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Progettazione di motori per biciclette elettriche

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I TIPI DI MOTORI ELETTRICI NELLE BICICLETTE ELETTRICHE

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le eBike sono nate inizialmente nel 1890 come simbolo di ricchezza, ma nell'ultimo secolo si sono trasformate in un mezzo di trasporto ecologico e accessibile, migliorando le capacità dei ciclisti di percorrere distanze più lunghe e terreni più ripidi. Questo articolo approfondisce le sfumature tecniche del motore elettrico che alimenta le eBike, concentrandosi sul design economico e prevalente del motore al mozzo.

I TIPI DI MOTORI ELETTRICI NELLE BICICLETTE ELETTRICHE

Una bicicletta elettrica integra un motore elettrico e una batteria nel meccanismo di trasmissione di una bicicletta per fornire propulsione o assistenza alla ruota motrice (Figura 1). Il motore elettrico è il componente chiave per determinare le prestazioni della bicicletta; i due motori più comuni sono i motori mid-drive e i motori al mozzo.

- Motori mid-drive. Il motore mid-drive si integra con il meccanismo dei pedali, trasferendo la potenza attraverso il sistema di catene e pignoni della bicicletta. Tra i vantaggi di questo tipo di motore vi sono l'eccellente distribuzione del peso e la massa ridotta, che lo rendono adatto al fuoristrada o alla percorrenza di pendenze elevate. Tuttavia, sono anche più costosi a causa della complessità dell'installazione e della presenza di parti mobili aggiuntive. Anche la manutenzione di questi sistemi tende a essere più impegnativa, richiedendo attenzioni regolari e cure specializzate.

- Motori a mozzo. Il motore al mozzo è la soluzione più comune per le biciclette elettriche, essendo situato al centro della ruota posteriore e composto da un numero inferiore di parti mobili rispetto ai motori mid-drive. Questo lo rende un'opzione a basso costo e a bassa manutenzione (anche se meno potente), ideale per le superfici piane e ben pavimentate.

DESIGN DEL MOTORE AL MOZZO

Il design del motore al mozzo sostituisce il tradizionale asse all'interno del mozzo della ruota con l'albero del motore. Lo statore, composto da avvolgimenti di rame, è collegato all'asse, mentre la sezione rotante esterna ospita magneti fissati al mozzo della ruota. Un meccanismo di feedback rileva la posizione del rotore, facilitando il flusso di corrente attraverso gli avvolgimenti per far ruotare la ruota e favorire la propulsione. Il motore del mozzo stesso è un motore CC brushless a rotazione esterna che incorpora un treno di ingranaggi planetari per aumentare la coppia in uscita.

CARATTERISTICHE PRESTAZIONALI DEI MOTORI MOZZO

Le specifiche delle prestazioni di un motore al mozzo richiedono un pacchetto leggero e compatto con un'elevata coppia erogata ad alta velocità. Le caratteristiche intrinseche dei motori BLDC impongono un compromesso tra coppia e velocità. Le prestazioni desiderate possono essere ottenute regolando le variabili di progettazione del motore. Ad esempio, il diametro e la lunghezza del motore possono essere variati per influenzare la coppia disponibile. L'aumento della lunghezza del motore aumenta proporzionalmente la coppia del motore, mentre l'aumento del diametro aumenta la coppia del quadrato dell'aumento proporzionale. Anche il numero di coppie di poli del motore influisce direttamente sulla produzione di coppia; tuttavia, un numero maggiore di poli comporta velocità massime inferiori. L'efficienza del motore, un attributo chiave del motore al mozzo, determina l'autonomia dell'eBike per carica; può essere determinata anche dalla scelta dell'acciaio di laminazione, dalla forma della scanalatura che contiene gli avvolgimenti in rame e dalla percentuale di riempimento della scanalatura.

COMPROMESSI NELLA PROGETTAZIONE DEL MOTORE AL MOZZO

Il progettista deve bilanciare peso, compattezza, efficienza, affidabilità e costo del motore per creare un progetto che ottimizzi le prestazioni dell'eBike. Altri fattori sono l'alta densità di potenza, l'ampia gamma di velocità e la robustezza. I progettisti di motori al mozzo devono incorporare questi fattori in un motore al mozzo di alta qualità con i giusti materiali e la giusta topologia del motore. Per ridurre al minimo la lunghezza del motore, si utilizza un sistema di ingranaggi planetari a uno o due stadi, con un rapporto di trasmissione tipico di 4:1 o 5:1 per un singolo stadio. Il materiale scelto per gli ingranaggi dovrebbe essere un polimero leggero, mentre gli ingranaggi solari e ad anello dovrebbero essere prodotti con la metallurgia delle polveri. Per un funzionamento regolare, la qualità degli ingranaggi deve essere DIN 8-9. Queste selezioni, in combinazione con un motore compatto e ad alta efficienza, creano la soluzione ideale per la bicicletta elettrica.

CERTIFICAZIONI DELL'AGENZIA

Il motore al mozzo deve anche essere progettato e certificato per soddisfare le varie normative di sicurezza associate all'area geografica di funzionamento. Per dimostrare che tutte le norme sono state rispettate, sono necessari test e convalide adeguati (di solito tramite un'agenzia terza). Ad esempio, le unità vendute in Europa devono essere conformi agli standard EN-15194.

CONCLUSIONE

I motori al mozzo sono un'opzione economica e a bassa manutenzione per le biciclette elettriche che vengono utilizzate su superfici piane. La tecnologia DC senza spazzole e il sistema di ingranaggi planetari sono componenti fondamentali per il processo di progettazione dei motori al mozzo, in quanto assicurano un'elevata coppia in uscita e un'efficienza fondamentale per le prestazioni e l'autonomia di una eBike. Portescap conosce bene i requisiti di progettazione dei motori al mozzo ed è pienamente in grado di progettare e personalizzare una soluzione di movimento unica per questa applicazione. Contattate i nostri esperti all'indirizzo www.portescap.com per iniziare a collaborare.