Апстракт: Мотори са сталним магнетом са аксијалним флуксом (АФПМ), својом равном структуром и великом густином обртног момента, привукли су значајну пажњу у најсавременијим областима као што су електрична возила и дронови. Међутим, да би се даље пробио њихов плафон перформанси, дизајн ротора је критична варијабла. Овај чланак почиње са принципом фокусирања флукса Халбацховог низа, а затим објашњава побољшани дизајн структуре двоструког косог стуба. Помера се на границу компјутерски потпомогнутог дизајна, испитујући како мулти-објективни генетски алгоритми и метахеуристичке методе постижу Парето оптималност у дизајну мотора. Коначно, фокусира се на процес формирања облика скоро мреже од меких магнетних композитних материјала (СМЦ) и говори о томе како ова технологија помаже да се премости „последња миља“ од инжењерских прототипова до масовне производње мотора са аксијалним протоком.
И. Халбах низ и двоструко искошени полови: 'фузија' и 'обликовање' магнетног поља
Плафон перформанси мотора са аксијалним флуксом у великој мери зависи од квалитета дистрибуције магнетног поља коју производе трајни магнети на страни ротора. Традиционална структура трајног магнета на површини (СПМ) је једноставна, али њен инхерентни недостатак дивергентних линија магнетног флукса доводи до ограничене густине флукса у ваздушном зазору и високог флукса цурења.
Халбацх низ нуди скоро идеално решење. То је посебан распоред трајних магнета – смер магнетизације суседних магнета се узастопно ротира за 90°, тако да се магнетно поље појачава на једној страни низа и скоро потпуно поништава на другој страни, постижући ефекат самозаштите . Интуитивније речено: у конвенционалном магнетном колу линије флукса дивергирају симетрично, док Халбацх низ 'ограничава' линије флукса на страну радног ваздушног зазора, остварујући ефикасно фокусирање флукса. Експерименти су показали да код мотора са аксијалним флуксом који користе Халбацх низ, густина обртног момента може да се повећа до 28%, а обртни момент зупчаника смањен за 65%.
Међутим, Халбацх низ се такође суочава са изазовима у практичном дизајну ротора: иако је синусоидни квалитет густине флукса ваздушног распора побољшан, таласање обртног момента – посебно обртни момент зупчаника – остаје главно уско грло за несметан рад. Увођење технологије магнета са двоструким половима је прецизна интервенција усмерена на ову болну тачку.
Истраживачки тим из 2024. са Универзитета Кхон Каен на Тајланду, који је објавио у ИЕЕЕ Аццесс , предложио је иновативни ТОРУС мотор са аксијалним флуксом са искривљеним Халбацх низом. Распоређивањем трајних магнета у искривљеној конфигурацији (формирајући двоструко закривљене полове), побољшани мотор, у поређењу са основном линијом, показао је повећање повратне електромагнетне силе за 4% и смањење обртног момента зупчаника за 9,3% под условима без оптерећења; под оптерећењем, просечан обртни момент се повећао за 8%, а таласање обртног момента је смањено за 7,8%. Ова побољшања се могу приписати синергистичком побољшању ефеката фокусирања флукса и поништавања флукса – искривљена структура проширује степен слободе за регулацију магнетног поља у свемиру, ефикасно потискујући хармонијске компоненте густине флукса ваздушног распора.
Друге студије су потврдиле да се за моторе са аксијалним флуксом са меким магнетним композитним језгром даље повећање обртног момента може постићи аналитичком оптимизацијом коефицијента аксијалне магнетизације (оптимална вредност ~0,82) двосегментног Халбацх низа неједнаке ширине. Новији резултати иду још даље: студија из 2025. објављена у Сциентифиц Репортс усвојила је двострани мотор са сталним магнетом Халбацх са двостраним аксијалним флуксом и, кроз оптимизацију генетских алгоритама са више циљева, постигла је повећање просечног обртног момента за 7,8% и значајно смањење таласања обртног момента.
ИИ. „Оружје аса“ компјутерски потпомогнутог дизајна: вишеструки генетски алгоритми и метахеуристичке методе
Ако Халбахов низ одговара на питање „шта да се ради“, онда савремени алгоритми оптимизације одговарају на питање „како то учинити оптимално“. За моторе са аксијалним флуксом, варијабле дизајна као што су геометрија ротора, димензије магнета, угао магнетизације и угао нагиба су спрегнуте на сложене нелинеарне начине, а традиционалне методе померања са једним параметром или методе покушаја и грешке одавно су достигле своје границе.
Мулти објективни генетски алгоритми (МОГА) су тренутно најзрелија класа решења. Они опонашају природне механизме „опстанак најприкладнијих“ и „генетске варијације“, аутоматски претражујући огроман простор дизајна за Парето-оптималне скупове решења кроз селекцију, укрштање и операције мутације. Свака тачка на Парето фронту представља компромис којим се не доминира – ниједан од циљева се не може даље побољшати без жртвовања другог.
Конкретно, НСГА-ИИ (Не-доминирани генетски алгоритам сортирања са елитизмом) је најраспрострањенија варијанта. У домаћој студији о унутрашњем мотору са сталним магнетом у облику слова В, комбинација сурогат модела БП неуронске мреже и НСГА-ИИ постигла је више од 10% побољшања у оптимизацији обртног момента и губитка језгра. На међународној граници, студија из 2025. коју је спровео тим Лиу Хуијуна у Прогресс Ин Елецтромагнетицс Ресеарцх Ц систематски је демонстрирала вишеструки процес генетске оптимизације са двоструким циљевима максимизирања излазног обртног момента и минимизирања таласања обртног момента. Поред тога, комбинација генетских алгоритама и ТОПСИС методе је такође предложена за оптимизацију структуре прореза ротора у синхроним моторима са трајним магнетом са равним жицом.
Вишеструки генетски алгоритми не раде сами. Метахеуристичка породица игра различите улоге према карактеристикама проблема:
· Оптимизација роја честица (ПСО) , инспирисана јатом птица, истиче се у глобалној оптимизацији континуираних варијабли. У оптимизацији мотора са сталним магнетом аксијалног поља статора без језгра, ГА и ПСО су коришћени да би се максимизирала излазна снага по јединици запремине перманентног магнета. ПСО са пондерисаним инерцијом је такође примењен на оптимизацију структурних параметара мотора замајца са аксијално подељеном фазом са магнетном левитацијом са комутацијом отпора.
· Вештачке неуронске мреже (АНН) делују као сурогат модели. Пошто свака симулација коначних елемената (посебно 3Д ФЕМ) може да потраје од минута до сати, њихово директно уграђивање у оптимизацијску петљу намеће огроман рачунарски терет. Стога, истраживачи често обучавају сурогате АНН на ФЕМ подацима високе верности, замењујући једносатне симулације предвиђањима другог нивоа и драматично побољшавајући ефикасност рачунара. У оптимизацији мотора са комутацијом релуктанције потпомогнутог перманентним магнетом, коришћена је машина за вектор подршке оптимизованом генетским алгоритмом (ГАСВМ) заједно са НСГА-ИИ да би се постигла мулти-циљна оптимизација.
· Оптимизација колоније мрава (АЦО) је такође примењена на оптимизацију ефикасности мотора са аксијалним протоком. У оптимизацији једносмерног мотора са аксијалним протоком и једним ротором са два статора, ГА је побољшао ефикасност са 91,01% на 91,57%, док је АЦО додатно повећао на 91,80%.
Комбинована примена ових метахеуристичких метода омогућила је укупно побољшање ефикасности до око 15% за моторе са аксијалним флуксом у реалним условима рада – значајно достигнуће у односу на све строжије индустријске стандарде за високоефикасне погонске системе.
ИИИ. СМЦ материјали и формирање скоро мреже: 'Геометријска слобода' у производњи ротора
Ако Халбацх низ и оптимизација са више циљева решавају изазове 'електромагнетног дизајна' мотора са аксијалним флуксом, онда меки магнетни композитни (СМЦ) материјали заједно са технологијом формирања облика скоро мреже поново пишу правила 'производљивости'.
Меки магнетни композит је магнетни материјал формиран пресовањем праха на бази гвожђа са електричним изолационим везивом кроз процес металургије праха. Процес металургије праха ствара изолациони слој између магнетних честица, ефикасно смањујући губитке вртложних струја; у исто време, СМЦ показује изотропна магнетна својства – фундаменталну разлику у односу на анизотропно понашање традиционалних ламинација од силицијумског челика. Силицијумски челик може да носи високу густину флукса (засићење ≥ 2,0 Т) само у свом дводимензионалном смеру котрљања, али има лоше перформансе у сложеним тродимензионалним магнетним колима. СМЦ, с друге стране, подржава прави тродимензионални дизајн путање флукса, што га чини идеалним носачем материјала за нове топологије као што су мотори аксијалног флукса који се инхерентно ослањају на 3Д расподелу магнетног поља.
Што је још важније, СМЦ пружа дизајн ротора са степеном слободе производње без преседана.
Традиционална језгра од силицијумског челика морају се производити кроз дуги ланац процеса – штанцање, слагање, заваривање, итд. – уз ниско коришћење материјала и озбиљна геометријска ограничења. СМЦ, користећи металургију праха, омогућава једностепено обликовање веома сложених геометријских карактеристика. Ово је суштинско значење „формирања облика скоро мреже“ : дизајн близак коначном облику може се директно реализовати пресовањем у калупу, што значајно смањује накнадну машинску обраду.
Ова предност је посебно очигледна код мотора са аксијалним флуксом. У студији Јапанског друштва за металургију праха из 2025. године, СМЦ је коришћен за интегрално формирање зубаца и двоструких прирубница статора, значајно повећавајући супротну површину између статора и ротора, а истовремено побољшавајући електромагнетне перформансе и ефикасност производње. Извештај домаће индустрије из октобра 2025. на сличан начин истиче да СМЦ, захваљујући својим изотропним магнетним својствима, малим губицима вртложних струја и подршци за 3Д дизајн флукса, покреће моторе са аксијалним флуксом ка високим перформансама, ниској потрошњи енергије и стабилној масовној производњи. На тренутним нивоима процеса, конзистентност СМЦ статора је побољшана за више од 15%, а укупна стопа приноса прелази 96%.
У напреднијим апликацијама, СМЦ се такође комбинује са силицијумским челиком да би се формирале хибридне структуре статора : силицијум челик носи високу густину флукса (≥ 2,0 Т) за 2Д магнетне путање, док СМЦ управља сложеним 3Д флуксом. Оба материјала користе своје предности док смањују губитке вртложних струја и сложеност дизајна.
Наравно, СМЦ није без недостатака. Његова магнетна пермеабилност је нижа од оне код силицијумског челика, ограничавајући вршну густину флукса у апликацијама са веома ниским фреквенцијама; штавише, његова крхка природа чини разматрање механичке чврстоће важнијим за употребу на страни ротора. Ипак, за сложену геометрију језгара статора у моторима са аксијалним флуксом, предности СМЦ-а далеко надмашују његове недостатке – због чега се сматра кључним катализатором за убрзање комерцијализације мотора са аксијалним флуксом..
ИВ. Закључак: Три кључа, једна мисија
Од иновације у принципима магнетног кола (Халбацх низ и двоструко закривљени полови), до реструктурирања методологије пројектовања (вишеобјективни генетски алгоритми и метахеуристичке методе), и на крају до промене парадигме у материјалима и производњи (СМЦ формирање облика скоро мреже), дизајн високоучинковитих моторних аксијалних аксијалних флуксних трансформатора 'на основу искуства' у 'покренута рачунарством + вођена материјалима'.
Халбацх низ фокусира магнетни флукс до нивоа без преседана; двоструко закривљена структура полова постиже прецизно сузбијање таласања; мулти-објективни генетски алгоритми и метахеуристичке методе ефикасно лоцирају Парето-оптималне компромисе између електромагнетних, термалних и производних трошкова у огромном простору претраживања; и СМЦ разбија тродимензионална ограничења традиционалне производње, дајући изводљивост масовне производње сложеним геометријама које су раније постојале само у академским радовима. Ова три кључа се спајају ка једном циљу – без жртвовања перформанси, да у наше аутомобиле, авионе, роботе и кућне апарате унесемо моторе са аксијалним протоком по нижој цени, са краћим временом испоруке и са већом поузданошћу.
За инжењере и истраживаче, ово није само континуирано ширење техничких граница, већ и прозор промене парадигме дизајна који вреди искористити.
