch Konvektion aus dem Kühlmittel abzuleiten.
Drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem ausreichend Kühlmittel zu einem Stator der In-Wheel-Elektrobaugruppe liefert, um den Stator zu kühlen.
Drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem ferner eine Verteilerplatte aufweist, die eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist, wobei die Außenfläche zwei konzentrische Kühlkanäle aufweist, die einen äußeren Kanal und einen inneren Kanal aufweisen.
Drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 6, wobei die beiden konzentrischen Kühlkanäle durch ein oder mehrere Statoreisen des Stators innerhalb des Rades durch zwei Öffnungen in der Verteilerplatte mit einem oder mehreren Kühlmittelzuleitungskanälen und einem oder mehreren Kühlmittelrückleitungskanälen innerhalb des Rades gekoppelt sind.
Fahrzeug, aufweisend: eine oder mehrere Batterien; eine Sendespule, die elektrisch mit einer oder mehreren Batterien verbunden ist und die dazu dient, drahtlos übertragene Energie zu übertragen; und eine drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe, die aufweist: ein Rad; einen Elektromotor, der innerhalb des Rades angeordnet ist, wobei der Elektromotor einen Stator und einen Rotor aufweist; eine Empfangsspule, die dazu dient, drahtlos übertragene Energie von der Sendespule zu empfangen; einen ersten Wandler, der elektrisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist und dazu dient, die drahtlos übertragene Energie von der Empfangsspule in Gleichstrom umzuwandeln, wobei der Wandler innerhalb des Rades angeordnet ist; eine Wechselrichterschaltung, die elektrisch mit der Wandlerschaltung und dem Elektromotor gekoppelt ist, wobei der Wechselrichter dazu dient, den Elektromotor mit Leistung zu versorgen, und innerhalb des Rades angeordnet ist; und ein Kühlsystem, das aufweist: eine Mikropumpe, die dazu dient, ein Kühlmittel zu pumpen; eine Fluidleitung, die dazu dient, das Kühlmittel in der Nähe der Wandlerschaltung und/oder der Wechselrichterschaltung entlangzuleiten; und einen Wärmetauscher, der dazu dient, erwärmtes Kühlmittel zu empfangen und Wärme an die Umgebung abzugeben.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die drahtlose In-Wheel-Elektromotorbaugruppe ferner eine zweite Wandlerschaltung aufweist, die elektrisch mit der ersten Wandlerschaltung und der Mikropumpe gekoppelt ist, wobei die zweite Wandlerschaltung dazu dient, die Mikropumpe mit Leistung zu versorgen, und im Gehäuse angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die drahtlose In-Wheel-Elektronikbaugruppe ferner einen Ventilator aufweist, der so konfiguriert ist, dass er Luft bläst, um diese über den Wärmetauscher strömen zu lassen, und wobei der Ventilator auf Basis einer Drehungsgeschwindigkeit des einen oder der mehreren Räder, einer Temperatur des Kühlmittels, einer Temperatur der elektrischen Komponenten des Systems, einer elektrischen Ausgangsleistung des Motors und/oder einer mechanischen Ausgangsleistung des Motors selektiv mit Leistung versorgt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei das Rad ferner eine Radkappe mit einer Ventilatorflügelform aufweist, so dass eine Drehung der Radkappe Luft über einen oder mehrere von den Wärmetauschern treibt, um Wärme aus dem Kühlmittel zu übertragen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei das Kühlsystem ferner eine Verteilerplatte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, wobei die Außenfläche konzentrische Kühlkanäle aufweist, die durch ein oder mehrere Statoreisen des Stators hindurch mit einem oder mehreren Kühlmittelzuleitungskanälen und einem oder mehreren Kühlmittelrückleitungskanälen in Fluidaustausch stehen, wobei die konzentrischen Kühlkanäle so konfiguriert sind, dass sie Kühlmittel zu dem einen oder den mehreren Kühlmittelzuleitungskanälen des Stators liefern und erwärmtes Kühlmittel von dem einen oder den mehreren Kühlmittelrückleitungskanälen des Stators empfangen.
Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei der eine oder die mehreren Kühlmittelzuleitungskanäle und der eine oder die mehreren Kühlmittelrückleitungskanäle an einem äußeren Ende der Kühlmittelzuleitungs- und Kühlmittelrückleitungskanäle mit einem Rückleitungsmerkmal in Fluidaustausch stehen, und die Kühlmittelzuleitungskanäle und die Kühlmittelrückleitungskanäle parallele Kanäle innerhalb des einen oder der mehreren Statoreisen bilden.
Fahrzeug nach Anspruch 8, ferner eine Leistungselektronikplatte aufweisend, wobei der mindestens eine Wandler und die Wechselrichterschaltung von der Leistungselektronikplatte getragen werden, und das Kühlsystem Kühlleitungen aufweist, die einen Fluidaustausch bringen des ersten Wandlers und der Wechselrichterschaltung mit dem Kühlkörper bewirken.
Fahrzeug nach Anspruch 14, ferner eine Verteilerplatte aufweisend, die eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist, wobei die Außenfläche konzentrische Kühlmittelkanäle aufweist, die die mit dem Kühlsystem in Fluidaustausch stehen und die so konfiguriert sind, dass sie Kühlmittel zum Stator liefern und erwärmtes Kühlmittel vom Stator empfangen, wobei die Kühlmittelleitungen der Leistungselektronikplatte und die Kühlkanäle der Verteilerplatte in Reihe konfiguriert sind, so dass das Kühlmittel durch die Kühlleitungen strömt, bevor es durch die Kühlkanäle strömt.