ดร.วิทูร พุตินันท์ภากร
หัวหน้าสาขาวิชาเทคโนโลยียานยนต์สมัยใหม่
คณะวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยี วิทยาลัยเทคโนโลยีสยาม
บทนำ
ในยุคของการเปลี่ยนผ่านสู่ยานยนต์ไฟฟ้า (EV) การพัฒนารถไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ STC 4 ของวิทยาลัยเทคโนโลยีสยาม ซึ่ง STC 4 เป็นรถไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ คันที่ 4 วิทยาลัยฯ เพื่อส่งไปแข่งขันระดับโลก รายการ Bridgestone World Solar Challenge (BWSC) และเป็นสถาบันเดียวในประเทศไทยที่ผ่านการคัดเลือกเข้าร่วมแข่งขันได้ โดยการแข่งขันจัดขึ้นทุก ๆ 2 ปี ในประเทศออสเตรเลีย มีระยะทางกว่า 3,000 กิโลเมตร จากเมืองดาร์วิน (Darwin) ไปยังเมืองแอดิเลด (Adelaide) ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ต้องเผชิญกับข้อจำกัดทางด้านการบริหารจัดการพลังงานและน้ำหนักของตัวรถ STC 4 รับภาระการขับเคลื่อนน้ำหนักที่มากกว่ารุ่นก่อน ส่งผลให้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบไร้แปรงถ่าน (BLDC Motor) ทำงานหนักหรืออยู่ในสภาวะภาระเกินพิกัด (Overload) เกิดความร้อนสะสมภายในขดลวดทองแดงและโครงสร้างอย่างรวดเร็ว ทำให้ความร้อนสะสมที่สูงเกินพิกัด ไม่เพียงแต่จะลดประสิทธิภาพการส่งกำลังของการขับเคลื่อน แต่ยังมีความเสี่ยงขั้นวิกฤตที่จะทำให้ฉนวนของขดลวดทองแดงละลาย และส่งผลให้แม่เหล็กถาวรเสื่อมสภาพอย่างถาวร ปัญหาทางด้านวิศวกรรมสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าขับเคลื่อนคือการค้นหาระบบระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยไม่เพิ่มน้ำหนักหรือเพิ่มความซับซ้อนของอุปกรณ์ในการติดตั้ง
ภาพที่ 1 รถไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ STC 4 วิทยาลัยเทคโนโลยีสยาม เข้าแข่งขันระดับโลก รายการ Bridgestone World Solar Challenge (BWSC) ประเทศออสเตรเลีย
แนวคิดการออกแบบฝาครอบมอเตอร์ใบพัดระบายความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว (น้ำ) ที่มีความซับซ้อนและการติดตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ ของระบบระบายความร้อน โดยใช้แนวคิดการปรับแต่งโครงสร้างทางแอโรไดนามิก (Passive Geometric Tuning) ด้วยการเปลี่ยนฝาครอบมอเตอร์ให้ทำหน้าที่เป็นปั๊มอากาศเชิงกล ด้วยโครงสร้างฝาครอบมอเตอร์ได้รับการปรับปรุงโดยการเจาะรูเอียง 15 องศา รูปใบพัด จำนวน 12 ช่อง บนฝาครอบให้ทำหน้าที่เป็นใบพัดบังคับลม (Forced-Air Impeller) ซึ่งจะหมุนไปพร้อมกับโครงสร้างของมอเตอร์ เพื่อดึงอากาศภายนอกเข้ามาระบายความร้อนโดยตรง ทำให้เกิดกระบวนการระบายความร้อนแบบบังคับอากาศ (Forced-Air Impeller Process)
ภาพที่ 2 แนวคิดการออกแบบฝาครอบมอเตอร์ใบพัดระบายความร้อน
กระบวนการทำงานของการระบายความร้อนถูกแบ่งออกเป็น 4 ขั้นตอนหลัก ดังนี้
- การหมุนของมอเตอร์ (900 RPM) ฝาครอบด้านหน้าและด้านหลังที่ติดตั้งใบพัดเฉียง 15 องศา จะหมุนไปพร้อมกับโรเตอร์มอเตอร์บนฝาครอบด้วยความเร็วรอบ 900 รอบต่อนาที
- การดูดและเร่งความเร็วลม (Inlet & Acceleration) อากาศภายนอกจะถูกดึงเข้าสู่ช่องด้านหน้าด้วยความเร็วเริ่มต้น 0.95 – 1.90 เมตรต่อวินาที (m/s) และเมื่ออากาศไหลผ่านช่องใบพัดเจาะรูเอียง รูปทรงทางเรขาคณิตจะเร่งความเร็วลมพุ่งสูงขึ้นเป็น 4.71 – 8.48 m/s
- การแลกเปลี่ยนความร้อนภายใน (Internal Heat Transfer) อากาศที่ถูกเร่งด้วยความเร็วจะเกิดทิศทางการไหลแบบหมุนวน (Vortex) เข้าสู่จุดศูนย์กลาง พุ่งเข้าปะทะและระบายความร้อนที่ขดลวดทองแดงและแกนเพลาภายในมอเตอร์ของสเตเตอร์โดยตรง
- การนำอากาศร้อนออกภายนอก (Exhaust & Cooling) อากาศร้อนจะถูกเหวี่ยงออกทางช่องฝาครอบด้านหลังด้วยอัตราการไหล 0.0314 m³/s ทำให้สามารถลดอุณหภูมิสะสมภายในได้อย่างรวดเร็ว
ภาพที่ 3 แสดงลักษณะการไหลเข้า-ออก ของอากาศระบายความร้อนบนฝาครอบมอเตอร์
จากการวิเคราะห์ด้วยหลักพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics – CFD) และการวิเคราะห์การถ่ายเทความร้อนเชิงปริมาตร เปรียบเทียบระหว่างมอเตอร์ฝาครอบเรียบแบบเดิมกับมอเตอร์ฝาครอบใบพัดบังคับลม พบผลลัพธ์คือ การเร่งกระแสลมด้วยรูปทรงเรขาคณิต (Geometrical Acceleration) ด้วยการเจาะรูเอียง 15 องศา รูปใบพัด จำนวน 12 ช่อง สามารถเปลี่ยนกระแสลมทางเข้าให้กลายเป็นกระแสลมหมุนวนความเร็วสูงถึง 8.48 m/s ช่วยเพิ่มอัตราการนำพาความร้อนออกจากพื้นผิวภายในมอเตอร์ อีกทั้งเป็นการปกป้องขดลวดทองแดง (Coil Protection) ในสภาวะทำงานเกินพิกัด (โดยการเก็บผลใช้วิธีการทำภาพพื้นที่ไล่ระดับสีของทองแดงเพื่อเก็บผลอุณหภูมิ) เมื่อเทียบเปรียบกับมอเตอร์ฝาครอบเรียบแบบเดิมจะมีอุณหภูมิขดลวดทองแดงสูงถึง 118.50°C ซึ่งเข้าใกล้ขีดจำกัดความปลอดภัย ขณะที่ฝาครอบใบพัดระบายความร้อนสามารถลดอุณหภูมิขดลวดทองแดงลงเหลือเพียง 48.27°C หรือลดลงถึง 59% และช่วยรักษาประสิทธิภาพและยืดอายุแม่เหล็กถาวร (Magnet Life Extension) ตามคุณสมบัติทางแม่เหล็กถาวรของมอเตอร์ BLDC จะเริ่มเสื่อมลงหากได้รับอุณหภูมิสะสมสูงกว่า 55°C ซึ่งมอเตอร์แบบเดิมมีอุณหภูมิบริเวณช่องพันขดลวดของสเตเตอร์และแม่เหล็กสูงถึง 57.93°C แต่ระบบใบพัดระบายความร้อนสามารถลดอุณหภูมิบริเวณนี้ลดลงเหลือ 48.05°C (ลดลงประมาณ 17%) ทำให้แม่เหล็กถาวรทำงานได้เต็มประสิทธิภาพและไม่เสื่อมสภาพแม้ใช้งานหนัก
ภาพที่ 4 (ก) อุณหภูมิของขดลวดทองแดงของมอเตอร์ที่ไม่ได้รับการดัดแปลง (ข) อุณหภูมิของขดลวดทองแดงของมอเตอร์ที่ได้รับการเจาะรูเอียงรูปใบพัด
ภาพที่ 5 อัตราการไหลเชิงมวลและเชิงปริมาตรผ่านการควบคุมการหมุนเชิงปริมาตรของมอเตอร์
บทสรุป
การจัดการความร้อนของมอเตอร์ในยานยนต์ไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องพึ่งพาระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว (น้ำ) ที่มียุ่งยากในการติดตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ ในระบบระบายความร้อน การใช้นวัตกรรมปรับแต่งรูปทรงทางแอโรไดนามิกแบบ Passive (Passive Geometric Tuning) โดยการเปลี่ยนฝาครอบมอเตอร์ให้เป็นใบพัดบังคับลม สามารถเพิ่มอัตราการนำพาความร้อนและลดอุณหภูมิสะสมภายในมอเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้การออกแบบระบบระบายความร้อนที่มีน้ำหนักเบา ต้นทุนต่ำ และมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับมอเตอร์ไฟฟ้าในยานยนต์พลังงานแสงอาทิตย์ ยานยนต์ไฟฟ้าทั่วไป (EV) โดรน หรือเครื่องจักรกลอุตสาหกรรมที่ต้องทำงานภายใต้ภาระสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เอกสารอ้างอิง
Albana, M. H., Guntur, H. L., & Putra, A. B. K. (2024). Modification of the in-wheel motor housing and its effect on temperature reduction. World Electric Vehicle Journal, 15(3), Article 78. https://doi.org/10.3390/wevj15030078
Çengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2015). Heat and mass transfer: Fundamentals & applications (5th ed.). McGraw-Hill Education.
Hendershot, J. R., & Miller, T. J. E. (2011). Design of brushless permanent-magnet motors. Motor Design Books LLC.
Huankhoksung, W., & Yabsungnoen, T. (2025). Forced air design using thermal analysis and CFD simulations of a brushless DC motor for the STC-4 solar car. Srinakharinwirot University Engineering Journal, 21(1), 63–76.
Wang, K., Wang, Y., Zhu, C., Li, S., & Tang, J. (2025). Temperature field analysis and heat dissipation optimization for in-wheel motor based on magnetic-thermal coupling. Energies, 18(20), Article 5517. https://doi.org/10.3390/en18205517
White, F. M. (2016). Fluid mechanics (8th ed.). McGraw-Hill Education.
