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Diseño de motores para bicicletas eléctricas

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LOS TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DE LAS EBIKES

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las bicicletas eléctricas surgieron en la década de 1890 como símbolo de riqueza, pero en el último siglo se han convertido en un medio de transporte accesible y respetuoso con el medio ambiente que mejora la capacidad de los ciclistas para recorrer distancias más largas y terrenos más escarpados. Este artículo profundiza en los matices técnicos del motor eléctrico que propulsa las eBikes, centrándose en el rentable y frecuente diseño del motor de buje.

LOS TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DE LAS EBIKES

Una bicicleta eléctrica integra un motor eléctrico y una batería en el mecanismo de transmisión de una bicicleta para proporcionar propulsión o asistencia a la propulsión a la rueda motriz (Figura 1). El motor eléctrico es el componente clave para determinar el rendimiento de la bicicleta, y los dos motores más utilizados son los de tracción central y los de buje.

- Motores de tracción central. El motor de accionamiento central se integra en el mecanismo de pedaleo, transfiriendo la potencia a través del sistema de cadena y piñón de la bicicleta. Las ventajas de este tipo de motor incluyen una excelente distribución del peso y una masa reducida, lo que lo hace idóneo para circular fuera de carretera o superar pendientes pronunciadas. Sin embargo, también son más caros debido a la complejidad de su instalación y a la presencia de piezas móviles adicionales. El mantenimiento de estos sistemas también tiende a ser más complicado, ya que requieren atención periódica y cuidados especializados.

- Motores de cubo. El motor de buje es la solución más común para bicicletas eléctricas, ya que está situado en el centro de la rueda trasera y consta de menos piezas móviles que los motores de transmisión central. Esto lo convierte en una opción de menor coste y mantenimiento (aunque menos potente), ideal para superficies planas y bien pavimentadas.

DISEÑO DEL MOTOR DE BUJE

El diseño del motor de buje sustituye el eje tradicional del cubo de la rueda por el eje del motor. El estator, compuesto por bobinas de cobre, se fija al eje, mientras que la sección giratoria exterior aloja imanes fijados al cubo de la rueda. Un mecanismo de retroalimentación detecta la posición del rotor, facilitando el flujo de corriente a través de las bobinas para hacer girar la rueda y ayudar a la propulsión. El propio motor del cubo es un diseño de motor de corriente continua sin escobillas que incorpora un tren de engranajes planetarios para mejorar la salida de par.

CARACTERÍSTICAS DE RENDIMIENTO DE LOS MOTORES DE CUBO

Las especificaciones de rendimiento de un motor de buje exigen un conjunto ligero y compacto con un elevado par de salida a alta velocidad. Las características de diseño inherentes a los motores BLDC obligan a un compromiso entre par y velocidad. El rendimiento deseado puede alcanzarse ajustando las variables de diseño del motor. Por ejemplo, el diámetro y la longitud del motor pueden variar para influir en el par disponible. Aumentar la longitud del motor incrementa proporcionalmente el par motor, mientras que aumentar su diámetro incrementa el par al cuadrado del incremento proporcional. El número de pares de polos del motor también afecta directamente a la producción de par; sin embargo, un mayor número de polos se traducirá en velocidades máximas más bajas. La eficiencia del motor, un atributo clave del motor de buje, determina la autonomía de la eBike por carga; también puede venir determinada por la elección del acero de laminación, la forma de la ranura que contiene los bobinados de cobre y el porcentaje de relleno de la ranura.

EQUILIBRIOS EN EL DISEÑO DEL MOTOR DE BUJE

El ingeniero de diseño debe equilibrar el peso, la compacidad, la eficiencia, la fiabilidad y el coste del motor para crear un diseño que optimice el rendimiento de la eBike. Otros factores son la alta densidad de potencia, el amplio rango de velocidades y la robustez. Los diseñadores de motores de buje deben incorporar estos factores en un motor de buje de alta calidad con los materiales y la topología de motor adecuados. Para minimizar la longitud del motor, se utiliza un sistema de engranajes planetarios de una o dos etapas, con una relación de transmisión típica de 4:1 o 5:1 para una sola etapa. El material seleccionado para los engranajes debe consistir en un polímero ligero, mientras que los engranajes de sol y anillo deben fabricarse con pulvimetalurgia. Para un funcionamiento suave, la calidad de los engranajes debe ser DIN 8 a 9. Estas selecciones, en combinación con un motor compacto y de alto rendimiento, crean la solución ideal para la bicicleta eléctrica.

CERTIFICACIONES DE AGENCIAS

El motor de buje también debe diseñarse y certificarse para cumplir las distintas normativas de seguridad asociadas a la región geográfica de funcionamiento. Se requieren pruebas y validaciones adecuadas (normalmente a través de una agencia de terceros) para demostrar que se han cumplido todas las normativas. Por ejemplo, las unidades vendidas en Europa deben cumplir las normas EN-15194.

CONCLUSIÓN

Los motores de buje son una opción rentable y de bajo mantenimiento para las bicicletas eléctricas que se utilizarán en superficies planas. La tecnología de corriente continua sin escobillas y un sistema de engranajes planetarios son componentes críticos en el proceso de diseño del motor de buje, garantizando un alto par de salida y la eficiencia que son vitales para el rendimiento y la autonomía por carga de una eBike. Portescap conoce bien los requisitos de diseño de motores de buje y es totalmente capaz de diseñar y personalizar una solución de movimiento única para esta aplicación. Póngase en contacto con nuestros expertos en www.portescap.com para empezar a colaborar.