Zusammenfassung: Axialfluss-Permanentmagnetmotoren (AFPM) mit ihrer flachen Struktur und hohen Drehmomentdichte haben in hochmodernen Bereichen wie Elektrofahrzeugen und Drohnen große Aufmerksamkeit erregt. Um ihre Leistungsgrenze jedoch weiter zu durchbrechen, ist das Rotordesign eine entscheidende Variable. Dieser Artikel beginnt mit dem Flussfokussierungsprinzip des Halbach-Arrays und erläutert dann das verbesserte Design der Struktur mit zwei schrägen Polen. Es dringt in die Grenzen des computergestützten Designs vor und untersucht, wie multiobjektive genetische Algorithmen und metaheuristische Methoden Pareto-Optimalität im motorischen Design erreichen. Schließlich konzentriert es sich auf den endkonturnahen Formungsprozess weichmagnetischer Verbundwerkstoffe (SMC) und erörtert, wie diese Technologie dazu beiträgt, die „letzte Meile“ von technischen Prototypen bis zur Massenproduktion von Axialflussmotoren zu überbrücken.
I. Halbach-Array und Dual-Skewed Poles: „Fusion“ und „Formung“ des Magnetfelds
Die Leistungsgrenze eines Axialflussmotors hängt maßgeblich von der Qualität der Magnetfeldverteilung ab, die durch die Permanentmagnete auf der Rotorseite erzeugt wird. Die herkömmliche Struktur des oberflächenmontierten Permanentmagneten (SPM) ist einfach, ihr inhärenter Nachteil divergierender magnetischer Flusslinien führt jedoch zu einer begrenzten Luftspalt-Flussdichte und einem hohen Streufluss.
Das Halbach-Array bietet eine nahezu ideale Lösung. Dabei handelt es sich um eine spezielle Anordnung von Permanentmagneten – die Magnetisierungsrichtung benachbarter Magnete wird nacheinander um 90° gedreht, sodass das Magnetfeld auf einer Seite der Anordnung verstärkt und auf der anderen Seite nahezu vollständig aufgehoben wird, wodurch ein Selbstabschirmungseffekt erzielt wird . Intuitiver ausgedrückt: In einem herkömmlichen Magnetkreis divergieren die Flusslinien symmetrisch, während das Halbach-Array die Flusslinien auf die Seite des Arbeitsluftspalts „begrenzt“ und so eine effiziente Flussfokussierung ermöglicht. Experimente haben gezeigt, dass bei Axialflussmotoren mit Halbach-Anordnung die Drehmomentdichte um bis zu 28 % erhöht und das Rastmoment um 65 % reduziert werden kann.
Allerdings steht das Halbach-Array auch bei der praktischen Rotorkonstruktion vor Herausforderungen: Obwohl die sinusförmige Qualität der Luftspaltflussdichte verbessert wird, bleibt die Drehmomentwelligkeit – insbesondere das Rastmoment – ein großes Hindernis für einen reibungslosen Betrieb. Die Einführung der Dual-Skewed-Pol-Magnettechnologie ist ein präziser Eingriff, der auf diesen Schmerzpunkt abzielt.
Ein 2024 in veröffentlichtes Forschungsteam der Khon Kaen University in Thailand IEEE Access schlug einen innovativen TORUS-Axialflussmotor mit einer schrägen Halbach-Anordnung vor. Durch die Anordnung der Permanentmagnete in einer schrägen Konfiguration (die zwei schräge Pole bildet) zeigte der verbesserte Motor im Vergleich zum Ausgangsmodell einen Anstieg der Gegen-EMK um 4 % und eine Reduzierung des Rastmoments um 9,3 % unter Leerlaufbedingungen; Unter Last stieg das durchschnittliche Drehmoment um 8 % und die Drehmomentwelligkeit verringerte sich um 7,8 %. Diese Verbesserungen können auf die zurückgeführt werden synergistische Verbesserung der Flussfokussierungs- und Flussaufhebungseffekte – die verzerrte Struktur erweitert den Freiheitsgrad für die Magnetfeldregulierung im Raum und unterdrückt effektiv harmonische Komponenten der Luftspaltflussdichte.
Andere Studien haben bestätigt, dass bei Axialflussmotoren mit weichmagnetischen Verbundkernen eine weitere Drehmomentsteigerung durch analytische Optimierung des axialen Magnetisierungskoeffizienten (optimaler Wert ~ 0,82) eines Halbach-Arrays mit zwei Segmenten ungleicher Breite erreicht werden kann. Jüngere Ergebnisse gehen sogar noch weiter: In einer in Scientific Reports veröffentlichten Studie aus dem Jahr 2025 wurde ein doppelseitiger Axialfluss-Permanentmagnetmotor mit doppelter Halbach-Anordnung eingesetzt und durch eine Optimierung des genetischen Algorithmus mit mehreren Zielen eine Steigerung des durchschnittlichen Drehmoments um 7,8 % und eine deutliche Reduzierung der Drehmomentwelligkeit erreicht.
II. Die „Asswaffe“ des computergestützten Designs: Multiobjektive genetische Algorithmen und metaheuristische Methoden
Wenn das Halbach-Array die Frage „Was ist zu tun?“ beantwortet, dann beantworten moderne Optimierungsalgorithmen die Frage: „Wie macht man es optimal?“ Bei Axialflussmotoren sind Konstruktionsvariablen wie Rotorgeometrie, Magnetabmessungen, Magnetisierungswinkel und Schräglaufwinkel auf komplexe nichtlineare Weise gekoppelt, und herkömmliche Einzelparameter-Sweep- oder Trial-and-Error-Methoden sind längst an ihre Grenzen gestoßen.
Multiobjektive genetische Algorithmen (MOGA) sind derzeit die ausgereifteste Klasse von Lösungen. Sie ahmen die Mechanismen „Überleben des Stärkeren“ und „genetische Variation“ der Natur nach und durchsuchen den riesigen Designraum automatisch nach Pareto-optimalen Lösungssätzen durch Auswahl-, Crossover- und Mutationsoperationen. Jeder Punkt auf der Pareto-Front stellt einen nicht dominierten Kompromiss dar – keines der Ziele kann weiter verbessert werden, ohne ein anderes zu opfern.
Insbesondere ist NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm with elitism) die am weitesten verbreitete Variante. In einer inländischen Studie an einem V-förmigen Permanentmagnet-Noniusmotor im Inneren erreichte die Kombination eines BP-Ersatzmodells für ein neuronales Netzwerk und NSGA-II eine Verbesserung von mehr als 10 % sowohl bei der Optimierung des Drehmoments als auch des Kernverlusts. An der internationalen Grenze demonstrierte eine Studie von Liu Huijuns Team in Progress In Electromagnetics Research C aus dem Jahr 2025 systematisch einen genetischen Optimierungsprozess mit mehreren Zielen mit dem doppelten Ziel, das Ausgangsdrehmoment zu maximieren und die Drehmomentwelligkeit zu minimieren. Darüber hinaus wurde die Kombination genetischer Algorithmen und der TOPSIS-Methode auch zur Optimierung der Rotorschlitzstruktur in Flachdraht-Permanentmagnet-Synchronmotoren vorgeschlagen.
Multiobjektive genetische Algorithmen funktionieren nicht alleine. Die metaheuristische Familie spielt je nach Problemcharakteristik unterschiedliche Rollen:
· Partikelschwarmoptimierung (PSO) zeichnet sich durch die globale Optimierung kontinuierlicher Variablen aus. Die vom Vogelschwarm inspirierte Bei der Optimierung eines kernlosen Stator-Axialfeld-Permanentmagnetmotors wurden sowohl GA als auch PSO verwendet, um die Ausgangsleistung pro Permanentmagnetvolumeneinheit zu maximieren. Das gewichtete trägheitsangepasste PSO wurde auch zur Optimierung der Strukturparameter eines axial geteilten Magnetschwebe-Schwungradmotors mit geschalteter Reluktanz angewendet.
· Künstliche neuronale Netze (KNN) fungieren als Ersatzmodelle. Da jede Finite-Elemente-Simulation (insbesondere 3D-FEM) Minuten bis Stunden dauern kann, ist die direkte Einbettung in die Optimierungsschleife mit einem enormen Rechenaufwand verbunden. Daher trainieren Forscher ANN-Ersatzkräfte häufig anhand von hochpräzisen FEM-Daten, ersetzen stundenlange Simulationen durch Vorhersagen der zweiten Ebene und verbessern die Recheneffizienz erheblich. Bei der Optimierung eines permanentmagnetunterstützten geschalteten Reluktanzmotors wurde eine durch einen genetischen Algorithmus optimierte Support-Vektor-Maschine (GASVM) zusammen mit NSGA-II verwendet, um eine Optimierung mit mehreren Zielen zu erreichen.
· Die Ameisenkolonieoptimierung (ACO) wurde auch zur Effizienzoptimierung von Axialflussmotoren eingesetzt. Bei der Optimierung eines bürstenlosen Axialfluss-Gleichstrommotors mit Doppelstator und Einzelrotor verbesserte GA den Wirkungsgrad von 91,01 % auf 91,57 %, während ACO ihn weiter auf 91,80 % steigerte.
Die kombinierte Anwendung dieser metaheuristischen Methoden hat eine Gesamteffizienzverbesserung von bis zu etwa 15 % für Axialflussmotoren unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht – eine bedeutende Errungenschaft angesichts immer strengerer Industriestandards für hocheffiziente Antriebssysteme.
III. SMC-Materialien und Near-Net-Shape-Formung: „Geometrische Freiheit“ bei der Rotorherstellung
Wenn das Halbach-Array und die Mehrzieloptimierung die Herausforderungen des „elektromagnetischen Designs“ von Axialflussmotoren lösen, dann schreiben weichmagnetische Verbundwerkstoffe (SMC) zusammen mit der Technologie zur endkonturnahen Formung die Regeln der „Herstellbarkeit“ neu.
Weichmagnetischer Verbundwerkstoff ist ein magnetisches Material, das durch Pressen von Pulver auf Eisenbasis mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel durch einen pulvermetallurgischen Prozess entsteht. Durch den pulvermetallurgischen Prozess entsteht eine Isolierschicht zwischen den magnetischen Partikeln, wodurch Wirbelstromverluste wirksam reduziert werden; Gleichzeitig weist SMC isotrope magnetische Eigenschaften auf – ein grundlegender Unterschied zum anisotropen Verhalten herkömmlicher Siliziumstahlbleche. Siliziumstahl kann nur in seiner zweidimensionalen Walzrichtung eine hohe Flussdichte (Sättigung ≥ 2,0 T) tragen, weist jedoch in komplexen dreidimensionalen Magnetkreisen eine schlechte Leistung auf. SMC hingegen unterstützt ein echtes dreidimensionales Flusspfaddesign und ist damit ein idealer Materialträger für neuartige Topologien wie Axialflussmotoren, die von Natur aus auf einer 3D-Magnetfeldverteilung basieren.
Noch wichtiger ist, dass SMC dem Rotordesign ein beispielloses Maß an Fertigungsfreiheit bietet.
Herkömmliche Siliziumstahlkerne müssen durch eine lange Prozesskette – Stanzen, Stapeln, Schweißen usw. – mit geringem Materialverbrauch und strengen geometrischen Einschränkungen hergestellt werden. SMC ermöglicht mithilfe der Pulvermetallurgie das Formen hochkomplexer geometrischer Merkmale in einem Schritt. Dies ist die Kernbedeutung des „Near-Net-Shape-Forming“ : Ein Design, das der Endform nahe kommt, kann direkt durch Pressen in einer Form realisiert werden, wodurch die nachträgliche Bearbeitung erheblich reduziert wird.
Dieser Vorteil kommt besonders bei Axialflussmotoren zum Tragen. In einer Studie der Japan Powder Metallurgy Society aus dem Jahr 2025 wurde SMC verwendet, um die Zähne und Doppelflansche eines Stators integral zu formen, wodurch die Gegenfläche zwischen Stator und Rotor deutlich vergrößert und gleichzeitig die elektromagnetische Leistung und die Fertigungseffizienz verbessert wurden. In einem inländischen Industriebericht vom Oktober 2025 wurde ebenfalls darauf hingewiesen, dass SMC dank seiner isotropen magnetischen Eigenschaften, geringen Wirbelstromverluste und der Unterstützung des 3D-Flussdesigns Axialflussmotoren zu hoher Leistung, niedrigem Energieverbrauch und stabiler Massenproduktion vorantreibt. Bei den aktuellen Prozessniveaus wurde die Konsistenz von SMC-Statoren um mehr als 15 % verbessert und die Gesamtausbeute liegt bei über 96 %.
In fortgeschritteneren Anwendungen wird SMC auch mit Siliziumstahl kombiniert, um hybride Statorstrukturen zu bilden : Der Siliziumstahl trägt eine hohe Flussdichte (≥ 2,0 T) für 2D-Magnetpfade, während SMC komplexe 3D-Flüsse verarbeitet. Beide Materialien nutzen ihre jeweiligen Vorteile und reduzieren gleichzeitig Wirbelstromverluste und Designkomplexität.
Natürlich ist SMC nicht ohne Mängel. Seine magnetische Permeabilität ist geringer als die von Siliziumstahl, wodurch die Spitzenflussdichte bei Anwendungen mit sehr niedrigen Frequenzen begrenzt wird. Darüber hinaus sind aufgrund seiner Sprödigkeit Überlegungen zur mechanischen Festigkeit bei der Verwendung auf der Rotorseite wichtiger. Dennoch überwiegen die Vorteile von SMC bei den komplexen Geometrien von Statorkernen in Axialflussmotoren bei weitem seine Nachteile – weshalb es als wichtiger Katalysator für die Beschleunigung der Kommerzialisierung von Axialflussmotoren gilt.
IV. Fazit: Drei Schlüssel, eine Mission
Von der Innovation bei den Magnetkreisprinzipien (Halbach-Array und dual-skewed Poles) über die Umstrukturierung der Designmethodik (multiobjektive genetische Algorithmen und metaheuristische Methoden) bis hin zum Paradigmenwechsel bei Materialien und Fertigung (SMC Near-Net-Shape Forming) durchläuft das Design von Rotoren für Hochleistungs-Axialflussmotoren einen tiefgreifenden Wandel – von „erfahrungsgesteuert“ zu „berechnungsgesteuert + materialgesteuert“.
Das Halbach-Array fokussiert den magnetischen Fluss auf ein beispielloses Niveau. die doppelt abgeschrägte Polstruktur sorgt für eine präzise Unterdrückung von Wellen; multiobjektive genetische Algorithmen und metaheuristische Methoden lokalisieren effizient die Pareto-optimalen Kompromisse zwischen elektromagnetischen, thermischen und Herstellungskosten in einem riesigen Suchraum; und SMC durchbricht die dreidimensionalen Einschränkungen der traditionellen Fertigung und ermöglicht die Massenproduktion komplexer Geometrien, die bisher nur in wissenschaftlichen Arbeiten existierten. Diese drei Schlüssel vereinen sich zu einem einzigen Ziel: Ohne Leistungseinbußen Axialflussmotoren zu geringeren Kosten, mit kürzeren Vorlaufzeiten und höherer Zuverlässigkeit in unsere Autos, Flugzeuge, Roboter und Haushaltsgeräte zu integrieren.
Für Ingenieure und Forscher ist dies nicht nur eine kontinuierliche Erweiterung der technischen Grenzen, sondern auch ein Fenster des Design-Paradigmenwechsels, das es zu nutzen lohnt.
