Streszczenie: Silniki z magnesami trwałymi o strumieniu osiowym (AFPM), dzięki swojej płaskiej konstrukcji i dużej gęstości momentu obrotowego, cieszą się dużym zainteresowaniem w najnowocześniejszych dziedzinach, takich jak pojazdy elektryczne i drony. Aby jednak jeszcze bardziej przebić się przez ich pułap wydajności, kluczową zmienną jest konstrukcja wirnika. Artykuł ten rozpoczyna się od zasady skupiania strumienia w układzie Halbacha, a następnie wyjaśnia ulepszoną konstrukcję podwójnie skośnej konstrukcji bieguna. Wkracza w granice projektowania wspomaganego komputerowo, badając, w jaki sposób wielocelowe algorytmy genetyczne i metody metaheurystyczne osiągają optymalność Pareto w projektowaniu silników. Na koniec skupia się na procesie formowania materiałów z miękkich materiałów magnetycznych (SMC) do kształtu zbliżonego do netto i omawia, w jaki sposób ta technologia pomaga pokonać „ostatnią milę” od prototypów inżynieryjnych do masowej produkcji silników o strumieniu osiowym.
I. Układ Halbacha i podwójnie skośne bieguny: „Fuzja” i „Kształtowanie” pola magnetycznego
Pułap wydajności silnika osiowego zależy w dużej mierze od jakości rozkładu pola magnetycznego wytwarzanego przez magnesy trwałe po stronie wirnika. Tradycyjna konstrukcja z magnesami trwałymi do montażu powierzchniowego (SPM) jest prosta, ale jej nieodłączna wada polegająca na rozbieżnych liniach strumienia magnetycznego prowadzi do ograniczonej gęstości strumienia w szczelinie powietrznej i wysokiego strumienia wycieku.
Układ Halbacha oferuje rozwiązanie niemal idealne. Jest to specjalny układ magnesów trwałych – kierunek namagnesowania sąsiednich magnesów jest sekwencyjnie obracany o 90°, dzięki czemu pole magnetyczne jest wzmacniane po jednej stronie układu i prawie całkowicie zniesione po drugiej stronie, uzyskując efekt samoosłony . Mówiąc bardziej intuicyjnie: w konwencjonalnym obwodzie magnetycznym linie strumienia rozchodzą się symetrycznie, podczas gdy układ Halbacha „ogranicza” linie strumienia do strony roboczej szczeliny powietrznej, zapewniając efektywne skupienie strumienia. Eksperymenty wykazały, że w silnikach osiowych wykorzystujących układ Halbacha gęstość momentu obrotowego można zwiększyć nawet o 28%, a moment zaczepowy zmniejszyć o 65%.
Jednak układ Halbacha stoi również przed wyzwaniami związanymi z praktyczną konstrukcją wirnika: chociaż sinusoidalna jakość gęstości strumienia w szczelinie powietrznej uległa poprawie, tętnienie momentu obrotowego – zwłaszcza moment zaczepowy – pozostaje głównym wąskim gardłem dla płynnej pracy. Wprowadzenie technologii magnesów z podwójnym skośnym biegunem jest precyzyjną interwencją ukierunkowaną na ten bolesny punkt.
Zespół badawczy z 2024 r. z Uniwersytetu Khon Kaen w Tajlandii, publikując w IEEE Access , zaproponował innowacyjny silnik o strumieniu osiowym TORUS z skośnym układem Halbacha. Dzięki ułożeniu magnesów trwałych w skośnej konfiguracji (tworząc podwójnie skośne bieguny) ulepszony silnik, w porównaniu z wersją bazową, wykazał 4% wzrost wstecznego pola elektromagnetycznego i 9,3% zmniejszenie momentu zaczepowego w warunkach bez obciążenia; pod obciążeniem średni moment obrotowy wzrósł o 8%, a tętnienie momentu obrotowego spadło o 7,8%. Ulepszenia te można przypisać synergistycznemu wzmocnieniu efektów skupiania strumienia i jego eliminacji – skośna struktura zwiększa stopień swobody regulacji pola magnetycznego w przestrzeni, skutecznie tłumiąc składowe harmoniczne gęstości strumienia w szczelinie powietrznej.
Inne badania potwierdziły, że w przypadku silników o strumieniu osiowym z rdzeniami z kompozytu miękkiego magnetycznie dalsze zwiększenie momentu obrotowego można osiągnąć poprzez analityczną optymalizację współczynnika magnesowania osiowego (wartość optymalna ~0,82) dwusegmentowego układu Halbacha o nierównej szerokości. Nowsze wyniki idą jeszcze dalej: w badaniu przeprowadzonym w 2025 r. opublikowanym w „Scientific Reports” przyjęto silnik z magnesami trwałymi z podwójnym skośnym układem Halbacha i dwustronnym strumieniem osiowym , a dzięki wielokryterialnej optymalizacji algorytmu genetycznego osiągnięto wzrost średniego momentu obrotowego o 7,8% i znaczną redukcję tętnienia momentu obrotowego.
II. „As broni” projektowania wspomaganego komputerowo: wieloobiektowe algorytmy genetyczne i metody metaheurystyczne
Jeśli tablica Halbacha odpowiada na pytanie „co robić”, to nowoczesne algorytmy optymalizacyjne odpowiadają na pytanie „jak to zrobić optymalnie”. W przypadku silników ze strumieniem osiowym zmienne projektowe, takie jak geometria wirnika, wymiary magnesu, kąt magnesowania i kąt skosu, są łączone w złożony, nieliniowy sposób, a tradycyjne metody przemiatania pojedynczych parametrów lub metody prób i błędów już dawno osiągnęły swoje granice.
Wieloobiektywowe algorytmy genetyczne (MOGA) są obecnie najbardziej dojrzałą klasą rozwiązań. Naśladują naturalne mechanizmy „przetrwania najlepiej przystosowanych” i „zmienności genetycznej”, automatycznie przeszukując ogromną przestrzeń projektową w poszukiwaniu zestawów rozwiązań optymalnych w Pareto poprzez operacje selekcji, krzyżowania i mutacji. Każdy punkt na froncie Pareto reprezentuje kompromis, który nie jest zdominowany – żadnego z celów nie można dalej ulepszać bez poświęcania innego.
W szczególności najczęściej stosowanym wariantem jest NSGA-II (niedominowany algorytm sortowania genetycznego z elitarnością). W krajowym badaniu silnika z noniuszem z magnesami trwałymi w kształcie litery V, połączenie modelu zastępczego sieci neuronowej BP i układu NSGA-II pozwoliło uzyskać ponad 10% poprawę zarówno w zakresie optymalizacji momentu obrotowego, jak i strat w rdzeniu. Na granicy międzynarodowej badanie przeprowadzone w 2025 r. przez zespół Liu Huijuna w Progress In Electromagnetics Research C systematycznie wykazało wielocelowy proces optymalizacji genetycznej, którego podwójnym celem jest maksymalizacja wyjściowego momentu obrotowego i minimalizacja tętnienia momentu obrotowego. Ponadto zaproponowano również połączenie algorytmów genetycznych i metody TOPSIS do optymalizacji struktury żłobków wirnika w silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi z drutem płaskim.
Wieloobiektowe algorytmy genetyczne nie działają samodzielnie. Rodzina metaheurystyczna odgrywa różne role w zależności od charakterystyki problemu:
· Optymalizacja roju cząstek (PSO) , zainspirowana gromadzeniem się ptaków, przoduje w globalnej optymalizacji zmiennych ciągłych. W optymalizacji bezrdzeniowego silnika z magnesami trwałymi o polu osiowym stojana zastosowano zarówno GA, jak i PSO, aby zmaksymalizować moc wyjściową na jednostkę objętości magnesu stałego. Ważony PSO skorygowany o bezwładność został również zastosowany do optymalizacji parametrów strukturalnych silnika z kołem zamachowym z reluktancją magnetyczną i lewitacją osiową z podziałem fazowym.
· Sztuczne sieci neuronowe (ANN) pełnią rolę modeli zastępczych. Ponieważ każda symulacja elementów skończonych (zwłaszcza 3D MES) może trwać od minut do godzin, bezpośrednie osadzenie ich w pętli optymalizacyjnej wiąże się z ogromnym obciążeniem obliczeniowym. Dlatego badacze często szkolą surogaty SSN na danych FEM o wysokiej wierności, zastępując godzinne symulacje przewidywaniami drugiego poziomu i radykalnie poprawiając wydajność obliczeniową. Podczas optymalizacji silnika reluktancyjnego z przełączaniem wspomaganego magnesami trwałymi wykorzystano zoptymalizowaną pod kątem algorytmu maszynę wektorów nośnych (GASVM) wraz z NSGA-II, aby osiągnąć wielocelową optymalizację.
· Optymalizacja kolonii mrówek (ACO) została również zastosowana do optymalizacji wydajności silników o strumieniu osiowym. Podczas optymalizacji bezszczotkowego silnika prądu stałego z podwójnym stojanem i jednym wirnikiem, firma GA poprawiła sprawność z 91,01% do 91,57%, podczas gdy ACO dodatkowo zwiększyła ją do 91,80%.
Połączone zastosowanie tych metod metaheurystycznych umożliwiło ogólną poprawę sprawności silników osiowych o około 15% w rzeczywistych warunkach pracy, co jest znaczącym osiągnięciem w obliczu coraz bardziej rygorystycznych standardów branżowych dotyczących wysokowydajnych układów napędowych.
III. Materiały SMC i formowanie zbliżone do kształtu netto: „Swoboda geometryczna” w produkcji wirników
Jeśli układ Halbacha i wielozadaniowa optymalizacja rozwiążą wyzwania związane z „projektem elektromagnetycznym” stojącym przed silnikami o strumieniu osiowym, wówczas miękkie materiały kompozytowe magnetyczne (SMC) w połączeniu z technologią formowania w kształcie zbliżonym do netto piszą na nowo zasady „produkowalności”.
Miękki kompozyt magnetyczny to materiał magnetyczny wytwarzany przez prasowanie proszku na bazie żelaza ze spoiwem elektroizolacyjnym w procesie metalurgii proszków. Proces metalurgii proszków tworzy warstwę izolacyjną pomiędzy cząstkami magnetycznymi, skutecznie zmniejszając straty prądu wirowego; jednocześnie SMC wykazuje izotropowe właściwości magnetyczne – jest to zasadnicza różnica w stosunku do anizotropowego zachowania tradycyjnych laminowanych stali krzemowej. Stal krzemowa może przenosić wysoką gęstość strumienia (nasycenie ≥ 2,0 T) tylko w dwuwymiarowym kierunku walcowania, ale słabo radzi sobie w złożonych trójwymiarowych obwodach magnetycznych. Z drugiej strony SMC obsługuje prawdziwie trójwymiarowy projekt ścieżki strumienia, co czyni go idealnym nośnikiem materiału dla nowatorskich topologii, takich jak silniki ze strumieniem osiowym, które z natury opierają się na trójwymiarowym rozkładzie pola magnetycznego.
Co ważniejsze, SMC zapewnia konstrukcję wirnika o niespotykanym dotąd stopniu swobody produkcyjnej.
Tradycyjne rdzenie ze stali krzemowej muszą być wytwarzane w długim łańcuchu procesów – tłoczeniu, układaniu w stosy, spawaniu itp. – przy niskim wykorzystaniu materiału i poważnych ograniczeniach geometrycznych. SMC, wykorzystując metalurgię proszków, umożliwia jednoetapowe formowanie o bardzo złożonych cechach geometrycznych. To jest podstawowe znaczenie „formowania bliskiego kształtu netto” : projekt zbliżony do kształtu końcowego można bezpośrednio zrealizować poprzez wciśnięcie w formie, co znacznie ogranicza późniejszą obróbkę.
Zaleta ta jest szczególnie widoczna w silnikach osiowych. W badaniu przeprowadzonym w 2025 r. przez Japońskie Towarzystwo Metalurgii Proszków zastosowano SMC do integralnego uformowania zębów i podwójnych kołnierzy stojana, znacznie zwiększając przeciwny obszar między stojanem a wirnikiem, jednocześnie poprawiając wydajność elektromagnetyczną i wydajność produkcji. Krajowy raport branżowy z października 2025 r. podobnie wskazał, że SMC, dzięki swoim izotropowym właściwościom magnetycznym, niskim stratom wiroprądowym i obsłudze projektowania strumienia 3D, napędza silniki ze strumieniem osiowym w kierunku wysokiej wydajności, niskiego zużycia energii i stabilnej produkcji masowej. Na obecnym poziomie procesu spójność stojanów SMC została poprawiona o ponad 15%, a ogólny współczynnik wydajności przekracza 96%.
W bardziej zaawansowanych zastosowaniach SMC łączy się również ze stalą krzemową, tworząc hybrydowe struktury stojana : stal krzemowa przenosi wysoką gęstość strumienia (≥ 2,0 T) dla ścieżek magnetycznych 2D, podczas gdy SMC radzi sobie ze złożonym strumieniem 3D. Obydwa materiały wykorzystują swoje zalety, jednocześnie zmniejszając straty prądu wirowego i złożoność projektu.
Oczywiście SMC nie jest pozbawione wad. Jego przenikalność magnetyczna jest niższa niż w przypadku stali krzemowej, co ogranicza szczytową gęstość strumienia w zastosowaniach o bardzo niskiej częstotliwości; co więcej, jego kruchy charakter sprawia, że względy wytrzymałości mechanicznej są ważniejsze w przypadku zastosowań po stronie wirnika. Niemniej jednak w przypadku złożonych geometrii rdzeni stojana w silnikach osiowych zalety SMC znacznie przewyższają jego wady – dlatego uważa się go za kluczowy katalizator przyspieszający komercjalizację silników osiowych.
IV. Wniosek: trzy klucze, jedna misja
Od innowacji w zasadach obwodów magnetycznych (układ Halbacha i podwójnie skośne bieguny), przez restrukturyzację metodologii projektowania (wieloobiektywowe algorytmy genetyczne i metody metaheurystyczne), aż w końcu po zmianę paradygmatu w materiałach i produkcji (formowanie SMC w pobliżu kształtu sieci), projektowanie wysokowydajnych wirników silników ze strumieniem osiowym przechodzi głęboką transformację – z „opartej na doświadczeniu” do „opartej na obliczeniach + napędzanej materiałami”.
Układ Halbacha skupia strumień magnetyczny na niespotykanym wcześniej poziomie; podwójnie skośna konstrukcja biegunów zapewnia precyzyjne tłumienie tętnień; wielocelowe algorytmy genetyczne i metody metaheurystyczne skutecznie lokalizują optymalne w Pareto kompromisy między kosztami elektromagnetycznymi, termicznymi i produkcyjnymi w ogromnej przestrzeni poszukiwań; a SMC przełamuje trójwymiarowe ograniczenia tradycyjnej produkcji, umożliwiając masową produkcję skomplikowanym geometriom, które wcześniej istniały jedynie w artykułach akademickich. Te trzy klucze łączą się w jednym celu – bez poświęcania wydajności, wprowadzenia silników o strumieniu osiowym do naszych samochodów, samolotów, robotów i sprzętu gospodarstwa domowego po niższych kosztach, krótszym czasie realizacji i wyższej niezawodności.
Dla inżynierów i badaczy jest to nie tylko ciągłe poszerzanie granic technicznych, ale także szansa na zmianę paradygmatu projektowania, którą warto wykorzystać.
