Аннотация: Осьтік ағынның тұрақты магниті (AFPM) қозғалтқыштары тегіс құрылымымен және жоғары айналу моментінің тығыздығымен электр көліктері мен дрондар сияқты алдыңғы қатарлы салаларда айтарлықтай назар аударды. Дегенмен, олардың өнімділік төбесін одан әрі бұзу үшін ротор дизайны маңызды айнымалы болып табылады. Бұл мақала Халбах массивінің ағынды фокустау принципінен басталады, содан кейін қос қиғаш полюс құрылымының жақсартылған дизайнын түсіндіреді. Ол көп мақсатты генетикалық алгоритмдер мен метаэвристикалық әдістер қозғалтқыш дизайнында Парето оңтайлылығына қалай қол жеткізетінін зерттей отырып, компьютерлік дизайнның шекарасына өтеді. Соңында, ол жұмсақ магнитті композиттік (SMC) материалдардың желіге жақын пішінді қалыптастыру процесіне назар аударады және бұл технологияның инженерлік прототиптерден осьтік ағынды қозғалтқыштардың жаппай өндірісіне дейін 'соңғы мильді' өтуге қалай көмектесетінін талқылайды.
I. Хальбах массиві және қос қиғаш полюстер: магнит өрісінің 'Фьюзия' және 'Пішімдеу'
Осьтік ағынды қозғалтқыштың өнімділік төбесі көбінесе ротор жағындағы тұрақты магниттер шығаратын магнит өрісінің таралу сапасына байланысты. Дәстүрлі беткі тұрақты магнит (SPM) құрылымы қарапайым, бірақ оның дивергентті магниттік ағын сызықтарының тән кемшілігі ауа саңылауларының шектеулі тығыздығына және ағып кету ағынының жоғары болуына әкеледі.
Халбах массиві дерлік тамаша шешімді ұсынады. Бұл тұрақты магниттердің ерекше орналасуы – іргелес магниттердің магниттелу бағыты 90°-қа дәйекті түрде бұрылады, осылайша магнит өрісі массивтің бір жағында күшейіп, екінші жағында толығымен дерлік жойылып, өзін-өзі қорғау әсеріне жетеді . Неғұрлым интуитивті сөзбен айтқанда: кәдімгі магниттік тізбекте ағын сызықтары симметриялы түрде ауытқиды, ал Халбах массиві ағын сызықтарын жұмыс ауа саңылау жағына «шектейді», бұл ағынның тиімді фокусталуын жүзеге асырады. Тәжірибе көрсеткендей, Halbach массивін пайдаланатын осьтік ағынды қозғалтқыштарда крутящий моменттің тығыздығын 28%-ға дейін арттыруға және ілінісу моментін 65%-ға азайтуға болады.
Дегенмен, Хальбах массиві ротордың практикалық дизайнында да қиындықтарға тап болады: ауа саңылауының ағынының тығыздығының синусоидалы сапасы жақсарғанымен, айналу моментінің толқыны, әсіресе ілінісу моменті - бірқалыпты жұмыс істеу үшін негізгі кедергі болып қала береді. Екі қиғаш полюсті магнит технологиясын енгізу осы ауырсыну нүктесіне бағытталған нақты араласу болып табылады.
те жариялаған Тайландтағы Хон Каен университетінің 2024 жылғы зерттеу тобы IEEE Access- қисайған Halbach массиві бар инновациялық TORUS осьтік ағынының қозғалтқышын ұсынды. Тұрақты магниттерді қиғаш конфигурацияда (қос қисайған полюстерді қалыптастыру) орналастыру арқылы жақсартылған қозғалтқыш базалық деңгеймен салыстырғанда кері ЭҚК-нің 4%-ға артқанын және бос жүріс жағдайында ілінісу моментінің 9,3%-ға төмендеуін көрсетті; жүктеме кезінде орташа айналу моменті 8%-ға артты және моменттің толқыны 7,8%-ға төмендеді. Бұл жақсартулар байланысты болуы мүмкін ағынды фокустау және ағынды болдырмау әсерлерінің синергетикалық жақсаруымен – қиғаш құрылым кеңістіктегі магнит өрісін реттеу үшін еркіндік дәрежесін кеңейтеді, ауа ағынының тығыздығының гармоникалық құрамдас бөліктерін тиімді басады.
Басқа зерттеулер жұмсақ магнитті композициялық өзектері бар осьтік ағынды қозғалтқыштар үшін моментті одан әрі арттыруға екі сегментті ені тең емес Halbach массивінің осьтік магниттелу коэффициентін (оңтайлы мән ~ 0,82) аналитикалық оңтайландыру арқылы қол жеткізуге болатынын растады. Соңғы нәтижелер одан да ілгерілеуде: журналында жарияланған 2025 жылғы зерттеу Scientific Reports қабылдады екі жақты осьтік ағынды тұрақты магнитті екі жақты Halbach массивінің қозғалтқышын және көп мақсатты генетикалық алгоритмді оңтайландыру арқылы орташа моменттің 7,8% ұлғаюына және айналу моментінің айтарлықтай төмендеуіне қол жеткізді.
II. Компьютерлік дизайнның 'Ace Weapon': көп мақсатты генетикалық алгоритмдер және метаэвристикалық әдістер
Егер Халбах массиві 'не істеу керек' деген сұраққа жауап берсе, онда қазіргі заманғы оңтайландыру алгоритмдері 'оны қалай оңтайлы орындау керек' деген сұраққа жауап береді. Осьтік ағынды қозғалтқыштар үшін ротордың геометриясы, магнит өлшемдері, магниттелу бұрышы және қисаю бұрышы сияқты жобалық айнымалылар күрделі сызықты емес тәсілдермен біріктірілген және дәстүрлі бір параметрді тазалау немесе сынақ және қателік әдістері өз шегіне әлдеқашан жеткен.
Көп объективті генетикалық алгоритмдер (MOGA) қазіргі уақытта шешімдердің ең жетілген класы болып табылады. Олар табиғаттың 'ең жарамдының аман қалуы' және 'генетикалық вариация' механизмдерін еліктейді, таңдау, кроссовер және мутация операциялары арқылы Парето-оңтайлы шешімдер жиынтықтары үшін кең дизайн кеңістігін автоматты түрде іздейді. Парето майданындағы әрбір нүкте басымдықсыз сауда-саттықты білдіреді - мақсаттардың ешқайсысы екіншісін құрбан етпей, одан әрі жақсартуға болмайды.
Атап айтқанда, NSGA-II (Элитизммен басым емес сұрыптау генетикалық алгоритмі) ең көп қолданылатын нұсқа болып табылады. V-тәрізді ішкі тұрақты магнитті нониус қозғалтқышы бойынша отандық зерттеуде BP нейрондық желісінің суррогат моделі мен NSGA-II комбинациясы моментті де, негізгі жоғалтуды да оңтайландыруда 10%-дан астам жақсартуға қол жеткізді. Халықаралық шекарада 2025 жылы Лиу Хуйцзюнь тобының Progress In Electromagnetics Research C зерттеуінде шығу моментін ұлғайту және айналу моментінің толқынын азайту екі жақты мақсаттары бар көп мақсатты генетикалық оңтайландыру процесін жүйелі түрде көрсетті. Сонымен қатар, генетикалық алгоритмдер мен TOPSIS әдісінің комбинациясы жалпақ сымды тұрақты магнитті синхронды қозғалтқыштарда ротор ұясының құрылымын оңтайландыру үшін де ұсынылды.
Көп мақсатты генетикалық алгоритмдер жалғыз жұмыс істемейді. Метаэвристикалық отбасы проблемалық сипаттамаларға сәйкес әртүрлі рөлдерді атқарады:
· бөлшектер тобын оңтайландыру (PSO) үздіксіз айнымалыларды жаһандық оңтайландыруда жақсы. Құстардың топтасуынан шабыттандырылған Өзегі жоқ статор осьтік өрісті тұрақты магнитті қозғалтқышты оңтайландыруда тұрақты магнит көлемі бірлігіне шығыс қуатын барынша арттыру үшін GA және PSO екеуі де пайдаланылды. Салмақталған инерцияға реттелетін PSO сонымен қатар осьтік-бөлінген фазалық магниттік-левитациялы қосылмайтын құлықсыз маховик қозғалтқышының құрылымдық параметрін оңтайландыруға қолданылды.
· Жасанды нейрондық желілер (ANN) суррогат модельдер ретінде әрекет етеді. Әрбір соңғы элементтерді модельдеу (әсіресе 3D FEM) минуттардан сағаттарға дейін созылуы мүмкін болғандықтан, оларды оңтайландыру цикліне тікелей кірістіру үлкен есептеу ауыртпалығын тудырады. Сондықтан зерттеушілер ANN суррогаттарын жоғары дәлдіктегі FEM деректеріне жиі үйретеді, сағаттық модельдеулерді екінші деңгейлі болжамдармен ауыстырады және есептеу тиімділігін күрт жақсартады. Тұрақты магнит көмегімен қосылатын қарсылық қозғалтқышын оңтайландыруда көп мақсатты оңтайландыруға қол жеткізу үшін NSGA-II-мен бірге генетикалық алгоритм оңтайландырылған тірек векторлық машинасы (GASVM) пайдаланылды.
· Құмырсқалар колониясын оңтайландыру (ACO) осьтік ағынды қозғалтқыштардың тиімділігін оңтайландыруға да қолданылды. Қос статорлы бір роторлы осьтік ағынды щеткасыз тұрақты тұрақты қозғалтқышты оңтайландыруда GA тиімділікті 91,01%-дан 91,57%-ға дейін жақсартты, ал ACO оны одан әрі 91,80%-ға дейін арттырды.
Осы метаэвристикалық әдістерді біріктіріп қолдану нақты жұмыс жағдайында осьтік ағынды қозғалтқыштардың жалпы тиімділігін шамамен 15%-ға дейін арттыруға мүмкіндік берді – бұл жоғары тиімділіктегі жетек жүйелері үшін барған сайын қатаң салалық стандарттар жағдайында маңызды жетістік.
III. SMC материалдары және желіге жақын пішінді қалыптастыру: ротор өндірісіндегі 'Геометриялық еркіндік'
Егер Halbach массиві және көп мақсатты оңтайландыру осьтік ағынды қозғалтқыштардың 'электромагниттік дизайн' мәселелерін шешсе, жұмсақ магниттік композиттік (SMC) материалдар желіге жақын пішінді қалыптастыру технологиясымен бірге 'өндірістік' ережелерін қайта жазады.
Жұмсақ магнитті композит – темір негізіндегі ұнтақты электрлік оқшаулағыш байланыстырғышпен ұнтақ металлургия процесі арқылы престеу арқылы түзілетін магниттік материал. Ұнтақты металлургия процесі құйынды ток шығындарын тиімді азайта отырып, магниттік бөлшектер арасында оқшаулағыш қабат жасайды; сонымен бірге, SMC изотропты магниттік қасиеттерді көрсетеді - дәстүрлі кремний болат ламинацияларының анизотропты мінез-құлқынан түбегейлі айырмашылығы. Кремний болат жоғары ағынның тығыздығын (қанықтығы ≥ 2,0 Т) тек екі өлшемді илектеу бағытында ғана тасымалдай алады, бірақ күрделі үш өлшемді магниттік тізбектерде нашар жұмыс істейді. SMC, керісінше, шынайы үш өлшемді ағын жолының дизайнын қолдайды, бұл оны 3D магнит өрісінің таралуына негізделген осьтік ағын қозғалтқыштары сияқты жаңа топологиялар үшін тамаша материал тасымалдаушысы етеді.
Ең бастысы, SMC ротор дизайнын бұрын-соңды болмаған өндіріс еркіндігімен қамтамасыз етеді.
Кремний болаттан жасалған дәстүрлі өзектер материалды аз пайдаланумен және ауыр геометриялық шектеулермен ұзақ процестер тізбегі – штамптау, қабаттау, дәнекерлеу және т.б. арқылы жасалуы керек. Ұнтақты металлургияны қолдана отырып, SMC өте күрделі геометриялық белгілерді бір сатылы қалыптауға мүмкіндік береді. Бұл негізгі мағынасы 'желіге жақын пішінді қалыптастырудың' : соңғы пішінге жақын дизайнды қалыпқа басу арқылы тікелей жүзеге асыруға болады, бұл кейінгі өңдеуді айтарлықтай азайтады.
Бұл артықшылық әсіресе осьтік ағынды қозғалтқыштарда айқын көрінеді. Жапонияның ұнтақ металлургиясы қоғамының 2025 жылғы зерттеуінде SMC статордың тістері мен қос фланецтерін интегралды түрде қалыптастыру үшін пайдаланылды, бұл статор мен ротор арасындағы қарама-қарсы аймақты айтарлықтай ұлғайту және бір уақытта электромагниттік өнімділік пен өндіріс тиімділігін арттыру. 2025 жылдың қазан айындағы отандық өнеркәсіп есебінде SMC өзінің изотропты магниттік қасиеттерінің, құйынды токтың төмен шығындарының және 3D ағынының дизайнын қолдауының арқасында осьтік ағынды қозғалтқыштарды жоғары өнімділікке, төмен энергия тұтынуға және тұрақты массалық өндіріске бағыттайтыны көрсетілген. Ағымдағы технологиялық деңгейлерде SMC статорларының консистенциясы 15%-дан астамға жақсарды, ал жалпы кірістілік деңгейі 96%-дан асады.
Неғұрлым жетілдірілген қолданбаларда SMC құру үшін кремнийлі болатпен біріктіріледі гибридті статор құрылымдарын : кремний болат 2D магниттік жолдар үшін жоғары ағын тығыздығын (≥ 2,0 Т) тасымалдайды, ал SMC күрделі 3D ағынын өңдейді. Екі материал да құйынды ток шығындарын және дизайн күрделілігін азайта отырып, өздерінің артықшылықтарын пайдаланады.
Әрине, СМК кемшіліктерсіз емес. Оның магниттік өткізгіштігі кремний болаттан төмен, өте төмен жиілікті қолданбаларда ағынның ең жоғары тығыздығын шектейді; сонымен қатар оның сынғыш табиғаты ротор жағында пайдалану үшін механикалық беріктікке қатысты мәселелерді маңыздырақ етеді. Соған қарамастан, осьтік ағынды қозғалтқыштардағы статор өзектерінің күрделі геометриялары үшін SMC артықшылықтары оның кемшіліктерінен әлдеқайда асып түседі, сондықтан ол осьтік ағынды қозғалтқыштарды коммерцияландыруды жеделдетудің негізгі катализаторы ретінде қарастырылады..
IV. Қорытынды: Үш кілт, бір миссия
Магниттік тізбек принциптеріндегі инновациядан (Хальбах массиві және қос қиғаш полюстер), жобалау әдістемесін қайта құрылымдауға дейін (көп мақсатты генетикалық алгоритмдер және метаэвристикалық әдістер), сайып келгенде, материалдар мен өндірістегі парадигманың ауысуына (SMC жақын желілік пішінді қалыптастыру), роторлы қозғалтқыштардың дизайны. терең түрлендіру – 'тәжірибеге негізделген'-ден 'есептеуге негізделген + материалдарға негізделген'.
Халбах массиві магнит ағынын бұрын-соңды болмаған деңгейге бағыттайды; қос қиғаш полюстер құрылымы дәл толқынды басуға қол жеткізеді; көп мақсатты генетикалық алгоритмдер мен метаэвристикалық әдістер кең іздеу кеңістігінде электромагниттік, жылулық және өндірістік шығындар арасындағы Парето-оңтайлы айырбастарды тиімді анықтайды; және SMC дәстүрлі өндірістің үш өлшемді шектеулерін бұзады, бұрын тек академиялық мақалаларда болған күрделі геометрияларға жаппай өндіріс мүмкіндігін береді. Бұл үш кілт бір мақсатқа біріктіріледі - өнімділікті жоғалтпай, осьтік ағынды қозғалтқыштарды автомобильдерге, ұшақтарға, роботтарға және тұрмыстық техникаға төмен бағамен, қысқа мерзімде және жоғары сенімділікпен енгізу.
Инженерлер мен зерттеушілер үшін бұл тек техникалық шекаралардың үздіксіз кеңеюі ғана емес, сонымен бірге дизайн-парадигманың ауысу терезесі де басып алуға тұрарлық.
