Abstract: Ang mga axial flux permanent magnet (AFPM) na mga motor, na may patag na istraktura at mataas na torque density, ay nakakuha ng malaking atensyon sa mga cutting-edge na larangan tulad ng mga de-kuryenteng sasakyan at drone. Gayunpaman, upang higit pang masira ang kanilang performance ceiling, ang disenyo ng rotor ay isang kritikal na variable. Ang artikulong ito ay nagsisimula sa flux-focusing principle ng Halbach array at pagkatapos ay ipinapaliwanag ang pinahusay na disenyo ng dual-skewed pole structure. Ito ay gumagalaw sa hangganan ng computer-aided na disenyo, sinusuri kung paano nakakamit ng multi-objective genetic algorithm at metaheuristic na pamamaraan ang Pareto optimality sa disenyo ng motor. Sa wakas, nakatutok ito sa malapit-net-shape forming process ng soft magnetic composite (SMC) na materyales at tinatalakay kung paano nakakatulong ang teknolohiyang ito na i-bridge ang 'last mile' mula sa engineering prototypes hanggang sa mass production ng axial flux motors.
I. Halbach Array at Dual-Skewed Poles: 'Fusion' at 'Shaping' ng Magnetic Field
Ang performance ceiling ng isang axial flux motor ay higit na nakadepende sa kalidad ng pamamahagi ng magnetic field na ginawa ng mga permanenteng magnet sa bahagi ng rotor. Ang tradisyonal na surface-mounted permanent magnet (SPM) na istraktura ay simple, ngunit ang likas na sagabal nito ng divergent magnetic flux lines ay humahantong sa limitadong air-gap flux density at mataas na leakage flux.
Nag-aalok ang Halbach array ng halos perpektong solusyon. Ito ay isang espesyal na pag-aayos ng mga permanenteng magnet - ang direksyon ng magnetization ng mga katabing magnet ay sunud-sunod na pinaikot ng 90°, upang ang magnetic field ay pinahusay sa isang bahagi ng array at halos ganap na nakansela sa kabilang panig, na nakakamit ng isang self-shielding effect . Sa mas madaling maunawaan na mga termino: sa isang maginoo na magnetic circuit ang mga linya ng flux ay nag-iiba nang simetriko, habang ang Halbach array ay 'nakakulong' sa mga linya ng flux sa gumaganang air-gap side, na napagtatanto ang mahusay na pagtutuon ng flux. Ipinakita ng mga eksperimento na sa axial flux motors na gumagamit ng Halbach array, ang torque density ay maaaring tumaas ng hanggang 28% at ang cogging torque ay mababawasan ng 65%.
Gayunpaman, ang Halbach array ay nahaharap din sa mga hamon sa praktikal na disenyo ng rotor: bagama't ang sinusoidal na kalidad ng air-gap flux density ay napabuti, ang torque ripple - lalo na ang cogging torque - ay nananatiling isang pangunahing bottleneck para sa maayos na operasyon. Ang pagpapakilala ng teknolohiyang dual-skewed pole magnet ay isang tumpak na interbensyon na nagta-target sa puntong ito ng sakit.
Isang 2024 research team mula sa Khon Kaen University sa Thailand, na nag-publish sa IEEE Access , nagmungkahi ng isang makabagong TORUS axial flux motor na may skewed Halbach array. Sa pamamagitan ng pag-aayos ng mga permanenteng magnet sa isang skewed configuration (na bumubuo ng dual-skewed pole), ang pinahusay na motor, kumpara sa isang baseline, ay nagpakita ng 4% na pagtaas sa back-EMF at isang 9.3% na pagbawas sa cogging torque sa ilalim ng mga kondisyon na walang load; sa ilalim ng pagkarga, ang average na torque ay tumaas ng 8% at ang torque ripple ay bumaba ng 7.8%. Ang mga pagpapahusay na ito ay maaaring maiugnay sa synergistic na pagpapahusay ng flux-focusing at flux canceling effect - ang skewed na istraktura ay nagpapalawak ng antas ng kalayaan para sa magnetic field regulation sa kalawakan, na epektibong pinipigilan ang mga harmonic na bahagi ng air-gap flux density.
Kinumpirma ng iba pang mga pag-aaral na para sa mga axial flux motor na may malambot na magnetic composite core, ang karagdagang torque enhancement ay maaaring makamit sa pamamagitan ng analytically optimization sa axial magnetization coefficient (pinakamainam na halaga ~0.82) ng isang two-segment na hindi pantay na lapad na Halbach array. Ang mas kamakailang mga resulta ay higit pa: ang isang 2025 na pag-aaral na inilathala sa Scientific Reports ay nagpatibay ng isang dual-skewed Halbach array double-sided axial flux permanent magnet motor at, sa pamamagitan ng multi-objective genetic algorithm optimization, nakamit ang isang 7.8% na pagtaas sa average na torque at isang makabuluhang pagbawas sa torque ripple.
II. Ang 'Ace Weapon' ng Computer-Aided Design: Multi-Objective Genetic Algorithms at Metaheuristic Methods
Kung sasagutin ng hanay ng Halbach ang tanong na 'ano ang gagawin', sasagutin ng mga modernong algorithm ng pag-optimize ang tanong na 'paano ito gagawin nang mahusay'. Para sa axial flux motors, ang mga variable ng disenyo tulad ng rotor geometry, mga dimensyon ng magnet, magnetization angle, at skew angle ay pinagsama sa mga kumplikadong nonlinear na paraan, at ang tradisyonal na single-parameter sweep o trial-and-error na pamamaraan ay matagal nang umabot sa kanilang mga limitasyon.
Ang mga multi objective genetic algorithm (MOGA) ay kasalukuyang pinaka-mature na klase ng mga solusyon. Ginagaya nila ang 'survival of the fittest' at 'genetic variation' na mekanismo ng kalikasan, na awtomatikong naghahanap sa malawak na espasyo sa disenyo para sa Pareto-optimal na mga hanay ng solusyon sa pamamagitan ng pagpili, crossover, at mutation operations. Ang bawat punto sa harap ng Pareto ay kumakatawan sa isang hindi pinangungunahan na trade-off - wala sa mga layunin ang maaaring higit pang mapabuti nang hindi isinakripisyo ang isa pa.
Sa partikular, ang NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm with elitism) ay ang pinakakaraniwang ginagamit na variant. Sa isang domestic na pag-aaral sa isang V-shaped interior permanent magnet vernier motor, ang kumbinasyon ng isang BP neural network surrogate model at NSGA-II ay nakamit ng higit sa 10% na pagpapabuti sa parehong torque at core loss optimization. Sa internasyunal na hangganan, isang 2025 na pag-aaral ng koponan ni Liu Huijun sa Progress In Electromagnetics Research C ay sistematikong nagpakita ng isang multi-layunin na proseso ng genetic optimization na may dalawahang layunin ng pag-maximize ng output torque at pagliit ng torque ripple. Bilang karagdagan, ang kumbinasyon ng mga genetic algorithm at ang pamamaraan ng TOPSIS ay iminungkahi din para sa pag-optimize ng istraktura ng rotor slot sa flat-wire permanent magnet na magkakasabay na motor.
Ang mga multi-Objective na genetic algorithm ay hindi gumagana nang mag-isa. Ang metaheuristic na pamilya ay gumaganap ng iba't ibang mga tungkulin ayon sa mga katangian ng problema:
· Particle swarm optimization (PSO) , inspirasyon ng bird flocking, excels at global optimization ng tuluy-tuloy na variable. Sa pag-optimize ng isang walang core na stator axial-field permanent magnet motor, parehong GA at PSO ay ginamit upang i-maximize ang output power sa bawat unit permanenteng magnet volume. Ang weighted inertia-adjusted PSO ay inilapat din sa structural parameter optimization ng isang axial-divided-phase magnetic-levitation switched reluctance flywheel motor.
· Ang mga artificial neural network (ANN) ay kumikilos bilang mga surrogate na modelo. Dahil ang bawat finite element simulation (lalo na ang 3D FEM) ay maaaring tumagal mula minuto hanggang oras, direktang i-embed ang mga ito sa optimization loop ay nagpapataw ng malaking computational burden. Samakatuwid, madalas na sinasanay ng mga mananaliksik ang mga ANN surrogates sa high-fidelity na data ng FEM, pinapalitan ang isang oras na simulation ng mga hula sa pangalawang antas at kapansin-pansing pagpapabuti ng kahusayan sa computational. Sa pag-optimize ng isang permanenteng magnet-assisted switched reluctance motor, isang genetic algorithm optimized support vector machine (GASVM) ang ginamit kasama ng NSGA-II para makamit ang multi-objective optimization.
· Ang Ant colony optimization (ACO) ay inilapat din sa kahusayan sa pag-optimize ng axial flux motors. Sa pag-optimize ng double-stator single-rotor axial-flux brushless DC motor, pinabuti ng GA ang kahusayan mula 91.01% hanggang 91.57%, habang ang ACO ay dinagdagan pa ito sa 91.80%.
Ang pinagsamang aplikasyon ng mga metaheuristic na pamamaraan na ito ay nagbigay-daan sa pangkalahatang pagpapabuti ng kahusayan ng hanggang sa humigit-kumulang 15% para sa mga axial flux na motor sa ilalim ng tunay na mga kondisyon ng pagpapatakbo - isang makabuluhang tagumpay sa harap ng lalong mahigpit na mga pamantayan ng industriya para sa mga high-efficiency drive system.
III. Mga Materyales ng SMC at Near-Net-Shape Forming: 'Geometric Freedom' sa Rotor Manufacturing
Kung malulutas ng Halbach array at multi-objective optimization ang 'electromagnetic design' na mga hamon ng axial flux motors, ang soft magnetic composite (SMC) na materyales kasama ang near-net-shape forming technology ay muling isinusulat ang mga patakaran ng 'manufacturability'.
Ang malambot na magnetic composite ay isang magnetic material na nabuo sa pamamagitan ng pagpindot sa iron-based na pulbos na may electrical insulating binder sa pamamagitan ng proseso ng powder metalurgy. Ang proseso ng metalurhiya ng pulbos ay lumilikha ng isang insulating layer sa pagitan ng mga magnetic particle, na epektibong binabawasan ang mga pagkalugi ng eddy current; sa parehong oras, ang SMC ay nagpapakita ng isotropic magnetic properties - isang pangunahing pagkakaiba mula sa anisotropic na pag-uugali ng tradisyonal na silicon steel laminations. Ang Silicon steel ay maaaring magdala ng mataas na flux density (saturation ≥ 2.0 T) lamang sa dalawang dimensional na direksyon ng pag-roll, ngunit hindi maganda ang pagganap sa kumplikadong three-dimensional magnetic circuits. Ang SMC, sa kabilang banda, ay sumusuporta sa tunay na three-dimensional na disenyo ng flux path, na ginagawa itong isang mainam na materyal na carrier para sa mga nobelang topologies tulad ng axial flux motors na likas na umaasa sa isang 3D magnetic field distribution.
Higit sa lahat, ang SMC ay nagbibigay ng disenyo ng rotor na may hindi pa nagagawang antas ng kalayaan sa pagmamanupaktura.
Ang mga tradisyonal na silicon steel core ay dapat gawin sa pamamagitan ng mahabang hanay ng mga proseso - stamping, stacking, welding, atbp. - na may mababang paggamit ng materyal at matinding geometric na mga hadlang. Ang SMC, gamit ang metalurhiya ng pulbos, ay nagbibigay-daan sa isang solong hakbang na paghubog ng lubos na kumplikadong mga tampok na geometriko. Ito ang pangunahing kahulugan ng 'near-net-shape forming' : ang isang disenyo na malapit sa huling hugis ay maaaring direktang maisasakatuparan sa pamamagitan ng pagpindot sa isang molde, na lubos na nakakabawas sa kasunod na machining.
Ang kalamangan na ito ay partikular na maliwanag sa axial flux motors. Sa isang pag-aaral noong 2025 ng Japan Powder Metallurgy Society, ginamit ang SMC upang ganap na mabuo ang mga ngipin at double flanges ng isang stator, na makabuluhang pinapataas ang magkasalungat na lugar sa pagitan ng stator at rotor habang sabay na pinapabuti ang electromagnetic na performance at kahusayan sa pagmamanupaktura. Ang isang ulat sa industriya ng domestic mula Oktubre 2025 ay parehong nagturo na ang SMC, salamat sa mga isotropic magnetic properties nito, mababang eddy current losses, at suporta para sa 3D flux na disenyo, ay nagtutulak ng axial flux motors patungo sa mataas na performance, mababang pagkonsumo ng enerhiya, at stable na mass production. Sa kasalukuyang mga antas ng proseso, ang pagkakapare-pareho ng mga stator ng SMC ay napabuti ng higit sa 15%, at ang kabuuang rate ng ani ay lumampas sa 96%.
Sa mas advanced na mga aplikasyon, ang SMC ay pinagsama rin sa silicon na bakal upang bumuo ng mga hybrid na istruktura ng stator : ang silicon na bakal ay nagdadala ng mataas na flux density (≥ 2.0 T) para sa 2D magnetic path, habang ang SMC ay humahawak ng kumplikadong 3D flux. Parehong pinagsasamantalahan ng mga materyales ang kani-kanilang mga pakinabang habang binabawasan ang mga pagkalugi ng eddy current at pagiging kumplikado ng disenyo.
Siyempre, ang SMC ay hindi walang pagkukulang. Ang magnetic permeability nito ay mas mababa kaysa sa silicon steel, na nililimitahan ang peak flux density sa napakababang frequency na mga application; bukod pa rito, ang pagiging malutong nito ay ginagawang mas mahalaga ang pagsasaalang-alang sa lakas ng makina para sa paggamit sa gilid ng rotor. Gayunpaman, para sa mga kumplikadong geometry ng mga stator core sa axial flux motors, ang mga bentahe ng SMC ay higit na mas malaki kaysa sa mga disadvantages nito - kung kaya't ito ay itinuturing na isang pangunahing katalista para sa pagpapabilis ng komersyalisasyon ng axial flux motors..
IV. Konklusyon: Tatlong Susi, Isang Misyon
Mula sa pagbabago sa mga prinsipyo ng magnetic circuit (Halbach array at dual-skewed poles), hanggang sa muling pagsasaayos ng metodolohiya ng disenyo (multi-objective genetic algorithm at metaheuristic na pamamaraan), at panghuli sa pagbabago ng paradigm sa mga materyales at pagmamanupaktura (SMC near-net-shape forming), ang disenyo ng high-performance axial flux motor rotors ay sumasailalim sa pagbabagong-anyo - mula sa 'exfound' na pagbabago. 'computation-driven + materials-driven'.
Ang Halbach array ay nakatuon sa magnetic flux sa mga hindi pa nagagawang antas; ang istraktura ng dual-skewed pole ay nakakamit ng tumpak na pagsugpo sa ripple; multi-layunin genetic algorithm at metaheuristic pamamaraan mahusay na mahanap ang Pareto-optimal trade-off sa pagitan ng electromagnetic, thermal, at pagmamanupaktura gastos sa isang malawak na espasyo sa paghahanap; at sinisira ng SMC ang tatlong-dimensional na mga hadlang ng tradisyonal na pagmamanupaktura, na nagbibigay ng mass-production na pagiging posible sa mga kumplikadong geometry na dati ay umiral lamang sa mga akademikong papel. Ang tatlong susi na ito ay nagsasama-sama patungo sa iisang layunin – nang hindi isinasakripisyo ang pagganap, na dalhin ang mga axial flux na motor sa aming mga kotse, sasakyang panghimpapawid, robot, at mga gamit sa bahay sa mas mababang halaga, na may mas maiikling lead time, at may mas mataas na pagiging maaasahan.
Para sa mga inhinyero at mananaliksik, ito ay hindi lamang isang patuloy na pagpapalawak ng mga teknikal na hangganan, kundi pati na rin ang isang window ng disenyo-paradigm shift na nagkakahalaga ng pag-agaw.
