חקר השפעות כיוון המגנטים על ביצועי מנוע BLDC בעל רוטור פנימי לרכבי חשמל: גישת שיטת פני-תגובה

מנועים שקטים וחלקים יותר לרכבים חשמליים עתידיים

מרחוק המכוניות החשמליות עלולות להיראות שקטות וללא מאמץ, אבל בתוך המנועים שלהן מתנהלת הרבה משיכה-ויכוח בלתי נראית. כוחות מגנטיים זעירים יכולים לגרום לגלגל לקפוץ, לרעוד או לבזבז אנרגיה בחום. מאמר זה חוקר דרך חדשה לסדר את המגנטים בתוך מנוע קומפקטי כדי שרכבים חשמליים קטנים — למשל אופנועים היברידיים — יפעלו בצורה חלקה ושקטה יותר וביעילות גבוהה יותר, מבלי להידרש לסוללה גדולה יותר.

מדוע חלקות המנוע חשובה בדרכים

רכבים חשמליים מודרניים לרוב מסתמכים על מנועי DC ללא מברשות, שמשתמשים במגנטים קבועים במקום מברשות מכאניות לסיבוב הרוטור. מנועים אלה קלים, יעילים וחזקים, מה שהופך אותם לאידיאליים למרחבים צפופים כמו דו-גלגליים. אך הם סובלים מתופעה לא רצויה הנקראת מומנט גיבוי (cogging torque): "תקיעת" מגנטית בין מגנטי הרוטור לשיני הסטטור שגורמת לרעידות, גליות במומנט ותנועה מקפיאה, במיוחד במהירויות נמוכות. לרוכבים זה מתורגם לרעש, תאוצה לא אחידה ואובדן יעילות. הפחתת מומנט הגיבוי תוך שמירה על מומנט ויעילות גבוהים היא אפוא אתגר עיצובי מרכזי למוביליות חשמלית נקייה ונעימה יותר.

סיבוב חדש לשליטה: איך מכוונים את המגנטים

מחקרים קודמים ניסו לרסן את מומנט הגיבוי על ידי שינוי צורת החלקים המתכתיים של המנוע — שינוי צורות החריצים, רוחבי הקטבים או המרווחים האוויריים — או על ידי סיבוב הסטטור. במחקר זה, המחברים שומרים על גודל המנוע ומבנה הסטטור ללא שינוי ובוחנים במקום זאת את כיוון המגנטים וזווית הסוט של הרוטור כ"כפתורי עיצוב" עיקריים. הם מתמקדים במנוע DC ללא מברשות בעל רוטור פנימי, שבו המגנטים מוטמנים בתוך גרעין הסיבוב ולא מוצמדים על המשטח. בעזרת תוכנת Siemens Simcenter Motorsolve הם בונים 12 פרוטוטיפים וירטואליים המשלבים זוויות מגנט שונות (10°, 20°, 30°) עם זוויות סוט שונות (0° עד 40°). לכל מקרה הם מחשבים תוצאות חשובות: מומנט ממוצע, יעילות, מומנט גיבוי וצורת גל משרעת הכוח האלקטרומניעתית ההפוכה (back EMF), שמשפיעה באופן חזק על קלות האחיזה והבקרה של המנוע.

מציאת נקודת האיזון עם סטטיסטיקה חכמה

כדי לצאת מגבולות הניסיון והטעייה, הצוות משתמש בטכניקה סטטיסטית הנקראת שיטת פני-תגובה (Response Surface Methodology, RSM). במקום לבדוק כל שילוב אפשרי של זוויות, RSM בונה "מפה" מתמטית שמציגה כיצד הביצועים משתנים כאשר כיוון המגנט וזווית הסוט משתנים יחד. לאחר מכן הם מגדירים מהי "תוצאת טובה" — יעילות גבוהה, מומנט גבוה, ומשרעת back EMF חזקה, אך עם מומנט גיבוי נמוך מאוד — ודוחסים מטרות אלה לציון רצויות יחיד. על ידי חקירת פני-התגובה הם מזהים את השילוב שמציע את הפשרה הטובה ביותר. העיצוב הווירטואלי האופטימלי מצביע על כיוון מגנט של 20° וזווית סוט של 40°, תצורה שהמחברים מסמנים PDC9. עיצוב זה מבטיח כ־43% יותר מומנט בהשוואה לפריסת בסיס, מומנט גיבוי כמעט אפסי, ויעילות מעל 94%, תוך שמירה על גל ה-back EMF בצורת טרפז המועדפת לדרייבים של מנועי DC ללא מברשות.

מהמסך למעבדה: בנייה ובדיקת המנוע

כדי להראות שהרעיון עובד גם מחוץ למחשב, החוקרים בונים מנוע אמיתי בהתאם למפרטי PDC9. הם משתמשים בפלדת חשמלית רב-שכבתית לסטטור ולרוטור, ובמגנטים מנדיום-ברזל-בור עם אנרגיה גבוהה בתוך הרוטור, כולם ממודלים למערכת 48 V, כ־1.5 kW, מתאימה לאופנוע היברידי. הניסוי מתבצע על ספסל בדיקה עם דינמו, שבו נמדדים מומנט, מהירות ומתח בטווח נקודות הפעלה. המנוע הנסיוני מספק כ־3.8 Nm מומנט במהירות המדורגת עם יעילות קרובה ל‑92%, ומפיק את צורת ה‑back EMF הטרפזית הרצויה. אף שנמצאים ערכים מעט מתחת לסימולציות האידיאליות — כפי שנצפה עקב חיכוך, סובלנות ייצור ואובדנים נוספים — התוצאות עוקבות באופן הדוק אחרי המגמות התחזיתיות, ועל כן מאששות שכיוון מדויק של המגנטים וסוט יכול לספק ביצועים חלקים ושקטים יותר מבלי להגדיל את גודל המנוע.

מה פירוש הדבר עבור רכבים חשמליים יומיומיים

במילים פשוטות, עבודה זו מראה שכיצד "מכוונים" את המגנטים בתוככי מנוע יכול להיות בעל חשיבות שקולה לזו של גודלם או החומר שממנו הם עשויים. על ידי הטיה וסוט של המגנטים לזוויות הנכונות, המחברים כמעט ומוחקים את התקיעות המגנטית הפנימית שגורמת לבליטות ורעש, תוך הגברת המומנט השימושי ושמירה על יעילות גבוהה. לרוכבים זה מתרגם ליציאות חלקות יותר, פחות רעידות ושימוש טוב יותר בסוללה ברכבים חשמליים קטנים. למעצבים וליצרנים, המחקר מציע מתכון פרקטי — שאומת הן בסימולציה והן בחומרה — לכוונון מנועי DC ללא מברשות עם רוטור פנימי כדי לעמוד בדרישות הגוברת של תחבורה עירונית חשמלית.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מנוע DC ללא מברשות, מומנט גיבוי (cogging torque), כיוון מגנט, מנוע לרכב חשמלי, זווית סוט הרוטור (rotor skew angle)