Аннотация: Двигатели с постоянными магнитами осевого магнитного потока (AFPM) благодаря своей плоской конструкции и высокой плотности крутящего момента привлекли значительное внимание в таких передовых областях, как электромобили и дроны. Однако для дальнейшего преодоления потолка производительности критически важной переменной является конструкция ротора. Эта статья начинается с принципа фокусировки потока матрицы Хальбаха, а затем объясняется улучшенная конструкция конструкции с двойным скошенным полюсом. Он переходит на передовые рубежи компьютерного проектирования, исследуя, как многокритериальные генетические алгоритмы и метаэвристические методы достигают оптимальности по Парето при проектировании двигателей. Наконец, в нем основное внимание уделяется процессу формирования почти идеальной формы магнитомягких композитных материалов (SMC) и обсуждается, как эта технология помогает преодолеть «последнюю милю» от инженерных прототипов до массового производства двигателей с осевым магнитным потоком.
I. Решетка Хальбаха и двойные скошенные полюса: «слияние» и «формирование» магнитного поля.
Потолок производительности двигателя с осевым магнитным потоком во многом зависит от качества распределения магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами на стороне ротора. Традиционная структура постоянного магнита поверхностного монтажа (SPM) проста, но присущий ей недостаток в виде расходящихся линий магнитного потока приводит к ограниченной плотности потока в воздушном зазоре и высокому потоку рассеяния.
Массив Halbach предлагает почти идеальное решение. Это особое расположение постоянных магнитов – направление намагничивания соседних магнитов последовательно поворачивается на 90°, так что магнитное поле усиливается на одной стороне массива и почти полностью гасится на другой стороне, достигая эффекта самоэкранирования . Говоря более интуитивным языком: в обычной магнитной цепи линии потока расходятся симметрично, в то время как массив Хальбаха «ограничивает» линии потока со стороны рабочего воздушного зазора, обеспечивая эффективную фокусировку потока. Эксперименты показали, что в двигателях с осевым магнитным потоком, в которых используется матрица Хальбаха, плотность крутящего момента может быть увеличена на 28%, а зубчатый момент снижен на 65%.
Тем не менее, массив Хальбаха также сталкивается с проблемами при практическом проектировании ротора: хотя синусоидальность плотности потока в воздушном зазоре улучшена, пульсации крутящего момента – особенно крутящий момент – остаются основным узким местом для плавной работы. Внедрение технологии магнитов с двумя скошенными полюсами является точным вмешательством, направленным на устранение этой болевой точки.
В 2024 году исследовательская группа из Университета Кхон Каен в Таиланде, опубликовав публикацию в IEEE Access , предложила инновационный двигатель TORUS с осевым магнитным потоком со скошенной матрицей Хальбаха. Благодаря расположению постоянных магнитов в перекошенной конфигурации (образуя полюса с двойным перекосом), улучшенный двигатель по сравнению с базовым вариантом показал увеличение противо-ЭДС на 4% и снижение крутящего момента на 9,3% в условиях холостого хода; под нагрузкой средний крутящий момент увеличился на 8%, а пульсации крутящего момента уменьшились на 7,8%. Эти улучшения можно объяснить синергетическим усилением эффектов фокусировки и подавления потока — асимметричная структура расширяет степень свободы регулирования магнитного поля в пространстве, эффективно подавляя гармонические составляющие плотности потока в воздушном зазоре.
Другие исследования подтвердили, что для двигателей с осевым магнитным потоком с магнитомягкими композитными сердечниками дальнейшее увеличение крутящего момента может быть достигнуто за счет аналитической оптимизации коэффициента осевого намагничивания (оптимальное значение ~ 0,82) двухсегментной матрицы Хальбаха различной ширины. Более поздние результаты идут еще дальше: в исследовании 2025 года, опубликованном в журнале Scientific Reports, был использован двигатель с двусторонним осевым магнитным потоком и двойной решеткой Хальбаха , и благодаря оптимизации многоцелевого генетического алгоритма удалось добиться увеличения среднего крутящего момента на 7,8% и значительного снижения пульсаций крутящего момента.
II. «Тузовое оружие» автоматизированного проектирования: многоцелевые генетические алгоритмы и метаэвристические методы
Если массив Хальбаха отвечает на вопрос «что делать», то современные алгоритмы оптимизации отвечают на вопрос «как это сделать оптимально». В двигателях с осевым магнитным потоком такие переменные конструкции, как геометрия ротора, размеры магнита, угол намагничивания и угол перекоса, связаны сложными нелинейными способами, а традиционные методы однопараметрической развертки или методы проб и ошибок уже давно достигли своих пределов.
Многоцелевые генетические алгоритмы (MOGA) в настоящее время являются наиболее зрелым классом решений. Они имитируют природные механизмы «выживания наиболее приспособленных» и «генетической изменчивости», автоматически отыскивая в обширном пространстве дизайна наборы оптимальных по Парето решений посредством операций отбора, скрещивания и мутации. Каждая точка на фронте Парето представляет собой не доминируемый компромисс: ни одну из целей нельзя улучшить без ущерба для другой.
В частности, наиболее широко используемым вариантом является NSGA-II (недоминируемый генетический алгоритм сортировки с элитизмом). В отечественном исследовании V-образного двигателя с внутренним постоянным магнитом и верньером комбинация суррогатной модели нейронной сети BP и NSGA-II позволила добиться более чем 10% улучшения как по крутящему моменту, так и по оптимизации потерь в сердечнике. На международном уровне исследование, проведенное в 2025 году командой Лю Хуэйцзюня в журнале «Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма C», систематически продемонстрировало многоцелевой процесс генетической оптимизации, преследующий две цели: максимизировать выходной крутящий момент и минимизировать пульсации крутящего момента. Кроме того, комбинация генетических алгоритмов и метода TOPSIS также была предложена для оптимизации структуры пазов ротора в синхронных двигателях с плоскими проводами и постоянными магнитами.
Многоцелевые генетические алгоритмы не работают в одиночку. Метаэвристическое семейство играет разные роли в зависимости от характеристик задачи:
· Оптимизация роя частиц (PSO) , вдохновленная птичьими стаями, превосходно подходит для глобальной оптимизации непрерывных переменных. При оптимизации двигателя с осевым полем и постоянными магнитами статора без сердечника использовались как GA, так и PSO для максимизации выходной мощности на единицу объема постоянного магнита. Взвешенный PSO с поправкой по инерции также применялся для оптимизации структурных параметров реактивного маховика с осевым разделением фаз и магнитной левитацией.
· Искусственные нейронные сети (ИНС) выступают в роли суррогатных моделей. Поскольку каждое моделирование методом конечных элементов (особенно 3D FEM) может занять от нескольких минут до часов, их непосредственное внедрение в цикл оптимизации налагает огромную вычислительную нагрузку. Поэтому исследователи часто обучают суррогаты ИНС на высокоточных данных FEM, заменяя часовое моделирование прогнозами второго уровня и значительно повышая эффективность вычислений. При оптимизации вентильного реактивного двигателя с постоянными магнитами для достижения многокритериальной оптимизации использовалась оптимизированная на основе генетического алгоритма машина опорных векторов (GASVM) вместе с NSGA-II.
· Оптимизация колоний муравьев (ACO) также применяется для оптимизации эффективности двигателей с осевым магнитным потоком. При оптимизации однороторного бесщеточного двигателя постоянного тока с двойным статором и осевым потоком компания GA повысила КПД с 91,01% до 91,57%, а ACO еще больше увеличила его до 91,80%.
Совместное применение этих метаэвристических методов позволило повысить общий КПД двигателей с осевым магнитным потоком примерно до 15% в реальных условиях эксплуатации, что является значительным достижением перед лицом все более строгих отраслевых стандартов для высокоэффективных приводных систем.
III. SMC-материалы и формирование почти чистой формы: «геометрическая свобода» в производстве роторов
Если массив Хальбаха и многоцелевая оптимизация решают проблемы «электромагнитного проектирования» двигателей с осевым магнитным потоком, то магнитомягкие композитные материалы (SMC) вместе с технологией формирования почти чистой формы переписывают правила «технологичности».
Магнитомягкий композит представляет собой магнитный материал, полученный путем прессования порошка на основе железа с электроизоляционным связующим в процессе порошковой металлургии. Процесс порошковой металлургии создает изолирующий слой между магнитными частицами, эффективно снижая потери на вихревые токи; в то же время SMC демонстрирует изотропные магнитные свойства , что является фундаментальным отличием от анизотропного поведения традиционных пластин из кремнистой стали. Кремниевая сталь может выдерживать высокую плотность магнитного потока (насыщение ≥ 2,0 Тл) только в двумерном направлении прокатки, но плохо работает в сложных трехмерных магнитных цепях. SMC, с другой стороны, поддерживает настоящую трехмерную конструкцию пути потока, что делает его идеальным носителем материала для новых топологий, таких как двигатели с осевым магнитным потоком, которые по своей сути полагаются на трехмерное распределение магнитного поля.
Что еще более важно, SMC обеспечивает конструкцию ротора беспрецедентной степенью свободы производства..
Традиционные сердечники из кремнистой стали должны изготавливаться с помощью длинной цепочки процессов – штамповки, штабелирования, сварки и т. д. – с низким использованием материала и строгими геометрическими ограничениями. SMC, используя порошковую металлургию, позволяет производить одностадийное формование очень сложных геометрических элементов. В этом основной смысл «формования почти готовой формы» : конструкция, близкая к окончательной форме, может быть реализована непосредственно путем прессования в форме, что значительно сокращает последующую механическую обработку.
Это преимущество особенно очевидно в двигателях с осевым магнитным потоком. В исследовании 2025 года, проведенном Японским обществом порошковой металлургии, SMC использовался для цельного формирования зубьев и двойных фланцев статора, что значительно увеличивало противоположную площадь между статором и ротором, одновременно улучшая электромагнитные характеристики и эффективность производства. В отчете отечественной промышленности за октябрь 2025 года также указывалось, что SMC, благодаря своим изотропным магнитным свойствам, низким потерям на вихревые токи и поддержке трехмерного проектирования магнитного потока, продвигает двигатели с осевым магнитным потоком к высокой производительности, низкому энергопотреблению и стабильному массовому производству. На текущих уровнях процесса стабильность статоров SMC улучшена более чем на 15%, а общий процент текучести превышает 96%.
В более продвинутых приложениях SMC также комбинируется с кремниевой сталью для формирования гибридных структур статора : кремниевая сталь обеспечивает высокую плотность потока (≥ 2,0 Тл) для двумерных магнитных путей, в то время как SMC обрабатывает сложный трехмерный поток. Оба материала используют свои преимущества, одновременно снижая потери на вихревые токи и сложность конструкции.
Конечно, SMC не лишен недостатков. Его магнитная проницаемость ниже, чем у кремниевой стали, что ограничивает пиковую плотность потока в очень низкочастотных приложениях; более того, его хрупкий характер делает соображения механической прочности более важными при использовании со стороны ротора. Тем не менее, при сложной геометрии сердечников статора в двигателях с осевым магнитным потоком преимущества SMC намного перевешивают его недостатки – именно поэтому он считается ключевым катализатором для ускорения коммерциализации двигателей с осевым магнитным потоком..
IV. Заключение: три ключа, одна миссия
От инноваций в принципах магнитной цепи (матрица Хальбаха и двойные скошенные полюса) до реструктуризации методологии проектирования (многокритериальные генетические алгоритмы и метаэвристические методы) и, наконец, до смены парадигмы в материалах и производстве (формирование формы SMC, близкой к чистой), конструкция высокопроизводительных роторов двигателей с осевым магнитным потоком претерпевает глубокую трансформацию – от «управляемой опытом» к «управляемой вычислениями + управляемой материалами».
Массив Хальбаха фокусирует магнитный поток на беспрецедентном уровне; конструкция с двумя скошенными полюсами обеспечивает точное подавление пульсаций; многокритериальные генетические алгоритмы и метаэвристические методы эффективно находят оптимальные по Парето компромиссы между электромагнитными, тепловыми и производственными затратами в обширном пространстве поиска; а SMC разрушает трехмерные ограничения традиционного производства, обеспечивая возможность массового производства изделий сложной геометрии, которые раньше существовали только в научных работах. Эти три ключа объединяются для достижения единой цели – без ущерба для производительности внедрить двигатели с осевым магнитным потоком в наши автомобили, самолеты, роботы и бытовую технику с меньшими затратами, в более короткие сроки и с более высокой надежностью.
Для инженеров и исследователей это не только постоянное расширение технических границ, но и возможность смены парадигмы дизайна, которой стоит воспользоваться.
