トルクセンサーは電動自転車でどのように機能しますか?知っておくべきことすべて

最新のペダルアシスト電動自転車に乗ったことがある人なら、トルクセンサーによって可能になるスムーズで直感的な動力伝達を体験したことがあるでしょう。ペダリングを単に検出する基本的なケイデンスベースのシステムとは異なり、トルク センサーはペダルをどれだけ強く踏んでいるかを測定します。モーターはあなたの努力に比例して反応し、後ろをさらに押すだけで、従来の自転車に乗るのと非常によく似た乗車体験を生み出します。

この技術をより深いレベルで理解しようとしているエンジニア、プロダクト マネージャー、電動自転車ブランド向けに、この記事では、電動自転車でのトルク センサーの仕組み、関連する工学原理、このコンポーネントがどのようにハブ モーター システムと統合され、ライダーがすぐに気づく乗り心地を実現するかについて正確に説明します。

電動自転車のトルクセンサーとは何ですか?

電動自転車のトルク センサーは、ライダーがペダルに加える機械的な力を電気信号に変換する精密測定装置です。この信号はモーター コントローラーに送信され、モーター コントローラーはそれを使用してモーターが供給する電力量を調整します。重要な違いは、システムが次のように応答することです。 力 、単なる動きではありません。軽く押すとモーターが優しくアシストします。しっかりと押すと、モーターはそれに応じてより大きな出力で応答します。

センサーは基本的に、ライダーがトルクを加えたときに機械部品 (多くの場合、ボトム ブラケット アクスル、クランク アーム、または専用のセンサー スピンドル) に発生するねじれや曲げひずみを測定します。このため、クランクが回転しているかどうかのみを検出するケイデンスセンサーとは根本的に異なるテクノロジーになります。

トルクセンサーの仕組み: エンジニアリングの説明

電動自転車トルクセンサーの動作原理は、次の 3 つの段階に分類できます。 機械的変形 , 電気変換 、そして 信号処理 .

1. 機械的変形: 中心部のひずみゲージ

電動自転車で使用されるほとんどのトルクセンサーは、 ひずみゲージ 。ひずみゲージは、伸長または圧縮されると電気抵抗が変化する小さな箔状の抵抗器です。ボトムブラケットトルクセンサーでは、ゲージは車軸またはスピンドルの特別に機械加工された部分に接着されています。ライダーがペダルを踏むと、その力によってこの車軸がわずかに (通常はほんの 1 度だけ) ねじれるねじれ応力が生じます。この微細なねじれはひずみゲージを変形させるのに十分であり、加えられたトルクに比例して抵抗が変化します。

ひずみゲージは通常、完全なホイートストン ブリッジ構成で配線され、温度変化やその他の環境要因の影響を打ち消し、測定感度を最大化します。この設計により、幅広い動作条件下で信号が正確で安定していることが保証されます。

2. 電気変換: 抵抗から電圧へ

ひずみゲージブリッジの抵抗変化は非常に小さいため、読み取り可能な電気信号に変換する必要があります。センサー アセンブリには、小型のアナログ デジタル コンバーター (ADC) と増幅回路が含まれています。車軸がねじれると、ブリッジに小さな電圧差が生じます。アンプはこの信号をモーター コントローラーが解釈できるレベルまでブーストします。高度なシステムでは、信号が 1 秒あたり数百回サンプリングされ、ライダーがどの程度の力を生成しているのかについてのリアルタイム データが提供されます。

3. 信号処理: 労力を電力に変換する

処理されたトルク信号は電動自転車のモーター コントローラーに送信されます。コントローラーは、この入力をケイデンス (ペダリング速度) や自転車の現在の速度などの他のパラメーターと比較します。次に、適切なモーター出力を計算します。ほとんどのコントローラーはトルク比例マップを使用します。ライダーが選択した PAS (ペダル アシスト システム) レベルに応じて、ペダリング力の 10% では特定のモーター出力が得られ、80% ではさらに高い出力が得られます。

ペダルのストロークからモーターの応答に至るまでのこのプロセス全体は、ミリ秒単位で行われます。その結果、力を入れてからアシストするまでの遅延が感じられず、反応が良く、ダイレクトで自然な乗り心地が得られます。

さまざまな電動自転車モーター構成を評価している場合は、このセンサー技術がさまざまな駆動システムとどのように組み合わされるかを理解することが役立ちます。私たちの 電動自転車ハブモーターソリューション このページでは、提供したいライディング エクスペリエンスに基づいて、モーターの種類とセンサー テクノロジーを適合させるためのガイダンスを提供します。

トルクセンサー設計の種類

トルク センサーは、物理的なレイアウトや測定方法が大きく異なる場合があります。これらは、量産電動自転車に見られる最も一般的なデザインです。

ボトムブラケットトルクセンサー

としても知られています BBトルクセンサー 、これらはボトムブラケット領域、つまりクランクアームがフレームに取り付けられるシェルに統合されています。センサー スピンドル自体が標準のアクスルと置き換わります。ライダーが加えたトルクがクランク軸を直接通過するため、これが最も一般的な場所です。 BB トルク センサーは正確で堅牢であり、校正も比較的簡単です。

リアアクスルトルクセンサー

一部のハブ モーター システムでは、トルク感知コンポーネントがリア アクスル領域に組み込まれています。これらのセンサーは、クランクのねじれを測定する代わりに、ドライブトレインの反力トルク、つまりチェーンがハブに対して引っ張る力の量を測定します。この設計は、比例的なアシストを提供しながらモーター パッケージを簡素化するため、リア ハブ モーター バイクで使用されることがあります。

ボトムブラケットに取り付けられたセンサーとコントローラーの統合

特定のモーター システムでは、トルク センサーがモーター コントローラー自体と統合されており、場合によっては単一の密閉ユニットに組み込まれています。この構成は、コントローラーがモーターに隣接して配置されるハブ モーター変換およびミッドドライブ ユニットで一般的です。これにより、個別のコンポーネントの数が減り、センサーとコントローラー間の信号経路が短縮されます。

トルクセンサーとハブモーター: 自然にフィット

トルク センサーは、HENTACH の製造専門知識の焦点であるハブ モーターと非常によく連携します。あ ブラシレスDCハブモーター 中間のドライブトレイン損失を発生させずに、ホイールに直接パワーを伝達します。トルクセンサーを追加すると、まるでライダー自身の脚の延長のような細やかなレスポンスを実現します。

この組み合わせは、地形や荷重が常に変化するカーゴバイク、コミューターバイク、マウンテン電動バイクに特に効果的です。急な坂道で重い荷物を運ぶ配達員は、即時の比例トルクの恩恵を受けます。ストップアンドゴーの交通を走行する都市部の通勤者は、トルク感知ハブ モーターが提供する予測可能で自然な加速を高く評価しています。

トルクセンシングハブモーターでライダーが気づくこと

ライダーの観点からは、トルク感知システムとケイデンス感知システムの違いはすぐに明らかです。トルクセンサーを使用すると、バイクはスムーズかつ予測どおりに加速します。坂道を登るにはライダーにより多くの努力が必要ですが、モーターはその努力にさらなるパワーを与えて報います。対照的に、ケイデンス センサーはオン/オフ スイッチのように感じられることが多く、クランクが回転するとすぐにモーターがフルパワーを供給するため、唐突で洗練されていないように感じることがあります。

メーカーにとって、適切なセンサーとモーターの組み合わせを選択することは重要な決定です。モーターのトルク特性、コントローラーのチューニング、センサーの応答性はすべて、最終的な乗り心地に影響します。これが、多くの電動自転車 OEM が開発中にモーター メーカーと緊密に提携することを選択する理由です。 HENTACH では、お客様と幅広く協力して、特定のアプリケーションのニーズに合わせてモーターとセンサーのパラメーターを調整してきました。 カーゴバイクモーター またはコンパクトな都市型ハブモーター。

トルクセンサーの耐久性と信頼性

トルクセンサーに関する一般的な懸念の 1 つは耐久性です。これらはドライブトレイン内に配置され、一定の機械的負荷にさらされるため、大きな応力に耐えられるように設計および製造する必要があります。ひずみゲージ自体はセンサー ハウジング内に密閉され、保護化合物に浸されて湿気、ほこり、振動から保護されています。

生産時の品質管理は不可欠です。特にキャリブレーションには精度が必要です。各センサーは、同じ入力力に対して一貫した出力を生成する必要があります。そうしないと、モーターの応答が一貫しなくなります。当社の施設では、厳格なテスト手順に従い、ISO 9001 品質基準を保持し、すべてのモーターとセンサー システムが数千マイルにわたって確実に動作することを保証します。この耐久性への取り組みが、HENTACH ハブ モーターが要求の厳しい市場にサービスを提供するメーカーから信頼されている理由の 1 つです。

適切なトルク検出モーター システムの選択

新しい電動自転車モデルを計画する場合、モーターとセンサーの選択は、ターゲットのユースケースに応じて決定する必要があります。ここでは、選択肢を絞り込むための簡単なガイドを示します。

• 都市部の通勤や軽いレクリエーション: トルクセンサーを備えた 250W ～ 500W のリアハブモーターは、効率、応答性、シンプルさのバランスの取れた組み合わせを提供します。これは都市型電動自転車の最も一般的な仕様です。
• 貨物およびヘビーデューティ用途: 500W ～ 1000W の高トルク ハブ モーターと堅牢なトルク センサーを組み合わせることで、負荷がかかっても強力な加速とスムーズな制御を実現します。
• オフロードとマウンテンライディング: マウンテン電動自転車モーターは、高いピークトルク値を測定できるセンサーの恩恵を受けています。広い測定範囲を備えたセンサーにより、木の根、岩、急な坂道を走行するときにモーターが正確にアシストを提供できます。
• コンパクトな折りたたみ電動自転車: トルクセンサーを内蔵したミニハブモーターは、スペースが限られている小径自転車に最適です。

開発プロセスの初期段階にあり、モーター仕様の決定にサポートが必要な場合は、当社のチームが定期的に OEM と協力してカスタム モーター ソリューションを定義します。当社の標準ハブ モーターのラインナップを調べて、プロジェクトの出発点を見つけることができます。

トルクセンサーとスマートモーター制御

電動自転車技術が進歩するにつれて、トルク センサーはより広範なインテリジェント モーター制御戦略の重要なコンポーネントになりつつあります。最新のコントローラーは、トルク信号に固定係数を単純に乗算するわけではありません。トルク入力とケイデンスデータ、車両速度、バッテリーの充電状態を組み合わせ、場合によっては統合センサーモジュールからの傾斜データを組み合わせて、洗練されたアシスト曲線を作成します。

これにより、スムーズな起動トルク、速度制限、エネルギー効率の向上などの機能が可能になります。たとえば、ライダーが停止状態から発進すると、トルク センサーが最初の押し込みを検出し、コントローラーがモーター出力をスムーズに増加させ、ケイデンスのみのシステムによくありがちなぎくしゃくした動きを防ぎます。同様に、高速域では、ライダーがリラックスするにつれてコントローラーはアシストを段階的に減らし、ペダリングと惰性走行の間のシームレスな移行を実現します。

センサーを理解しているモーターメーカーと協力する

トルク センサーの性能は、組み合わせるモーターとコントローラーによって決まります。電動自転車のハブ モーターを調達する場合、完全な統合の課題を理解しているメーカーと協力することが重要です。 HENTACH では、ハブ モーターを製造し、お客様と緊密に連携して、コントローラーの調整、通信プロトコル、センサーの校正が特定のアプリケーションごとに最適化されていることを確認します。

カーゴバイク、シティコミューター、ファットタイヤ電動自転車、マウンテン電動自転車用のモーターを製造した経験から、「適切な」トルクセンサーの動作はユースケースによって異なることが分かりました。配送フリートのオペレーターは、重い荷物や頻繁な停止を管理するために、一貫した予測可能なトルクを求めています。レクリエーションライダーは自然で自転車のような感覚を求めています。マウンテンバイカーは、テクニカルな地形での最大限のコントロールと即時性を求めています。

設計プロセスの早い段階でモーター、センサー、コントローラーの選択を調整することで、統合の問題を回避し、顧客が期待するライディングエクスペリエンスを提供できます。 OEM および電動自転車ブランドが仕様段階で当社と協力することをお勧めします。この協力的なアプローチは、 カスタムモーターの開発 正確なパフォーマンス目標を達成するためのサービス。

次の e バイク プロジェクトでトルク センシング ハブ モーターを評価している場合は、当社のエンジニアリングの観点を喜んで共有し、お客様のニーズを満たすために当社のモーター システムをどのように構成できるかについて話し合います。パフォーマンス、航続距離、乗り心地の明確な目標がある場合、適切に統合されたトルク センサーとハブ モーター パッケージが、優れた電動自転車と真に優れた電動自転車の違いとなります。