Хураангуй: Тэнхлэгийн урсгалын байнгын соронз (AFPM) моторууд нь хавтгай бүтэцтэй, өндөр эргүүлэх моментийн нягтралаараа цахилгаан машин, дрон зэрэг орчин үеийн салбарт олны анхаарлыг татсаар ирсэн. Гэсэн хэдий ч тэдгээрийн гүйцэтгэлийн дээд хязгаарыг даван туулахын тулд роторын дизайн нь чухал хувьсагч юм. Энэ нийтлэл нь Halbach массивын урсгалыг төвлөрүүлэх зарчмаас эхэлж, дараа нь хос хазайлттай туйлын бүтцийн сайжруулсан дизайныг тайлбарласан болно. Энэ нь олон зорилготой генетик алгоритмууд болон метахевристик аргууд нь мотор дизайн дахь Паретогийн оновчтой байдалд хэрхэн хүрч байгааг судалж, компьютерийн тусламжтайгаар дизайны хүрээ рүү шилждэг. Эцэст нь, зөөлөн соронзон нийлмэл (SMC) материалын ойролцоо хэлбэрийг бүрдүүлэх үйл явцад анхаарлаа хандуулж, энэ технологи нь инженерийн загвараас эхлээд тэнхлэгийн урсгалын моторыг олноор үйлдвэрлэх хүртэлх 'сүүлийн миль'-ийг даван туулахад хэрхэн тусалдаг талаар ярилцав.
I. Halbach массив ба хос хазайлттай туйл: Соронзон орны 'Fusion' ба 'Shaping'
Тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрийн гүйцэтгэлийн дээд хязгаар нь роторын талд байрлах байнгын соронзоор үүсгэгдсэн соронзон орны тархалтын чанараас ихээхэн хамаардаг. Уламжлалт гадаргуу дээр суурилуулсан байнгын соронз (SPM) бүтэц нь энгийн боловч ялгаатай соронзон урсгалын шугамын дутагдалтай тал нь агаарын зайны урсгалын нягтыг хязгаарлаж, урсгалын өндөр урсгалд хүргэдэг.
Halbach массив нь бараг тохиромжтой шийдлийг санал болгодог. Энэ нь байнгын соронзны тусгай зохион байгуулалт юм - зэргэлдээх соронзуудын соронзлолтын чиглэлийг дараалан 90 ° эргүүлж, соронзон орон массивын нэг талд нэмэгдэж, нөгөө талдаа бараг бүрэн хүчингүй болж, өөрийгөө хамгаалах нөлөө үзүүлдэг . Илүү ойлгомжтой хэллэгээр: ердийн соронзон хэлхээнд урсгалын шугамууд тэгш хэмтэй хуваагддаг бол Halbach массив нь урсгалын шугамыг ажлын агаарын зайны тал руу 'хязгаарлуулж', урсгалын үр ашигтай фокусыг хэрэгжүүлдэг. Туршилтууд нь Halbach массивыг ашигладаг тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрт эргүүлэх моментийн нягтыг 28% хүртэл нэмэгдүүлж, арааны эргэлтийг 65% хүртэл бууруулж болохыг харуулсан.
Гэсэн хэдий ч Halbach массив нь роторын практик дизайнд сорилттой тулгардаг: агаарын завсарын урсгалын нягтын синусоид чанар сайжирсан ч эргүүлэх момент, ялангуяа арааны момент нь жигд ажиллахад гол саад болж байна. Хос хазайсан туйл соронзны технологийг нэвтрүүлсэн нь энэ өвдөлтийн цэгийг чиглэсэн нарийн интервенц юм.
Тайландын Хон Каен их сургуулийн 2024 оны судалгааны баг IEEE Access- д хэвлэн нийтэлсэн Halbach массивын хазайлттай TORUS тэнхлэгийн урсгалын шинэлэг хөдөлгүүрийг санал болгов. Байнгын соронзыг хазайсан тохиргоонд (хос хазайлттай туйл үүсгэх) байрлуулснаар сайжруулсан мотор нь суурь үзүүлэлттэй харьцуулахад арын EMF 4% нэмэгдэж, ачаалалгүй нөхцөлд арааны эргэлтийн момент 9.3% буурсан байна; ачаалалтай үед дундаж эргүүлэх момент 8%-иар нэмэгдэж, эргүүлэх момент 7.8%-иар буурсан. Эдгээр сайжруулалт холбоотой юм нь урсгалыг төвлөрүүлэх болон урсгалыг зогсоох нөлөөг синергетик байдлаар сайжруулсантай - хазайсан бүтэц нь орон зай дахь соронзон орны зохицуулалтын эрх чөлөөний түвшинг нэмэгдүүлж, агаарын зайны урсгалын нягтын гармоник бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг үр дүнтэйгээр дардаг.
Зөөлөн соронзон нийлмэл судалтай тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрийн хувьд хоёр сегментийн тэгш бус өргөнтэй Халбах массивын тэнхлэгийн соронзлолын коэффициентийг (хамгийн оновчтой утга ~ 0.82) аналитик аргаар оновчтой болгох замаар эргүүлэх хүчийг цаашид нэмэгдүүлэх боломжтой болохыг бусад судалгаагаар баталсан. Сүүлийн үеийн үр дүн улам бүр цаашиллаа: Scientific Reports -д нийтлэгдсэн 2025 оны судалгаагаар баталж хоёр талт тэнхлэгийн урсгалын байнгын соронзтой Halbach массивын хоёр талт тэнхлэгийн урсгалын моторыг , олон зорилготой генетик алгоритмын оновчлолын тусламжтайгаар дундаж эргүүлэх хүчийг 7.8% нэмэгдүүлж, эргүүлэх хүчийг мэдэгдэхүйц бууруулсан.
II. Компьютерийн тусламжтай дизайны 'Ace Weapon': Олон зорилгот генетик алгоритмууд ба метахевристик аргууд
Хэрэв Halbach массив нь 'юу хийх вэ' гэсэн асуултад хариулдаг бол орчин үеийн оновчлолын алгоритмууд 'Үүнийг хэрхэн оновчтой болгох вэ' гэсэн асуултад хариулдаг. Тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрийн хувьд роторын геометр, соронзны хэмжээ, соронзлолын өнцөг, хазайлтын өнцөг зэрэг дизайны хувьсагчдыг шугаман бус нарийн төвөгтэй аргаар холбодог бөгөөд уламжлалт нэг параметрт шүүрдэх эсвэл туршилт-алдааны аргууд нь хязгаартаа хүрчээ.
Олон объектив генетикийн алгоритмууд (MOGA) нь одоогоор хамгийн боловсронгуй шийдэл юм. Тэд байгалийн 'хамгийн чадавхитай нь амьд үлдэх' болон 'генийн өөрчлөлт' механизмуудыг дуурайж, сонголт, кроссовер, мутацийн үйлдлээр дамжуулан Парето оновчтой шийдлийн багцын дизайны өргөн орон зайг автоматаар хайдаг. Паретогийн урд талын цэг бүр нь давамгайлалгүй солилцоог илэрхийлдэг - аль ч зорилтыг нөгөөг нь золиослохгүйгээр цаашид сайжруулах боломжгүй.
Тодруулбал, NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm with elitism) нь хамгийн өргөн хэрэглэгддэг хувилбар юм. Дотоодын V хэлбэрийн байнгын соронзтой моторын талаар хийсэн судалгаагаар АД-ын мэдрэлийн сүлжээний орлуулагч загвар ба NSGA-II-ийн хослол нь эргэлтийн момент болон үндсэн алдагдлыг оновчтой болгоход 10% -иар илүү сайжирсан. Олон улсын хил дээр Liu Huijun-ийн багийн 2025 онд ' Progress In Electromagnetics Research C' судалгааны багийнхны хийсэн судалгаагаар гаралтын эргүүлэх хүчийг нэмэгдүүлэх, эргүүлэх моментийн долгионыг багасгах хоёр зорилго бүхий олон зорилготой генетикийн оновчлолын үйл явцыг системтэйгээр харуулсан. Нэмж дурдахад хавтгай утастай байнгын соронзон синхрон моторын роторын үүрний бүтцийг оновчтой болгоход генетикийн алгоритм ба TOPSIS аргыг хослуулахыг санал болгосон.
Олон зорилготой генетикийн алгоритмууд дангаараа ажилладаггүй. гүйцэтгэдэг . Асуудлын шинж чанараас хамааран метахеврист гэр бүл өөр өөр үүрэг
· бөөмийн сүргийн оновчлол (PSO) нь тасралтгүй хувьсагчдыг дэлхийн хэмжээнд оновчлоход гарамгай. Шувууны сүргээс санаа авсан Цөмгүй статорын тэнхлэгийн орон зайн байнгын соронз хөдөлгүүрийг оновчтой болгохдоо байнгын соронзны нэгжийн гаралтын хүчийг нэмэгдүүлэхийн тулд GA болон PSO хоёуланг нь ашигласан. Жинжүүлсэн инерцийг тохируулсан PSO-г мөн тэнхлэгт хуваагдсан фазын соронзон хөөргөх свитчтэй дурамжхан нисдэг дугуйны моторын бүтцийн параметрийг оновчтой болгоход ашигласан.
· Хиймэл мэдрэлийн сүлжээ (ANN) нь орлуулагч загвар болж ажилладаг. Хязгаарлагдмал элементийн симуляци (ялангуяа 3D FEM) бүр хэдэн минутаас хэдэн цаг хүртэл үргэлжилдэг тул тэдгээрийг оновчтой болгох гогцоонд шууд оруулах нь тооцооллын асар их ачааллыг бий болгодог. Тиймээс судлаачид ANN орлуулагчдыг өндөр нарийвчлалтай FEM өгөгдөл дээр сургаж, нэг цагийн загварчлалыг хоёр дахь түвшний таамаглалаар сольж, тооцооллын үр ашгийг эрс сайжруулдаг. Байнгын соронзоор ажилладаг дурамжхан моторыг оновчтой болгохдоо олон зорилтот оновчлолд хүрэхийн тулд NSGA-II-ийн хамт генетикийн алгоритмаар оновчтой дэмжлэг үзүүлэх вектор машиныг (GASVM) ашигласан.
· Шоргоолжны колонийн оновчлолыг (ACO) мөн тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрийн үр ашгийг оновчтой болгоход ашигласан. Давхар статорт нэг ротортой тэнхлэгт урсгалтай сойзгүй тогтмол гүйдлийн моторыг оновчтой болгоход GA нь үр ашгийг 91.01% -иас 91.57% хүртэл сайжруулсан бол ACO үүнийг 91.80% хүртэл нэмэгдүүлсэн.
Эдгээр метахевристик аргуудыг хослуулан хэрэглэснээр бодит үйл ажиллагааны нөхцөлд тэнхлэгийн урсгалын моторын үр ашгийг 15% хүртэл нэмэгдүүлэх боломжтой болсон нь өндөр үр ашигтай жолоодлогын системд тавигдах салбарын стандартууд улам бүр чангарч байгаа нөхцөлд мэдэгдэхүйц амжилт юм.
III. SMC материал ба сүлжээний ойролцоо хэлбэржилт: Роторын үйлдвэрлэл дэх 'Геометрийн эрх чөлөө'
Хэрэв Halbach массив ба олон объектын оновчлол нь тэнхлэгийн урсгалын моторын 'цахилгаан соронзон дизайн'-ын сорилтуудыг шийдэж байгаа бол зөөлөн соронзон нийлмэл (SMC) материалууд нь сүлжээний ойролцоо хэлбэр үүсгэх технологитой хамт 'үйлдвэрлэлийн чадвар' дүрмийг дахин бичиж байна.
Зөөлөн соронзон нийлмэл гэдэг нь төмрийн суурьтай нунтагыг цахилгаан тусгаарлагч холбогчоор дарж нунтаг металлургийн аргаар үүсгэсэн соронзон материал юм. Нунтаг металлургийн процесс нь соронзон хэсгүүдийн хооронд тусгаарлагч давхаргыг бий болгож, эргэлтийн гүйдлийн алдагдлыг үр дүнтэй бууруулдаг; Үүний зэрэгцээ SMC нь изотроп соронзон шинж чанарыг харуулдаг бөгөөд энэ нь уламжлалт цахиурын ган давхаргын анизотроп шинж чанараас үндсэн ялгаа юм. Цахиурын ган нь өндөр урсгалын нягтыг (ханалт ≥ 2.0 Т) зөвхөн хоёр хэмжээст өнхрөх чиглэлд тээвэрлэх чадвартай боловч нарийн төвөгтэй гурван хэмжээст соронзон хэлхээнд муу ажилладаг. Харин SMC нь жинхэнэ гурван хэмжээст урсгалын замын дизайныг дэмждэг бөгөөд энэ нь 3D соронзон орны тархалтад тулгуурладаг тэнхлэгийн урсгалын мотор зэрэг шинэ топологиудад хамгийн тохиромжтой материал зөөгч болж өгдөг.
Хамгийн чухал нь SMC нь роторын дизайныг урьд өмнө хэзээ ч байгаагүй үйлдвэрлэлийн эрх чөлөөгөөр хангадаг.
Уламжлалт цахиурын ган судал нь дардас, овоолго, гагнах гэх мэт урт гинжин хэлхээгээр материалын хэрэглээ багатай, геометрийн хатуу хязгаарлалттай байх ёстой. Нунтаг металлургийг ашиглан SMC нь маш нарийн төвөгтэй геометрийн шинж чанарыг нэг алхамаар хэвлэх боломжийг олгодог. Энэ нь ийн үндсэн утга юм 'сүлжээнд ойрхон хэлбэр үүсгэх'- : эцсийн хэлбэрт ойртсон загвар нь хэвэнд дарснаар шууд хэрэгжиж, дараагийн боловсруулалтыг эрс багасгадаг.
Энэ давуу тал нь тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрт ялангуяа тод илэрдэг. Японы Нунтаг Металлургийн Нийгэмлэгээс 2025 онд хийсэн судалгаагаар SMC-ийг статорын шүд ба давхар фланцыг бүхэлд нь бүрдүүлэхэд ашиглаж, статор ба роторын хоорондох эсрэг талын талбайг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэхийн зэрэгцээ цахилгаан соронзон гүйцэтгэл болон үйлдвэрлэлийн үр ашгийг дээшлүүлсэн. 2025 оны 10-р сарын дотоодын үйлдвэрлэлийн тайланд мөн адил SMC нь изотроп соронзон шинж чанар, бага эргүүлэг гүйдлийн алдагдал, 3D урсгалын дизайны дэмжлэгийн ачаар тэнхлэгийн урсгалын моторыг өндөр гүйцэтгэл, бага эрчим хүч зарцуулалт, тогтвортой масс үйлдвэрлэл рүү чиглүүлж байгааг онцолсон. Одоогийн үйл явцын түвшинд SMC статоруудын тууштай байдал 15% -иас илүү сайжирч, нийт гарцын түвшин 96% -иас давсан байна.
Илүү дэвшилтэт хэрэглээнд SMC нь цахиурын гантай хослуулан эрлийз статорын бүтцийг бий болгодог : цахиурын ган нь 2 хэмжээст соронзон замд өндөр урсгалын нягт (≥ 2.0 T) агуулдаг бол SMC нь нарийн төвөгтэй 3D урсгалыг зохицуулдаг. Хоёр материал хоёулаа өөр өөрийн давуу талыг ашиглахын зэрэгцээ эргүүлэг гүйдлийн алдагдал болон дизайны нарийн төвөгтэй байдлыг бууруулдаг.
Мэдээжийн хэрэг, SMC нь дутагдалгүй биш юм. Түүний соронзон нэвчилт нь цахиурын гангаас бага, маш бага давтамжийн хэрэглээнд оргил урсгалын нягтыг хязгаарладаг; үүнээс гадна түүний хэврэг шинж чанар нь роторын хажуугийн хэрэглээнд механик бат бөх байдлын талаар илүү чухал болгодог. Гэсэн хэдий ч тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүр дэх статорын судлын нарийн төвөгтэй геометрийн хувьд SMC-ийн давуу тал нь сул талуудаас хамаагүй илүү байдаг тул тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрийг арилжаалахыг хурдасгах гол катализатор гэж үздэг..
IV. Дүгнэлт: Гурван түлхүүр, нэг эрхэм зорилго
Соронзон хэлхээний зарчмуудын шинэчлэлээс (Халбах массив ба хос хазайлттай туйл), дизайны аргачлалын бүтцийн өөрчлөлт (олон объектив генетик алгоритм ба метахевристик аргууд), эцэст нь материал, үйлдвэрлэлийн парадигмын өөрчлөлт (SMC бараг сүлжээний хэлбэр үүсгэх) хүртэл хөдөлгүүрийн тэнхлэгийн тэнхлэгийн дор тэнхлэгийн дизайн юм. гүн гүнзгий өөрчлөлт – 'туршлагад тулгуурласан'-аас 'тооцоололд тулгуурласан + материалд тулгуурласан'.
Halbach массив нь соронзон урсгалыг урьд өмнө байгаагүй түвшинд төвлөрүүлдэг; хос хазайлттай туйлын бүтэц нь долгионыг нарийн дарах боломжийг олгодог; олон зорилготой генетикийн алгоритмууд болон метахевристик аргууд нь хайлтын асар том орон зайд цахилгаан соронзон, дулааны болон үйлдвэрлэлийн зардлын хоорондох Парето-оновчтой уялдаа холбоог үр ашигтайгаар олох; болон SMC нь уламжлалт үйлдвэрлэлийн гурван хэмжээст хязгаарлалтыг эвдэж, өмнө нь зөвхөн эрдэм шинжилгээний өгүүлэлд байдаг нарийн төвөгтэй геометрийг массаар үйлдвэрлэх боломжийг олгодог. Эдгээр гурван түлхүүр гэсэн нэг зорилгод нэгддэг . нь гүйцэтгэлийг алдагдуулахгүйгээр тэнхлэгийн урсгалын моторыг манай машин, онгоц, робот, гэр ахуйн цахилгаан хэрэгсэлд бага зардлаар, богино хугацаанд хүргэх, өндөр найдвартай болгох
Инженер, судлаачдын хувьд энэ нь зөвхөн техникийн хил хязгаарыг тасралтгүй өргөжүүлэх төдийгүй дизайн-парадигмыг өөрчлөх цонх юм.
