موتور هاب: انواع، مشخصات، برنامه ها و راهنمای خرید

هاب موتور چیست و چگونه کار می کند؟

A موتور توپی یک موتور الکتریکی است که مستقیماً در توپی چرخ یک وسیله نقلیه ادغام می شود و با قرار دادن واحد محرک در محل خود رانش، نیاز به موتور مرکزی، گیربکس، دیفرانسیل، میل محرک و پیوندهای مکانیکی مرتبط را از بین می برد. چرخ موتور است - یا به طور دقیق تر، روتور موتور توپی چرخ است و استاتور به محور یا دوشاخ خودرو ثابت می شود. این معماری اساسی یکی از زیباترین ساده‌سازی‌ها در مهندسی خودروهای الکتریکی را نشان می‌دهد، که اجزای متعدد پیشرانه را در یک مجموعه یکپارچه جمع می‌کند.

در یک موتور توپی معمولی، استاتور - حامل سیم پیچ های مسی - ثابت و ثابت است و روی محور نصب می شود. روتور - حامل آهنرباهای دائمی یا در برخی طرح ها سیم پیچ ها - استاتور را احاطه کرده و با چرخ می چرخد. جریان الکتریکی عرضه شده به سیم پیچ های استاتور یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند که با آهنرباهای روتور برای تولید گشتاور و چرخش چرخ محرک در تعامل است. اکثر موتورهای هاب مدرن DC بدون جاروبک (BLDC) یا موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) هستند که از کموتاسیون الکترونیکی از طریق کنترل کننده موتور به جای برس های فیزیکی استفاده می کنند. ، دستیابی به راندمان 85-95٪ در حالی که از بین بردن سایش و نگهداری مرتبط با کموتاسیون برس.

موتورهای هاب در دو پیکربندی اولیه بر اساس اینکه محور خروجی موتور با سرعت چرخ به طور مستقیم می چرخد ​​یا از طریق یک چرخ دنده کاهش سیاره ای تولید می شوند. موتورهای هاب درایو مستقیم با سرعت چرخ بدون دنده داخلی می چرخند - صاف، بی صدا و از نظر مکانیکی ساده، با توانایی بازسازی انرژی ترمز به طور موثر. موتورهای هاب دنده ای دارای یک کاهش سیاره ای داخلی کوچک (معمولاً 3:1 تا 5:1) هستند که به موتور اجازه می دهد با سرعت های بالاتر و کارآمدتر بچرخد در حالی که چرخ با سرعت معمولی می چرخد ​​- موتورهای کوچکتر و سبک تر را قادر می سازد گشتاور تولیدی معادل را به قیمت کمی پیچیدگی مکانیکی اضافه شده و کاهش بازدهی جزئی تحت تولید مجدد ایجاد کنند.

انواع موتور هاب و تنظیمات

موتورهای هاب طیف گسترده‌ای از سطوح قدرت، اندازه‌ها و پیکربندی‌های طراحی را در بر می‌گیرند که هر کدام برای کلاس‌های مختلف خودرو و الزامات عملکرد بهینه شده‌اند. درک تمایز بین این پیکربندی ها برای تطبیق مشخصات موتور هاب با خواسته های برنامه ضروری است.

موتورهای هاب درایو مستقیم

موتورهای هاب درایو مستقیم فاقد دنده کاهش داخلی هستند - روتور موتور مستقیماً به چرخ متصل می شود. این معماری چندین مزیت قابل توجه را ارائه می دهد: عملکرد تقریباً بی صدا، راندمان ترمز احیا کننده بالا (استاتور با قطر بزرگ به عنوان یک ژنراتور مؤثر هنگام ترمز عمل می کند)، عدم نیاز به سایش دنده یا روان کننده، و قابلیت اطمینان استثنایی به دلیل عدم وجود قطعات متحرک فراتر از یاتاقان های روتور. محدودیت اولیه، الزام قطر موتور بزرگ برای تولید گشتاور کافی در سرعت‌های چرخشی پایین مشخصه چرخش چرخ است - یک موتور با قطر زیاد و تعداد قطب‌های زیاد، گشتاور بیشتری در هر آمپر در سرعت کم نسبت به یک معادل با قطر کوچک تولید می‌کند، که توضیح می‌دهد که چرا موتورهای هاب درایو مستقیم معمولاً قدرت جایگزین فیزیکی بزرگ‌تر و سنگین‌تر از equiar هستند.

موتورهای هاب مستقیم درایو مشخصات غالب در کاربردهای دوچرخه برقی با کارایی بالا بالای 1000 وات، دوچرخه های الکتریکی باری، اسکوترهای برقی و وسایل نقلیه الکتریکی سبک هستند که مزیت بازده احیا کننده و عمر طولانی آنها، برتری وزن را نسبت به جایگزین های دنده ای توجیه می کند.

موتورهای هاب دنده

موتورهای توپی دنده ای از یک موتور داخلی با سرعت بالا استفاده می کنند که از طریق یک قطار دنده کاهنده سیاره ای به چرخ متصل می شود و به موتور اجازه می دهد تا با سرعت بهینه بازده خود کار کند (معمولاً 400-600 RPM برای چرخ که از طریق کاهش 3:1-5:1 از موتوری که در 1500-3000 RPM کار می کند حاصل می شود). کاهش دنده ابعاد موتور به‌طور قابل‌توجهی کوچک‌تر و وزن کمتری برای خروجی گشتاور معادل را امکان‌پذیر می‌کند - یک موتور توپی دنده‌ای 250 واتی برای کاربرد دوچرخه‌های الکترونیکی معمولاً 2.5 تا 3.5 کیلوگرم در مقابل 4 تا 6 کیلوگرم برای یک موتور درایو مستقیم وزن دارد. چرخ دنده‌های سیاره‌ای در موتورهای هاب دنده‌ای با کیفیت معمولاً از نایلون یا فولاد متخلخل ساخته می‌شوند، با چرخ‌دنده‌های نایلونی عملکرد آرام‌تر و چرخ‌دنده‌های فولادی ظرفیت گشتاور بالاتر و عمر طولانی‌تر در کاربردهای سنگین را ارائه می‌دهند. کلاچ های غلتکی یک طرفه (مکانیسم های چرخش آزاد) در موتورهای هاب دنده ای به چرخ اجازه می دهد تا در صورت خاموش بودن موتور آزادانه بچرخد - یک مزیت قابل توجه برای کارایی نیروی انسانی در زمانی که کمک دوچرخه الکترونیکی درگیر نمی شود، زیرا موتورهای محرک مستقیم در هنگام چرخش، کشش مغناطیسی را تحمیل می کنند.

روتور بیرونی در مقابل تنظیمات روتور داخلی

در پیکربندی روتور بیرونی (outrunner) - که در اکثر موتورهای هاب استفاده می شود - پوسته روتور حامل آهنرباهای دائمی در اطراف استاتور ثابت می چرخد و روتور مستقیماً به لبه چرخ متصل است. این پیکربندی طول بازوی گشتاور را به حداکثر می‌رساند (قطر روتور برابر است با بازوی گشتاور موجود) و برای برنامه‌های درایو مستقیم مناسب است. پیکربندی‌های روتور داخلی، جایی که روتور در داخل استاتور می‌چرخد، در برخی از طراحی‌های موتور توپی دنده‌ای با سرعت بالا استفاده می‌شود که در آن روتور فشرده سرعت‌های چرخشی بالاتری را امکان‌پذیر می‌کند و کاهش دنده، ضرب گشتاور لازم را فراهم می‌کند.

معماری Mid-Drive در مقابل Hub Motor Architecture

در حالی که به خودی خود یک پیکربندی موتور توپی نیست، مقایسه بین معماری موتور هاب و معماری میانی (نصب شده در مرکز) یک نقطه تصمیم گیری حیاتی برای طراحان و خریداران خودرو است. موتورهای نیمه محرک - که در براکت پایین دوچرخه الکترونیکی یا در مرکز پیشرانه یک وسیله نقلیه نصب می‌شوند - از گیربکس دنده‌ای موجود خودرو بهره می‌برند و موتور را قادر می‌سازد تا در محدوده سرعت بهینه بازده خود در شرایط بار مختلف کار کند. در مقابل، موتورهای هاب به سرعت چرخ قفل می‌شوند، به این معنی که در شرایط با گشتاور بالا و سرعت کم مانند تپه‌نوردی از حالت استراحت، خارج از بازده بهینه خود عمل می‌کنند. - یک محدودیت فیزیکی اساسی که معماری‌های درایو میانی از آن اجتناب می‌کنند. موتورهای هاب با پیچیدگی سیستم کمتر، هزینه کمتر، عایق رطوبتی بهتر (بدون اتصال مکانیکی باز به پیشرانه)، و حذف آسان چرخ برای سرویس لاستیک صاف در پیکربندی های بدون موتور-چرخ، جبران می کنند.

مشخصات فنی کلیدی

برنامه های کاربردی در سراسر دسته های خودرو

موتورهای هاب در بخش‌های خاص خودرو به تسلط تجاری دست یافته‌اند در حالی که در سایر بخش‌های توسعه‌یافته باقی مانده‌اند. الگوی پذیرش منعکس کننده مزایا و محدودیت های واقعی این فناوری است که با الزامات عملکرد هر دسته خودرو مطابقت داشته باشد.

دوچرخه های برقی و دوچرخه های الکترونیکی باری

دوچرخه‌های الکترونیکی بزرگ‌ترین بازار جهانی موتورهای هاب را از نظر حجم واحد نشان می‌دهند، با بیش از 40 میلیون دوچرخه الکترونیکی سالانه در سرتاسر جهان فروخته می‌شود - که اکثریت آنها با موتورهای هاب کار می‌کنند. موتورهای هاب عقب پیکربندی غالب در دوچرخه‌های الکترونیکی مصرف‌کننده هستند و حالت‌های کمک پدال و دریچه گاز را ارائه می‌کنند و در عین حال سادگی را حفظ می‌کنند که قیمت‌های خرده‌فروشی پایین و حداقل خدمات مورد نیاز را ممکن می‌سازد. دوچرخه های الکترونیکی باری - حامل محموله های 100 تا 300 کیلوگرمی برای تحویل در آخرین مایل، حمل و نقل خانوادگی و تدارکات تجاری - به طور فزاینده ای موتورهای هاب عقب هدایت مستقیم با گشتاور بالا یا موتورهای هاب دنده ای قدرتمند در محدوده 500 تا 1500 وات را مشخص می کنند که می توانند بارهای سنگین را بدون اضافه حرارت تحمل کنند.

اسکوتر و موتور سیکلت برقی

اسکوترهای برقی - از ناوگان حمل و نقل میکرو مشترک که در شهرها در سطح جهان مستقر شده اند تا اسکوترهای شخصی مسافربری معادل 125 سی سی که در بازارهای آسیایی غالب هستند - به طور عمده از موتورهای هاب عقب تک در محدوده 1 تا 5 کیلووات استفاده می کنند. معماری موتور توپی به‌ویژه برای اسکوترها مناسب است، زیرا طراحی قاب مرحله‌ای هیچ مکان طبیعی برای موتوری که در وسط نصب شده است، فراهم نمی‌کند و مرکز ثقل پایین موتورهای هاب کمک مثبتی به هندلینگ می‌کند. موتورسیکلت‌های برقی با کارایی بالا شروع به استفاده از پیکربندی‌های موتور توپی در چرخ‌های عقب برای کاربردهایی کرده‌اند که در آن سادگی بسته‌بندی و کاهش تجزیه و تحلیل مبادله جرمی بدون فنر، معماری درون چرخ را نسبت به محرک‌های زنجیر یا تسمه از موتورهای مرکزی ترجیح می‌دهد.

ویلچر برقی و وسایل کمک حرکتی

موتورهای هاب راه حل پیشرانه جهانی برای ویلچرهای برقی، اسکوترهای حرکتی، و وسایل حمل و نقل شخصی برای کاربران با تحرک کم است. بسته بندی فشرده، سر و صدای کم و کنترل چرخ مستقل - که فرمان دیفرانسیل را با تغییر سرعت و جهت چرخ های محرک چپ و راست امکان پذیر می کند - آن را برای کاربردهایی که مانورپذیری در فضاهای داخلی محدود بسیار مهم است مناسب می کند. سنجش گشتاور و کنترل صاف سرعت کم در سرعت های زیر پیاده روی از الزامات عملکرد حیاتی است که کنترل‌کننده‌های موتور مرکز کمک حرکتی را از کنترل‌کننده‌های ساده‌تر متمرکز بر کنترل سرعت مورد استفاده در دوچرخه‌های الکترونیکی تفریحی متمایز می‌کند.

موتورهای هاب خودرو: وضعیت و چالش‌های کنونی

علیرغم دهه‌ها علاقه به توسعه و نمایش نمونه‌های متعدد، موتورهای هاب هنوز به نفوذ قابل توجهی در بازارهای خودروهای سواری و وسایل نقلیه تجاری دست نیافته‌اند - برخلاف تسلط آنها در دسته‌های خودروهای سبک‌تر. چالش های مهندسی اولیه که پذیرش موتور هاب خودرو را محدود کرده است، جرم بدون فنر، مدیریت حرارتی و پیچیدگی یکپارچه سازی ساختاری است. جرم فنر نشده - جرم اجزایی که توسط فنرهای تعلیق پشتیبانی نمی شوند، از جمله چرخ ها، ترمزها، و (در یک وسیله نقلیه موتوری توپی) خود موتورها - به طور مستقیم کیفیت سواری و توانایی نگه داشتن جاده را کاهش می دهد. یک موتور توپی که 20 تا 30 کیلوگرم به هر چرخ محرک اضافه می کند، جرم فنر نشده را در مقایسه با آرایش موتور مرکزی به طور قابل توجهی افزایش می دهد و برای حفظ سواری و هندلینگ قابل قبول، نیاز به طراحی مجدد سیستم تعلیق دارد. چندین شرکت OEM و تامین‌کننده فناوری خودرو - از جمله Protean Electric، Elaphe، و NovaDrive - سیستم‌های موتور هاب درجه یک خودرو را توسعه داده‌اند که این چالش‌ها را از طریق کاهش جرم و طرح‌های تعلیق فعال یکپارچه برطرف می‌کنند، با استقرار تجاری در برنامه‌های اتوبوس و وسایل نقلیه ویژه که در آن حساسیت توده‌ای بدون فنر کمتر از خودروهای مسافربری است.

یکپارچه سازی کنترل کننده موتور و ترمز احیا کننده

عملکرد سیستم موتور توپی به همان اندازه که توسط کنترل کننده آن تعیین می شود، توسط خود موتور تعیین می شود. کنترل کننده موتور - یک واحد الکترونیک قدرت که ولتاژ باتری DC را به شکل موج های سه فاز AC مورد نیاز برای به حرکت درآوردن موتور بدون جاروبک تبدیل می کند - بر گشتاور خروجی، سرعت، ترمز احیاکننده، حفاظت حرارتی و ارتباط با سیستم های مدیریت خودرو نظارت می کند.

کنترل میدان گرا (FOC)، همچنین به عنوان کنترل برداری شناخته می شود، الگوریتم استاندارد فعلی برای کنترل کننده های موتور هاب با کارایی بالا است. FOC جریان موتور را به اجزای تولید کننده گشتاور و شار تجزیه می‌کند و بهینه‌سازی مستقل هر کدام را امکان‌پذیر می‌سازد - که منجر به تحویل گشتاور با سرعت کم نرم‌تر، راندمان اوج بالاتر، کاهش گرمایش موتور در بارهای جزئی و عملکرد ترمز احیاکننده بهتر در مقایسه با طرح‌های سینوسی یا ذوزنقه‌ای ساده‌تر می‌شود. برای کاربردهای دوچرخه الکترونیکی، کنترل‌کننده‌های FOC با حسگر گشتاور (سنسور پدال سنج فشار) حس کمک پدال طبیعی و پاسخگو را ایجاد می‌کنند که دوچرخه‌های برقی ممتاز را از محصولات سطح پایه با استفاده از سنسورهای سرعت چرخش ساده‌تر متمایز می‌کند.

ترمز احیا کننده - بازیابی انرژی جنبشی در حین کاهش سرعت با کارکردن موتور به عنوان ژنراتور و برگشت جریان به باتری - در موتورهای هاب درایو مستقیم موثرتر از موتورهای هاب دنده ای است به دلیل عدم وجود کلاچ یک طرفه (که از حرکت به عقب از طریق قطار دنده جلوگیری می کند). در سیستم‌های هدایت مستقیم، راندمان ترمز احیاکننده 60 تا 75 درصد بازیابی انرژی ترمز تحت کاهش سرعت متوسط ​​قابل دستیابی است که به طور معنی‌داری به برد سیستم کمک می‌کند - به ویژه در چرخه‌های رانندگی توقف-شروع شهری که ترمز مکرر است. در سطح سیستم خودرو، ترمز احیا کننده موثر می تواند محدوده دوچرخه های الکترونیکی را 5 تا 15 درصد در محیط های شهری افزایش دهد. و به طور قابل توجهی بیشتر در زمین های تپه ای که رویدادهای مکرر ترمز در سراشیبی فرصت های بازسازی بالایی را فراهم می کند.

منبع یابی، استانداردهای کیفیت و چشم انداز بازار

زنجیره تامین موتور هاب جهانی تحت تسلط تولیدکنندگان چینی - متمرکز در استان های ژجیانگ، گوانگدونگ و جیانگ سو - است که مجموعاً اکثریت قابل توجهی از موتورهای دوچرخه الکتریکی و هاب EV سبک فروخته شده در سراسر جهان را تولید می کنند. این غلظت منعکس کننده زنجیره تامین یکپارچه عمودی چین برای آهنرباهای دائمی (مواد خاکی کمیاب)، سیم‌پیچ‌های مسی، لایه‌های فولادی و الکترونیک قدرت است که تولید رقابتی با هزینه را در مقیاس غیرقابل دسترس در سایر نقاط ممکن می‌سازد.

تولیدکنندگان پیشرو موتور مرکزی چینی - از جمله بافانگ، شنگیی، تانگ‌شنگ و هاینزمان - محصولات مارک دار و قطعات OEM را به تولیدکنندگان دوچرخه الکترونیکی در سطح جهان عرضه می‌کنند. تولیدکنندگان اروپایی و آمریکای شمالی از جمله TM4 (در حال حاضر Dana TM4)، Elaphe، و Protean Electric بر روی سیستم‌های موتور هاب خودرویی با قدرت بالاتر تمرکز می‌کنند، جایی که الزامات کیفیت، مسئولیت و عملکرد، حق بیمه قابل توجه قیمت را نسبت به محصولات درجه مصرف آسیایی توجیه می‌کنند.

معیارهای کیفی کلیدی برای ارزیابی موتور توپی عبارتند از درجه آهنربا و حفظ (مگنت های N35-N52 NdFeB، با گلدان رزینی یا نگهدارنده مکانیکی برای جلوگیری از جدا شدن آهنربا تحت ارتعاش)، کیفیت سیم پیچ (سیم پیچ خودکار با شمارش چرخش ثابت و آزمایش یکپارچگی عایق)، مشخصات یاتاقان و پیش بار (تماس زاویه ای یا اندازه شیار عمیق برای خرس های ترکیبی و بار محوری). یکپارچگی ضد آب (تأیید رتبه IP از طریق آزمایش غوطه وری واقعی به جای محاسبه طراحی به تنهایی). برای بازارهای تنظیم شده، بسته به دسته خودرو و مقصد بازار، نشان CE (EU)، گواهینامه UL (US) و مطابقت با EN 15194 (استاندارد دوچرخه الکترونیکی اتحادیه اروپا) مورد نیاز است.