دراسة تأثيرات توجيه المغناطيس على أداء محرك BLDC ذو الدوار الداخلي للمركبات الكهربائية: منهجية سطح الاستجابة

محركات أهدأ وأنعم لرحلات كهربائية مستقبلية

قد تبدو المركبات الكهربائية هادئة وسهلة القيادة من مقعد السائق، لكن داخل محركاتها يدور صراع خفي. قوى مغناطيسية صغيرة يمكن أن تتسبب في ارتجاج العجلة أو حدوث طنين أو إهدار للطاقة على شكل حرارة. تستعرض هذه الورقة طريقة جديدة لترتيب المغناطيسات داخل محرك مدمج بحيث تعمل المركبات الكهربائية الصغيرة—مثل الدراجات الهجينة—بسلاسة وهدوء وكفاءة أكبر، دون الحاجة إلى بطارية أكبر.

لماذا تهم سلاسة المحرك على الطريق

تعتمد المركبات الكهربائية الحديثة غالبًا على محركات التيار المستمر بدون فرشاة، التي تستخدم مغناطيسات دائمة بدلاً من الفرش الميكانيكية لتدوير الدوار. هذه المحركات خفيفة وفعالة وقوية، مما يجعلها مثالية للمساحات الضيقة مثل المركبات ذات العجلتين. لكنها تعاني من تأثير غير مرغوب فيه يُسمى عزم التعرق المغناطيسي: تداخل مغناطيسي بين مغناطيسات الدوار وأسنان الثابت يسبب اهتزازًا وتموجًا في العزم وحركة متقطعة، خصوصًا عند السرعات المنخفضة. بالنسبة للركاب، يتحول ذلك إلى ضوضاء وتسارع غير منتظم وفقدان في الكفاءة. لذلك، يعد تقليل عزم التعرق مع الحفاظ على عزم وكفاءة عالية تحديًا تصميميًا رئيسيًا من أجل تنقل كهربائي أنظف وأكثر راحة.

مقبض جديد للتدوير: كيف يتم توجيه المغناطيسات

حاولت الأبحاث السابقة كبح عزم التعرق بتغيير أشكال الأجزاء المعدنية للمحرك—تغيير شكل الفتحات، عرض الأقطاب، أو فجوات الهواء—أو عن طريق إزاحة الثابت. في هذه الدراسة، يحافظ المؤلفون على حجم المحرك العام والثابت دون تغيير ويعاملون بدلاً من ذلك توجيه المغناطيس وزاوية إزاحة الدوار كأهم «أدوات الضبط». يركزون على محرك تيار مستمر بدون فرشاة ذو دوار داخلي، حيث تُدمج المغناطيسات داخل قلب الدوران بدلًا من تركيبها على السطح. باستخدام برنامج Siemens Simcenter Motorsolve، يبنون 12 نموذجًا افتراضيًا تجمع بين زوايا مغناطيس مختلفة (10°، 20°، 30°) وزوايا إزاحة متفاوتة (0° إلى 40°). لكل حالة، يحسبون نتائج مهمة: متوسط العزم، الكفاءة، عزم التعرق المغناطيسي، وشكل موجة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية (back EMF)، التي تؤثر بشكل كبير على سهولة التحكم بالمحرك.

إيجاد النقطة المثلى بإحصاءات ذكية

لتجاوز التجريب والخطأ، يستخدم الفريق تقنية إحصائية تُدعى منهجية سطح الاستجابة (RSM). بدلًا من اختبار كل تركيب ممكن من الزوايا، تبني RSM «خريطة» رياضية تظهر كيف تتغير الأداءات حين يتغير توجيه المغناطيس وزاوية الإزاحة معًا. ثم يحددون ما يعنيه "الجيد"—كفاءة عالية، عزم مرتفع، وقوة دافعة كهربائية خلفية قوية، لكن بعزم تعرق منخفض جدًا—ويجمعون هذه الأهداف في درجة رغبة واحدة. من خلال استكشاف سطح الاستجابة هذا، يحددون التركيبة التي تقدم أفضل توازن عام. يشير التصميم الافتراضي الأمثل إلى توجيه مغناطيس بزاوية 20° وزاوية إزاحة دوار 40°، وهو التكوين الذي يسمونه PDC9. يعد هذا التصميم بعزم يزيد بنحو 43% مقارنة بتصميم مرجعي، وعزم تعرق شبه صفري، وكفاءة تزيد عن 94%، مع الحفاظ على شكل موجة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية شبه الترابيذية المفضل لمحركات التيار المستمر بدون فرشاة.

من الشاشة إلى الورشة: بناء واختبار المحرك

لإثبات أن الفكرة تعمل خارج الحاسوب، يبني الباحثون محركًا حقيقيًا وفق مواصفات PDC9. يستخدمون فولاذًا كهربائيًا ملفوفًا لثابت والدوار، ومغناطيسات نيوديميوم-حديد-بور عالية الطاقة داخل الدوار، كلها بأحجام مناسبة لنظام تشغيل 48 فولت وبقدرة تقارب 1.5 كيلوواط مناسب لدراجة هجينة. ثم يعمل النموذج على منصة اختبار مزودة دينامومتر، حيث تُقاس العزم والسرعة والجهد عبر نطاق نقاط التشغيل. يقدم المحرك التجريبي نحو 3.8 نيوتن·م من العزم عند سرعته المصنفة بكفاءة تقارب 92%، وينتج الشكل الترابيذي المطلوب للقوة الدافعة الكهربائية الخلفية. وعلى الرغم من كونه أقل قليلًا من قيم المحاكاة المثالية—وهو أمر متوقع بسبب الاحتكاك وتفاوتات التصنيع والخسائر الإضافية—تتبع النتائج الاتجاهات المتوقعة عن كثب، مما يؤكد أن توجيه المغناطيس الدقيق والإزاحة يمكن أن يوفرا أداءً أكثر سلاسة وهدوءًا دون زيادة حجم الآلة.

ماذا يعني هذا للمركبات الكهربائية اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن طريقة "توجيه" المغناطيسات داخل المحرك يمكن أن تكون مهمة بقدر أهمية حجمها أو مادتها. عن طريق إمالة وإزاحة المغناطيسات إلى الزوايا المناسبة، يكاد المؤلفون يزيلون التداخل المغناطيسي الداخلي الذي يسبب الارتجاج والضوضاء، بينما يعززون العزم المفيد ويحافظون على الكفاءة العالية. بالنسبة للركاب، يعني ذلك انطلاقات أنعم، اهتزازًا أقل، واستخدامًا أفضل للبطارية في المركبات الكهربائية الصغيرة. بالنسبة للمصممين والمصنعين، يقدم البحث وصفة عملية—مؤكدة بالمحاكاة والعتاد—لضبط محركات التيار المستمر بدون فرشاة ذات الدوار الداخلي لتلبية الطلب المتزايد على النقل الكهربائي الحضري.

الاستشهاد: Chandra, V., Manoharan, P.S., Thenmozhi, G. et al. Investigation of magnetic orientation effects on interior rotor BLDC motor performance for EVs: a response surface methodology approach. Sci Rep 16, 7011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37981-2

الكلمات المفتاحية: محرك تيار مستمر بدون فرشاة, عزم التعرق المغناطيسي, توجيه المغناطيس, محرك مركبة كهربائية, زاوية إزاحة الدوار