Nabenmotordesign Für Elektrofahrräder

DIE ELEKTROMOTORENTYPEN IN E-BIKES

E-Bikes wurden in den 1890er Jahren als Symbol des Wohlstands erfunden, haben sich aber im Laufe des letzten Jahrhunderts zu einem umweltfreundlichen und zugänglichen Verkehrsmittel entwickelt, das den Fahrer verbesserte Möglichkeiten bietet, auch längere Strecken und steileres Gelände zu erobern. In diesem Artikel werden die technischen Feinheiten des Elektromotors, der diese E-Bikes antreibt, untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der kostengünstigen und gängigen Bauweise von Nabenmotoren liegt.

DIE ELEKTROMOTORENTYPEN IN E-BIKES

Ein Elektrofahrrad integriert einen Elektromotor und eine Batterie in den Antriebsmechanismus eines Fahrrads, um das angetriebene Rad anzutreiben oder zu unterstützen (Abbildung 1). Der Elektromotor ist die Schlüsselkomponente bei der Bestimmung der Fahrradleistung, wobei die beiden am häufigsten verwendeten Motoren Mittelantriebsmotoren und Nabenmotoren sind.

• Mittelantriebsmotoren. Der Mittelantriebsmotor ist in den Pedalmechanismus integriert und überträgt die Kraft über das Ketten- und Kettenradsystem des Fahrrads. Zu den Vorteilen dieses Motortyps gehören eine ausgezeichnete Gewichtsverteilung und eine reduzierte Masse, wodurch er sich gut für Geländefahrten oder das Befahren von steilen Steigungen eignet. Aufgrund der Komplexität der Installation und der zusätzlichen beweglichen Teilen sind sie jedoch auch kostenintensiver. Auch die Wartung dieser Systeme ist in der Regel umfangreicher und erfordert regelmäßige Aufmerksamkeit und spezielle Pflege.

• Nabenmotoren. Der Nabenmotor ist die gängigste E-Bike-Lösung, da er sich in der Mitte des Hinterrads befindet und aus weniger beweglichen Teilen besteht als bei Mittelantriebsmotoren. Dies macht ihn zu einer kostengünstigeren und wartungsärmeren (aber auch weniger leistungsfähigen) Option, die sich ideal für einen flachen und gut befestigten Fahruntergrund eignet.

AUSLEGUNG VON NABENMOTOREN

Das Design des Nabenmotors ersetzt die herkömmliche Achse in der Radnabe durch die Motorwelle. Der aus Kupferwicklungen bestehende Stator wird an der Achse befestigt, während der äußere Drehteil Magnete auf der Radnabe enthält. Ein Rückkopplungsmechanismus erkennt die Rotorposition und ermöglicht den Stromfluss durch die Wicklungen, um das Rad zu drehen und den Antrieb zu unterstützen. Der Nabenmotor selbst ist ein bürstenloser Aussenläufer-Gleichstrommotor, der einen Planetengetriebe zur Verbesserung der Drehmomentabgabe enthält.

LEISTUNGSMERKMALE VON NABENMOTOREN

TDie Leistungsdaten eines Nabenmotors erfordern ein leichtes und kompaktes Gehäuse mit hoher Drehmomentabgabe bei hoher Drehzahl. Die inhärenten Konstruktionsmerkmale von BLDC-Motoren zwingen zu einem Kompromiss zwischen Drehmoment und Drehzahl. Die gewünschte Leistung kann durch Anpassung der Motorauslegungsvariablen erreicht werden. Beispielsweise können Motordurchmesser und -länge variiert werden, um das verfügbare Drehmoment zu beeinflussen. Eine Vergrößerung der Motorlänge erhöht proportional das Motordrehmoment, während eine Vergrößerung des Durchmessers das Drehmoment um das Quadrat der proportionalen Erhöhung steigert. Die Anzahl der Motorpolpaare wirkt sich auch direkt auf die Drehmomenterzeugung aus; eine höhere Polzahl führt jedoch zu niedrigeren maximalen Drehzahlen. Der Motorwirkungsgrad, ein wichtiges Merkmal des Nabenmotors, bestimmt die Reichweite des E-Bikes pro Ladevorgang; er kann auch durch die Wahl des Laminierstahls, die Nutenform, die die Kupferwicklungen enthält, und den Prozentsatz der Schlitzfüllung bestimmt werden.

KOMPROMISSE BEI DER AUSLEGUNG VON NABENMOTOREN

Der Konstrukteur muss Motorgewicht, Kompaktheit, Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosten in Einklang bringen, um ein Design zu erstellen, das die Leistung des E-Bikes optimiert. Zu den weiteren Faktoren zählen eine hohe Leistungsdichte, ein breiter Drehzahlbereich und Robustheit. Nabenmotor-Konstrukteure sollten diese Faktoren in einen hochwertigen Nabenmotor mit den richtigen Materialien und der richtigen Motortopologie integrieren. Um die Motorlänge zu minimieren, wird ein ein- oder zweistufiges Planetengetriebesystem mit einem typischen Übersetzungsverhältnis von 4:1 oder 5:1 für eine einzelne Stufe verwendet. Für die Zahnräder sollte ein leichtes Polymer-Material ausgewählt werden, während Sonnen- und Hohlräder mit Pulvermetallurgie hergestellt werden sollten. Ein reibungsloser Betrieb erfordert eine Getriebequalität von DIN 8 bis 9. Die ausgewählten Werkstoffe in Kombination mit einem kompakten, hocheffizienten Motor schaffen die ideale Lösung für das Elektrofahrrad.

BEHÖRDLICHE ZERTIFIZIERUNGEN

Der Nabenmotor muss darüber hinaus so ausgelegt und zertifiziert sein, dass er die verschiedenen Sicherheitsvorschriften erfüllt, die für die geografische Einsatzregion gelten. Ordnungsgemäße Tests und Validierungen (in der Regel durch eine unabhängige Stelle) sind erforderlich, um nachzuweisen, dass alle Vorschriften erfüllt wurden. Beispielsweise müssen in Europa verkaufte Geräte der Norm EN 15194 entsprechen.

FAZIT

Nabenmotoren sind eine kostengünstige, wartungsarme Option für Elektrofahrräder, die auf ebenen Flächen eingesetzt werden. Die bürstenlose Gleichstromtechnologie und ein Planetengetriebesystem sind entscheidende Komponenten für den Konstruktionsprozess des Nabenmotors und sorgen für die hohe Drehmomentleistung und Effizienz, die für die Leistung und Reichweite eines E-Bikes pro Ladevorgang entscheidend sind. Portescap ist mit den Anforderungen an die Konstruktion von Nabenmotoren bestens vertraut und in der Lage, eine einzigartige Bewegungslösung für diese Anwendung zu entwerfen und anzupassen. Wenden Sie sich an unsere Experten unter www.portescap.com, um mit unserer Zusammenarbeit zu beginnen.