Mittelmotor oder Radnabenmotor: Vorteile und Grenzen jeder Architektur

Ein leichtes Elektrofahrzeug kann seinen Motor an zwei Stellen tragen: im Rad selbst (Radnabenmotor) oder am Rahmen befestigt, mit einer Kette oder einem Riemen, der das Rad antreibt (Mittelmotor). Keine der beiden Lösungen ist absolut gesehen besser. Der Radnabenmotor ist einfach, kompakt und leise; der Mittelmotor profitiert von einer Untersetzung, belastet die Federung weniger und lässt sich leichter kühlen. Deshalb verwenden fast alle E-Scooter Radnabenmotoren und leichte Elektromotorräder eher Mittelmotoren.

Zwei Arten, ein Rad zu drehen

Der Radnabenmotor

In einem Radnabenmotor ist der Stator (der gewickelte Teil) an der Achse befestigt, und die äußere Glocke, die mit Magneten bestückt ist, dreht sich und trägt die Felge. Das Rad dreht sich also exakt mit der Motorgeschwindigkeit. Um ohne Untersetzung viel Drehmoment zu erzeugen, sind ein großer Durchmesser, viele Pole und breite Magnete erforderlich: Das erklärt das Gewicht eines leistungsstarken E-Scooter-Motors. Unser Leitfaden zum Radnabenmotor beschreibt seine Konstruktion im Detail.

Beispiel aus unseren Datenblättern: Der Radnabenmotor XHS75 wiegt etwa 8 kg und bietet 6.000 W Nennleistung bei einer Leerlaufdrehzahl von 2.340 U/min bei 60 V. Es ist ein Motor mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment, der dafür ausgelegt ist, ein E-Scooter-Rad direkt anzutreiben.

Der Mittelmotor

Ein Mittelmotor ist am Rahmen befestigt. Seine Welle trägt ein Ritzel oder eine Riemenscheibe, die das Rad über eine Kette, einen Riemen oder beides nacheinander antreibt. Die Kraftübertragung untersetzt die Geschwindigkeit und vervielfacht das Drehmoment: Ein Motor, der schnell dreht und ein moderates Drehmoment erzeugt, wird am Rad zu einem langsamen und sehr drehmomentstarken Motor.

Beispiel aus unseren Datenblättern: Unser Motor RM30 für Sur-Ron Light Bee ist ein Mittelmotor mit 12.000 U/min, der mit einer Riemenscheibe für den originalen Riemen der Maschine geliefert wird. Diese Drehzahl wäre im Direktantrieb an einem Rad unbrauchbar; die Kraftübertragung bringt sie auf die Raddrehzahl.

Die ungefederte Masse

Alles, was sich unter der Federung befindet (Rad, Reifen, Bremse und Motor, wenn er im Rad sitzt), wird als ungefederte Masse bezeichnet. Je schwerer sie ist, desto schwieriger kann das Rad Unebenheiten folgen: Es springt, verliert kurzzeitig den Kontakt zum Boden, und die Federung arbeitet weniger effizient.

Bei einem E-Scooter existiert dieser Nachteil zwar, bleibt aber akzeptabel: Kurvengeschwindigkeiten und Federwege sind gering, und der Fahrer absorbiert einen Teil der Stöße mit den Beinen. Bei einem Geländemotorrad, das Sprünge und Spurrillen bei hoher Geschwindigkeit bewältigen muss, verschlechtert ein schwerer Motor im Hinterrad das Fahrverhalten deutlich. Das ist einer der Gründe, warum leichte Elektromotorräder einen Rahmenmotor haben.

Die Untersetzung, der entscheidende Vorteil des Mittelmotors

Bei gegebener Leistung kann ein Motor, der schnell dreht, kleiner und leichter sein als ein Motor, der langsam dreht: Leistung ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl, und das Drehmoment ist das, was Kupfer, Eisen und Magnete kostet. Unser Leitfaden zu Drehmoment und Leistung erklärt diesen Zusammenhang.

Die Untersetzung bringt auch Flexibilität:

• Man wählt das Übersetzungsverhältnis: Ein anderes Ritzel oder eine andere Riemenscheibe ändert den Kompromiss zwischen Beschleunigung und Höchstgeschwindigkeit, ohne den Motor zu verändern;
• Der gleiche Motor dient für mehrere Maschinen: Es reicht aus, die Kraftübertragung anzupassen;
• Der Motor arbeitet in seinem besten Bereich: Er dreht schneller, wo sein Wirkungsgrad oft besser ist als bei sehr niedrigen Drehzahlen.

Der Radnabenmotor hingegen hat nur einen einzigen „Gang“, der durch seine Wicklung (High Speed oder High Torque) und die Batteriespannung festgelegt ist. Um ihn schneller fahren oder stärker beschleunigen zu lassen, muss man den Motor oder die Spannung wechseln.

Was der Radnabenmotor besser macht

• Einfachheit: keine Kette zu schmieren oder zu spannen, kein Riemen zu überwachen, kein Ritzel zu verschleißen.
• Leise: Ohne Kraftübertragung kommt das einzige Geräusch von den Lagern und dem Motor selbst.
• Kompaktheit: Alles passt in das Rad, was das Trittbrett für die Batterie freimacht. Bei einem E-Scooter ist einfach kein Platz woanders.
• Allradantrieb ohne Aufwand: Ein Motor in jedem Rad reicht aus, ohne Welle oder Kette nach vorne. Das ist die Architektur von E-Scootern mit Doppelmotor.
• Wirkungsgrad der Kraftübertragung: Es gibt keine, also keine Verluste in einer Kette oder einem Riemen.

Was der Mittelmotor besser macht

• Kühlung: Der Motor befindet sich im Luftstrom, weit weg von der Hitze der Bremsen, und man kann Kühlrippen, einen Lüfter oder einen Flüssigkeitskreislauf hinzufügen. Ein Radnabenmotor ist in seiner Felge eingeschlossen. Siehe unseren Leitfaden zur Flüssigkeitskühlung.
• Schutz: Ein Rahmenmotor ist Stößen, Wasser und Schlamm weniger ausgesetzt als ein Motor in Bodennähe.
• Reifenwechsel: Das Rad kann ausgebaut werden, ohne Phasenleitungen abzuklemmen.
• Fahrverhalten: weniger ungefederte Masse und eine Masse, die näher am Schwerpunkt platziert ist.

Wie man für ein Projekt wählt

Bei einem E-Scooter ist die Frage schnell geklärt: Der Radnabenmotor setzt sich aufgrund von Platzmangel durch. Man wählt dann seine Größe, seine Wicklung und die Art der Kühlung.

Bei der Konstruktion einer Maschine geht man vom Lastenheft aus: Geschwindigkeit, Gewicht, Gelände, verfügbarer Platz, akzeptierte Wartung, Anzahl der angetriebenen Räder. Ein Roboter, der langsam fährt, kommt sehr gut mit Radnabenmotoren zurecht; ein Geländemotorrad oder ein Kart erfordern fast immer einen Mittelmotor. Das ist die Aufgabe unseres Konstruktionsbüros für elektrische Zweiräder, das Radnabenmotoren oder Motoren mit Wellenausgang anbietet, die für die Maschine dimensioniert sind.