מערכת הנעה מבוססת ביצועים למנוע רילוקטנס המוחלפת באמצעות ממיר רציף מרובה‑פורט ותוכנית בקרה מתקדמת ישירה של מומנט

מדוע חשובות הנעות חשמליות חלקות יותר

ככל שרכבים חשמליים הופכים נפוצים יותר, הנהגים מצפים שהם יהיו לא רק נקיים ויעילים, אלא גם שקטים, חלקים ואמינים. סוג מנוע מבטיח לעתיד הרכב החשמלי הוא המנוע הרילוקטנס המוחלף, שהוא קשיח, זול וללא מגנטים נדירים. עם זאת, מנועים אלה עלולים לסבול ממומנט קופצני ורעידות מוגברות, מה שמפחית נוחות הנסיעה ומעביר עומס למרכיבים המכניים. מאמר זה מציג דרך חדשה לספק חשמל ולשלוט במנועים אלה כדי שהם יעבדו בצורה חלקה יותר, יבזבזו פחות אנרגיה ויתאימו טוב יותר למשימות גרר תובעניות ברכבים.

סוג שונה של מנוע חשמלי

המחקר מתמקד במנועי רילוקטנס מוחלפים, שנראים מבפנים שונה מהכירים יותר ממכונות עם מגנטים קבועים. במקום להשתמש במגנטים על הרוטור, מנועים אלה נשענים על הנטייה של הרוטור לזוז לאזורים שבהם הנתיבים המגנטיים קלים יותר — אזורים בעלי אינדוקטיביות גבוהה יותר. על‑ידי הפעלת וכיבוי של זרמים דרך סלילי הסטייטור בזה אחר זה, הבקר מושך את הרוטור ומייצר מומנט. העיצוב הזה חזק, פשוט וזול לבנייה, ומונע תלות בחומרי נדירים. עם זאת, המתגים המהירים של הפעלה/כיבוי ומגנטיות לא‑ליניארית חזקה של המנוע עלולים ליצור רעידות גדולות במומנט ובזרם, לגרום לרעש, לרעידות ולבלאי מוגבר ברכבים חשמליים.

"גשר" כוח שונה למנוע

כדי לרסן בעיות אלה, המחברים מחזירים עיצוב של שלב ההספק האלקטרוני שמחבר את הסוללה למנוע. במקום ממיר דו‑רמות קונבנציונלי, שמפעיל בפשטות או מתח מלא או אפס לכל פאזה, הם מציעים ממיר רציף מודולרי מרובה‑פורט המורכב מתת־מודולים מונחים בערימה לכל פאזה. כל פאזה יכולה כעת לקבל מספר רמות מתח ביניים, ולא רק מצב הפעלה/כיבוי. הגישה הרב‑רמתית הזו מלטשת את גל המתח, מפחיתה את המתח החשמלי על המתגים והבידוד ומקטינה הרמוניות לא רצויות בזרם. המבנה המודולרי גם קל יותר להרחבה ועמיד יותר לתקלות, מה שחשוב עבור מערכות גרר קריטיות לבטיחות.

בקרת מומנט חכמה בזמן אמת

החומרה משולבת עם סכמת בקרה ישירה של מומנט משופרת הפועלת כמו מנהל תנועה במהירות גבוהה למתגי ההספק. במקום לעצב זרמים באופן איטי דרך לולאות משוב מסורתיות, בקרה ישירה של מומנט מעריכה את הזרימה המגנטית והמומנט של המנוע בזמן אמת ובוחרת מתוך מערך דפוסי מתח לפי הכיוון ועוצמת השינוי הנדרשת במומנט. בעבודה זו, המחברים מפתחים מודלים מתמטיים מפורטים של ההתנהגות הלא‑ליניארית של המנוע ומארגנים את דפוסי המתח האפשריים לשמונה מגזרים ושמונה וקטורים. טבלת החלפה מותאמת בוחרת אז את הדפוס הטוב ביותר מהממיר הרב‑רמות בכל רגע, משאירה את המומנט והזרימה בתוך תחומים צרים וממזערת החלפות מיותרות.

מדגם ממחשב לניסוי במעבדה

הצוות מאמת את הגישה בשני שלבים. ראשית, הם בונים סימולציה מפורטת של מנוע רילוקטנס מוחלף 4‑פאזי, 8/6 המונע על‑ידי הממיר ותוכנית הבקרה החדשים ב‑MATLAB/Simulink. הם בוחנים מהירות, מומנט וזרמי פאזה בזמן פעולה רציפה ושינויים מהירים במהירות, ומשווים את התוצאות לממיר קונבנציונלי. לאחר מכן הם בונים מערכת מעבדה בהספק 2.2 קילווט עם מודולים תעשייתיים, חיישנים וקודקוד (encoder). הניסויים כוללים שיוט יציב ב‑1000 סיבובים לדקה, שינויים פתאומיים בין 400, 1400 ו‑2400 סל"ד, וכן תאוצות, בלימות והפרעות עומס. בכל המבחנים, ההנעה החדשה שומרת על מהירות מדויקת ומייצרת גליי זרם נקיים בהרבה ומומנט חלק יותר.

מה המשמעות של השיפורים על הכביש

כמותית, הממיר והבקרה המוצעים מקטינים את רעידת המומנט בכ‑כ‑עד כ‑41.5 אחוז לעומת העיצוב הקונבנציונלי, ומורידים ערכי רעידה לכ‑16–25 אחוז בערך בהתאם למהירות ולעומס. במקביל, המערכת מגיבה מהר יותר לשינויים בדרישת הנהג, מראה משקעים מוגבלים כאשר המהירויות מותאמות, ויעילות מעט טובה יותר, כל זאת תוך פעולה בתדר החלפה קבוע וצפוי. במונחים יומיומיים, המשמעות היא שרכב חשמלי המשתמש בהנעה כזו יכול להאיץ ולהאט בצורה חלקה יותר, ליצור פחות רעש ורעידות ולהעמיס פחות על מרכיביו. למרות שהחומרה החדשה מורכבת ויקרה יותר מממירים סטנדרטיים, המחברים טוענים ששילוב העמידות, החלקות ודיוק הבקרה עושה אותה למועמד חזק למערכות גרר חשמליות עתידיות בעלות ביצועים גבוהים.

ציטוט: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

מילות מפתח: מנוע רילוקטנס מוחלף, הנעות לרכב חשמלי, הפחתת רעידות מומנט, ממיר כוח רב‑רמות, בקרה ישירה של מומנט