Анотація: Двигуни з постійними магнітами з осьовим потоком (AFPM) з їх плоскою структурою та високою щільністю крутного моменту привернули значну увагу в таких передових галузях, як електромобілі та дрони. Однак для подальшого досягнення межі продуктивності конструкція ротора є критично важливою змінною. Ця стаття починається з принципу фокусування потоку решітки Гальбаха, а потім пояснюється вдосконалена конструкція полюсної структури з подвійним перекосом. Він виходить на межі автоматизованого проектування, досліджуючи, як багатоцільові генетичні алгоритми та метаевристичні методи досягають оптимальності за Парето в дизайні двигунів. Насамкінець, у ньому зосереджено увагу на процесі формування майже чистої форми м’яких магнітних композитних (SMC) матеріалів і обговорюється, як ця технологія допомагає подолати «останню милю» від інженерних прототипів до масового виробництва двигунів з осьовим потоком.
І. Матриця Гальбаха та подвійні перекошені полюси: 'Злиття' і 'Формування' магнітного поля
Максимальна продуктивність двигуна з осьовим потоком значною мірою залежить від якості розподілу магнітного поля, створюваного постійними магнітами на стороні ротора. Традиційна структура постійного магніту (SPM) для поверхневого монтажу є простою, але властивий їй недолік розбіжних ліній магнітного потоку призводить до обмеженої щільності потоку повітряного зазору та високого потоку витоку.
Матриця Halbach пропонує майже ідеальне рішення. Це спеціальне розташування постійних магнітів – напрямок намагніченості сусідніх магнітів послідовно повертається на 90°, так що магнітне поле посилюється з одного боку масиву та майже повністю скасовується з іншого боку, досягаючи ефекту самоекранування . Якщо говорити більш інтуїтивно: у звичайному магнітному колі лінії потоку розходяться симетрично, тоді як решітка Гальбаха «обмежує» лінії потоку на стороні робочого повітряного зазору, реалізуючи ефективне фокусування потоку. Експерименти показали, що в двигунах з осьовим потоком, що використовують масив Halbach, щільність крутного моменту можна збільшити до 28%, а крутний момент зубчастого колеса зменшити на 65%.
Однак масив Halbach також стикається з труднощами в практичній конструкції ротора: хоча синусоїдальну якість щільності потоку повітряного зазору покращено, пульсації крутного моменту – особливо крутний момент – залишається головним вузьким місцем для плавної роботи. Запровадження технології магніту з подвійним викривленням полюса є точним втручанням, спрямованим на цю больову точку.
У 2024 році дослідницька група з Університету Кхонкен у Таїланді, опублікувавши в IEEE Access , запропонувала інноваційний осьовий двигун TORUS із перекошеною матрицею Halbach. Розташувавши постійні магніти в нахиленій конфігурації (утворюючи подвійні нахилені полюси), покращений двигун, порівняно з базовою лінією, продемонстрував збільшення зворотної ЕРС на 4% і зниження крутного моменту на 9,3% в умовах холостого ходу; під навантаженням середній крутний момент збільшився на 8%, а пульсації крутного моменту зменшилися на 7,8%. Ці покращення можна пояснити синергетичним посиленням ефектів фокусування потоку та придушення потоку – перекошена структура розширює ступінь свободи для регулювання магнітного поля в просторі, ефективно пригнічуючи гармонічні компоненти щільності потоку повітряного проміжку.
Інші дослідження підтвердили, що для двигунів з осьовим потоком із сердечниками з м’якого магнітного композиту можна досягти подальшого збільшення крутного моменту шляхом аналітичної оптимізації коефіцієнта осьового намагнічення (оптимальне значення ~0,82) двосегментної матриці Halbach нерівної ширини. Останні результати пішли ще далі: у дослідженні 2025 року, опублікованому в Scientific Reports, було використано двосторонній двигун з постійним магнітом із двостороннім аксіальним потоком із матрицею Halbach із подвійним перекосом і завдяки оптимізації генетичного алгоритму з кількома об’єктами досягнуто збільшення середнього крутного моменту на 7,8% і значного зменшення пульсацій крутного моменту.
II. 'Зброя аса' автоматизованого проектування: багатоцільові генетичні алгоритми та метаевристичні методи
Якщо масив Хальбаха відповідає на питання 'що робити', то сучасні алгоритми оптимізації відповідають на питання 'як це зробити оптимально'. Для двигунів з осьовим потоком конструктивні змінні, такі як геометрія ротора, розміри магніту, кут намагніченості та кут перекосу, поєднуються складними нелінійними способами, і традиційні однопараметричні методи розгортки або методу проб і помилок давно досягли своїх меж.
Багатоцільові генетичні алгоритми (MOGA) наразі є найбільш зрілим класом рішень. Вони імітують природний механізм 'виживання найпристосованіших' і 'генетичної варіації', автоматично шукаючи величезний простір дизайну для наборів оптимальних рішень за Парето за допомогою операцій відбору, кросинговеру та мутацій. Кожна точка на передній частині Парето являє собою недомінований компроміс – жодна з цілей не може бути вдосконалена, не жертвуючи іншою.
Зокрема, NSGA-II (недомінований генетичний алгоритм сортування з елітарністю) є найпоширенішим варіантом. У внутрішньому дослідженні V-подібного внутрішнього двигуна з ноніусом із постійним магнітом комбінація сурогатної моделі нейронної мережі BP і NSGA-II досягла більш ніж 10% покращення як крутного моменту, так і оптимізації втрат в сердечнику. На міжнародному кордоні дослідження 2025 року, проведене командою Liu Huijun у Progress In Electromagnetics Research C, систематично продемонструвало багатоцільовий процес генетичної оптимізації з подвійними цілями максимізації вихідного крутного моменту та мінімізації пульсацій крутного моменту. Крім того, комбінація генетичних алгоритмів і методу TOPSIS також була запропонована для оптимізації структури пазів ротора в синхронних двигунах з плоским дротом і постійними магнітами.
Багатоцільові генетичні алгоритми не працюють поодинці. Метаевристична сім'я відіграє різні ролі відповідно до характеристик проблеми:
· Оптимізація зграї частинок (PSO) , натхненна зграєю птахів, чудово підходить для глобальної оптимізації безперервних змінних. При оптимізації двигуна з постійними магнітами без сердечника статора з аксіальним полем GA і PSO використовувалися для максимізації вихідної потужності на одиницю об’єму постійного магніту. Зважений коригований за інерцією PSO також був застосований для оптимізації структурних параметрів аксіально-розділеної фази з реактивним реактивним маховиком двигуна з магнітною левітацією.
· штучні нейронні мережі (ШНМ) . Сурогатними моделями виступають Оскільки кожне моделювання кінцевих елементів (особливо 3D FEM) може зайняти від хвилин до годин, безпосереднє вбудовування їх у цикл оптимізації накладає величезне обчислювальне навантаження. Тому дослідники часто навчають сурогати ШНМ на високоточних даних FEM, замінюючи годинне моделювання прогнозами другого рівня та значно підвищуючи ефективність обчислень. Під час оптимізації реактивного реактивного двигуна з постійним магнітом для досягнення багатоцільової оптимізації використовувалася оптимізована за допомогою генетичного алгоритму опорна векторна машина (GASVM) разом із NSGA-II.
· Оптимізація мурашиної колонії (ACO) також була застосована для оптимізації ефективності двигунів з осьовим потоком. Під час оптимізації однороторного безщіткового двигуна постійного струму з подвійним статором і аксіальним потоком GA підвищив ККД з 91,01% до 91,57%, тоді як ACO підвищив його до 91,80%.
Комбіноване застосування цих метаевристичних методів дозволило підвищити загальну ефективність приблизно на 15% для двигунів з осьовим потоком у реальних умовах експлуатації – значне досягнення в умовах дедалі суворіших галузевих стандартів для високоефективних приводних систем.
III. SMC-матеріали та формування майже чистої форми: 'Геометрична свобода' у виробництві роторів
Якщо решітка Halbach і багатооб’єктивна оптимізація вирішують проблеми «електромагнітного дизайну» двигунів з осьовим потоком, то м’які магнітно-композитні (SMC) матеріали разом із технологією формування майже чистої форми переписують правила «технологічності».
Магнітно-м’який композит — це магнітний матеріал, утворений пресуванням порошку на основі заліза з електроізоляційним сполучним за допомогою процесу порошкової металургії. Процес порошкової металургії створює ізоляційний шар між магнітними частинками, ефективно зменшуючи втрати на вихрові струми; в той же час, SMC демонструє ізотропні магнітні властивості – фундаментальна відмінність від анізотропної поведінки традиційних ламінованих кремнієвих сталей. Кремнієва сталь може підтримувати високу щільність потоку (насичення ≥ 2,0 Тл) лише у двовимірному напрямку прокатки, але погано працює у складних тривимірних магнітних ланцюгах. З іншого боку, SMC підтримує справжню тривимірну структуру потоку, що робить його ідеальним носієм матеріалу для нових топологій, таких як двигуни з осьовим потоком, які за своєю суттю покладаються на тривимірний розподіл магнітного поля.
Що ще важливіше, SMC забезпечує дизайн ротора з безпрецедентним ступенем свободи виробництва.
Традиційні сердечники з кремнієвої сталі повинні виготовлятися за допомогою довгого ланцюжка процесів – штампування, укладання, зварювання тощо – з низьким використанням матеріалу та суворими геометричними обмеженнями. SMC, використовуючи порошкову металургію, дозволяє одноетапне формування дуже складних геометричних елементів. Це основне значення 'формування майже чистої форми' : дизайн, наближений до остаточної форми, може бути реалізований безпосередньо пресуванням у формі, що значно скорочує подальшу механічну обробку.
Ця перевага особливо очевидна в двигунах з осьовим потоком. У дослідженні Японського товариства порошкової металургії 2025 року SMC використовувався для цілісного формування зубців і подвійних фланців статора, значно збільшуючи протилежну площу між статором і ротором, одночасно покращуючи електромагнітні характеристики та ефективність виробництва. У звіті внутрішньої промисловості від жовтня 2025 року також зазначено, що завдяки своїм ізотропним магнітним властивостям, низьким втратам на вихрові струми та підтримці 3D-дизайну потоку двигуни з осьовим потоком забезпечують високу продуктивність, низьке споживання енергії та стабільне масове виробництво. На поточних рівнях процесу консистенцію статорів SMC було покращено більш ніж на 15%, а загальний коефіцієнт виходу перевищує 96%.
У більш просунутих застосуваннях SMC також поєднується з кремнієвою сталлю для формування гібридних структур статора : кремнієва сталь забезпечує високу щільність потоку (≥ 2,0 Тл) для 2D магнітних шляхів, тоді як SMC обробляє складний 3D потік. Обидва матеріали використовують свої відповідні переваги, одночасно зменшуючи втрати на вихрові струми та складність конструкції.
Звичайно, SMC не позбавлений недоліків. Його магнітна проникність нижча, ніж у кремнієвої сталі, що обмежує пікову щільність потоку в дуже низькочастотних додатках; крім того, його крихка природа робить питання механічної міцності більш важливими для використання з боку ротора. Тим не менш, для складних геометрій сердечників статорів у двигунах з аксіальним потоком переваги SMC значно переважують його недоліки, тому його вважають ключовим каталізатором для прискорення комерціалізації двигунів з аксіальним потоком..
IV. Висновок: три ключі, одна місія
Від інновацій у принципах магнітних ланцюгів (матриця Гальбаха та подвійні перекошені полюси), до реструктуризації методології проектування (багатоцільові генетичні алгоритми та метаевристичні методи) і, нарешті, до зміни парадигми в матеріалах і виробництві (SMC, майже сітчасте формування форми), конструкція високопродуктивних роторів двигунів з осьовим потоком зазнає глибокої трансформації – від 'керований досвідом' до 'керований обчисленнями + матеріалами'.
Масив Halbach фокусує магнітний потік до безпрецедентного рівня; двостороння полюсна структура забезпечує точне придушення пульсацій; багатоцільові генетичні алгоритми та метаевристичні методи ефективно знаходять оптимальні за Парето компроміси між електромагнітними, тепловими та виробничими витратами у великому просторі пошуку; і SMC руйнує тривимірні обмеження традиційного виробництва, надаючи можливість масового виробництва складних геометрій, які раніше існували лише в академічних статтях. Ці три ключі об’єднані для досягнення єдиної мети – без шкоди для продуктивності запровадити двигуни з осьовим потоком у наші автомобілі, літаки, роботів і побутову техніку за нижчою ціною, з коротшими термінами виконання та з вищою надійністю.
Для інженерів і дослідників це не тільки безперервне розширення технічних кордонів, але й вікно зміни парадигми дизайну, яке варто використати.
