Motore del mozzo: tipi, specifiche, applicazioni e guida all'acquisto

Che cos'è un motore del mozzo e come funziona?

A motore del mozzo è un motore elettrico integrato direttamente nel mozzo della ruota di un veicolo, eliminando la necessità di un motore centrale, trasmissione, differenziale, albero di trasmissione e collegamenti meccanici associati posizionando l'unità di trasmissione nel punto di propulsione stessa. La ruota è il motore o, più precisamente, il rotore del motore è il mozzo della ruota e lo statore è fissato all'asse o alla forcella del veicolo. Questa architettura fondamentale rappresenta una delle semplificazioni più eleganti nell’ingegneria dei veicoli elettrici, riunendo più componenti della trasmissione in un unico assieme integrato.

In un tipico motore con mozzo, lo statore, che trasporta bobine di rame avvolte, è fisso e stazionario, montato sull'asse. Il rotore, che trasporta magneti permanenti o in alcuni modelli gli avvolgimenti, circonda lo statore e ruota con la ruota. La corrente elettrica fornita alle bobine dello statore genera un campo magnetico rotante che interagisce con i magneti del rotore per produrre coppia, motrice della rotazione della ruota. La maggior parte dei moderni motori con mozzo sono motori CC senza spazzole (BLDC) o motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), che utilizzano la commutazione elettronica tramite un controller del motore anziché spazzole fisiche , ottenendo efficienze dell'85–95% eliminando al tempo stesso l'usura e la manutenzione associate alla commutazione delle spazzole.

I motori con mozzo sono prodotti in due configurazioni principali a seconda che l'albero di uscita del motore ruoti direttamente alla velocità della ruota o tramite un riduttore epicicloidale. I motori con mozzo a trasmissione diretta ruotano alla velocità delle ruote senza ingranaggi interni: fluidi, silenziosi e meccanicamente semplici, con la capacità di rigenerare l'energia di frenata in modo efficiente. I motori con mozzo a ingranaggi incorporano una piccola riduzione planetaria interna (tipicamente da 3:1 a 5:1) che consente al motore di girare a velocità più elevate ed efficienti mentre la ruota gira a velocità normale, consentendo motori più piccoli e leggeri per una coppia erogata equivalente al costo di una certa complessità meccanica aggiuntiva e di una leggera riduzione dell'efficienza durante la rigenerazione.

Tipi e configurazioni del motore del mozzo

I motori del mozzo coprono un'ampia gamma di livelli di potenza, dimensioni e configurazioni di progettazione, ciascuno ottimizzato per diverse classi di veicoli e requisiti di prestazioni. Comprendere le distinzioni tra queste configurazioni è essenziale per abbinare le specifiche del motore del mozzo alle richieste dell'applicazione.

Motori con mozzo a trasmissione diretta

I motori con mozzo a trasmissione diretta non contengono riduttori interni: il rotore del motore è accoppiato direttamente alla ruota. Questa architettura offre numerosi vantaggi significativi: funzionamento quasi silenzioso, elevata efficienza di frenata rigenerativa (lo statore di grande diametro agisce come un generatore efficace durante la frenata), nessuna usura degli ingranaggi o requisiti di lubrificante ed eccezionale affidabilità grazie all'assenza di parti mobili oltre i cuscinetti del rotore. La limitazione principale è il requisito che un motore di grande diametro generi una coppia sufficiente alle basse velocità di rotazione caratteristiche della rotazione della ruota: un motore di grande diametro e con un elevato numero di poli produce più coppia per amp a bassa velocità rispetto a un equivalente di piccolo diametro, il che spiega perché i motori con mozzo a trasmissione diretta sono in genere fisicamente più grandi e più pesanti delle alternative con ingranaggi di potenza equivalente.

I motori con mozzo a trasmissione diretta sono la specifica dominante nelle applicazioni per biciclette elettriche ad alte prestazioni superiori a 1.000 W, biciclette elettriche da carico, scooter elettrici e veicoli elettrici leggeri dove il vantaggio in termini di efficienza rigenerativa e la lunga durata giustificano il sovrapprezzo in termini di peso rispetto alle alternative con cambio.

Motori con mozzo riduttore

I motori con mozzo con riduttore utilizzano un motore interno ad alta velocità collegato alla ruota tramite un treno di ingranaggi di riduzione planetaria, consentendo al motore di funzionare alla sua velocità ottimale di efficienza (tipicamente 400–600 giri al minuto per la ruota, ottenuta attraverso una riduzione di 3:1–5:1 da un motore che funziona a 1.500–3.000 giri al minuto). La riduzione dell'ingranaggio consente dimensioni del motore significativamente più piccole e un peso inferiore per una coppia erogata equivalente: un motore con mozzo con cambio da 250 W per un'applicazione e-bike pesa in genere 2,5–3,5 kg contro 4–6 kg per un equivalente a trasmissione diretta. Gli ingranaggi planetari nei motori con mozzo con riduttore di qualità sono generalmente realizzati in nylon o acciaio sinterizzato, con ingranaggi in nylon che offrono un funzionamento più silenzioso e ingranaggi in acciaio che forniscono una maggiore capacità di coppia e una maggiore durata nelle applicazioni pesanti. Le frizioni a rulli unidirezionali (meccanismi a ruota libera) nei motori con mozzo con cambio consentono alla ruota di girare liberamente quando il motore non è alimentato: un vantaggio significativo per l'efficienza a propulsione umana quando l'assistenza della bici elettrica non è attivata, poiché i motori ad azionamento diretto impongono una resistenza magnetica durante la guida per inerzia.

Configurazioni del rotore esterno e del rotore interno

Nella configurazione del rotore esterno (outrunner), utilizzata nella maggior parte dei motori con mozzo, il guscio del rotore che trasporta i magneti permanenti ruota attorno allo statore fisso, con il rotore direttamente collegato al cerchione della ruota. Questa configurazione massimizza la lunghezza del braccio di reazione (il diametro del rotore è uguale al braccio di reazione disponibile) ed è particolarmente adatta alle applicazioni con azionamento diretto. Le configurazioni del rotore interno, in cui il rotore gira all'interno dello statore, vengono utilizzate in alcuni progetti di motori con mozzo con cambio ad alta velocità in cui il rotore compatto consente velocità di rotazione più elevate e la riduzione dell'ingranaggio fornisce la necessaria moltiplicazione della coppia.

Architettura a trazione centrale e motore nel mozzo

Sebbene non si tratti di una configurazione di motore nel mozzo di per sé, il confronto tra le architetture del motore nel mozzo e quelle a trasmissione centrale (montate centralmente) è un punto decisionale critico per i progettisti e gli acquirenti di veicoli. I motori a trazione centrale, montati sul movimento centrale di una e-bike o al centro della trasmissione di un veicolo, beneficiano della trasmissione ad ingranaggi esistente del veicolo, consentendo al motore di funzionare nella sua gamma di velocità ottimale in termini di efficienza in condizioni di carico variabili. I motori del mozzo, al contrario, sono bloccati alla velocità delle ruote, il che significa che funzionano al di fuori della loro efficienza ottimale in condizioni di coppia elevata e bassa velocità, come in salita da fermo. - un vincolo fisico fondamentale che le architetture mid-drive evitano. I motori con mozzo compensano con una minore complessità del sistema, costi inferiori, migliore impermeabilità (nessuna connessione meccanica aperta alla trasmissione) e una più facile rimozione delle ruote per la manutenzione di pneumatici a terra in configurazioni di ruote senza motore e mozzo.

Specifiche tecniche principali

Applicazioni in tutte le categorie di veicoli

I motori con mozzo hanno raggiunto il dominio commerciale in specifici segmenti di veicoli, pur rimanendo di sviluppo o di nicchia in altri. Il modello di adozione riflette i reali vantaggi e limiti della tecnologia se confrontati con i requisiti prestazionali di ciascuna categoria di veicoli.

Biciclette elettriche ed E-Bike da carico

Le e-bike rappresentano il più grande mercato globale di motori con mozzo in termini di volume unitario, con oltre 40 milioni di e-bike vendute ogni anno in tutto il mondo, la maggior parte alimentate da motori con mozzo. I motori del mozzo posteriore sono la configurazione dominante nelle e-bike di consumo, fornendo modalità di pedalata assistita e di guida con acceleratore pur mantenendo la semplicità che consente prezzi al dettaglio bassi e requisiti di servizio minimi. Le e-bike cargo, che trasportano carichi utili di 100-300 kg per consegne dell'ultimo miglio, trasporto familiare e logistica commerciale, richiedono sempre più spesso motori con mozzo posteriore a trasmissione diretta a coppia elevata o potenti motori con mozzo con cambio nella gamma da 500-1.500 W in grado di sostenere carichi pesanti in pendenza senza sovraccarico termico.

Scooter e motocicli elettrici

Gli scooter elettrici – dalle flotte di micromobilità condivise distribuite nelle città di tutto il mondo agli scooter personali per pendolari equivalenti a 125 cc dominanti nei mercati asiatici – utilizzano in stragrande maggioranza motori a mozzo posteriore singolo nella gamma 1-5 kW. L'architettura del motore nel mozzo è particolarmente adatta agli scooter perché il design del telaio a gradini non fornisce una posizione naturale per un motore montato centralmente e il baricentro basso dei motori nel mozzo contribuisce positivamente alla manovrabilità. Le motociclette elettriche ad alte prestazioni stanno iniziando ad adottare configurazioni di motori nel mozzo nelle ruote posteriori per applicazioni in cui la semplicità del packaging e l'analisi del compromesso ridotto della massa non sospesa favoriscono l'architettura interna alla ruota rispetto alle trasmissioni a catena o a cinghia dei motori centrali.

Sedie a rotelle elettriche e ausili per la mobilità

I motori con mozzo sono la soluzione di trasmissione universale per sedie a rotelle elettriche, scooter per disabili e dispositivi di trasporto personale per utenti con mobilità ridotta. L'architettura compatta, la bassa rumorosità e il controllo delle ruote indipendenti, che consente la sterzata differenziale variando la velocità e la direzione delle ruote motrici sinistra e destra, lo rendono ideale per le applicazioni in cui la manovrabilità in spazi interni ristretti è fondamentale. Il rilevamento della coppia e il controllo uniforme a bassa velocità a velocità inferiori a quelle di marcia sono requisiti prestazionali critici che distinguono i controller del motore del mozzo degli ausili alla mobilità dai più semplici controller focalizzati sul controllo della velocità utilizzati nelle e-bike ricreative.

Motori con mozzo automobilistico: stato attuale e sfide

Nonostante decenni di interesse per lo sviluppo e numerose dimostrazioni di prototipi, i motori sui mozzi non hanno ancora raggiunto una penetrazione significativa nei mercati delle autovetture e dei veicoli commerciali, in contrasto con la loro posizione dominante nelle categorie di veicoli più leggeri. Le principali sfide ingegneristiche che hanno limitato l’adozione dei motori nei mozzi automobilistici sono la massa non sospesa, la gestione termica e la complessità dell’integrazione strutturale. La massa non sospesa - la massa dei componenti non supportati dalle molle delle sospensioni, comprese ruote, freni e (in un veicolo a motore con mozzo) i motori stessi - degrada direttamente la qualità di guida e la capacità di tenuta di strada. Un motore sul mozzo che aggiunge 20-30 kg a ciascuna ruota motrice aumenta significativamente la massa non sospesa rispetto a una disposizione del motore centrale, richiedendo una riprogettazione delle sospensioni per mantenere una guida e una manovrabilità accettabili. Diversi OEM automobilistici e fornitori di tecnologia, tra cui Protean Electric, Elaphe e NovaDrive, hanno sviluppato sistemi di motori per mozzi di livello automobilistico che affrontano queste sfide attraverso la riduzione della massa e progetti di sospensioni attive integrate, con implementazioni commerciali che iniziano ad emergere in applicazioni di autobus e veicoli speciali in cui la sensibilità della massa non sospesa è inferiore rispetto alle autovetture.

Integrazione del controller motore e frenatura rigenerativa

Le prestazioni di un sistema con motore nel mozzo sono determinate tanto dal suo controller quanto dal motore stesso. Il controller del motore, un'unità elettronica di potenza che converte la tensione CC della batteria nelle forme d'onda CA trifase necessarie per azionare il motore brushless, regola la coppia erogata, la velocità, la frenata rigenerativa, la protezione termica e la comunicazione con i sistemi di gestione del veicolo.

Il controllo ad orientamento di campo (FOC), noto anche come controllo vettoriale, è l'attuale algoritmo standard per i controller dei motori dei mozzi ad alte prestazioni. Il FOC decompone la corrente del motore in componenti di produzione di coppia e di flusso, consentendo l'ottimizzazione indipendente di ciascuno, con conseguente erogazione di coppia a bassa velocità più fluida, efficienza di picco più elevata, riscaldamento ridotto del motore a carichi parziali e migliori prestazioni di frenata rigenerativa rispetto ai più semplici schemi di commutazione sinusoidali o trapezoidali. Per le applicazioni e-bike, i controller FOC con integrazione del sensore di coppia (sensore pedale estensimetrico) producono la sensazione naturale e reattiva di pedalata assistita che distingue le e-bike premium dai prodotti entry-level che utilizzano sensori di cadenza (velocità di rotazione) più semplici.

La frenata rigenerativa, ovvero il recupero dell'energia cinetica durante la decelerazione azionando il motore come un generatore e restituendo la corrente alla batteria, è più efficace nei motori con mozzo a trasmissione diretta rispetto ai motori con mozzo con cambio a causa dell'assenza di frizioni unidirezionali (che impediscono la retromarcia attraverso il treno di ingranaggi). Nei sistemi a trasmissione diretta, l'efficienza della frenata rigenerativa pari al 60-75% del recupero dell'energia di frenata è ottenibile con una decelerazione moderata, contribuendo in modo significativo all'autonomia del sistema, in particolare nei cicli di guida urbana con arresti e partenze in cui le frenate sono frequenti. A livello di sistema del veicolo, un’efficace frenata rigenerativa può estendere l’autonomia delle e-bike del 5-15% negli ambienti urbani e significativamente di più su terreni collinari dove frequenti frenate in discesa offrono elevate opportunità di rigenerazione.

Approvvigionamento, standard di qualità e panorama del mercato

La catena di fornitura globale dei motori per mozzi è dominata da produttori cinesi – concentrati nelle province di Zhejiang, Guangdong e Jiangsu – che collettivamente producono la stragrande maggioranza dei motori per mozzi per e-bike e veicoli elettrici leggeri venduti in tutto il mondo. Questa concentrazione riflette la catena di fornitura integrata verticalmente della Cina per magneti permanenti (materiali delle terre rare), avvolgimenti in rame, laminazioni in acciaio ed elettronica di potenza che consente una produzione su larga scala a costi competitivi non disponibile altrove.

I principali produttori cinesi di motori per mozzi, tra cui Bafang, Shengyi, Tongsheng e Heinzmann, forniscono sia prodotti di marca che componenti OEM ai produttori di biciclette elettriche a livello globale. I produttori europei e nordamericani, tra cui TM4 (ora Dana TM4), Elaphe e Protean Electric, si concentrano su sistemi di motori con mozzo di livello automobilistico ad alta potenza in cui i requisiti di qualità, responsabilità e prestazioni giustificano il significativo sovrapprezzo rispetto ai prodotti asiatici di livello consumer.

I criteri di qualità chiave per la valutazione del motore del mozzo includono il grado e la ritenzione del magnete (magneti NdFeB N35–N52, con resinatura o ritenzione meccanica per prevenire il distacco del magnete sotto vibrazione), la qualità dell'avvolgimento (avvolgimento automatizzato con conteggio di giri costante e test di integrità dell'isolamento), specifiche e precarico dei cuscinetti (cuscinetti a contatto angolare o a gola profonda dimensionati per i carichi radiali e assiali combinati dell'applicazione) e integrità dell'impermeabilità (verifica del grado di protezione IP tramite test di immersione effettivi anziché il solo calcolo del progetto). Per i mercati regolamentati, sono richiesti il ​​marchio CE (UE), la certificazione UL (USA) e la conformità EN 15194 (standard UE per biciclette elettriche) a seconda della categoria del veicolo e della destinazione del mercato.