Riassunto: I motori a magneti permanenti a flusso assiale (AFPM), con la loro struttura piatta e l’elevata densità di coppia, hanno attirato un’attenzione significativa in campi all’avanguardia come quelli dei veicoli elettrici e dei droni. Tuttavia, per superare ulteriormente il limite prestazionale, il design del rotore è una variabile critica. Questo articolo inizia con il principio di focalizzazione del flusso dell'array Halbach e poi spiega il design migliorato della struttura a doppio polo obliquo. Si sposta alla frontiera della progettazione assistita da computer, esaminando come algoritmi genetici multi-obiettivo e metodi metaeuristici raggiungono l'ottimalità paretiana nella progettazione motoria. Infine, si concentra sul processo di formazione della forma quasi netta dei materiali compositi magnetici morbidi (SMC) e discute come questa tecnologia aiuta a colmare l''ultimo miglio' dai prototipi ingegneristici alla produzione di massa di motori a flusso assiale.
I. Array di Halbach e poli a doppia inclinazione: 'Fusione' e 'Formazione' del campo magnetico
Il limite prestazionale di un motore a flusso assiale dipende in gran parte dalla qualità della distribuzione del campo magnetico prodotto dai magneti permanenti sul lato del rotore. La tradizionale struttura a magnete permanente a montaggio superficiale (SPM) è semplice, ma il suo svantaggio intrinseco di linee di flusso magnetico divergenti porta a una densità di flusso del traferro limitata e a un flusso di dispersione elevato.
L'array Halbach offre una soluzione quasi ideale. Si tratta di una disposizione speciale di magneti permanenti: la direzione di magnetizzazione dei magneti adiacenti viene ruotata in sequenza di 90°, in modo che il campo magnetico venga potenziato su un lato della matrice e quasi completamente annullato sull'altro lato, ottenendo un effetto di autoschermatura . In termini più intuitivi: in un circuito magnetico convenzionale le linee di flusso divergono simmetricamente, mentre l'array Halbach 'confina' le linee di flusso al lato del traferro di lavoro, realizzando un'efficiente focalizzazione del flusso. Gli esperimenti hanno dimostrato che nei motori a flusso assiale che utilizzano un array Halbach, la densità di coppia può essere aumentata fino al 28% e la coppia di cogging ridotta del 65%.
Tuttavia, l’array Halbach deve affrontare anche sfide nella progettazione pratica del rotore: sebbene la qualità sinusoidale della densità del flusso del traferro sia migliorata, l’ondulazione della coppia – in particolare la coppia di cogging – rimane un importante collo di bottiglia per un funzionamento regolare. L'introduzione della tecnologia del magnete a doppio polo inclinato è un intervento preciso mirato a questo punto dolente.
Un gruppo di ricerca del 2024 dell'Università Khon Kaen in Tailandia, pubblicando su IEEE Access , ha proposto un innovativo motore a flusso assiale TORUS con un array Halbach obliquo. Disponendo i magneti permanenti in una configurazione obliqua (formando poli a doppia inclinazione), il motore migliorato, rispetto a uno standard, ha mostrato un aumento del 4% della forza elettromotrice posteriore e una riduzione del 9,3% della coppia di cogging in condizioni di assenza di carico; sotto carico, la coppia media è aumentata dell'8% e l'ondulazione della coppia è diminuita del 7,8%. Questi miglioramenti possono essere attribuiti al potenziamento sinergico degli effetti di focalizzazione e cancellazione del flusso : la struttura distorta estende il grado di libertà per la regolazione del campo magnetico nello spazio, sopprimendo efficacemente le componenti armoniche della densità del flusso del traferro.
Altri studi hanno confermato che per i motori a flusso assiale con nuclei compositi magnetici morbidi, è possibile ottenere un ulteriore miglioramento della coppia ottimizzando analiticamente il coefficiente di magnetizzazione assiale (valore ottimale ~ 0,82) di un array Halbach a due segmenti di larghezza disuguale. I risultati più recenti si spingono ancora oltre: uno studio del 2025 pubblicato su Scientific Reports ha adottato un motore a magneti permanenti a flusso assiale a doppia faccia con array Halbach a doppia inclinazione e, attraverso l’ottimizzazione dell’algoritmo genetico multi-obiettivo, ha ottenuto un aumento del 7,8% della coppia media e una significativa riduzione dell’ondulazione della coppia.
II. L''arma vincente' della progettazione assistita dal computer: algoritmi genetici multi-obiettivo e metodi metaeuristici
Se l'array Halbach risponde alla domanda 'cosa fare', allora i moderni algoritmi di ottimizzazione rispondono alla domanda 'come farlo in modo ottimale'. Per i motori a flusso assiale, le variabili di progettazione come la geometria del rotore, le dimensioni del magnete, l'angolo di magnetizzazione e l'angolo di inclinazione sono accoppiati in modi complessi e non lineari, e i tradizionali metodi di scansione a parametro singolo o di prova ed errore hanno da tempo raggiunto i loro limiti.
Gli algoritmi genetici multi-obiettivo (MOGA) rappresentano attualmente la classe di soluzioni più matura. Imitano i meccanismi di 'sopravvivenza del più adatto' e di 'variazione genetica' della natura, cercando automaticamente nel vasto spazio di progettazione serie di soluzioni Pareto-ottimali attraverso operazioni di selezione, crossover e mutazione. Ogni punto sul fronte paretiano rappresenta un compromesso non dominato: nessuno degli obiettivi può essere ulteriormente migliorato senza sacrificarne un altro.
Nello specifico, NSGA-II (Algoritmo genetico di ordinamento non dominato con elitarismo) è la variante più utilizzata. In uno studio nazionale su un motore a nonio a magnete permanente interno a forma di V, la combinazione di un modello surrogato della rete neurale BP e NSGA-II ha ottenuto un miglioramento di oltre il 10% sia nell'ottimizzazione della coppia che della perdita del nucleo. Alla frontiera internazionale, uno studio del 2025 condotto dal team di Liu Huijun in Progress In Electromagnetics Research C ha dimostrato sistematicamente un processo di ottimizzazione genetica multi-obiettivo con il duplice obiettivo di massimizzare la coppia di uscita e ridurre al minimo l'ondulazione della coppia. Inoltre, la combinazione di algoritmi genetici e il metodo TOPSIS è stata proposta anche per l'ottimizzazione della struttura delle fessure del rotore nei motori sincroni a magneti permanenti a filo piatto.
Gli algoritmi genetici multi-obiettivo non funzionano da soli. La famiglia metaeuristica gioca ruoli diversi a seconda delle caratteristiche del problema:
· L'ottimizzazione dello sciame di particelle (PSO) , ispirata allo stormo degli uccelli, eccelle nell'ottimizzazione globale delle variabili continue. Nell'ottimizzazione di un motore a magneti permanenti a campo assiale con statore senza nucleo, sia GA che PSO sono stati utilizzati per massimizzare la potenza di uscita per unità di volume del magnete permanente. Il PSO ponderato con regolazione dell'inerzia è stato applicato anche all'ottimizzazione dei parametri strutturali di un motore con volano a levitazione magnetica commutata e fase assiale divisa.
· Le reti neurali artificiali (ANN) fungono da modelli surrogati. Poiché ciascuna simulazione di elementi finiti (in particolare FEM 3D) può richiedere da minuti a ore, incorporarli direttamente nel ciclo di ottimizzazione impone un enorme onere computazionale. Pertanto, i ricercatori spesso addestrano surrogati ANN su dati FEM ad alta fedeltà, sostituendo simulazioni di un’ora con previsioni di secondo livello e migliorando notevolmente l’efficienza computazionale. Nell'ottimizzazione di un motore a riluttanza commutata assistito da magneti permanenti, è stata utilizzata una macchina vettoriale di supporto ottimizzata con algoritmo genetico (GASVM) insieme a NSGA-II per ottenere l'ottimizzazione multi-obiettivo.
· L'ottimizzazione delle colonie di formiche (ACO) è stata applicata anche all'ottimizzazione dell'efficienza dei motori a flusso assiale. Nell'ottimizzazione di un motore CC brushless a flusso assiale a rotore singolo e doppio statore, GA ha migliorato l'efficienza dal 91,01% al 91,57%, mentre ACO l'ha ulteriormente aumentata al 91,80%.
L’applicazione combinata di questi metodi metaeuristici ha consentito un miglioramento complessivo dell’efficienza fino a circa il 15% per i motori a flusso assiale in condizioni operative reali: un risultato significativo a fronte di standard di settore sempre più rigorosi per i sistemi di azionamento ad alta efficienza.
III. Materiali SMC e formatura Near-Net-Shape: 'Libertà geometrica' nella produzione di rotori
Se l'array di Halbach e l'ottimizzazione multi-obiettivo risolvono le sfide della 'progettazione elettromagnetica' dei motori a flusso assiale, allora i materiali compositi magnetici morbidi (SMC) insieme alla tecnologia di formatura quasi netta stanno riscrivendo le regole della 'producibilità'.
Il composito magnetico morbido è un materiale magnetico formato pressando polvere a base di ferro con un legante isolante elettrico attraverso un processo di metallurgia delle polveri. Il processo di metallurgia delle polveri crea uno strato isolante tra le particelle magnetiche, riducendo efficacemente le perdite per correnti parassite; allo stesso tempo, l'SMC presenta proprietà magnetiche isotrope , una differenza fondamentale rispetto al comportamento anisotropo dei tradizionali laminati in acciaio al silicio. L'acciaio al silicio può trasportare un'elevata densità di flusso (saturazione ≥ 2,0 T) solo nella direzione di laminazione bidimensionale, ma ha prestazioni scarse nei circuiti magnetici tridimensionali complessi. SMC, d'altro canto, supporta una vera progettazione del percorso del flusso tridimensionale, rendendolo un supporto materiale ideale per nuove topologie come i motori a flusso assiale che si basano intrinsecamente su una distribuzione del campo magnetico 3D.
Ancora più importante, SMC offre alla progettazione del rotore un grado di libertà di produzione senza precedenti.
Le tradizionali anime in acciaio al silicio devono essere prodotte attraverso una lunga catena di processi – stampaggio, impilamento, saldatura, ecc. – con un basso utilizzo di materiale e severi vincoli geometrici. SMC, utilizzando la metallurgia delle polveri, consente lo stampaggio in un unico passaggio di caratteristiche geometriche altamente complesse. Questo è il significato fondamentale della 'formatura a forma quasi netta' : un disegno vicino alla forma finale può essere realizzato direttamente mediante pressatura in uno stampo, riducendo notevolmente la lavorazione successiva.
Questo vantaggio è particolarmente evidente nei motori a flusso assiale. In uno studio del 2025 condotto dalla Japan Powder Metallurgy Society, l'SMC è stato utilizzato per formare integralmente i denti e le doppie flange di uno statore, aumentando significativamente l'area opposta tra statore e rotore e migliorando contemporaneamente le prestazioni elettromagnetiche e l'efficienza di produzione. Allo stesso modo, un rapporto dell’industria nazionale dell’ottobre 2025 ha sottolineato che SMC, grazie alle sue proprietà magnetiche isotropiche, alle basse perdite di correnti parassite e al supporto per la progettazione del flusso 3D, sta guidando i motori a flusso assiale verso prestazioni elevate, basso consumo energetico e produzione di massa stabile. Agli attuali livelli di processo, la consistenza degli statori SMC è stata migliorata di oltre il 15% e il tasso di rendimento complessivo supera il 96%.
Nelle applicazioni più avanzate, l'SMC è anche combinato con l'acciaio al silicio per formare strutture statoriche ibride : l'acciaio al silicio trasporta un'elevata densità di flusso (≥ 2,0 T) per percorsi magnetici 2D, mentre l'SMC gestisce flussi 3D complessi. Entrambi i materiali sfruttano i rispettivi vantaggi riducendo al contempo le perdite per correnti parassite e la complessità della progettazione.
Naturalmente, SMC non è esente da difetti. La sua permeabilità magnetica è inferiore a quella dell'acciaio al silicio, limitando la densità del flusso di picco in applicazioni a frequenza molto bassa; inoltre, la sua natura fragile rende le considerazioni sulla resistenza meccanica più importanti per l'uso sul lato del rotore. Tuttavia, per le complesse geometrie dei nuclei dello statore nei motori a flusso assiale, i vantaggi di SMC superano di gran lunga i suoi svantaggi – motivo per cui è considerato un catalizzatore chiave per accelerare la commercializzazione dei motori a flusso assiale.
IV. Conclusione: tre chiavi, una missione
Dall'innovazione nei principi dei circuiti magnetici (array di Halbach e poli a doppia inclinazione), alla ristrutturazione della metodologia di progettazione (algoritmi genetici multi-obiettivo e metodi metaeuristici), e infine al cambio di paradigma nei materiali e nella produzione (SMC Near-Net-Shape Forming), la progettazione di rotori per motori a flusso assiale ad alte prestazioni sta subendo una profonda trasformazione: da 'guidato dall'esperienza' a 'guidato dal calcolo + guidato dai materiali'.
La matrice Halbach concentra il flusso magnetico a livelli senza precedenti; la struttura a doppio polo obliquo consente una soppressione precisa delle ondulazioni; algoritmi genetici multi-obiettivo e metodi metaeuristici individuano in modo efficiente i compromessi Pareto-ottimali tra costi elettromagnetici, termici e di produzione in un vasto spazio di ricerca; e SMC rompe i vincoli tridimensionali della produzione tradizionale, dando la fattibilità della produzione di massa a geometrie complesse che in precedenza esistevano solo nei documenti accademici. Queste tre chiavi si uniscono verso un unico obiettivo: senza sacrificare le prestazioni, portare i motori a flusso assiale nelle nostre automobili, aerei, robot ed elettrodomestici a costi inferiori, con tempi di consegna più brevi e con maggiore affidabilità.
Per ingegneri e ricercatori, questa non è solo una continua espansione dei confini tecnici, ma anche una finestra di cambiamento del paradigma di progettazione che vale la pena cogliere.
