Untersuchung der Auswirkungen der Magnetorientierung auf die Leistung von Innenrotor-BLDC-Motoren für Elektrofahrzeuge: ein Ansatz mit Response Surface Methodology

Leisere, sanftere Motoren für künftige elektrische Fahrten

Elektrofahrzeuge wirken vom Fahrersitz aus oft leise und mühelos, doch in ihren Motoren findet ein unsichtbares Tauziehen statt. Winzige Magnetkräfte können ein Rad ruckeln lassen, summen oder Energie in Form von Wärme verschwenden. Diese Arbeit untersucht eine neue Art, die Magnete in einem kompakten Motor anzuordnen, sodass kleine Elektrofahrzeuge – etwa Hybrid-Mopeds – gleichmäßiger, leiser und effizienter laufen, ohne eine größere Batterie zu benötigen.

Warum Laufruhe auf der Straße wichtig ist

Moderne Elektrofahrzeuge setzen häufig auf bürstenlose Gleichstrommotoren, die statt mechanischer Bürsten Permanentmagnete zur Drehung des Rotors nutzen. Diese Motoren sind leicht, effizient und leistungsfähig, weshalb sie sich für beengte Einbauräume wie Zweiräder eignen. Sie leiden jedoch unter einem unerwünschten Effekt, dem sogenannten Rastmoment: ein magnetisches „Einrasten“ zwischen Rotormagneten und Statorzähnen, das Vibrationen, Drehmomentwelligkeit und ruckartige Bewegung, besonders bei niedrigen Drehzahlen, verursacht. Für Fahrende äußert sich das in Geräuschen, ungleichmäßiger Beschleunigung und verringerter Effizienz. Das Reduzieren des Rastmoments bei gleichzeitiger Beibehaltung hohen Drehmoments und hoher Effizienz ist daher eine zentrale Gestaltungsaufgabe für sauberere, angenehmere E-Mobilität.

Ein neuer Stellhebel: Wie die Magnete ausgerichtet sind

Frühere Untersuchungen versuchten meist, das Rastmoment durch Umformen der Metallteile des Motors zu verringern – etwa durch Änderung der Schlitzzähneform, Polbreiten oder Luftspalte – oder durch Schrägen des Stators. In dieser Studie lassen die Autoren die Baugröße und den Stator unverändert und behandeln stattdessen die Magnetorientierung und den Rotorschrägungswinkel als die wichtigsten „Einstellknöpfe“. Sie konzentrieren sich auf einen Innenrotor-BLDC-Motor, bei dem die Magnete im rotierenden Kern eingebettet und nicht auf der Oberfläche montiert sind. Mit Siemens Simcenter Motorsolve erstellen sie 12 virtuelle Prototypen, die unterschiedliche Magnetwinkel (10°, 20°, 30°) mit verschiedenen Schrägungswinkeln (0° bis 40°) kombinieren. Für jeden Fall berechnen sie wichtige Kennwerte: mittleres Drehmoment, Wirkungsgrad, Rastmoment und die Form der Gegenspannungswelle (Back-EMF), die stark beeinflusst, wie leicht der Motor steuerbar ist.

Das Optimum finden mit cleverer Statistik

Um über Trial-and-Error hinauszugehen, nutzt das Team eine statistische Methode namens Response Surface Methodology (RSM). Anstatt jede mögliche Winkelkombination zu testen, erstellt RSM eine mathematische „Landkarte“, die zeigt, wie sich die Leistung ändert, wenn Magnetorientierung und Schrägungswinkel gemeinsam variieren. Anschließend definieren sie, was „gut“ bedeutet – hoher Wirkungsgrad, hohes Drehmoment und starke Back-EMF bei sehr geringem Rastmoment – und fassen diese Ziele in einer einzigen Wunschfunktion (Desirability) zusammen. Durch Untersuchung dieser Response-Fläche identifizieren sie die Kombination mit dem besten Gesamtkonflikt. Das optimale virtuelle Design ergibt eine Magnetorientierung von 20° und einen Rotorschrägungswinkel von 40°, eine Konfiguration, die die Autoren PDC9 nennen. Dieses Design verspricht etwa 43 % mehr Drehmoment als ein Baseline-Layout, nahezu null Rastmoment und einen Wirkungsgrad über 94 %, während die trapezförmige Back-EMF erhalten bleibt, die für BLDC-Antriebe bevorzugt wird.

Vom Bildschirm in die Werkstatt: Bau und Prüfung des Motors

Um zu zeigen, dass die Idee auch außerhalb des Rechners funktioniert, bauen die Forschenden einen realen Motor nach den PDC9-Spezifikationen. Sie verwenden aus Elektroblech gefertigte Schichten für Stator und Rotor und hochenergetische Neodym-Eisen-Bor-Magnete im Rotor, alles ausgelegt für einen 48‑V-Antrieb mit rund 1,5 kW, geeignet für ein Hybrid-Moped. Der Prototyp wird auf einem Prüfstand mit einem Dynamometer betrieben, wobei Drehmoment, Drehzahl und Spannung über ein Spektrum von Betriebswerten gemessen werden. Der experimentelle Motor liefert etwa 3,8 Nm Drehmoment bei Nennbetrieb mit einem Wirkungsgrad nahe 92 % und erzeugt die gewünschte trapezförmige Back-EMF. Obwohl die Werte leicht unter den idealisierten Simulationsergebnissen liegen – was aufgrund von Reibung, Fertigungstoleranzen und zusätzlichen Verlusten zu erwarten ist – folgen die Messungen den vorhergesagten Trends und bestätigen, dass sorgfältige Magnetorientierung und Schrägung eine sanftere, leisere Leistung liefern können, ohne das Maschinenvolumen zu vergrößern.

Was das für den Alltag von Elektrofahrzeugen bedeutet

Einfach gesagt zeigt diese Arbeit, dass die „Ausrichtung“ der Magnete im Motor genauso wichtig sein kann wie ihre Größe oder ihr Material. Durch das richtige Neigen und Schrägen der Magnete beseitigen die Autoren nahezu das interne magnetische Einhaken, das Stöße und Geräusche verursacht, während sie das nutzbare Drehmoment steigern und den Wirkungsgrad hoch halten. Für Fahrende bedeutet das sanfteres Anfahren, weniger Vibrationen und bessere Batterienutzung in kleinen Elektrofahrzeugen. Für Entwickler und Hersteller bietet die Studie ein praxisnahes Rezept – validiert durch Simulation und Hardware – um Innenrotor-BLDC-Motoren für die wachsenden Anforderungen städtischer Elektromobilität zu optimieren.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: bürstenloser Gleichstrommotor, Rastmoment, Magnetorientierung, Elektromotor für Elektrofahrzeug, Rotorschrägungswinkel