Hub Motor: Loại, Thông số kỹ thuật, Ứng dụng & Hướng dẫn mua hàng

Động cơ trung tâm là gì và nó hoạt động như thế nào?

A động cơ trung tâm là một động cơ điện được tích hợp trực tiếp vào trục bánh xe của ô tô, loại bỏ sự cần thiết của động cơ trung tâm, hộp số, bộ vi sai, trục truyền động và các liên kết cơ khí liên quan bằng cách đặt bộ truyền động tại điểm đẩy. Bánh xe là động cơ - hay chính xác hơn, rôto của động cơ là trục bánh xe và stato được cố định vào trục hoặc phuộc của xe. Kiến trúc cơ bản này thể hiện một trong những sự đơn giản hóa tinh tế nhất trong kỹ thuật xe điện, thu gọn nhiều bộ phận của hệ thống truyền động thành một cụm tích hợp duy nhất.

Trong một động cơ trung tâm điển hình, stato - mang cuộn dây đồng quấn - được cố định và đứng yên, gắn trên trục. Rôto - mang nam châm vĩnh cửu hoặc trong một số thiết kế là cuộn dây - bao quanh stato và quay cùng với bánh xe. Dòng điện cung cấp cho cuộn dây stato tạo ra từ trường quay tương tác với nam châm rôto để tạo ra mô-men xoắn, làm bánh xe quay. Hầu hết các động cơ trung tâm hiện đại là động cơ DC không chổi than (BLDC) hoặc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), sử dụng chuyển mạch điện tử thông qua bộ điều khiển động cơ thay vì chổi than vật lý. , đạt được hiệu suất 85–95% trong khi loại bỏ sự mài mòn và bảo trì liên quan đến chuyển mạch bàn chải.

Động cơ trung tâm được sản xuất theo hai cấu hình chính dựa trên việc trục đầu ra của động cơ quay trực tiếp với tốc độ bánh xe hay thông qua bộ giảm tốc hành tinh. Động cơ trung tâm dẫn động trực tiếp quay ở tốc độ bánh xe không có hộp số bên trong — trơn tru, im lặng và cơ học đơn giản, có khả năng tái tạo năng lượng phanh hiệu quả. Động cơ trung tâm có bánh răng kết hợp bộ giảm hành tinh nhỏ bên trong (thường là 3:1 đến 5:1) cho phép động cơ quay ở tốc độ cao hơn, hiệu quả hơn trong khi bánh xe quay ở tốc độ bình thường - cho phép động cơ nhỏ hơn, nhẹ hơn tạo ra mô-men xoắn tương đương với chi phí tăng thêm độ phức tạp cơ học và giảm hiệu suất một chút khi tái sinh.

Các loại và cấu hình động cơ Hub

Động cơ trung tâm có nhiều mức công suất, kích cỡ và cấu hình thiết kế khác nhau, mỗi loại được tối ưu hóa cho các loại xe và yêu cầu hiệu suất khác nhau. Hiểu được sự khác biệt giữa các cấu hình này là điều cần thiết để kết hợp các thông số kỹ thuật của động cơ trung tâm với nhu cầu ứng dụng.

Động cơ trung tâm dẫn động trực tiếp

Động cơ trung tâm dẫn động trực tiếp không có hộp số giảm tốc bên trong - rôto động cơ được ghép trực tiếp với bánh xe. Kiến trúc này mang lại một số ưu điểm đáng kể: hoạt động gần như im lặng, hiệu quả phanh tái tạo cao (stator đường kính lớn hoạt động như một máy phát hiệu quả khi phanh), không yêu cầu mài mòn hoặc bôi trơn bánh răng và độ tin cậy đặc biệt do không có bộ phận chuyển động ngoài vòng bi rôto. Hạn chế chính là yêu cầu đường kính động cơ lớn tạo ra đủ mô-men xoắn ở tốc độ quay thấp đặc trưng của vòng quay bánh xe - động cơ có đường kính lớn, số cực cao tạo ra nhiều mô-men xoắn trên mỗi amp ở tốc độ thấp so với động cơ có đường kính nhỏ tương đương, điều này giải thích tại sao động cơ trung tâm dẫn động trực tiếp thường lớn hơn và nặng hơn về mặt vật lý so với các động cơ truyền động có công suất tương đương.

Động cơ trung tâm truyền động trực tiếp là thông số kỹ thuật vượt trội trong các ứng dụng xe đạp điện hiệu suất cao trên 1.000W, xe đạp điện chở hàng, xe máy điện và xe điện hạng nhẹ, trong đó lợi thế về hiệu suất tái tạo và tuổi thọ dài của chúng chứng tỏ trọng lượng cao hơn so với các lựa chọn thay thế truyền động.

Động cơ trung tâm hướng

Động cơ trục bánh răng sử dụng động cơ bên trong tốc độ cao được kết nối với bánh xe thông qua bộ truyền bánh răng giảm tốc hành tinh, cho phép động cơ hoạt động ở tốc độ tối ưu về hiệu suất (thường là 400–600 vòng/phút cho bánh xe, đạt được mức giảm 3:1–5:1 so với động cơ hoạt động ở tốc độ 1.500–3.000 vòng/phút). Việc giảm tốc cho phép kích thước động cơ nhỏ hơn đáng kể và trọng lượng thấp hơn để tạo ra mô-men xoắn tương đương - động cơ trung tâm hướng 250W cho ứng dụng xe đạp điện thường nặng 2,5–3,5 kg so với 4–6 kg đối với động cơ dẫn động trực tiếp tương đương. Các bánh răng hành tinh trong động cơ trung tâm có bánh răng chất lượng thường được gia công từ nylon hoặc thép thiêu kết, với các bánh răng nylon mang lại khả năng vận hành êm hơn và các bánh răng thép mang lại công suất mô-men xoắn cao hơn và tuổi thọ dài hơn trong các ứng dụng nặng. Bộ ly hợp con lăn một chiều (cơ cấu quay tự do) trong động cơ trục bánh răng cho phép bánh xe quay tự do khi động cơ không được cấp nguồn — một lợi thế đáng kể về hiệu suất do con người cung cấp khi không tham gia hỗ trợ xe đạp điện, vì động cơ truyền động trực tiếp tạo ra lực cản từ tính khi xuống dốc.

Cấu hình rôto bên ngoài và cấu hình rôto bên trong

Trong cấu hình rôto bên ngoài (ra ngoài) - được sử dụng trong phần lớn các động cơ trung tâm - vỏ rôto mang nam châm vĩnh cửu quay quanh stato cố định, với rôto được nối trực tiếp với vành bánh xe. Cấu hình này tối đa hóa chiều dài cánh tay mô-men xoắn (đường kính rôto bằng cánh tay mô-men xoắn có sẵn) và rất phù hợp với các ứng dụng truyền động trực tiếp. Cấu hình rôto bên trong, trong đó rôto quay bên trong stato, được sử dụng trong một số thiết kế động cơ trục bánh răng tốc độ cao trong đó rôto nhỏ gọn cho phép tốc độ quay cao hơn và việc giảm bánh răng mang lại khả năng nhân mô men xoắn cần thiết.

Kiến trúc động cơ giữa và động cơ trung tâm

Mặc dù bản chất không phải là cấu hình động cơ trung tâm, nhưng việc so sánh giữa cấu trúc động cơ trung tâm và dẫn động giữa (gắn ở giữa) là một điểm quyết định quan trọng đối với các nhà thiết kế và người mua xe. Động cơ truyền động giữa - được gắn ở giá đỡ dưới cùng của xe đạp điện hoặc ở trung tâm hệ thống truyền động của xe - được hưởng lợi từ hộp số hiện có của xe, cho phép động cơ hoạt động ở phạm vi tốc độ tối ưu hiệu quả trong các điều kiện tải khác nhau. Ngược lại, động cơ trung tâm bị khóa theo tốc độ bánh xe, có nghĩa là chúng hoạt động ngoài hiệu suất tối ưu trong điều kiện mô-men xoắn cao, tốc độ thấp chẳng hạn như leo đồi từ trạng thái nghỉ. — một hạn chế vật lý cơ bản mà kiến trúc ổ đĩa giữa tránh được. Động cơ trung tâm bù đắp bằng độ phức tạp của hệ thống thấp hơn, chi phí thấp hơn, khả năng chống thấm tốt hơn (không có kết nối cơ học mở với hệ thống truyền động) và tháo bánh xe dễ dàng hơn để bảo dưỡng lốp xẹp ở cấu hình bánh xe không có động cơ trung tâm.

Thông số kỹ thuật chính

Ứng dụng trên các loại xe

Động cơ trung tâm đã đạt được sự thống trị về mặt thương mại trong các phân khúc xe cụ thể trong khi vẫn phát triển hoặc chiếm lĩnh vị trí thích hợp ở những phân khúc khác. Mô hình áp dụng phản ánh những ưu điểm và hạn chế thực sự của công nghệ khi phù hợp với yêu cầu về hiệu suất của từng loại phương tiện.

Xe đạp điện và xe đạp điện chở hàng

Xe đạp điện đại diện cho thị trường động cơ trung tâm lớn nhất toàn cầu tính theo số lượng đơn vị, với hơn 40 triệu xe đạp điện được bán hàng năm trên toàn thế giới - phần lớn được cung cấp bởi động cơ trung tâm. Động cơ trung tâm phía sau là cấu hình chủ đạo trong xe đạp điện tiêu dùng, cung cấp các chế độ truyền động hỗ trợ bàn đạp và ga trong khi vẫn duy trì tính đơn giản giúp giá bán lẻ thấp và yêu cầu dịch vụ tối thiểu. Xe đạp điện chở hàng — chở trọng tải 100–300 kg để giao hàng chặng cuối, vận chuyển gia đình và hậu cần thương mại — ngày càng chỉ định động cơ trung tâm phía sau dẫn động trực tiếp mô-men xoắn cao hoặc động cơ trung tâm truyền động mạnh mẽ trong phạm vi 500–1.500W có thể duy trì tải nặng trên mặt phẳng mà không bị quá tải nhiệt.

Xe máy điện và xe máy

Xe máy điện - từ các đội xe di chuyển vi mô dùng chung được triển khai tại các thành phố trên toàn cầu cho đến xe tay ga đi lại cá nhân tương đương 125cc chiếm ưu thế ở thị trường châu Á - sử dụng chủ yếu động cơ trục đơn phía sau trong phạm vi 1–5 kW. Cấu trúc động cơ trung tâm đặc biệt phù hợp với xe tay ga vì thiết kế khung từng bậc không mang lại vị trí tự nhiên cho động cơ gắn giữa và trọng tâm thấp của động cơ trung tâm góp phần tích cực vào việc xử lý. Xe máy điện hiệu suất cao đang bắt đầu áp dụng cấu hình động cơ trung tâm ở bánh sau cho các ứng dụng trong đó việc đóng gói đơn giản và giảm phân tích đánh đổi khối lượng không có lò xo, thiên về cấu trúc trong bánh hơn là truyền động xích hoặc đai từ động cơ trung tâm.

Xe lăn điện và thiết bị hỗ trợ di chuyển

Động cơ trung tâm là giải pháp hệ thống truyền động phổ biến dành cho xe lăn chạy bằng điện, xe tay ga di chuyển và thiết bị vận chuyển cá nhân dành cho người dùng bị suy giảm khả năng di chuyển. Cấu trúc nhỏ gọn, độ ồn thấp và khả năng điều khiển bánh xe độc ​​lập — cho phép điều khiển vi sai bằng cách thay đổi tốc độ và hướng của bánh lái bên trái và bên phải — khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng mà khả năng cơ động trong không gian hạn chế trong nhà là điều tối quan trọng. Cảm biến mô-men xoắn và điều khiển tốc độ thấp mượt mà ở tốc độ đi bộ phụ là những yêu cầu quan trọng về hiệu suất giúp phân biệt bộ điều khiển động cơ trung tâm hỗ trợ di chuyển với bộ điều khiển tập trung vào điều khiển tốc độ đơn giản hơn được sử dụng trong xe đạp điện giải trí.

Ô tô Hub Motors: Hiện trạng và thách thức

Bất chấp sự quan tâm phát triển trong nhiều thập kỷ và nhiều cuộc trình diễn nguyên mẫu, động cơ trung tâm vẫn chưa đạt được sự thâm nhập đáng kể vào thị trường xe du lịch và xe thương mại - trái ngược với sự thống trị của chúng trong các loại xe nhẹ hơn. Những thách thức kỹ thuật chính đã hạn chế việc áp dụng động cơ trung tâm ô tô là khối lượng không có lò xo, quản lý nhiệt và độ phức tạp của việc tích hợp cấu trúc. Khối lượng không có nhíp - khối lượng của các bộ phận không được hỗ trợ bởi lò xo treo, bao gồm bánh xe, phanh và (trong xe có động cơ trung tâm) bản thân động cơ - trực tiếp làm giảm chất lượng lái và khả năng bám đường. Động cơ trung tâm tăng thêm 20–30 kg cho mỗi bánh dẫn động làm tăng đáng kể khối lượng không có lò xo so với cách bố trí động cơ trung tâm, đòi hỏi phải thiết kế lại hệ thống treo để duy trì khả năng vận hành và khả năng xử lý ở mức chấp nhận được. Một số nhà cung cấp công nghệ và OEM ô tô — bao gồm Protean Electric, Elaphe và NovaDrive — đã phát triển hệ thống động cơ trung tâm cấp ô tô nhằm giải quyết những thách thức này thông qua việc giảm khối lượng và thiết kế hệ thống treo chủ động tích hợp, với việc triển khai thương mại bắt đầu xuất hiện trong các ứng dụng xe buýt và xe đặc biệt, nơi độ nhạy khối lượng không có lò xo thấp hơn so với ô tô chở khách.

Tích hợp bộ điều khiển động cơ và phanh tái tạo

Hiệu suất của hệ thống động cơ trung tâm được xác định nhiều bởi bộ điều khiển của nó cũng như bởi chính động cơ. Bộ điều khiển động cơ - một bộ phận điện tử công suất chuyển đổi điện áp pin DC thành dạng sóng AC ba pha cần thiết để điều khiển động cơ không chổi than - điều khiển công suất mô-men xoắn, tốc độ, phanh tái tạo, bảo vệ nhiệt và liên lạc với hệ thống quản lý phương tiện.

Điều khiển hướng trường (FOC), còn được gọi là điều khiển véc tơ, là thuật toán tiêu chuẩn hiện nay cho bộ điều khiển động cơ trung tâm hiệu suất cao. FOC phân tách dòng điện của động cơ thành các thành phần tạo ra mô-men xoắn và tạo ra từ thông, cho phép tối ưu hóa độc lập từng thành phần — mang lại khả năng phân phối mô-men xoắn ở tốc độ thấp mượt mà hơn, hiệu suất đỉnh cao hơn, giảm nhiệt động cơ ở mức tải một phần và hiệu suất phanh tái tạo tốt hơn so với các sơ đồ chuyển mạch hình sin hoặc hình thang đơn giản hơn. Đối với các ứng dụng xe đạp điện, bộ điều khiển FOC tích hợp cảm biến mô-men xoắn (cảm biến bàn đạp đo độ biến dạng) tạo ra cảm giác hỗ trợ bàn đạp phản ứng tự nhiên, giúp phân biệt xe đạp điện tử cao cấp với các sản phẩm cấp thấp sử dụng cảm biến nhịp (tốc độ quay) đơn giản hơn.

Phanh tái sinh - phục hồi động năng trong quá trình giảm tốc bằng cách vận hành động cơ như một máy phát điện và đưa dòng điện trở về pin - có hiệu quả hơn ở động cơ trung tâm dẫn động trực tiếp so với động cơ trung tâm truyền động do không có ly hợp một chiều (ngăn cản việc lái lùi qua bộ truyền bánh răng). Trong các hệ thống dẫn động trực tiếp, hiệu suất phanh tái tạo có thể đạt được từ 60–75% năng lượng phanh thu hồi khi giảm tốc độ vừa phải, đóng góp đáng kể vào phạm vi hoạt động của hệ thống — đặc biệt là trong các chu trình lái xe dừng-khởi động trong đô thị nơi phanh thường xuyên. Ở cấp độ hệ thống xe, phanh tái tạo hiệu quả có thể mở rộng phạm vi hoạt động của xe đạp điện thêm 5–15% trong môi trường đô thị và hơn thế nữa ở địa hình đồi núi, nơi thường xuyên phải phanh khi xuống dốc mang lại cơ hội tái tạo cao.

Tìm nguồn cung ứng, tiêu chuẩn chất lượng và bối cảnh thị trường

Chuỗi cung ứng động cơ trung tâm toàn cầu bị chi phối bởi các nhà sản xuất Trung Quốc - tập trung ở các tỉnh Chiết Giang, Quảng Đông và Giang Tô - những người sản xuất phần lớn đáng kể động cơ trung tâm xe đạp điện và xe điện nhẹ được bán trên toàn thế giới. Sự tập trung này phản ánh chuỗi cung ứng tích hợp theo chiều dọc của Trung Quốc đối với nam châm vĩnh cửu (vật liệu đất hiếm), cuộn dây đồng, cán thép và điện tử công suất cho phép sản xuất cạnh tranh về chi phí ở quy mô không có ở nơi nào khác.

Các nhà sản xuất động cơ trung tâm hàng đầu của Trung Quốc - bao gồm Bafang, Shengyi, Tongsheng và Heinzmann - cung cấp cả sản phẩm có thương hiệu và linh kiện OEM cho các nhà sản xuất xe đạp điện trên toàn cầu. Các nhà sản xuất Châu Âu và Bắc Mỹ bao gồm TM4 (nay là Dana TM4), Elaphe và Protean Electric tập trung vào các hệ thống động cơ trung tâm cấp ô tô công suất cao hơn, nơi các yêu cầu về chất lượng, trách nhiệm pháp lý và hiệu suất phù hợp với mức giá cao hơn đáng kể so với các sản phẩm dành cho người tiêu dùng Châu Á.

Tiêu chí chất lượng chính để đánh giá động cơ trung tâm bao gồm cấp độ và khả năng giữ nam châm (nam châm N35–N52 NdFeB, có lớp nhựa hoặc khả năng giữ cơ học để ngăn nam châm bị mất liên kết khi rung), chất lượng cuộn dây (cuộn dây tự động với số vòng quay nhất quán và kiểm tra tính toàn vẹn cách điện), thông số kỹ thuật và tải trước vòng bi (tiếp xúc góc hoặc vòng bi rãnh sâu có kích thước cho tải trọng hướng tâm và hướng trục kết hợp của ứng dụng) và tính toàn vẹn của khả năng chống thấm (xác minh xếp hạng IP thông qua thử nghiệm ngâm thực tế thay vì chỉ tính toán thiết kế). Đối với các thị trường được quản lý, bắt buộc phải có nhãn CE (EU), chứng nhận UL (Mỹ) và tuân thủ EN 15194 (tiêu chuẩn xe đạp điện của EU) tùy thuộc vào danh mục xe và điểm đến của thị trường.