Sažetak: Motori s trajnim magnetima s aksijalnim fluksom (AFPM), sa svojom ravnom strukturom i velikom gustoćom zakretnog momenta, privukli su značajnu pozornost u najsuvremenijim područjima kao što su električna vozila i dronovi. Međutim, za daljnje probijanje njihove gornje granice performansi, dizajn rotora je kritična varijabla. Ovaj članak počinje s principom fokusiranja toka Halbach niza, a zatim objašnjava poboljšani dizajn dvostruko zakrivljene polne strukture. Pomiče se u granice računalno potpomognutog dizajna, ispitujući kako multi-objektivni genetski algoritmi i metaheurističke metode postižu Pareto optimalnost u dizajnu motora. Naposljetku, fokusira se na proces formiranja gotovo neto oblika mekih magnetskih kompozitnih (SMC) materijala i raspravlja o tome kako ova tehnologija pomaže premostiti 'zadnju milju' od inženjerskih prototipova do masovne proizvodnje motora s aksijalnim fluksom.
I. Halbachov niz i dvostruko iskrivljeni polovi: 'Fuzija' i 'Oblikovanje' magnetskog polja
Gornja granica performansi motora s aksijalnim fluksom uvelike ovisi o kvaliteti distribucije magnetskog polja koju proizvode trajni magneti na strani rotora. Tradicionalna struktura trajnog magneta postavljenog na površinu (SPM) je jednostavna, ali njen inherentni nedostatak divergentnih linija magnetskog toka dovodi do ograničene gustoće toka zračnog raspora i visokog toka curenja.
Halbach niz nudi gotovo idealno rješenje. To je poseban raspored trajnih magneta – smjer magnetizacije susjednih magneta uzastopno se okreće za 90°, tako da je magnetsko polje pojačano na jednoj strani niza i gotovo potpuno poništeno na drugoj strani, postižući učinak samozaštite . Intuitivnije rečeno: u konvencionalnom magnetskom krugu linije toka divergiraju simetrično, dok Halbachov niz 'ograničava' linije toka na stranu radnog zračnog raspora, ostvarujući učinkovito fokusiranje toka. Eksperimenti su pokazali da se u motorima s aksijalnim fluksom koji koriste Halbachov niz, gustoća zakretnog momenta može povećati do 28%, a zakretni moment smanjiti za 65%.
Međutim, Halbachov niz također se suočava s izazovima u praktičnom dizajnu rotora: iako je sinusoidalna kvaliteta gustoće toka zračnog raspora poboljšana, valovitost zakretnog momenta – posebno zakretni moment – ostaje glavno usko grlo za neometan rad. Uvođenje tehnologije magneta s dvostrukim zakrivljenim polom precizna je intervencija usmjerena na ovu bolnu točku.
Istraživački tim 2024. godine sa Sveučilišta Khon Kaen na Tajlandu, koji je objavio u IEEE Accessu , predložio je inovativni motor s aksijalnim fluksom TORUS s iskrivljenim Halbachovim nizom. Postavljanjem trajnih magneta u zakrivljenu konfiguraciju (tvoreći dvostruko zakrivljene polove), poboljšani motor, u usporedbi s osnovnom linijom, pokazao je povećanje povratnog EMF-a od 4% i smanjenje momenta zupčanika od 9,3% u uvjetima praznog hoda; pod opterećenjem, prosječni zakretni moment porastao je za 8%, a valovitost zakretnog momenta smanjena za 7,8%. Ova poboljšanja mogu se pripisati sinergijskom poboljšanju učinaka fokusiranja toka i poništavanja toka – iskrivljena struktura proširuje stupanj slobode za regulaciju magnetskog polja u prostoru, učinkovito potiskujući harmonijske komponente gustoće toka zračnog raspora.
Druge studije potvrdile su da se za motore s aksijalnim fluksom s mekim magnetskim kompozitnim jezgrama, daljnje povećanje momenta može postići analitičkim optimiziranjem koeficijenta aksijalnog magnetiziranja (optimalna vrijednost ~0,82) dvosegmentnog Halbach niza nejednake širine. Noviji rezultati idu čak i dalje: studija iz 2025. objavljena u Scientific Reports prihvatila je dvostrani motor s trajnim magnetom s Halbachovim nizom s dvostranim aksijalnim fluksom i, kroz optimizaciju genetskog algoritma s više ciljeva, postiglo povećanje prosječnog momenta od 7,8% i značajno smanjenje valovitosti momenta.
II. 'Ace Weapon' računalno potpomognutog dizajna: multi-ciljni genetski algoritmi i metaeurističke metode
Ako Halbachov niz odgovara na pitanje 'što učiniti', onda moderni optimizacijski algoritmi odgovaraju na pitanje 'kako to učiniti optimalno'. Za motore s aksijalnim fluksom, konstrukcijske varijable kao što su geometrija rotora, dimenzije magneta, kut magnetizacije i kut nagiba povezane su na složene nelinearne načine, a tradicionalne metode sweep-a s jednim parametrom ili metode pokušaja i pogreške odavno su dosegle svoje granice.
Multi objektivni genetski algoritmi (MOGA) trenutno su najzrelija klasa rješenja. Oni oponašaju prirodne mehanizme 'preživljavanja najjačih' i 'genetske varijacije', automatski pretražujući ogroman prostor dizajna za skupove Pareto-optimalnih rješenja kroz operacije selekcije, križanja i mutacije. Svaka točka na Pareto prednjoj strani predstavlja kompromis koji nije dominantan – niti jedan cilj ne može se dalje poboljšati bez žrtvovanja drugog.
Točnije, NSGA-II (nedominantni genetski algoritam sortiranja s elitizmom) najraširenija je varijanta. U domaćoj studiji o unutrašnjem motoru s nonijusom s trajnim magnetom u obliku slova V, kombinacijom zamjenskog modela BP neuronske mreže i NSGA-II postignuto je više od 10% poboljšanja u optimizaciji okretnog momenta i gubitka jezgre. Na međunarodnim granicama, studija iz 2025. koju je proveo tim Liu Huijuna u Progress In Electromagnetics Research C sustavno je demonstrirala proces genetske optimizacije s više ciljeva s dvostrukim ciljevima maksimiziranja izlaznog momenta i minimiziranja valovitosti momenta. Dodatno, kombinacija genetskih algoritama i metode TOPSIS također je predložena za optimizaciju strukture utora rotora u sinkronim motorima s plosnatim magnetima s permanentnim magnetima.
Multi-objektivni genetski algoritmi ne rade sami. Metaheuristička obitelj ima različite uloge u skladu s karakteristikama problema:
· Optimizacija roja čestica (PSO) , inspirirana jatom ptica, ističe se u globalnoj optimizaciji kontinuiranih varijabli. U optimizaciji motora s trajnim magnetom s aksijalnim poljem statora bez jezgre, GA i PSO korišteni su za maksimiziranje izlazne snage po jedinici volumena permanentnog magneta. Ponderirani PSO prilagođen inerciji također je primijenjen na optimizaciju strukturnih parametara motora zamašnjaka s magnetskom levitacijom i aksijalno podijeljenom fazom.
· Umjetne neuronske mreže (ANN) djeluju kao zamjenski modeli. Budući da svaka simulacija konačnih elemenata (osobito 3D FEM) može potrajati od nekoliko minuta do sati, njihovo izravno ugrađivanje u optimizacijsku petlju nameće ogromno računsko opterećenje. Stoga istraživači često treniraju surogate ANN-a na FEM podacima visoke vjernosti, zamjenjujući jednosatne simulacije predviđanjima druge razine i dramatično poboljšavajući učinkovitost računanja. U optimizaciji reluktantnog motora potpomognutog stalnim magnetom, korišten je genetski algoritam optimiziran potporni vektorski stroj (GASVM) zajedno s NSGA-II kako bi se postigla višestruka optimizacija.
· Optimizacija kolonije mrava (ACO) također je primijenjena na optimizaciju učinkovitosti motora s aksijalnim fluksom. U optimizaciji istosmjernog motora bez četkica s dvostrukim statorom i jednim rotorom s aksijalnim protokom, GA je poboljšao učinkovitost s 91,01% na 91,57%, dok ju je ACO dodatno povećao na 91,80%.
Kombinirana primjena ovih metaheurističkih metoda omogućila je poboljšanje ukupne učinkovitosti do oko 15% za motore s aksijalnim fluksom u stvarnim radnim uvjetima – značajno postignuće u odnosu na sve strože industrijske standarde za visokoučinkovite pogonske sustave.
III. SMC materijali i oblikovanje gotovo neto oblika: 'Geometrijska sloboda' u proizvodnji rotora
Ako Halbachov niz i višestruka optimizacija rješavaju izazove 'elektromagnetskog dizajna' motora s aksijalnim fluksom, tada meki magnetski kompozitni (SMC) materijali zajedno s tehnologijom oblikovanja gotovo neto oblika ponovno pišu pravila 'proizvodljivosti'.
Meki magnetski kompozit je magnetski materijal nastao prešanjem praha na bazi željeza s elektroizolacijskim vezivom kroz proces metalurgije praha. Proces metalurgije praha stvara izolacijski sloj između magnetskih čestica, čime se učinkovito smanjuju gubici vrtložnih struja; u isto vrijeme, SMC pokazuje izotropna magnetska svojstva – temeljna razlika u odnosu na anizotropno ponašanje tradicionalnih laminata od silicij čelika. Silikonski čelik može podnijeti visoku gustoću toka (zasićenje ≥ 2,0 T) samo u svom dvodimenzionalnom smjeru kotrljanja, ali ima loše performanse u složenim trodimenzionalnim magnetskim krugovima. SMC, s druge strane, podržava pravi trodimenzionalni dizajn putanje toka, što ga čini idealnim nosačem materijala za nove topologije kao što su motori s aksijalnim tokom koji se inherentno oslanjaju na 3D distribuciju magnetskog polja.
Što je još važnije, SMC pruža dizajn rotora s neviđenim stupnjem slobode proizvodnje.
Tradicionalne silikonske čelične jezgre moraju se proizvoditi kroz dugi lanac procesa – utiskivanje, slaganje, zavarivanje, itd. – uz nisko korištenje materijala i stroga geometrijska ograničenja. SMC, koristeći metalurgiju praha, omogućuje oblikovanje vrlo složenih geometrijskih karakteristika u jednom koraku. Ovo je ključno značenje 'formiranja gotovo neto oblika' : dizajn blizak konačnom obliku može se izravno realizirati prešanjem u kalupu, uvelike smanjujući naknadnu strojnu obradu.
Ova prednost je posebno očita kod motora s aksijalnim fluksom. U studiji Japanskog društva za metalurgiju praha iz 2025., SMC je korišten za integralno oblikovanje zubaca i dvostrukih prirubnica statora, značajno povećavajući suprotno područje između statora i rotora, dok je istovremeno poboljšavao elektromagnetske performanse i učinkovitost proizvodnje. Izvješće domaće industrije iz listopada 2025. na sličan je način istaknulo da SMC, zahvaljujući svojim izotropnim magnetskim svojstvima, malim gubicima vrtložnih struja i podršci za 3D dizajn fluksa, pokreće motore s aksijalnim fluksom prema visokim performansama, niskoj potrošnji energije i stabilnoj masovnoj proizvodnji. Na trenutnim razinama procesa, konzistentnost SMC statora je poboljšana za više od 15%, a ukupna stopa iskorištenja prelazi 96%.
U naprednijim primjenama, SMC se također kombinira sa silicijskim čelikom kako bi se oblikovale hibridne strukture statora : silicijski čelik nosi visoku gustoću toka (≥ 2,0 T) za 2D magnetske staze, dok SMC obrađuje složeni 3D tok. Oba materijala iskorištavaju svoje prednosti dok smanjuju gubitke vrtložnih struja i složenost dizajna.
Naravno, SMC nije bez nedostataka. Njegova magnetska propusnost niža je od one silicijskog čelika, ograničavajući vršnu gustoću toka u vrlo niskofrekventnim primjenama; štoviše, njegova krta priroda čini razmatranje mehaničke čvrstoće važnijim za upotrebu na strani rotora. Unatoč tome, za složene geometrije jezgri statora u motorima s aksijalnim fluksom, prednosti SMC-a daleko nadmašuju njegove nedostatke – zbog čega se smatra ključnim katalizatorom za ubrzavanje komercijalizacije motora s aksijalnim fluksom.
IV. Zaključak: Tri ključa, jedna misija
Od inovacije u principima magnetskog kruga (Halbachov niz i dvostruko nagnuti polovi), do restrukturiranja metodologije projektiranja (multi-objektivni genetski algoritmi i metaheurističke metode), i konačno do promjene paradigme u materijalima i proizvodnji (SMC skoro neto oblikovanje oblika), dizajn rotora motora s aksijalnim fluksom visokih performansi prolazi kroz duboku transformaciju – od 'pokrenuto iskustvom' do 'pokrenuto računanjem + vođeno materijalima'.
Halbachov niz fokusira magnetski tok na neviđene razine; struktura dvostruko nagnutih polova postiže precizno potiskivanje valovitosti; multi-objektivni genetski algoritmi i metaheurističke metode učinkovito lociraju Pareto-optimalne kompromise između elektromagnetskih, toplinskih i proizvodnih troškova u ogromnom prostoru pretraživanja; a SMC razbija trodimenzionalna ograničenja tradicionalne proizvodnje, dajući izvedivost masovne proizvodnje složenim geometrijama koje su prije postojale samo u akademskim radovima. Ova tri ključa spajaju se prema jednom cilju – bez žrtvovanja performansi, uvesti motore s aksijalnim fluksom u naše automobile, zrakoplove, robote i kućanske uređaje po nižoj cijeni, s kraćim rokovima isporuke i s većom pouzdanošću.
Za inženjere i istraživače ovo nije samo kontinuirano širenje tehničkih granica, već i prozor promjene paradigme dizajna koji vrijedi iskoristiti.
