ハブモーター: タイプ、仕様、アプリケーション、購入ガイド

ハブモーターとは何ですか?またどのように機能しますか?

A ハブモーター は、車両のホイールハブに直接組み込まれた電気モーターであり、ドライブユニットを推進点自体に配置することで、中央モーター、トランスミッション、ディファレンシャル、ドライブシャフト、および関連する機械的リンケージの必要性を排除します。ホイールはモーターです。より正確には、モーターのローターはホイールハブであり、ステーターは車両の車軸またはフォークに固定されています。この基本的なアーキテクチャは、電気自動車エンジニアリングにおける最もエレガントな簡素化の 1 つを表しており、複数のドライブトレイン コンポーネントを 1 つの統合アセンブリにまとめています。

一般的なハブ モーターでは、銅コイルを巻いたステーターが固定され、車軸に取り付けられています。ローター（永久磁石、または一部の設計では巻線を搭載）はステーターを囲み、ホイールとともに回転します。ステーターコイルに供給される電流は回転磁界を生成し、ローター磁石と相互作用してトルクを生成し、ホイールを回転させます。 最新のハブ モーターのほとんどはブラシレス DC (BLDC) または永久磁石同期モーター (PMSM) であり、物理的なブラシではなくモーター コントローラーを介した電子整流を使用します。 85 ～ 95% の効率を達成しながら、ブラシの整流に伴う摩耗やメンテナンスの手間を省きます。

ハブ モーターは、モーター出力シャフトがホイール速度で直接回転するか、遊星減速機を介して回転するかに基づいて、2 つの主な構成で製造されます。ダイレクトドライブハブモーターは、内部ギアなしで車輪速度で回転します。スムーズで静か、機械的にシンプルで、ブレーキエネルギーを効率的に回生する機能を備えています。ギア付きハブ モーターには、小さな内部遊星歯車減速機構 (通常 3:1 ～ 5:1) が組み込まれており、ホイールが通常の速度で回転しながら、モーターがより高速でより効率的に回転できるようになります。これにより、機械的複雑さが追加され、回生時の効率がわずかに低下しますが、同等のトルク出力を得るためにモーターを小型軽量化することが可能になります。

ハブモーターの種類と構成

ハブ モーターは幅広い出力レベル、サイズ、設計構成に及び、それぞれがさまざまな車両クラスや性能要件に合わせて最適化されています。これらの構成の違いを理解することは、ハブ モーターの仕様をアプリケーションの要求に適合させるために不可欠です。

ダイレクトドライブハブモーター

ダイレクトドライブハブモーターには内部減速ギアが含まれておらず、モーターローターはホイールに直接結合されています。このアーキテクチャには、いくつかの重要な利点があります。それは、ほぼ静かな動作、高い回生ブレーキ効率 (ブレーキ時に大径ステーターが効果的な発電機として機能する)、ギアの磨耗や潤滑剤の必要がないこと、ローター ベアリング以外に可動部品がないことによる卓越した信頼性です。主な制限は、車輪の回転に特有の低速回転速度で十分なトルクを生成するには、大きなモーター直径が必要であることです。大直径で極数の多いモーターは、小直径の同等モーターよりも低速でアンペアあたりのトルクが大きくなります。これが、ダイレクトドライブハブモーターが通常、同等の出力のギア付きモーターよりも物理的に大きくて重い理由を説明しています。

ダイレクトドライブハブモーターは、1,000Wを超える高性能電動自転車アプリケーション、カーゴ電動自転車、電動スクーター、小型電気自動車などの主要な仕様であり、回生効率の利点と長い耐用年数により、ギア付きの代替品よりも重量が割高になることが正当化されます。

ギヤードハブモーター

ギア付きハブ モーターは、遊星減速歯車列を介してホイールに接続された高速内部モーターを使用し、モーターが効率の最適な速度で動作できるようにします (通常、ホイールの場合は 400 ～ 600 RPM、1,500 ～ 3,000 RPM で動作するモーターから 3:1 ～ 5:1 の減速によって達成されます)。ギア減速により、同等のトルク出力でモーターの寸法を大幅に小さくし、重量を軽減できます。電動自転車アプリケーション用の 250W ギア付きハブ モーターの重量は通常 2.5 ～ 3.5 kg ですが、ダイレクト ドライブ同等のモーターでは 4 ～ 6 kg です。高品質のギア付きハブ モーターの遊星ギアは通常、ナイロンまたは焼結鋼から機械加工されており、ナイロン ギアはより静かな動作を実現し、スチール ギアはヘビーデューティ用途でより高いトルク容量と長寿命を実現します。ギア付きハブ モーターのワンウェイ ローラー クラッチ (フリーホイール機構) により、モーターに電力が供給されていないときにホイールが自由に回転します。これは、ダイレクト ドライブ モーターが惰性走行時に磁気抵抗を引き起こすため、電動自転車アシストが作動していないときの人力効率にとって大きな利点となります。

アウターローターとインナーローターの構成

大部分のハブ モーターで使用されているアウター ローター (アウトランナー) 構成では、永久磁石を搭載したローター シェルが固定ステーターの周りを回転し、ローターはホイール リムに直接接続されます。この構成はトルク アームの長さを最大化し (ローターの直径は利用可能なトルク アームに等しい)、ダイレクト ドライブ アプリケーションに最適です。ローターがステーター内で回転するインナーローター構成は、一部の高速ギア付きハブ モーターの設計で使用されており、コンパクトなローターにより高い回転速度が可能になり、ギア減速により必要なトルクが増大します。

ミッドドライブとハブモーターのアーキテクチャ

それ自体はハブ モーター構成ではありませんが、ハブ モーターとミッドドライブ (中央搭載) アーキテクチャの比較は、車両設計者と購入者にとって重要な決定点です。電動自転車のボトムブラケットまたは車両のドライブトレインセンターに取り付けられたミッドドライブモーターは、車両の既存のギアトランスミッションの恩恵を受け、さまざまな負荷条件にわたってモーターが効率の最適な速度範囲で動作できるようにします。 対照的に、ハブ モーターは車輪速度にロックされるため、静止状態からの登坂などの高トルク、低速条件下では最適効率を超えて動作します。 — ミッドドライブ アーキテクチャが回避する基本的な物理的制約。ハブ モーターは、システムの複雑さの軽減、コストの削減、防水性の向上 (ドライブトレインへのオープンな機械的接続が不要)、および非ハブ モーター ホイール構成でのパンク修理のためのホイールの取り外しの容易さによって補います。

主要な技術仕様

車両カテゴリー全体にわたるアプリケーション

ハブモーターは、特定の車両セグメントでは商業的優位性を獲得していますが、他のセグメントでは開発途上またはニッチなままです。採用パターンは、各車両カテゴリの性能要件と照らし合わせた場合のテクノロジーの真の利点と限界を反映しています。

電動自転車とカーゴ電動自転車

電動自転車は、数量ベースで世界最大のハブ モーター市場を代表しており、世界中で年間 4,000 万台を超える電動自転車が販売されており、その大部分がハブ モーターによって駆動されています。リアハブモーターは消費者向け電動自転車の主流の構成であり、低小売価格と最小限のサービス要件を可能にするシンプルさを維持しながら、ペダルアシストとスロットル駆動モードを提供します。ラストワンマイルの配達、家族輸送、商用物流などで 100 ～ 300 kg のペイロードを運ぶ貨物用電動自転車では、熱過負荷なく勾配上の重荷重に耐えることができる、高トルクのダイレクトドライブ リア ハブ モーターまたは 500 ～ 1,500 W の強力なギア付きハブ モーターを指定するケースが増えています。

電動スクーターとバイク

電動スクーターは、世界中の都市に展開されている共有マイクロモビリティフリートから、アジア市場で主流の 125cc 相当の個人用通勤スクーターまで、圧倒的に 1 ～ 5 kW の範囲のシングルリアハブモーターを使用しています。ハブ モーターのアーキテクチャは、ステップスルー フレーム設計によりミッドマウント モーターを自然な位置に配置できず、ハブ モーターの低重心がハンドリングにプラスに寄与するため、スクーターに特に適しています。高性能電動バイクは、パッケージングの簡素化とバネ下重量の軽減のトレードオフ分析により、中央モーターからのチェーンまたはベルトドライブよりもインホイールアーキテクチャが好まれる用途向けに、後輪にハブモーター構成を採用し始めています。

電動車椅子と移動補助具

ハブ モーターは、電動車椅子、モビリティ スクーター、および身体の不自由なユーザー向けの個人用輸送機器のためのユニバーサル ドライブトレイン ソリューションです。このアーキテクチャのコンパクトなパッケージング、低ノイズ、独立したホイール制御により、左右の駆動輪の速度と方向を変えることで差動ステアリングが可能になり、屋内の限られたスペースでの操作性が最重要視される用途に最適です。 トルク感知と歩行以下の速度でのスムーズな低速制御が重要な性能要件です これにより、移動補助ハブ モーター コントローラーと、レクリエーション用電動自転車で使用される単純な速度制御に重点を置いたコントローラーとが区別されます。

車載用ハブモーターの現状と課題

数十年にわたる開発の関心と多数のプロトタイプのデモンストレーションにもかかわらず、ハブ モーターは乗用車および商用車市場ではまだ大幅な普及を達成していません。これは、軽量車両カテゴリーにおけるハブ モーターの優位性とは対照的です。自動車用ハブモーターの採用を制限している主なエンジニアリング上の課題は、バネ下の質量、熱管理、構造統合の複雑さです。バネ下質量 (ホイール、ブレーキ、(ハブ モーター車両の) モーター自体など、サスペンション スプリングでサポートされていないコンポーネントの質量) は、乗り心地とロードホールディング能力を直接低下させます。各駆動輪にハブ モーターの重量が 20 ～ 30 kg 追加されるため、中央にモーターを配置した場合と比較してバネ下質量が大幅に増加するため、許容できる乗り心地とハンドリングを維持するにはサスペンションの再設計が必要になります。 Protean Electric、Elaphe、NovaDrive を含むいくつかの自動車 OEM および技術サプライヤーは、質量削減と統合アクティブ サスペンション設計を通じてこれらの課題に対処する自動車グレードのハブ モーター システムを開発しており、バネ下重量の感度が乗用車よりも低いバスや特殊車両の用途で商用導入が始まり始めています。

モーターコントローラーの統合と回生ブレーキ

ハブ モーター システムのパフォーマンスは、モーター自体だけでなくコントローラーによっても決まります。モーター コントローラー (DC バッテリー電圧をブラシレス モーターの駆動に必要な三相 AC 波形に変換するパワー エレクトロニクス ユニット) は、トルク出力、速度、回生ブレーキ、熱保護、および車両管理システムとの通信を制御します。

ベクトル制御としても知られるフィールド指向制御 (FOC) は、高性能ハブ モーター コントローラーの現在の標準アルゴリズムです。 FOC はモーター電流をトルク生成成分と磁束生成成分に分解し、それぞれを独立して最適化できるようにします。その結果、単純な正弦波または台形整流スキームと比較して、低速トルクの伝達がスムーズになり、ピーク効率が向上し、部分負荷でのモーターの発熱が低減され、回生ブレーキ性能が向上します。電動自転車アプリケーションの場合、トルク センサー (ひずみゲージ ペダル センサー) を統合した FOC コントローラーは、よりシンプルなケイデンス (回転速度) センサーを使用したエントリーレベルの製品とプレミアム電動自転車を区別する、自然で応答性の高いペダル アシストの感触を生み出します。

回生ブレーキ (モーターを発電機として動作させ、電流をバッテリーに戻すことで減速中の運動エネルギーを回収すること) は、ワンウェイ クラッチ (ギア トレインによる逆駆動を防止する) がないため、ギア付きハブ モーターよりもダイレクトドライブ ハブ モーターの方が効果的です。ダイレクトドライブ システムでは、中程度の減速下で制動エネルギー回収の 60 ～ 75% という回生制動効率が達成可能であり、特に制動が頻繁に行われる都市部のアイドリングストップ運転サイクルにおいて、システムの航続距離に大きく貢献します。 車両システムレベルでは、効果的な回生ブレーキにより、都市環境で電動自転車の航続距離を 5 ～ 15% 延長できます。 さらに、頻繁な下り坂でのブレーキングイベントにより回生の機会が多くなる丘陵地では、特にその傾向が顕著です。

調達、品質基準、市場の状況

世界のハブモーターのサプライチェーンは、浙江省、広東省、江蘇省に集中する中国メーカーが独占しており、世界中で販売されている電動自転車や小型EVのハブモーターの大部分を共同で生産している。この集中は、永久磁石（希土類材料）、銅巻線、鋼板積層、パワーエレクトロニクスの中国の垂直統合サプライチェーンを反映しており、他では不可能な規模でのコスト競争力のある生産を可能にしている。

Bafang、Shengyi、Tongsheng、Heinzmann などの中国の大手ハブ モーター メーカーは、ブランド製品と OEM コンポーネントの両方を世界中の電動自転車メーカーに供給しています。 TM4 (現 Dana TM4)、Elaphe、Protean Electric などのヨーロッパおよび北米のメーカーは、品質、信頼性、および性能要件により、アジアの消費者グレードの製品よりも大幅な価格プレミアムが正当化される、高出力の自動車グレードのハブ モーター システムに焦点を当てています。

ハブ モーターの評価の主な品質基準には、磁石のグレードと保持力 (N35 ～ N52 NdFeB 磁石、振動による磁石の剥離を防ぐための樹脂ポッティングまたは機械的保持器付き)、巻線の品質 (一定の巻数と絶縁完全性テストによる自動巻線)、軸受の仕様と予圧 (用途のラジアル荷重とアキシアル荷重の組み合わせに合わせてサイズ設定されたアンギュラ コンタクトまたは深溝軸受)、および防水完全性 (設計計算のみではなく実際の浸漬試験による IP 定格の検証) が含まれます。規制市場の場合、車両カテゴリと市場の目的地に応じて、CE マーキング (EU)、UL 認証 (米国)、および EN 15194 準拠 (EU 電動自転車規格) が必要です。