Abstrak: Motor magnet kekal fluks paksi (AFPM), dengan struktur rata dan ketumpatan tork yang tinggi, telah menarik perhatian penting dalam bidang canggih seperti kenderaan elektrik dan dron. Walau bagaimanapun, untuk terus menembusi siling prestasi mereka, reka bentuk rotor adalah pembolehubah kritikal. Artikel ini bermula dengan prinsip pemfokusan fluks tatasusunan Halbach dan kemudian menerangkan reka bentuk yang dipertingkatkan bagi struktur kutub dwi condong. Ia bergerak ke sempadan reka bentuk bantuan komputer, meneliti bagaimana algoritma genetik pelbagai objektif dan kaedah metaheuristik mencapai keoptimuman Pareto dalam reka bentuk motor. Akhir sekali, ia menumpukan pada proses pembentukan hampir-net-bentuk bahan komposit magnetik lembut (SMC) dan membincangkan cara teknologi ini membantu merapatkan 'batu terakhir' daripada prototaip kejuruteraan kepada pengeluaran besar-besaran motor fluks paksi.
I. Tatasusunan Halbach dan Tiang Dwi-Skewed: 'Penyatuan' dan 'Pembentukan' Medan Magnet
Siling prestasi motor fluks paksi sebahagian besarnya bergantung kepada kualiti pengagihan medan magnet yang dihasilkan oleh magnet kekal pada bahagian pemutar. Struktur magnet kekal (SPM) yang dipasang di permukaan tradisional adalah mudah, tetapi kelemahan yang wujud pada garisan fluks magnet yang berbeza membawa kepada ketumpatan fluks jurang udara yang terhad dan fluks kebocoran yang tinggi.
Susunan Halbach menawarkan penyelesaian yang hampir ideal. Ia adalah susunan khas magnet kekal – arah magnetisasi magnet bersebelahan diputar secara berurutan sebanyak 90°, supaya medan magnet dipertingkatkan pada satu sisi tatasusunan dan hampir dibatalkan sepenuhnya pada sisi lain, mencapai kesan perisai diri . Dalam istilah yang lebih intuitif: dalam litar magnet konvensional garisan fluks bercapah secara simetri, manakala tatasusunan Halbach 'menghadkan' garisan fluks ke bahagian celah udara yang berfungsi, merealisasikan pemfokusan fluks yang cekap. Eksperimen telah menunjukkan bahawa dalam motor fluks paksi yang menggunakan susunan Halbach, ketumpatan tork boleh ditingkatkan sehingga 28% dan tork cogging dikurangkan sebanyak 65%.
Walau bagaimanapun, tatasusunan Halbach juga menghadapi cabaran dalam reka bentuk rotor praktikal: walaupun kualiti sinusoidal ketumpatan fluks jurang udara dipertingkatkan, riak tork – terutamanya tork cogging – kekal sebagai hambatan utama untuk operasi lancar. Pengenalan teknologi magnet kutub dwi condong adalah intervensi yang tepat yang menyasarkan titik kesakitan ini.
Pasukan penyelidik 2024 dari Universiti Khon Kaen di Thailand, yang menerbitkan dalam IEEE Access , mencadangkan motor fluks paksi TORUS yang inovatif dengan susunan Halbach yang condong. Dengan menyusun magnet kekal dalam konfigurasi senget (membentuk kutub dwi-miring), motor yang dipertingkatkan, berbanding garis dasar, menunjukkan peningkatan 4% dalam EMF belakang dan pengurangan 9.3% dalam tork cogging di bawah keadaan tanpa beban; di bawah beban, tork purata meningkat sebanyak 8% dan riak tork menurun sebanyak 7.8%. Penambahbaikan ini boleh dikaitkan dengan peningkatan sinergistik kesan pemfokusan fluks dan pembatalan fluks - struktur senget memanjangkan tahap kebebasan untuk pengawalan medan magnet di angkasa, dengan berkesan menekan komponen harmonik ketumpatan fluks jurang udara.
Kajian lain telah mengesahkan bahawa untuk motor fluks paksi dengan teras komposit magnet lembut, peningkatan tork selanjutnya boleh dicapai dengan mengoptimumkan secara analitik pekali magnetisasi paksi (nilai optimum ~0.82) tatasusunan Halbach tidak sama lebar dua segmen. Keputusan yang lebih terkini pergi lebih jauh: satu kajian 2025 yang diterbitkan dalam Laporan Saintifik mengguna pakai susunan Halbach dwi-skewed motor magnet kekal fluks paksi dua sisi dan, melalui pengoptimuman algoritma genetik pelbagai objektif, mencapai peningkatan 7.8% dalam tork purata dan pengurangan ketara dalam riak tork.
II. 'Senjata Ace' Reka Bentuk Berbantukan Komputer: Algoritma Genetik Pelbagai Objektif dan Kaedah Metaeuristik
Jika tatasusunan Halbach menjawab soalan 'apa yang perlu dilakukan', maka algoritma pengoptimuman moden menjawab soalan 'cara melakukannya secara optimum'. Untuk motor fluks paksi, pembolehubah reka bentuk seperti geometri pemutar, dimensi magnet, sudut kemagnetan dan sudut condong digandingkan dalam cara tak linear yang kompleks, dan kaedah sapuan parameter tunggal tradisional atau kaedah percubaan dan kesilapan telah lama mencapai hadnya.
Algoritma genetik berbilang objektif (MOGA) kini merupakan kelas penyelesaian yang paling matang. Mereka meniru mekanisme semula jadi 'survival of the fittest' dan 'variasi genetik', secara automatik mencari ruang reka bentuk yang luas untuk set penyelesaian Pareto-optimum melalui operasi pemilihan, silang dan mutasi. Setiap titik di hadapan Pareto mewakili pertukaran yang tidak didominasi - tiada satu pun daripada objektif boleh dipertingkatkan lagi tanpa mengorbankan yang lain.
Khususnya, NSGA-II (Algoritma Genetik Pengisihan Tidak Didominasi dengan elitisme) ialah varian yang paling banyak digunakan. Dalam kajian domestik pada motor vernier magnet kekal dalaman berbentuk V, gabungan model pengganti rangkaian neural BP dan NSGA-II mencapai lebih daripada 10% peningkatan dalam pengoptimuman tork dan kehilangan teras. Di sempadan antarabangsa, kajian 2025 oleh pasukan Liu Huijun dalam Progress In Electromagnetics Research C secara sistematik menunjukkan proses pengoptimuman genetik pelbagai objektif dengan objektif dwi memaksimumkan tork output dan meminimumkan riak tork. Selain itu, gabungan algoritma genetik dan kaedah TOPSIS juga telah dicadangkan untuk pengoptimuman struktur slot rotor dalam motor segerak magnet kekal wayar rata.
Algoritma genetik berbilang objektif tidak berfungsi secara bersendirian. Keluarga metaheuristik memainkan peranan yang berbeza mengikut ciri masalah:
· Pengoptimuman kawanan zarah (PSO) , diilhamkan oleh kumpulan burung, cemerlang dalam pengoptimuman global pembolehubah berterusan. Dalam pengoptimuman motor magnet kekal medan paksi stator tanpa teras, kedua-dua GA dan PSO telah digunakan untuk memaksimumkan kuasa keluaran per unit volum magnet kekal. PSO terlaras inersia berwajaran juga telah digunakan untuk pengoptimuman parameter struktur bagi motor roda tenaga keengganan suis levitasi fasa paksi magnetik.
· Rangkaian saraf tiruan (ANN) bertindak sebagai model pengganti. Oleh kerana setiap simulasi elemen terhingga (terutamanya FEM 3D) boleh mengambil masa dari minit ke jam, membenamkannya secara langsung ke dalam gelung pengoptimuman mengenakan beban pengiraan yang besar. Oleh itu, penyelidik sering melatih pengganti ANN pada data FEM kesetiaan tinggi, menggantikan simulasi selama sejam dengan ramalan peringkat kedua dan meningkatkan kecekapan pengiraan secara mendadak. Dalam pengoptimuman motor keengganan suis bantuan magnet kekal, mesin vektor sokongan dioptimumkan algoritma genetik (GASVM) telah digunakan bersama-sama dengan NSGA-II untuk mencapai pengoptimuman berbilang objektif.
· Pengoptimuman koloni semut (ACO) juga telah digunakan untuk pengoptimuman kecekapan motor fluks paksi. Dalam pengoptimuman motor DC tanpa berus paksi fluks tunggal pemegun dua pemegun, GA meningkatkan kecekapan daripada 91.01% kepada 91.57%, manakala ACO terus meningkatkannya kepada 91.80%.
Aplikasi gabungan kaedah metaheuristik ini telah membolehkan peningkatan kecekapan keseluruhan sehingga kira-kira 15% untuk motor fluks paksi di bawah keadaan operasi sebenar – pencapaian yang ketara dalam menghadapi piawaian industri yang semakin ketat untuk sistem pemacu kecekapan tinggi.
III. Bahan SMC dan Pembentukan Near-Net-Shape: 'Geometrik Freedom' dalam Pembuatan Rotor
Jika tatasusunan Halbach dan pengoptimuman berbilang objektif menyelesaikan cabaran 'reka bentuk elektromagnet' motor fluks paksi, maka bahan komposit magnetik lembut (SMC) bersama-sama dengan teknologi membentuk hampir-jaring akan menulis semula peraturan 'kebolehkilangan'.
Komposit magnet lembut ialah bahan magnet yang dibentuk dengan menekan serbuk berasaskan besi dengan pengikat penebat elektrik melalui proses metalurgi serbuk. Proses metalurgi serbuk mencipta lapisan penebat antara zarah magnet, dengan berkesan mengurangkan kehilangan arus pusar; pada masa yang sama, SMC mempamerkan sifat magnet isotropik - perbezaan asas daripada tingkah laku anisotropik laminasi keluli silikon tradisional. Keluli silikon boleh membawa ketumpatan fluks tinggi (ketepuan ≥ 2.0 T) hanya dalam arah guling dua dimensi, tetapi berprestasi buruk dalam litar magnet tiga dimensi yang kompleks. SMC, sebaliknya, menyokong reka bentuk laluan fluks tiga dimensi yang benar, menjadikannya pembawa bahan yang ideal untuk topologi baru seperti motor fluks paksi yang sememangnya bergantung pada pengedaran medan magnet 3D.
Lebih penting lagi, SMC menyediakan reka bentuk rotor dengan tahap kebebasan pembuatan yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Teras keluli silikon tradisional mesti dihasilkan melalui rantaian proses yang panjang - pengecapan, penyusunan, kimpalan, dll. - dengan penggunaan bahan yang rendah dan kekangan geometri yang teruk. SMC, menggunakan metalurgi serbuk, membolehkan pengacuan satu langkah ciri geometri yang sangat kompleks. Ini adalah maksud teras 'near-net-shape forming' : reka bentuk yang hampir dengan bentuk akhir boleh direalisasikan secara langsung dengan menekan dalam acuan, mengurangkan pemesinan seterusnya.
Kelebihan ini amat ketara dalam motor fluks paksi. Dalam kajian 2025 oleh Persatuan Metalurgi Serbuk Jepun, SMC telah digunakan untuk membentuk gigi dan bebibir dua pemegun secara bersepadu, meningkatkan dengan ketara kawasan bertentangan antara pemegun dan pemutar sambil meningkatkan prestasi elektromagnet dan kecekapan pembuatan secara serentak. Laporan industri domestik dari Oktober 2025 juga menunjukkan bahawa SMC, terima kasih kepada sifat magnet isotropiknya, kehilangan arus pusar yang rendah dan sokongan untuk reka bentuk fluks 3D, memacu motor fluks paksi ke arah prestasi tinggi, penggunaan tenaga yang rendah dan pengeluaran besar-besaran yang stabil. Pada tahap proses semasa, ketekalan stator SMC telah dipertingkatkan sebanyak lebih daripada 15%, dan kadar hasil keseluruhan melebihi 96%.
Dalam aplikasi yang lebih maju, SMC juga digabungkan dengan keluli silikon untuk membentuk struktur stator hibrid : keluli silikon membawa kepadatan fluks tinggi (≥ 2.0 T) untuk laluan magnet 2D, manakala SMC mengendalikan fluks 3D yang kompleks. Kedua-dua bahan mengeksploitasi kelebihan masing-masing sambil mengurangkan kerugian arus pusar dan kerumitan reka bentuk.
Sudah tentu, SMC bukan tanpa kekurangan. Kebolehtelapan magnetnya lebih rendah daripada keluli silikon, mengehadkan ketumpatan fluks puncak dalam aplikasi frekuensi sangat rendah; lebih-lebih lagi, sifat rapuhnya menjadikan pertimbangan kekuatan mekanikal lebih penting untuk kegunaan bahagian rotor. Namun begitu, untuk geometri kompleks teras pemegun dalam motor fluks paksi, kelebihan SMC jauh mengatasi kelemahannya - itulah sebabnya ia dianggap sebagai pemangkin utama untuk mempercepatkan pengkomersilan motor fluks paksi..
IV. Kesimpulan: Tiga Kunci, Satu Misi
Daripada inovasi dalam prinsip litar magnetik (tatasusunan Halbach dan tiang dwi-miring), kepada penstrukturan semula metodologi reka bentuk (algoritma genetik pelbagai objektif dan kaedah metaheuristik), dan akhirnya kepada anjakan paradigma dalam bahan dan pembuatan (pembentukan bentuk hampir-jaring SMC), reka bentuk pemutar motor fluks paksi berprestasi tinggi - daripada pemutar paksi fluks berprestasi tinggi kepada transformasi yang mendalam – daripada transformasi yang mendalam 'didorong pengiraan + didorong oleh bahan'.
Tatasusunan Halbach memfokuskan fluks magnet ke tahap yang belum pernah terjadi sebelumnya; struktur tiang dwi condong mencapai penindasan riak yang tepat; algoritma genetik berbilang objektif dan kaedah metaheuristik dengan cekap mengesan pertukaran optimum Pareto antara kos elektromagnet, haba dan pembuatan dalam ruang carian yang luas; dan SMC memecahkan kekangan tiga dimensi pembuatan tradisional, memberikan kemungkinan pengeluaran besar-besaran kepada geometri kompleks yang sebelum ini hanya wujud dalam kertas akademik. Ketiga-tiga kunci ini bersatu ke arah satu matlamat - tanpa mengorbankan prestasi, untuk membawa motor fluks paksi ke dalam kereta, pesawat, robot dan peralatan rumah kami pada kos yang lebih rendah, dengan masa pendahuluan yang lebih pendek dan dengan kebolehpercayaan yang lebih tinggi.
Bagi jurutera dan penyelidik, ini bukan sahaja pengembangan berterusan sempadan teknikal, tetapi juga tingkap anjakan paradigma reka bentuk yang patut direbut.
