Abstrak: Motor magnet permanen fluks aksial (AFPM), dengan struktur datar dan kepadatan torsi tinggi, telah menarik perhatian signifikan di bidang mutakhir seperti kendaraan listrik dan drone. Namun, untuk lebih menembus batas atas kinerjanya, desain rotor merupakan variabel penting. Artikel ini dimulai dengan prinsip pemfokusan fluks pada susunan Halbach dan kemudian menjelaskan peningkatan desain struktur tiang miring ganda. Ini bergerak ke garis depan desain berbantuan komputer, memeriksa bagaimana algoritma genetika multi-objektif dan metode metaheuristik mencapai optimalitas Pareto dalam desain motorik. Terakhir, artikel ini berfokus pada proses pembentukan bahan komposit magnetik lunak (SMC) berbentuk hampir jaring dan membahas bagaimana teknologi ini membantu menjembatani “mil terakhir” dari prototipe rekayasa hingga produksi massal motor fluks aksial.
I. Susunan Halbach dan Kutub Miring Ganda: 'Penggabungan' dan 'Pembentukan' Medan Magnet
Batas atas kinerja motor fluks aksial sangat bergantung pada kualitas distribusi medan magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen di sisi rotor. Struktur magnet permanen yang dipasang di permukaan (SPM) tradisional sederhana, tetapi kelemahan yang melekat pada garis fluks magnet yang berbeda menyebabkan kepadatan fluks celah udara yang terbatas dan fluks kebocoran yang tinggi.
Rangkaian Halbach menawarkan solusi yang hampir ideal. Ini adalah susunan khusus magnet permanen – arah magnetisasi magnet yang berdekatan diputar secara berurutan sebesar 90°, sehingga medan magnet ditingkatkan di satu sisi susunan dan hampir sepenuhnya dibatalkan di sisi lain, sehingga mencapai efek pelindung diri . Dalam istilah yang lebih intuitif: dalam sirkuit magnet konvensional, garis fluks menyimpang secara simetris, sedangkan susunan Halbach 'membatasi' garis fluks ke sisi celah udara yang berfungsi, mewujudkan pemfokusan fluks yang efisien. Eksperimen telah menunjukkan bahwa pada motor fluks aksial yang menggunakan susunan Halbach, kepadatan torsi dapat ditingkatkan hingga 28% dan torsi cogging berkurang sebesar 65%.
Namun, rangkaian Halbach juga menghadapi tantangan dalam desain rotor praktis: meskipun kualitas sinusoidal dari kerapatan fluks celah udara ditingkatkan, riak torsi – terutama torsi cogging – tetap menjadi hambatan utama untuk kelancaran pengoperasian. Pengenalan teknologi magnet kutub miring ganda merupakan intervensi tepat yang menargetkan masalah ini.
Sebuah tim peneliti tahun 2024 dari Universitas Khon Kaen di Thailand, yang menerbitkan di IEEE Access , mengusulkan motor fluks aksial TORUS yang inovatif dengan susunan Halbach yang miring. Dengan menyusun magnet permanen dalam konfigurasi miring (membentuk kutub miring ganda), motor yang ditingkatkan, dibandingkan dengan motor dasar, menunjukkan peningkatan EMF belakang sebesar 4% dan pengurangan torsi cogging sebesar 9,3% dalam kondisi tanpa beban; di bawah beban, torsi rata-rata meningkat sebesar 8% dan riak torsi menurun sebesar 7,8%. Peningkatan ini dapat dikaitkan dengan peningkatan sinergis dari efek pemfokusan fluks dan pembatalan fluks – struktur miring memperluas derajat kebebasan pengaturan medan magnet di ruang angkasa, yang secara efektif menekan komponen harmonis dari kerapatan fluks celah udara.
Penelitian lain telah mengkonfirmasi bahwa untuk motor fluks aksial dengan inti komposit magnetik lunak, peningkatan torsi lebih lanjut dapat dicapai dengan mengoptimalkan secara analitis koefisien magnetisasi aksial (nilai optimal ~0,82) dari susunan Halbach dua segmen dengan lebar tidak sama. Hasil yang lebih baru bahkan lebih jauh lagi: sebuah studi tahun 2025 yang diterbitkan dalam Scientific Reports mengadopsi motor magnet permanen fluks aksial dua sisi susunan Halbach dua sisi dan, melalui optimalisasi algoritma genetika multi-objektif, mencapai peningkatan torsi rata-rata sebesar 7,8% dan pengurangan riak torsi yang signifikan.
II. “Senjata andalan” dari Desain Berbantuan Komputer: Algoritma Genetika Multi-Objektif dan Metode Metaheuristik
Jika array Halbach menjawab pertanyaan 'apa yang harus dilakukan', maka algoritma optimasi modern menjawab pertanyaan 'bagaimana melakukannya secara optimal'. Untuk motor fluks aksial, variabel desain seperti geometri rotor, dimensi magnet, sudut magnetisasi, dan sudut kemiringan digabungkan dengan cara nonlinier yang kompleks, dan metode penyapuan parameter tunggal atau coba-coba tradisional telah lama mencapai batasnya.
Algoritma genetika multi objektif (MOGA) saat ini merupakan kelas solusi yang paling matang. Mereka meniru mekanisme alam “survival of the fittest” dan “variasi genetik”, yang secara otomatis mencari rangkaian solusi optimal Pareto dalam ruang desain yang luas melalui operasi seleksi, persilangan, dan mutasi. Setiap titik di garis depan Pareto mewakili trade-off yang tidak didominasi – tidak ada tujuan yang dapat ditingkatkan tanpa mengorbankan tujuan lainnya.
Secara khusus, NSGA-II (Algoritma Penyortiran Genetika Non-dominasi dengan elitisme) adalah varian yang paling banyak digunakan. Dalam penelitian domestik pada motor vernier magnet permanen interior berbentuk V, kombinasi model pengganti jaringan saraf BP dan NSGA-II mencapai peningkatan lebih dari 10% dalam optimalisasi torsi dan kehilangan inti. Di tingkat internasional, studi tahun 2025 yang dilakukan oleh tim Liu Huijun dalam Progress In Electromagnetics Research C secara sistematis menunjukkan proses optimasi genetik multi-tujuan dengan tujuan ganda, yaitu memaksimalkan torsi keluaran dan meminimalkan riak torsi. Selain itu, kombinasi algoritma genetika dan metode TOPSIS juga telah diusulkan untuk optimasi struktur slot rotor pada motor sinkron magnet permanen kabel datar.
Algoritma genetika multi-objektif tidak bekerja sendiri. memainkan Keluarga metaheuristik peran yang berbeda sesuai dengan karakteristik masalahnya:
· Optimasi kawanan partikel (PSO) , yang terinspirasi oleh kawanan burung, unggul dalam optimalisasi global variabel kontinu. Dalam optimalisasi motor magnet permanen medan aksial stator tanpa inti, GA dan PSO telah digunakan untuk memaksimalkan daya keluaran per unit volume magnet permanen. PSO yang disesuaikan dengan inersia tertimbang juga telah diterapkan pada optimasi parameter struktural motor roda gila keengganan saklar levitasi magnetik fase terbagi aksial.
· Jaringan saraf tiruan (JST) bertindak sebagai model pengganti. Karena setiap simulasi elemen hingga (terutama FEM 3D) dapat memakan waktu mulai dari menit hingga jam, menyematkannya secara langsung ke dalam loop pengoptimalan akan menimbulkan beban komputasi yang sangat besar. Oleh karena itu, peneliti sering melatih pengganti ANN pada data FEM dengan ketelitian tinggi, menggantikan simulasi berdurasi satu jam dengan prediksi tingkat kedua dan secara signifikan meningkatkan efisiensi komputasi. Dalam optimalisasi motor keengganan sakelar berbantuan magnet permanen, mesin vektor dukungan yang dioptimalkan algoritma genetika (GASVM) digunakan bersama dengan NSGA-II untuk mencapai optimasi multi-tujuan.
· Optimasi koloni semut (ACO) juga telah diterapkan pada optimasi efisiensi motor fluks aksial. Dalam optimasi motor DC brushless fluks aksial rotor tunggal rotor ganda, GA meningkatkan efisiensi dari 91,01% menjadi 91,57%, sementara ACO meningkatkannya menjadi 91,80%.
Penerapan gabungan metode metaheuristik ini telah memungkinkan peningkatan efisiensi keseluruhan hingga sekitar 15% untuk motor fluks aksial dalam kondisi pengoperasian nyata – sebuah pencapaian signifikan dalam menghadapi standar industri yang semakin ketat untuk sistem penggerak efisiensi tinggi.
AKU AKU AKU. Material SMC dan Pembentukan Bentuk Dekat Jaring: 'Kebebasan Geometris' dalam Manufaktur Rotor
Jika susunan Halbach dan optimasi multi-objektif memecahkan tantangan 'desain elektromagnetik' pada motor fluks aksial, maka material komposit magnetik lunak (SMC) bersama dengan teknologi pembentukan bentuk jaring dekat menulis ulang aturan 'kemampuan manufaktur'.
Komposit magnetik lunak merupakan material magnetik yang dibentuk dengan cara menekan serbuk berbahan dasar besi dengan bahan pengikat isolasi listrik melalui proses metalurgi serbuk. Proses metalurgi serbuk menciptakan lapisan isolasi antara partikel magnetik, yang secara efektif mengurangi kehilangan arus eddy; pada saat yang sama, SMC menunjukkan sifat magnetik isotropik – perbedaan mendasar dari perilaku anisotropik laminasi baja silikon tradisional. Baja silikon dapat membawa kerapatan fluks tinggi (saturasi ≥ 2,0 T) hanya pada arah penggulungan dua dimensi, namun kinerjanya buruk pada sirkuit magnetik tiga dimensi yang kompleks. SMC, di sisi lain, mendukung desain jalur fluks tiga dimensi yang sebenarnya, menjadikannya pembawa material yang ideal untuk topologi baru seperti motor fluks aksial yang secara inheren mengandalkan distribusi medan magnet 3D.
Lebih penting lagi, SMC memberikan desain rotor dengan tingkat kebebasan manufaktur yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Inti baja silikon tradisional harus diproduksi melalui serangkaian proses yang panjang – stamping, penumpukan, pengelasan, dll. – dengan pemanfaatan material yang rendah dan kendala geometris yang parah. SMC, menggunakan metalurgi serbuk, memungkinkan pencetakan satu langkah fitur geometris yang sangat kompleks. Inilah arti inti dari 'pembentukan bentuk hampir jaring' : desain yang mendekati bentuk akhir dapat langsung direalisasikan dengan menekan cetakan, sehingga sangat mengurangi pemesinan berikutnya.
Keuntungan ini terutama terlihat pada motor fluks aksial. Dalam studi tahun 2025 yang dilakukan oleh Japan Powder Metallurgy Society, SMC digunakan untuk membentuk gigi dan flensa ganda stator secara integral, sehingga secara signifikan meningkatkan area berlawanan antara stator dan rotor sekaligus meningkatkan kinerja elektromagnetik dan efisiensi produksi. Laporan industri dalam negeri pada bulan Oktober 2025 juga menunjukkan bahwa SMC, berkat sifat magnetik isotropiknya, kerugian arus eddy yang rendah, dan dukungan untuk desain fluks 3D, mendorong motor fluks aksial menuju kinerja tinggi, konsumsi energi rendah, dan produksi massal yang stabil. Pada tingkat proses saat ini, konsistensi stator SMC telah ditingkatkan lebih dari 15%, dan tingkat hasil keseluruhan melebihi 96%.
Dalam aplikasi yang lebih maju, SMC juga digabungkan dengan baja silikon untuk membentuk struktur stator hibrid : baja silikon membawa kerapatan fluks tinggi (≥ 2,0 T) untuk jalur magnet 2D, sedangkan SMC menangani fluks 3D yang kompleks. Kedua material tersebut memanfaatkan kelebihannya masing-masing sekaligus mengurangi kerugian arus eddy dan kompleksitas desain.
Tentu saja SMC bukannya tanpa kekurangan. Permeabilitas magnetiknya lebih rendah dibandingkan baja silikon, sehingga membatasi kerapatan fluks puncak dalam aplikasi frekuensi sangat rendah; terlebih lagi, sifatnya yang rapuh membuat pertimbangan kekuatan mekanik menjadi lebih penting untuk penggunaan sisi rotor. Namun demikian, untuk geometri kompleks inti stator pada motor fluks aksial, keunggulan SMC jauh lebih besar daripada kerugiannya – itulah sebabnya SMC dianggap sebagai katalis utama untuk mempercepat komersialisasi motor fluks aksial..
IV. Kesimpulan: Tiga Kunci, Satu Misi
Mulai dari inovasi dalam prinsip sirkuit magnetik (susunan Halbach dan kutub miring ganda), hingga restrukturisasi metodologi desain (algoritma genetika multi-objektif dan metode metaheuristik), dan akhirnya perubahan paradigma dalam material dan manufaktur (pembentukan bentuk jaring dekat SMC), desain rotor motor fluks aksial berkinerja tinggi sedang mengalami transformasi besar – dari “didorong oleh pengalaman” menjadi “didorong oleh komputasi + digerakkan oleh material”.
Susunan Halbach memfokuskan fluks magnet ke tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya; struktur tiang miring ganda mencapai penekanan riak yang tepat; algoritma genetika multi-tujuan dan metode metaheuristik secara efisien menemukan trade-off optimal Pareto antara biaya elektromagnetik, termal, dan produksi dalam ruang pencarian yang luas; dan SMC mendobrak batasan tiga dimensi manufaktur tradisional, memberikan kelayakan produksi massal pada geometri kompleks yang sebelumnya hanya ada di makalah akademis. Ketiga kunci ini bersatu menuju satu tujuan – tanpa mengorbankan kinerja, untuk menghadirkan motor fluks aksial ke dalam mobil, pesawat terbang, robot, dan peralatan rumah tangga kita dengan biaya lebih rendah, waktu pengerjaan lebih singkat, dan keandalan lebih tinggi.
Bagi para insinyur dan peneliti, hal ini tidak hanya merupakan perluasan batasan teknis secara terus-menerus, namun juga merupakan jendela perubahan paradigma desain yang patut dimanfaatkan.
