Samenvatting: Axiale flux permanente magneetmotoren (AFPM), met hun platte structuur en hoge koppeldichtheid, hebben veel aandacht getrokken in geavanceerde vakgebieden zoals elektrische voertuigen en drones. Om hun prestatieplafond verder te doorbreken, is het rotorontwerp echter een kritische variabele. Dit artikel begint met het fluxfocusseringsprincipe van de Halbach-array en legt vervolgens het verbeterde ontwerp van de dubbel scheve poolstructuur uit. Het begeeft zich op de grens van computerondersteund ontwerp en onderzoekt hoe multi-objectieve genetische algoritmen en metaheuristische methoden Pareto-optimaliteit in motorontwerp bereiken. Ten slotte richt het zich op het bijna-netvormige vormproces van zachte magnetische composietmaterialen (SMC) en wordt besproken hoe deze technologie de 'laatste mijl' helpt overbruggen van technische prototypes naar massaproductie van axiale fluxmotoren.
I. Halbach-array en dubbel-scheve polen: 'Fusie' en 'Shaping' van het magnetische veld
Het prestatieplafond van een axiale fluxmotor hangt grotendeels af van de kwaliteit van de magnetische veldverdeling die wordt geproduceerd door de permanente magneten aan de rotorzijde. De traditionele opbouw van een permanente magneet (SPM) is eenvoudig, maar het inherente nadeel van divergerende magnetische fluxlijnen leidt tot een beperkte luchtspleetfluxdichtheid en een hoge lekflux.
De Halbach-array biedt een bijna ideale oplossing. Het is een speciale opstelling van permanente magneten – de magnetisatierichting van aangrenzende magneten wordt opeenvolgend 90° gedraaid, zodat het magnetische veld aan de ene kant van de array wordt versterkt en aan de andere kant bijna volledig wordt opgeheven, waardoor een zelfbeschermend effect wordt bereikt . In meer intuïtieve termen: in een conventioneel magnetisch circuit divergeren de fluxlijnen symmetrisch, terwijl de Halbach-array de fluxlijnen 'beperkt' tot de werkende luchtspleetzijde, waardoor een efficiënte fluxfocussering wordt gerealiseerd. Experimenten hebben aangetoond dat bij axiale fluxmotoren die gebruik maken van een Halbach-array, de koppeldichtheid met maximaal 28% kan worden verhoogd en het tandwielkoppel met 65% kan worden verminderd.
De Halbach-array wordt echter ook geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van praktisch rotorontwerp: hoewel de sinusoïdale kwaliteit van de luchtspleetfluxdichtheid is verbeterd, blijft koppelrimpeling – vooral het tandwielkoppel – een groot knelpunt voor een soepele werking. De introductie van dubbel-scheve poolmagneettechnologie is een precieze interventie die op dit pijnpunt is gericht.
Een onderzoeksteam uit 2024 van de Khon Kaen Universiteit in Thailand, publicerend in IEEE Access , stelde een innovatieve TORUS axiale fluxmotor voor met een scheve Halbach-array. Door de permanente magneten in een scheve configuratie te plaatsen (zodat ze dubbel scheve polen vormen), vertoonde de verbeterde motor, vergeleken met een basislijn, een toename van 4% in de tegen-EMF en een reductie van 9,3% in het tandwielkoppel onder onbelaste omstandigheden; onder belasting nam het gemiddelde koppel met 8% toe en nam de koppelrimpel af met 7,8%. Deze verbeteringen kunnen worden toegeschreven aan de synergetische verbetering van fluxfocusserende en flux-annulerende effecten - de scheve structuur vergroot de mate van vrijheid voor magnetische veldregulatie in de ruimte, waardoor harmonische componenten van de luchtspleetfluxdichtheid effectief worden onderdrukt.
Andere onderzoeken hebben bevestigd dat voor axiale fluxmotoren met zachte magnetische composietkernen een verdere koppelverbetering kan worden bereikt door analytisch de axiale magnetisatiecoëfficiënt (optimale waarde ~0,82) van een Halbach-array met twee segmenten van ongelijke breedte te optimaliseren. Recentere resultaten gaan zelfs nog verder: een studie uit 2025, gepubliceerd in Scientific Reports, heeft een dual-skewed Halbach-array dubbelzijdige axiale flux permanente magneetmotor aangenomen en heeft, door multi-objectieve genetische algoritme-optimalisatie, een toename van 7,8% van het gemiddelde koppel en een significante vermindering van de koppelrimpel bereikt.
II. Het 'topwapen' van computerondersteund ontwerp: genetische algoritmen met meerdere doelstellingen en metaheuristische methoden
Als de Halbach-array de vraag 'wat te doen' beantwoordt, beantwoorden moderne optimalisatiealgoritmen de vraag 'hoe dit optimaal te doen'. Voor axiale fluxmotoren zijn ontwerpvariabelen zoals rotorgeometrie, magneetafmetingen, magnetisatiehoek en scheefhoek op complexe, niet-lineaire manieren gekoppeld, en traditionele sweep- of trial-and-error-methoden met één parameter hebben al lang hun grenzen bereikt.
Multi-objectieve genetische algoritmen (MOGA) zijn momenteel de meest volwassen klasse van oplossingen. Ze bootsen de 'survival of the fittest'- en 'genetische variatie'-mechanismen van de natuur na, waarbij ze automatisch in de enorme ontwerpruimte zoeken naar Pareto-optimale oplossingssets door middel van selectie-, cross-over- en mutatieoperaties. Elk punt op het Pareto-front vertegenwoordigt een niet-gedomineerde afweging: geen van de doelstellingen kan verder worden verbeterd zonder een ander op te offeren.
Concreet is NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm with elitarism) de meest gebruikte variant. In een binnenlandse studie naar een V-vormige interne noniusmotor met permanente magneet bereikte de combinatie van een BP-neuraalnetwerksurrogaatmodel en NSGA-II een verbetering van meer dan 10% in zowel koppel- als kernverliesoptimalisatie. Op de internationale grens demonstreerde een onderzoek uit 2025 door Liu Huijun's team in Progress In Electromagnetics Research C systematisch een multi-objectief genetisch optimalisatieproces met als dubbele doelstelling het maximaliseren van het uitgangskoppel en het minimaliseren van de koppelrimpel. Daarnaast is de combinatie van genetische algoritmen en de TOPSIS-methode ook voorgesteld voor de optimalisatie van de rotorsleufstructuur in synchrone vlakdraadmotoren met permanente magneten.
Multi-objectieve genetische algoritmen werken niet alleen. De metaheuristische familie speelt verschillende rollen afhankelijk van de probleemkenmerken:
· Deeltjeszwermoptimalisatie (PSO) , geïnspireerd door de vogeltrek, blinkt uit in de globale optimalisatie van continue variabelen. Bij de optimalisatie van een kernloze stator-motor met axiaal veld-permanente magneet zijn zowel GA als PSO gebruikt om het uitgangsvermogen per eenheid permanent magneetvolume te maximaliseren. Gewogen traagheidsaangepaste PSO is ook toegepast op structurele parameteroptimalisatie van een axiaal verdeelde magnetische levitatie-geschakelde reluctantievliegwielmotor.
· Kunstmatige neurale netwerken (ANN) fungeren als surrogaatmodellen. Omdat elke eindige elementensimulatie (vooral 3D FEM) minuten tot uren kan duren, brengt het direct inbedden ervan in de optimalisatielus een enorme rekenlast met zich mee. Daarom trainen onderzoekers ANN-surrogaten vaak op hoogwaardige FEM-gegevens, waarbij simulaties van een uur worden vervangen door voorspellingen op het tweede niveau en de rekenefficiëntie dramatisch wordt verbeterd. Bij de optimalisatie van een permanent magneet-ondersteunde geschakelde reluctantiemotor werd een genetisch algoritme geoptimaliseerde support vector machine (GASVM) samen met NSGA-II gebruikt om multi-objectieve optimalisatie te bereiken.
· Mierenkolonie-optimalisatie (ACO) is ook toegepast bij efficiëntie-optimalisatie van axiale fluxmotoren. Bij de optimalisatie van een borstelloze DC-motor met dubbele stator en enkele rotor met axiale flux verbeterde GA de efficiëntie van 91,01% naar 91,57%, terwijl ACO deze verder verhoogde tot 91,80%.
De gecombineerde toepassing van deze metaheuristische methoden heeft een algehele efficiëntieverbetering tot ongeveer 15% mogelijk gemaakt voor axiale fluxmotoren onder reële bedrijfsomstandigheden – een belangrijke prestatie in het licht van de steeds strengere industrienormen voor hoogefficiënte aandrijfsystemen.
III. SMC-materialen en vorming van bijna-netvormige vormen: 'geometrische vrijheid' in de productie van rotoren
Als de Halbach-array en multi-objectieve optimalisatie de 'elektromagnetische ontwerpuitdagingen' van axiale fluxmotoren oplossen, dan herschrijven zachte magnetische composietmaterialen (SMC) in combinatie met 'near-net-shapeforming'-technologie de regels van 'maakbaarheid'.
Zachtmagnetisch composiet is een magnetisch materiaal dat wordt gevormd door poeder op ijzerbasis met een elektrisch isolerend bindmiddel via een poedermetallurgisch proces te persen. Het poedermetallurgieproces creëert een isolatielaag tussen de magnetische deeltjes, waardoor wervelstroomverliezen effectief worden verminderd; tegelijkertijd vertoont SMC isotrope magnetische eigenschappen – een fundamenteel verschil met het anisotrope gedrag van traditionele siliciumstaallamineringen. Siliciumstaal kan alleen een hoge fluxdichtheid (verzadiging ≥ 2,0 T) dragen in de tweedimensionale walsrichting, maar presteert slecht in complexe driedimensionale magnetische circuits. SMC ondersteunt daarentegen een echt driedimensionaal fluxpadontwerp, waardoor het een ideale materiaaldrager is voor nieuwe topologieën zoals axiale fluxmotoren die inherent afhankelijk zijn van een 3D-magnetische veldverdeling.
Belangrijker nog is dat SMC het rotorontwerp biedt met een ongekende mate van productievrijheid.
Traditionele kernen van siliciumstaal moeten worden vervaardigd via een lange keten van processen – stampen, stapelen, lassen, enz. – met een laag materiaalgebruik en ernstige geometrische beperkingen. SMC maakt met behulp van poedermetallurgie het in één stap vormen van zeer complexe geometrische kenmerken mogelijk. Dit is de kernbetekenis van 'near-net-shapeforming' : een ontwerp dat dicht bij de uiteindelijke vorm ligt, kan direct worden gerealiseerd door het in een mal te persen, waardoor de daaropvolgende bewerking aanzienlijk wordt verminderd.
Dit voordeel is vooral duidelijk bij axiale fluxmotoren. In een onderzoek uit 2025 door de Japan Powder Metallurgy Society werd SMC gebruikt om de tanden en dubbele flenzen van een stator integraal te vormen, waardoor het tegenoverliggende gebied tussen stator en rotor aanzienlijk werd vergroot en tegelijkertijd de elektromagnetische prestaties en de productie-efficiëntie werden verbeterd. Een rapport uit de binnenlandse industrie uit oktober 2025 wees er op soortgelijke wijze op dat SMC, dankzij zijn isotrope magnetische eigenschappen, lage wervelstroomverliezen en ondersteuning voor 3D-fluxontwerp, axiale fluxmotoren in de richting van hoge prestaties, laag energieverbruik en stabiele massaproductie drijft. Op de huidige procesniveaus is de consistentie van SMC-stators met meer dan 15% verbeterd en ligt het totale rendement boven de 96%.
In meer geavanceerde toepassingen wordt SMC ook gecombineerd met siliciumstaal om hybride statorstructuren te vormen : het siliciumstaal heeft een hoge fluxdichtheid (≥ 2,0 T) voor 2D-magnetische paden, terwijl de SMC complexe 3D-flux verwerkt. Beide materialen benutten hun respectieve voordelen terwijl ze wervelstroomverliezen en ontwerpcomplexiteit verminderen.
Natuurlijk is SMC niet zonder tekortkomingen. De magnetische permeabiliteit is lager dan die van siliciumstaal, waardoor de piekfluxdichtheid bij toepassingen met zeer lage frequentie wordt beperkt; bovendien maakt de brosse aard overwegingen met betrekking tot mechanische sterkte belangrijker voor gebruik aan de rotorzijde. Niettemin wegen de voordelen van SMC voor de complexe geometrieën van statorkernen in axiale fluxmotoren ruimschoots op tegen de nadelen ervan. Daarom wordt het beschouwd als een belangrijke katalysator voor het versnellen van de commercialisering van axiale fluxmotoren..
IV. Conclusie: drie sleutels, één missie
Van de innovatie op het gebied van magnetische circuitprincipes (Halbach-array en dual-skewed polen), tot de herstructurering van de ontwerpmethodologie (multi-objectieve genetische algoritmen en metaheuristische methoden), en uiteindelijk tot de paradigmaverschuiving in materialen en productie (SMC-near-net-shape-vorming), ondergaat het ontwerp van krachtige axiale fluxmotorrotoren een diepgaande transformatie – van 'ervaringsgedreven' naar 'computergestuurd + materiaalgestuurd'.
De Halbach-array focust de magnetische flux naar ongekende niveaus; de dubbel scheve poolstructuur zorgt voor nauwkeurige rimpelonderdrukking; multi-objectieve genetische algoritmen en metaheuristische methoden lokaliseren op efficiënte wijze de Pareto-optimale afwegingen tussen elektromagnetische, thermische en productiekosten in een enorme zoekruimte; en SMC doorbreekt de driedimensionale beperkingen van traditionele productie, waardoor massaproductie haalbaar wordt voor complexe geometrieën die voorheen alleen in academische artikelen bestonden. Deze drie sleutels komen samen in de richting van één doel: zonder concessies te doen aan de prestaties, om axiale fluxmotoren in onze auto's, vliegtuigen, robots en huishoudelijke apparaten te brengen tegen lagere kosten, met kortere doorlooptijden en met een hogere betrouwbaarheid.
Voor ingenieurs en onderzoekers is dit niet alleen een voortdurende verruiming van technische grenzen, maar ook een venster van ontwerp-paradigmaverschuiving die de moeite waard is om te benutten.
