उच्च-प्रदर्शन अक्षीय फ्लक्स मोटर रोटर्स का 'हार्डकोर' डिज़ाइन जादू: हैलबैक ऐरे, बहुउद्देश्यीय अनुकूलन, और एसएमसी सामग्री

सार:  एक्सियल फ्लक्स स्थायी चुंबक (एएफपीएम) मोटर्स ने अपनी सपाट संरचना और उच्च टॉर्क घनत्व के साथ, इलेक्ट्रिक वाहनों और ड्रोन जैसे अत्याधुनिक क्षेत्रों में महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। हालाँकि, उनकी प्रदर्शन सीमा को और तोड़ने के लिए, रोटर डिज़ाइन एक महत्वपूर्ण चर है। यह आलेख हैलबैक सरणी के फ्लक्स-फ़ोकसिंग सिद्धांत से शुरू होता है और फिर दोहरे-तिरछी ध्रुव संरचना के बेहतर डिज़ाइन की व्याख्या करता है। यह कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन की सीमा में आगे बढ़ता है, यह जांच करता है कि बहुउद्देश्यीय आनुवंशिक एल्गोरिदम और मेटाह्यूरिस्टिक तरीके मोटर डिज़ाइन में पैरेटो इष्टतमता कैसे प्राप्त करते हैं। अंत में, यह नरम चुंबकीय समग्र (एसएमसी) सामग्रियों की निकट-नेट-आकार बनाने की प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित करता है और चर्चा करता है कि यह तकनीक इंजीनियरिंग प्रोटोटाइप से अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन तक 'अंतिम मील' को पाटने में कैसे मदद करती है।

I. हेलबैक सरणी और दोहरे तिरछे ध्रुव: चुंबकीय क्षेत्र का 'संलयन' और 'आकार देना'

एक अक्षीय फ्लक्स मोटर की प्रदर्शन सीमा काफी हद तक रोटर पक्ष पर स्थायी चुंबक द्वारा उत्पादित चुंबकीय क्षेत्र वितरण की गुणवत्ता पर निर्भर करती है। पारंपरिक सतह पर लगे स्थायी चुंबक (एसपीएम) की संरचना सरल है, लेकिन अलग-अलग चुंबकीय प्रवाह रेखाओं की इसकी अंतर्निहित कमी के कारण सीमित वायु-अंतराल प्रवाह घनत्व और उच्च रिसाव प्रवाह होता है।

हैलबैक सरणी लगभग आदर्श समाधान प्रदान करती है। यह स्थायी चुम्बकों की एक विशेष व्यवस्था है - आसन्न चुम्बकों की चुम्बकत्व दिशा को क्रमिक रूप से 90° तक घुमाया जाता है, जिससे कि सरणी के एक तरफ चुंबकीय क्षेत्र बढ़ जाता है और दूसरी तरफ लगभग पूरी तरह से रद्द हो जाता है, जिससे एक  स्व-परिरक्षण प्रभाव प्राप्त होता है । अधिक सहज शब्दों में: एक पारंपरिक चुंबकीय सर्किट में फ्लक्स रेखाएं सममित रूप से विचलन करती हैं, जबकि हैलबैक सरणी फ्लक्स रेखाओं को कार्यशील वायु-अंतराल पक्ष तक 'सीमित' करती है, जिससे कुशल फ्लक्स फोकसिंग का एहसास होता है। प्रयोगों से पता चला है कि हैलबैक ऐरे का उपयोग करने वाले अक्षीय फ्लक्स मोटर्स में, टॉर्क घनत्व को 28% तक बढ़ाया जा सकता है और कॉगिंग टॉर्क को 65% तक कम किया जा सकता है।

हालाँकि, हैलबैक ऐरे को व्यावहारिक रोटर डिजाइन में चुनौतियों का भी सामना करना पड़ता है: हालांकि एयर-गैप फ्लक्स घनत्व की साइनसॉइडल गुणवत्ता में सुधार हुआ है, टॉर्क रिपल - विशेष रूप से कॉगिंग टॉर्क - सुचारू संचालन के लिए एक प्रमुख बाधा बनी हुई है।  दोहरे तिरछे ध्रुव चुंबक प्रौद्योगिकी की शुरूआत इस दर्द बिंदु को लक्षित करने वाला एक सटीक हस्तक्षेप है।

में प्रकाशित, थाईलैंड में खोन केन विश्वविद्यालय की 2024 शोध टीम ने  आईईईई एक्सेस तिरछी हैलबैक सरणी के साथ एक अभिनव टोरस अक्षीय फ्लक्स मोटर का प्रस्ताव रखा। स्थायी चुम्बकों को तिरछे विन्यास (दो-तिरछे ध्रुवों का निर्माण) में व्यवस्थित करके, बेसलाइन की तुलना में बेहतर मोटर ने बैक-ईएमएफ में 4% की वृद्धि और नो-लोड स्थितियों के तहत कॉगिंग टॉर्क में 9.3% की कमी दिखाई; लोड के तहत, औसत टॉर्क में 8% की वृद्धि हुई और टॉर्क रिपल में 7.8% की कमी आई। इन सुधारों को के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है  फ्लक्स-फ़ोकसिंग और फ्लक्स रद्दीकरण प्रभावों की सहक्रियात्मक वृद्धि  - तिरछी संरचना अंतरिक्ष में चुंबकीय क्षेत्र विनियमन के लिए स्वतंत्रता की डिग्री का विस्तार करती है, जो वायु-अंतराल फ्लक्स घनत्व के हार्मोनिक घटकों को प्रभावी ढंग से दबा देती है।

अन्य अध्ययनों ने पुष्टि की है कि नरम चुंबकीय मिश्रित कोर के साथ अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के लिए, दो-खंड असमान-चौड़ाई हैलबैक सरणी के अक्षीय चुंबकीयकरण गुणांक (इष्टतम मूल्य ~ 0.82) को विश्लेषणात्मक रूप से अनुकूलित करके आगे टोक़ वृद्धि प्राप्त की जा सकती है। हाल के परिणाम और भी आगे बढ़ते हैं:  साइंटिफिक रिपोर्ट्स में प्रकाशित 2025 के एक अध्ययन में  एक  दोहरे-तिरछी हैलबैक सरणी डबल-पक्षीय अक्षीय प्रवाह स्थायी चुंबक मोटर को अपनाया गया  और, बहुउद्देश्यीय आनुवंशिक एल्गोरिदम अनुकूलन के माध्यम से, औसत टॉर्क में 7.8% की वृद्धि और टॉर्क रिपल में महत्वपूर्ण कमी हासिल की गई।

द्वितीय. कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन का 'ऐस वेपन': मल्टी-ऑब्जेक्टिव जेनेटिक एल्गोरिदम और मेटाह्यूरिस्टिक तरीके

यदि हैलबैक सरणी 'क्या करें' प्रश्न का उत्तर देती है, तो आधुनिक अनुकूलन एल्गोरिदम 'इसे सर्वोत्तम तरीके से कैसे करें' प्रश्न का उत्तर देता है। अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के लिए, रोटर ज्यामिति, चुंबक आयाम, चुंबकत्व कोण और तिरछा कोण जैसे डिज़ाइन चर जटिल गैर-रेखीय तरीकों से युग्मित होते हैं, और पारंपरिक एकल-पैरामीटर स्वीप या परीक्षण-और-त्रुटि विधियां लंबे समय से अपनी सीमा तक पहुंच गई हैं।

मल्टी ऑब्जेक्टिव जेनेटिक एल्गोरिदम (MOGA)  वर्तमान में समाधानों का सबसे परिपक्व वर्ग है। वे प्रकृति के 'योग्यतम की उत्तरजीविता' और 'आनुवंशिक भिन्नता' तंत्र की नकल करते हैं, चयन, क्रॉसओवर और उत्परिवर्तन संचालन के माध्यम से पेरेटो-इष्टतम समाधान सेट के लिए स्वचालित रूप से विशाल डिज़ाइन स्थान की खोज करते हैं। पेरेटो मोर्चे पर प्रत्येक बिंदु एक गैर-वर्चस्व वाले व्यापार-बंद का प्रतिनिधित्व करता है - किसी भी उद्देश्य को दूसरे का त्याग किए बिना आगे सुधार नहीं किया जा सकता है।

विशेष रूप से, एनएसजीए-II (अभिजात्यवाद के साथ गैर-प्रभुत्व वाली सॉर्टिंग जेनेटिक एल्गोरिदम) सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला संस्करण है। वी-आकार के आंतरिक स्थायी चुंबक वर्नियर मोटर पर एक घरेलू अध्ययन में, बीपी न्यूरल नेटवर्क सरोगेट मॉडल और एनएसजीए-II के संयोजन ने टॉर्क और कोर लॉस ऑप्टिमाइजेशन दोनों में 10% से अधिक सुधार हासिल किया। अंतर्राष्ट्रीय सीमा पर,  प्रोग्रेस इन इलेक्ट्रोमैग्नेटिक्स रिसर्च सी में लियू हुइजुन की टीम द्वारा 2025 के एक अध्ययन  में आउटपुट टॉर्क को अधिकतम करने और टॉर्क रिपल को कम करने के दोहरे उद्देश्यों के साथ एक बहुउद्देश्यीय आनुवंशिक अनुकूलन प्रक्रिया का व्यवस्थित रूप से प्रदर्शन किया गया। इसके अलावा, फ्लैट-वायर स्थायी चुंबक सिंक्रोनस मोटर्स में रोटर स्लॉट संरचना अनुकूलन के लिए आनुवंशिक एल्गोरिदम और TOPSIS विधि का संयोजन भी प्रस्तावित किया गया है।

बहुउद्देश्यीय आनुवंशिक एल्गोरिदम अकेले काम नहीं करते हैं। मेटाह्यूरिस्टिक  परिवार  समस्या विशेषताओं के अनुसार विभिन्न भूमिकाएँ निभाता है:

· पक्षियों के झुंड से प्रेरित  कण झुंड अनुकूलन (पीएसओ) , निरंतर चर के वैश्विक अनुकूलन में उत्कृष्टता प्राप्त करता है। कोरलेस स्टेटर अक्षीय-क्षेत्र स्थायी चुंबक मोटर के अनुकूलन में, जीए और पीएसओ दोनों का उपयोग प्रति इकाई स्थायी चुंबक मात्रा में आउटपुट पावर को अधिकतम करने के लिए किया गया है। भारित जड़ता-समायोजित पीएसओ को अक्षीय-विभाजित-चरण चुंबकीय-उत्तोलन स्विच अनिच्छा फ्लाईव्हील मोटर के संरचनात्मक पैरामीटर अनुकूलन पर भी लागू किया गया है।

·  कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क (एएनएन)  सरोगेट मॉडल के रूप में कार्य करते हैं। क्योंकि प्रत्येक परिमित तत्व सिमुलेशन (विशेष रूप से 3डी एफईएम) में मिनटों से लेकर घंटों तक का समय लग सकता है, उन्हें सीधे अनुकूलन लूप में एम्बेड करने से एक बड़ा कम्प्यूटेशनल बोझ पड़ता है। इसलिए, शोधकर्ता अक्सर एएनएन सरोगेट्स को उच्च-निष्ठा एफईएम डेटा पर प्रशिक्षित करते हैं, घंटे भर के सिमुलेशन को दूसरे स्तर की भविष्यवाणियों के साथ बदलते हैं और कम्प्यूटेशनल दक्षता में नाटकीय रूप से सुधार करते हैं। एक स्थायी चुंबक-सहायता स्विच्ड अनिच्छा मोटर के अनुकूलन में, बहुउद्देश्यीय अनुकूलन प्राप्त करने के लिए एनएसजीए-II के साथ एक आनुवंशिक एल्गोरिदम अनुकूलित समर्थन वेक्टर मशीन (जीएएसवीएम) का उपयोग किया गया था।

·  चींटी कॉलोनी अनुकूलन (एसीओ) को  अक्षीय फ्लक्स मोटर्स की दक्षता अनुकूलन के लिए भी लागू किया गया है। डबल-स्टेटर सिंगल-रोटर एक्सियल-फ्लक्स ब्रशलेस डीसी मोटर के अनुकूलन में, जीए ने दक्षता में 91.01% से 91.57% तक सुधार किया, जबकि एसीओ ने इसे 91.80% तक बढ़ा दिया।

इन मेटाह्यूरिस्टिक तरीकों के संयुक्त अनुप्रयोग ने वास्तविक परिचालन स्थितियों के तहत अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के लिए  लगभग 15% तक की समग्र दक्षता में सुधार सक्षम किया है  - उच्च दक्षता ड्राइव सिस्टम के लिए तेजी से कड़े उद्योग मानकों के सामने एक महत्वपूर्ण उपलब्धि।

तृतीय. एसएमसी सामग्री और निकट-नेट-आकार निर्माण: रोटर विनिर्माण में 'ज्यामितीय स्वतंत्रता'

यदि हैलबैक सरणी और बहुउद्देश्यीय अनुकूलन अक्षीय प्रवाह मोटर्स की 'विद्युत चुम्बकीय डिजाइन' चुनौतियों को हल करते हैं, तो नरम चुंबकीय समग्र (एसएमसी) सामग्री निकट-नेट-आकार बनाने वाली तकनीक के साथ मिलकर 'विनिर्माण क्षमता' के नियमों को फिर से लिख रही है।

नरम चुंबकीय मिश्रित एक चुंबकीय सामग्री है जो पाउडर धातु विज्ञान प्रक्रिया के माध्यम से विद्युत इन्सुलेटिंग बाइंडर के साथ लौह आधारित पाउडर को दबाकर बनाई जाती है। पाउडर धातुकर्म प्रक्रिया चुंबकीय कणों के बीच एक इन्सुलेट परत बनाती है, जो प्रभावी रूप से भंवर धारा हानि को कम करती है; साथ ही,  एसएमसी आइसोट्रोपिक चुंबकीय गुण प्रदर्शित करता है  - पारंपरिक सिलिकॉन स्टील लेमिनेशन के अनिसोट्रोपिक व्यवहार से एक बुनियादी अंतर। सिलिकॉन स्टील केवल अपनी दो आयामी रोलिंग दिशा में उच्च प्रवाह घनत्व (संतृप्ति ≥ 2.0 टी) ले जा सकता है, लेकिन जटिल त्रि-आयामी चुंबकीय सर्किट में खराब प्रदर्शन करता है। दूसरी ओर, एसएमसी वास्तविक त्रि-आयामी फ्लक्स पथ डिज़ाइन का समर्थन करता है, जो इसे अक्षीय फ्लक्स मोटर्स जैसे उपन्यास टोपोलॉजी के लिए एक आदर्श सामग्री वाहक बनाता है जो स्वाभाविक रूप से 3 डी चुंबकीय क्षेत्र वितरण पर निर्भर करता है।

इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि एसएमसी अभूतपूर्व  स्तर की विनिर्माण स्वतंत्रता के साथ रोटर डिज़ाइन प्रदान करती है.

पारंपरिक सिलिकॉन स्टील कोर को कम सामग्री उपयोग और गंभीर ज्यामितीय बाधाओं के साथ प्रक्रियाओं की एक लंबी श्रृंखला - स्टैम्पिंग, स्टैकिंग, वेल्डिंग इत्यादि के माध्यम से निर्मित किया जाना चाहिए। एसएमसी, पाउडर धातु विज्ञान का उपयोग करके, अत्यधिक जटिल ज्यामितीय विशेषताओं के एकल-चरण मोल्डिंग की अनुमति देता है। यह का मूल अर्थ है  'निकट-नेट-आकार निर्माण' : अंतिम आकार के करीब एक डिज़ाइन को सीधे एक सांचे में दबाकर महसूस किया जा सकता है, जिससे बाद की मशीनिंग बहुत कम हो जाती है।

यह लाभ विशेष रूप से अक्षीय फ्लक्स मोटर्स में स्पष्ट है। जापान पाउडर मेटलर्जी सोसाइटी द्वारा 2025 के एक अध्ययन में, एसएमसी का उपयोग स्टेटर के दांतों और डबल फ्लैंग्स को एकीकृत रूप से बनाने के लिए किया गया था, जिससे स्टेटर और रोटर के बीच विरोधी क्षेत्र में काफी वृद्धि हुई और साथ ही विद्युत चुम्बकीय प्रदर्शन और विनिर्माण दक्षता में सुधार हुआ। अक्टूबर 2025 की एक घरेलू उद्योग रिपोर्ट में इसी तरह बताया गया है कि एसएमसी, अपने आइसोट्रोपिक चुंबकीय गुणों, कम एड़ी वर्तमान नुकसान और 3डी फ्लक्स डिजाइन के लिए समर्थन के कारण, अक्षीय फ्लक्स मोटर्स को उच्च प्रदर्शन, कम ऊर्जा खपत और स्थिर बड़े पैमाने पर उत्पादन की ओर ले जा रही है। वर्तमान प्रक्रिया स्तरों पर, एसएमसी स्टेटर्स की स्थिरता में 15% से अधिक सुधार हुआ है, और कुल उपज दर 96% से अधिक है।

अधिक उन्नत अनुप्रयोगों में,  हाइब्रिड स्टेटर संरचना बनाने के लिए एसएमसी को सिलिकॉन स्टील के साथ भी जोड़ा जाता है : सिलिकॉन स्टील 2डी चुंबकीय पथों के लिए उच्च फ्लक्स घनत्व (≥ 2.0 टी) वहन करता है, जबकि एसएमसी जटिल 3डी फ्लक्स को संभालता है। दोनों सामग्रियां भंवर धारा हानियों और डिजाइन जटिलता को कम करते हुए अपने-अपने फायदे का फायदा उठाती हैं।

बेशक, एसएमसी कमियों से रहित नहीं है। इसकी चुंबकीय पारगम्यता सिलिकॉन स्टील की तुलना में कम है, जो बहुत कम आवृत्ति वाले अनुप्रयोगों में चरम प्रवाह घनत्व को सीमित करती है; इसके अलावा, इसकी भंगुर प्रकृति रोटर-साइड उपयोग के लिए यांत्रिक शक्ति को अधिक महत्वपूर्ण बनाती है। फिर भी, अक्षीय फ्लक्स मोटर्स में स्टेटर कोर की जटिल ज्यामिति के लिए, एसएमसी के फायदे इसके नुकसान से कहीं अधिक हैं - यही कारण है कि इसे  अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के व्यावसायीकरण में तेजी लाने के लिए एक प्रमुख उत्प्रेरक माना जाता है।.

चतुर्थ. निष्कर्ष: तीन कुंजी, एक मिशन

चुंबकीय सर्किट सिद्धांतों (हैलबैक सरणी और दोहरे-तिरछे ध्रुवों) में नवाचार से लेकर, डिजाइन पद्धति के पुनर्गठन (बहु-उद्देश्य आनुवंशिक एल्गोरिदम और मेटाह्यूरिस्टिक तरीकों) तक, और अंत में सामग्री और विनिर्माण (एसएमसी निकट-नेट-आकार बनाने) में प्रतिमान बदलाव तक, उच्च-प्रदर्शन अक्षीय फ्लक्स मोटर रोटर्स का डिजाइन एक गहन परिवर्तन से गुजर रहा है - 'अनुभव-संचालित' से 'गणना-संचालित +' तक सामग्री-चालित'।

हैलबैक सरणी चुंबकीय प्रवाह को अभूतपूर्व स्तर तक केंद्रित करती है; दोहरी-तिरछी ध्रुव संरचना सटीक तरंग दमन प्राप्त करती है; बहुउद्देश्यीय आनुवंशिक एल्गोरिदम और मेटाह्यूरिस्टिक विधियां एक विशाल खोज स्थान में विद्युत चुम्बकीय, थर्मल और विनिर्माण लागत के बीच पेरेटो-इष्टतम व्यापार-बंद का कुशलतापूर्वक पता लगाती हैं; और एसएमसी पारंपरिक विनिर्माण की त्रि-आयामी बाधाओं को तोड़ता है, जटिल ज्यामिति को बड़े पैमाने पर उत्पादन की व्यवहार्यता प्रदान करता है जो पहले केवल अकादमिक पत्रों में मौजूद थे। ये तीन चाबियाँ एक ही लक्ष्य की ओर एक साथ आती हैं -  प्रदर्शन से समझौता किए बिना, कम लागत पर, कम लीड समय के साथ, और उच्च विश्वसनीयता के साथ हमारी कारों, विमानों, रोबोटों और घरेलू उपकरणों में अक्षीय फ्लक्स मोटर्स लाने के लिए।

इंजीनियरों और शोधकर्ताओं के लिए, यह न केवल तकनीकी सीमाओं का निरंतर विस्तार है, बल्कि डिज़ाइन-प्रतिमान बदलाव की एक खिड़की भी है जिसका लाभ उठाया जा सकता है।