Мотор-концентратор: типы, характеристики, применение и руководство по покупке

Что такое ступичный мотор и как он работает?

A мотор-концентратор представляет собой электродвигатель, встроенный непосредственно в ступицу колеса транспортного средства, что устраняет необходимость в центральном двигателе, трансмиссии, дифференциале, карданном валу и связанных с ними механических соединениях за счет размещения приводного блока в самой точке движения. Колесо — это двигатель, точнее, ротор двигателя — это ступица колеса, а статор прикреплен к оси или вилке автомобиля. Эта фундаментальная архитектура представляет собой одно из самых элегантных упрощений в разработке электромобилей, объединяющее несколько компонентов трансмиссии в единый интегрированный узел.

В типичном ступичном двигателе статор с намотанными медными катушками закреплен неподвижно и установлен на оси. Ротор, несущий постоянные магниты или, в некоторых конструкциях, обмотки, окружает статор и вращается вместе с колесом. Электрический ток, подаваемый на катушки статора, создает вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами ротора, создавая крутящий момент, вращающий ведущее колесо. Большинство современных ступичных двигателей представляют собой бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) или синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM), в которых используется электронная коммутация через контроллер двигателя, а не физические щетки. , достигая эффективности 85–95%, исключая при этом износ и необходимость технического обслуживания, связанные с заменой щеток.

Ступичные электродвигатели производятся в двух основных конфигурациях в зависимости от того, вращается ли выходной вал двигателя со скоростью колеса напрямую или через планетарный редуктор. Мотор-ступицы с прямым приводом вращаются со скоростью колеса без внутренней зубчатой ​​передачи — плавно, бесшумно и механически просто, с возможностью эффективной рекуперации энергии торможения. Мотор-редукторы со ступицей имеют небольшой внутренний планетарный редуктор (обычно от 3:1 до 5:1), который позволяет двигателю вращаться на более высоких и эффективных скоростях, в то время как колесо вращается с нормальной скоростью, что позволяет использовать меньшие и более легкие двигатели с эквивалентным выходным крутящим моментом за счет некоторой дополнительной механической сложности и небольшого снижения эффективности при регенерации.

Типы и конфигурации ступичных двигателей

Ступичные электродвигатели охватывают широкий диапазон уровней мощности, размеров и конструктивных конфигураций, каждый из которых оптимизирован для разных классов транспортных средств и требований к производительности. Понимание различий между этими конфигурациями необходимо для соответствия характеристик ступичного двигателя требованиям применения.

Мотор-концентраторы с прямым приводом

В ступичных электродвигателях с прямым приводом нет внутренней понижающей передачи — ротор двигателя соединен непосредственно с колесом. Эта архитектура предлагает несколько существенных преимуществ: почти бесшумная работа, высокая эффективность рекуперативного торможения (статор большого диаметра действует как эффективный генератор при торможении), отсутствие износа шестерен и требований к смазке, а также исключительная надежность благодаря отсутствию движущихся частей за пределами подшипников ротора. Основным ограничением является требование к двигателю большого диаметра для создания достаточного крутящего момента при низких скоростях вращения, характерных для вращения колеса. Двигатель большого диаметра с большим числом полюсов производит больший крутящий момент на ампер на низкой скорости, чем эквивалент с малым диаметром, что объясняет, почему ступичные электродвигатели с прямым приводом обычно физически больше и тяжелее, чем альтернативные варианты с редуктором эквивалентной мощности.

Ступичные электродвигатели с прямым приводом являются доминирующей спецификацией в высокопроизводительных электрических велосипедах мощностью более 1000 Вт, грузовых электронных велосипедах, электрических скутерах и легких электромобилях, где их преимущество в рекуперативной эффективности и длительный срок службы оправдывают увеличение веса по сравнению с альтернативами с редуктором.

Редукторные мотор-редукторы

В мотор-редукторах со ступицей используется высокоскоростной внутренний двигатель, соединенный с колесом через планетарный редуктор, что позволяет двигателю работать с оптимальной скоростью (обычно 400–600 об / мин для колеса, что достигается за счет уменьшения 3: 1–5: 1 по сравнению с двигателем, работающим со скоростью 1500–3000 об / мин). Редукторная передача позволяет значительно уменьшить размеры и вес двигателя при эквивалентном выходном крутящем моменте — мотор-редуктор мощностью 250 Вт для электровелосипеда обычно весит 2,5–3,5 кг по сравнению с 4–6 кг для эквивалента с прямым приводом. Планетарные шестерни в качественных мотор-редукторах обычно изготавливаются из нейлона или спеченной стали, при этом нейлоновые шестерни обеспечивают более тихую работу, а стальные шестерни обеспечивают более высокий крутящий момент и более длительный срок службы в тяжелых условиях эксплуатации. Односторонние роликовые муфты (механизмы свободного хода) в мотор-редукторах-ступицах позволяют колесу свободно вращаться, когда двигатель обесточен, что является значительным преимуществом для эффективности использования энергии человеком, когда помощь электронного велосипеда не задействована, поскольку двигатели с прямым приводом создают магнитное сопротивление при движении накатом.

Конфигурации внешнего ротора и внутреннего ротора

В конфигурации внешнего ротора (аутраннера), используемой в большинстве ступичных двигателей, оболочка ротора с постоянными магнитами вращается вокруг неподвижного статора, при этом ротор напрямую соединен с ободом колеса. Эта конфигурация максимально увеличивает длину моментного рычага (диаметр ротора равен имеющемуся моментному рычагу) и хорошо подходит для применений с прямым приводом. Конфигурации внутреннего ротора, в которых ротор вращается внутри статора, используются в некоторых конструкциях высокоскоростных мотор-редукторов с ступицей, где компактный ротор обеспечивает более высокие скорости вращения, а редуктор обеспечивает необходимое увеличение крутящего момента.

Архитектура среднего привода и ступичного двигателя

Хотя это и не является конфигурацией ступичного двигателя как такового, сравнение между архитектурой ступичного двигателя и архитектурой среднего привода (центрально установленного) является критическим моментом принятия решения для проектировщиков и покупателей транспортных средств. Двигатели среднего привода, установленные на нижнем кронштейне электронного велосипеда или в центре трансмиссии автомобиля, извлекают выгоду из существующей зубчатой ​​передачи автомобиля, позволяя двигателю работать с оптимальной эффективностью в диапазоне скоростей в различных условиях нагрузки. Ступичные электродвигатели, напротив, привязаны к скорости колеса, что означает, что они работают за пределами оптимального КПД в условиях высокого крутящего момента и низкой скорости, например, при подъеме в гору из состояния покоя. — фундаментальное физическое ограничение, которого избегают архитектуры среднего уровня. Ступичные электродвигатели компенсируют это меньшей сложностью системы, более низкой стоимостью, лучшей гидроизоляцией (отсутствие открытых механических соединений с трансмиссией) и более простым снятием колес для обслуживания спущенных шин в конфигурациях без ступицы и мотор-колеса.

Основные технические характеристики

Приложения для разных категорий транспортных средств

Ступичные двигатели достигли коммерческого доминирования в определенных сегментах транспортных средств, оставаясь при этом разработкой или нишей в других. Модель внедрения отражает реальные преимущества и ограничения этой технологии при сопоставлении с требованиями к производительности каждой категории транспортных средств.

Электрические велосипеды и грузовые электронные велосипеды

Электронные велосипеды представляют собой крупнейший мировой рынок ступичных моторов по объему: ежегодно во всем мире продается более 40 миллионов электронных велосипедов, большинство из которых оснащены ступичными двигателями. Задние ступичные электродвигатели являются доминирующей конфигурацией потребительских электронных велосипедов, обеспечивая режимы помощи педалям и дроссельной заслонке, сохраняя при этом простоту, обеспечивающую низкие розничные цены и минимальные требования к обслуживанию. Грузовые электронные велосипеды, перевозящие полезную нагрузку 100–300 кг для доставки последней мили, семейного транспорта и коммерческой логистики, все чаще оснащаются высокомоментными задними ступичными двигателями с прямым приводом или мощными мотор-редукторами в диапазоне 500–1500 Вт, которые могут выдерживать большие нагрузки на уклоне без тепловой перегрузки.

Электрические скутеры и мотоциклы

В электрических скутерах — от микромобильных парков общего пользования, развернутых в городах по всему миру, до персональных пригородных скутеров с двигателем объемом 125 куб.см, доминирующих на азиатских рынках, — в подавляющем большинстве используются двигатели с одной задней ступицей в диапазоне 1–5 кВт. Архитектура ступичного двигателя особенно хорошо подходит для скутеров, поскольку сквозная конструкция рамы не обеспечивает естественного расположения двигателя, установленного посередине, а низкий центр тяжести ступичных двигателей положительно влияет на управляемость. Высокопроизводительные электрические мотоциклы начинают использовать конфигурации ступичных двигателей на задних колесах для применений, где простота компоновки и снижение неподрессоренной массы. Анализ компромиссного решения отдает предпочтение архитектуре с колесом по сравнению с цепной или ременной передачей от центральных двигателей.

Электрические инвалидные коляски и средства передвижения

Ступичные электродвигатели — это универсальное решение для трансмиссии электроприводных инвалидных колясок, самокатов и личных транспортных средств для пользователей с ограниченной подвижностью. Компактность конструкции, низкий уровень шума и независимое управление колесами, обеспечивающее дифференциальное рулевое управление путем изменения скорости и направления левого и правого ведущих колес, делают ее идеально подходящей для применений, где маневренность в ограниченном внутреннем пространстве имеет первостепенное значение. Определение крутящего момента и плавное управление на малой скорости на скорости ниже пешехода являются важнейшими требованиями к производительности. которые отличают контроллеры двигателей-концентраторов для облегчения мобильности от более простых контроллеров, ориентированных на управление скоростью, используемых в прогулочных электронных велосипедах.

Автомобильные ступичные двигатели: текущее состояние и проблемы

Несмотря на десятилетия интереса к разработкам и многочисленные демонстрации прототипов, ступичные двигатели еще не достигли значительного проникновения на рынки легковых и коммерческих автомобилей, что контрастирует с их доминированием в категориях более легких транспортных средств. Основными инженерными проблемами, которые ограничивают внедрение ступичных двигателей в автомобилестроении, являются неподрессоренная масса, управление температурным режимом и сложность структурной интеграции. Неподрессоренная масса — масса компонентов, не поддерживаемых пружинами подвески, включая колеса, тормоза и (в автомобиле со ступицей) сами двигатели — напрямую ухудшает качество езды и устойчивость дороги. Двигатель-ступица, добавляющий 20–30 кг к каждому ведомому колесу, значительно увеличивает неподрессоренную массу по сравнению с центральным расположением двигателя, что требует перепроектирования подвески для поддержания приемлемой плавности хода и управляемости. Несколько производителей автомобильного оборудования и поставщиков технологий, в том числе Protean Electric, Elaphe и NovaDrive, разработали системы ступичных двигателей автомобильного уровня, решающие эти проблемы за счет уменьшения массы и интегрированных конструкций активной подвески, при этом начинают появляться коммерческие применения в автобусах и специальных транспортных средствах, где чувствительность к неподрессоренной массе ниже, чем в легковых автомобилях.

Интеграция контроллера двигателя и рекуперативное торможение

Производительность системы ступичного двигателя определяется как его контроллером, так и самим двигателем. Контроллер двигателя — блок силовой электроники, который преобразует напряжение батареи постоянного тока в сигналы трехфазного переменного тока, необходимые для привода бесщеточного двигателя, — управляет выходным крутящим моментом, скоростью, рекуперативным торможением, тепловой защитой и связью с системами управления транспортным средством.

Поле-ориентированное управление (FOC), также известное как векторное управление, является текущим стандартным алгоритмом для высокопроизводительных контроллеров ступичных двигателей. FOC разлагает ток двигателя на компоненты, создающие крутящий момент и создающие магнитный поток, что обеспечивает независимую оптимизацию каждого из них, что приводит к более плавной передаче крутящего момента на низких скоростях, более высокому пиковому КПД, уменьшению нагрева двигателя при частичных нагрузках и лучшим характеристикам рекуперативного торможения по сравнению с более простыми синусоидальными или трапециевидными схемами коммутации. В случае с электровелосипедами контроллеры FOC с интеграцией датчика крутящего момента (тензодатчика педали) создают естественное, отзывчивое ощущение помощи педали, которое отличает электронные велосипеды премиум-класса от продуктов начального уровня, в которых используются более простые датчики частоты вращения педалей (скорости вращения).

Регенеративное торможение — восстановление кинетической энергии во время замедления за счет работы двигателя в качестве генератора и возврата тока в батарею — более эффективно в мотор-редукторах с ступицами с прямым приводом, чем в мотор-редукторах, из-за отсутствия односторонних муфт (которые предотвращают обратное движение через зубчатую передачу). В системах с прямым приводом эффективность рекуперативного торможения, составляющая 60–75 % от рекуперации энергии торможения, достижима при умеренном замедлении, что вносит значительный вклад в запас хода системы, особенно в городских циклах движения с остановкой и стартом, где торможение является частым. На уровне систем автомобиля эффективное рекуперативное торможение может увеличить запас хода электронного велосипеда на 5–15 % в городских условиях. и значительно больше на холмистой местности, где частые торможения на спуске предоставляют большие возможности для регенерации.

Снабжение, стандарты качества и рыночная ситуация

В глобальной цепочке поставок ступичных моторов доминируют китайские производители, сосредоточенные в провинциях Чжэцзян, Гуандун и Цзянсу, которые в совокупности производят значительную часть ступичных моторов для электронных велосипедов и легких электромобилей, продаваемых по всему миру. Эта концентрация отражает вертикально интегрированную цепочку поставок в Китае постоянных магнитов (редкоземельных материалов), медных обмоток, стальных пластин и силовой электроники, что обеспечивает конкурентоспособное по затратам производство в масштабах, недоступных где-либо еще.

Ведущие китайские производители ступичных двигателей, в том числе Bafang, Shengyi, Tongsheng и Heinzmann, поставляют как фирменную продукцию, так и OEM-компоненты производителям электронных велосипедов по всему миру. Европейские и североамериканские производители, в том числе TM4 (теперь Dana TM4), Elaphe и Protean Electric, фокусируются на системах мощных мотор-редукторов автомобильного класса, где требования к качеству, ответственности и производительности оправдывают значительную надбавку к цене по сравнению с азиатскими продуктами потребительского класса.

Ключевые критерии качества для оценки ступичного двигателя включают класс магнита и удержание (магниты N35–N52 NdFeB с заливкой из смолы или механическим удержанием для предотвращения разрушения магнита под действием вибрации), качество обмотки (автоматическая намотка с постоянным количеством витков и проверкой целостности изоляции), характеристики подшипника и предварительная нагрузка (подшипники с радиальным контактом или глубокими канавками, рассчитанные на комбинированные радиальные и осевые нагрузки применения) и целостность водонепроницаемости (проверка рейтинга IP посредством фактических испытаний погружением, а не только расчетов конструкции). Для регулируемых рынков требуется маркировка CE (ЕС), сертификация UL (США) и соответствие EN 15194 (стандарт ЕС для электронных велосипедов) в зависимости от категории транспортного средства и места назначения на рынке.