Tóm tắt: Động cơ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục (AFPM), với cấu trúc phẳng và mật độ mô-men xoắn cao, đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong các lĩnh vực tiên tiến như xe điện và máy bay không người lái. Tuy nhiên, để vượt qua mức trần hiệu suất của chúng hơn nữa, thiết kế cánh quạt là một biến số quan trọng. Bài viết này bắt đầu với nguyên lý tập trung từ thông của mảng Halbach và sau đó giải thích thiết kế cải tiến của cấu trúc cực lệch kép. Nó tiến vào lĩnh vực thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính, kiểm tra cách các thuật toán di truyền đa mục tiêu và các phương pháp siêu dữ liệu đạt được sự tối ưu Pareto trong thiết kế động cơ. Cuối cùng, nó tập trung vào quá trình tạo hình gần dạng lưới của vật liệu composite từ mềm (SMC) và thảo luận cách công nghệ này giúp vượt qua 'dặm cuối' từ nguyên mẫu kỹ thuật đến sản xuất hàng loạt động cơ từ thông hướng trục.
I. Mảng Halbach và các cực lệch kép: 'Hợp nhất' và 'Định hình' của Từ trường
Mức trần hiệu suất của động cơ từ thông hướng trục phần lớn phụ thuộc vào chất lượng phân bố từ trường được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu ở phía rôto. Cấu trúc nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt truyền thống (SPM) rất đơn giản, nhưng nhược điểm cố hữu của nó là các đường từ thông phân kỳ dẫn đến mật độ từ thông khe hở không khí hạn chế và từ thông rò rỉ cao.
Mảng Halbach đưa ra một giải pháp gần như lý tưởng. Đó là sự sắp xếp đặc biệt của nam châm vĩnh cửu - hướng từ hóa của các nam châm liền kề được xoay tuần tự 90°, do đó từ trường được tăng cường ở một bên của mảng và gần như bị triệt tiêu hoàn toàn ở phía bên kia, đạt được hiệu ứng tự che chắn . Nói một cách trực quan hơn: trong mạch từ thông thường, các đường từ thông phân kỳ một cách đối xứng, trong khi mảng Halbach 'giới hạn' các đường từ thông ở phía khe hở không khí làm việc, thực hiện việc tập trung từ thông hiệu quả. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong các động cơ từ thông hướng trục sử dụng mảng Halbach, mật độ mô-men xoắn có thể tăng lên tới 28% và mô-men xoắn bánh răng giảm 65%.
Tuy nhiên, mảng Halbach cũng phải đối mặt với những thách thức trong thiết kế rôto thực tế: mặc dù chất lượng hình sin của mật độ từ thông khe hở không khí được cải thiện, gợn sóng mô-men xoắn – đặc biệt là mô-men xoắn bánh răng – vẫn là một trở ngại lớn để vận hành trơn tru. Sự ra đời của công nghệ nam châm cực lệch kép là một biện pháp can thiệp chính xác nhằm vào điểm yếu này.
Một nhóm nghiên cứu năm 2024 từ Đại học Khon Kaen ở Thái Lan, xuất bản trên tạp chí IEEE Access , đã đề xuất một động cơ thông lượng hướng trục TORUS cải tiến với mảng Halbach bị lệch. Bằng cách sắp xếp các nam châm vĩnh cửu theo cấu hình lệch (tạo thành các cực lệch kép), động cơ cải tiến, so với cơ sở, đã cho thấy EMF ngược tăng 4% và mô-men xoắn bánh răng giảm 9,3% trong điều kiện không tải; khi có tải, mô-men xoắn trung bình tăng 8% và độ gợn mô-men xoắn giảm 7,8%. Những cải tiến này có thể là do sự tăng cường tổng hợp của các hiệu ứng tập trung từ thông và triệt tiêu từ thông - cấu trúc lệch mở rộng mức độ tự do để điều chỉnh từ trường trong không gian, triệt tiêu hiệu quả các thành phần hài của mật độ từ thông khe hở không khí.
Các nghiên cứu khác đã xác nhận rằng đối với động cơ từ thông hướng trục có lõi composite từ mềm, có thể đạt được việc tăng cường mô-men xoắn hơn nữa bằng cách tối ưu hóa về mặt phân tích hệ số từ hóa hướng trục (giá trị tối ưu ~ 0,82) của mảng Halbach hai đoạn có chiều rộng không bằng nhau. Các kết quả gần đây thậm chí còn đi xa hơn: một nghiên cứu năm 2025 được công bố trên Báo cáo khoa học đã sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục hai mặt mảng Halbach lệch và thông qua tối ưu hóa thuật toán di truyền đa mục tiêu, mô-men xoắn trung bình đã tăng 7,8% và độ gợn mô-men xoắn giảm đáng kể.
II. 'Vũ khí át chủ bài' của thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính: Thuật toán di truyền đa mục tiêu và phương pháp siêu dữ liệu
Nếu mảng Halbach trả lời câu hỏi 'phải làm gì' thì các thuật toán tối ưu hóa hiện đại sẽ trả lời câu hỏi 'làm thế nào để thực hiện điều đó một cách tối ưu'. Đối với động cơ từ thông hướng trục, các biến số thiết kế như hình dạng rôto, kích thước nam châm, góc từ hóa và góc nghiêng được kết hợp theo các cách phi tuyến phức tạp và các phương pháp quét tham số đơn hoặc thử và sai truyền thống từ lâu đã đạt đến giới hạn của chúng.
Các thuật toán di truyền đa mục tiêu (MOGA) hiện là loại giải pháp hoàn thiện nhất. Chúng bắt chước cơ chế 'sự sống sót của kẻ mạnh nhất' và 'biến đổi gen' của tự nhiên, tự động tìm kiếm trong không gian thiết kế rộng lớn để tìm các bộ giải pháp tối ưu Pareto thông qua các hoạt động chọn lọc, lai ghép và đột biến. Mỗi điểm trên mặt trận Pareto đại diện cho một sự đánh đổi không bị chi phối – không có mục tiêu nào có thể được cải thiện hơn nữa mà không phải hy sinh mục tiêu khác.
Cụ thể, NSGA-II (Thuật toán di truyền sắp xếp không thống trị với chủ nghĩa tinh hoa) là biến thể được sử dụng rộng rãi nhất. Trong một nghiên cứu trong nước về động cơ vernier nam châm vĩnh cửu bên trong hình chữ V, sự kết hợp giữa mô hình thay thế mạng thần kinh BP và NSGA-II đã cải thiện hơn 10% cả về mô-men xoắn và tối ưu hóa tổn thất lõi. Ở biên giới quốc tế, một nghiên cứu năm 2025 của nhóm Liu Huijun trong Progress In Electromagnetics Research C đã chứng minh một cách có hệ thống quy trình tối ưu hóa di truyền đa mục tiêu với mục tiêu kép là tối đa hóa mô-men xoắn đầu ra và giảm thiểu gợn sóng mô-men xoắn. Ngoài ra, sự kết hợp giữa thuật toán di truyền và phương pháp TOPSIS cũng đã được đề xuất để tối ưu hóa cấu trúc khe rôto trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dây dẹt.
Các thuật toán di truyền đa mục tiêu không hoạt động một mình. Nhóm metaheuristic đóng các vai trò khác nhau tùy theo đặc điểm của vấn đề:
· Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) , lấy cảm hứng từ đàn chim, vượt trội trong việc tối ưu hóa tổng thể các biến liên tục. Để tối ưu hóa động cơ nam châm vĩnh cửu hướng trục stato không lõi, cả GA và PSO đều được sử dụng để tối đa hóa công suất đầu ra trên một đơn vị thể tích nam châm vĩnh cửu. PSO điều chỉnh quán tính có trọng số cũng đã được áp dụng để tối ưu hóa tham số cấu trúc của động cơ bánh đà chuyển mạch từ trở chuyển pha từ trường chia pha theo trục.
· Mạng lưới thần kinh nhân tạo (ANN) đóng vai trò là mô hình thay thế. Bởi vì mỗi mô phỏng phần tử hữu hạn (đặc biệt là FEM 3D) có thể mất từ vài phút đến hàng giờ nên việc nhúng trực tiếp chúng vào vòng tối ưu hóa sẽ tạo ra gánh nặng tính toán rất lớn. Do đó, các nhà nghiên cứu thường đào tạo người thay thế ANN trên dữ liệu FEM có độ chính xác cao, thay thế các mô phỏng kéo dài hàng giờ bằng dự đoán cấp hai và cải thiện đáng kể hiệu quả tính toán. Để tối ưu hóa động cơ từ trở chuyển mạch được hỗ trợ bằng nam châm vĩnh cửu, máy vectơ hỗ trợ được tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền (GASVM) đã được sử dụng cùng với NSGA-II để đạt được tối ưu hóa đa mục tiêu.
· Tối ưu hóa đàn kiến (ACO) cũng đã được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ từ thông hướng trục. Trong quá trình tối ưu hóa động cơ DC không chổi than hướng trục một rôto kép, GA đã cải thiện hiệu suất từ 91,01% lên 91,57%, trong khi ACO tiếp tục tăng hiệu suất lên 91,80%.
Ứng dụng kết hợp của các phương pháp siêu dữ liệu này đã cho phép cải thiện hiệu suất tổng thể lên tới khoảng 15% đối với động cơ từ thông hướng trục trong điều kiện vận hành thực tế – một thành tựu đáng kể khi đối mặt với các tiêu chuẩn công nghiệp ngày càng nghiêm ngặt đối với các hệ thống truyền động hiệu suất cao.
III. Vật liệu SMC và Tạo hình Gần dạng Lưới: 'Tự do Hình học' trong Sản xuất Rôto
Nếu mảng Halbach và tối ưu hóa đa mục tiêu giải quyết được thách thức về 'thiết kế điện từ' của động cơ từ thông hướng trục, thì vật liệu composite từ mềm (SMC) cùng với công nghệ tạo hình gần dạng lưới đang viết lại các quy luật về 'khả năng sản xuất'.
Composite từ mềm là vật liệu từ tính được hình thành bằng cách ép bột gốc sắt với chất kết dính cách điện thông qua quy trình luyện kim bột. Quá trình luyện kim bột tạo ra một lớp cách điện giữa các hạt từ tính, giúp giảm tổn thất dòng điện xoáy một cách hiệu quả; đồng thời, SMC thể hiện các đặc tính từ đẳng hướng – một sự khác biệt cơ bản so với đặc tính dị hướng của các lớp thép silic truyền thống. Thép silic chỉ có thể mang mật độ từ thông cao (độ bão hòa ≥ 2,0 T) theo hướng cán hai chiều của nó, nhưng hoạt động kém trong các mạch từ ba chiều phức tạp. Mặt khác, SMC hỗ trợ thiết kế đường dẫn từ thông ba chiều thực sự, khiến nó trở thành vật liệu mang vật liệu lý tưởng cho các cấu trúc liên kết mới như động cơ từ thông hướng trục vốn vốn phụ thuộc vào phân bố từ trường 3D.
Quan trọng hơn, SMC cung cấp thiết kế rôto với mức độ tự do sản xuất chưa từng có.
Lõi thép silicon truyền thống phải được sản xuất thông qua một chuỗi quy trình dài - dập, xếp chồng, hàn, v.v. - với mức sử dụng vật liệu thấp và các ràng buộc hình học nghiêm ngặt. SMC, sử dụng phương pháp luyện kim bột, cho phép tạo khuôn một bước các đặc điểm hình học rất phức tạp. Đây là ý nghĩa cốt lõi của việc 'tạo hình gần dạng lưới' : một thiết kế gần với hình dạng cuối cùng có thể được thực hiện trực tiếp bằng cách ép vào khuôn, giúp giảm đáng kể quá trình gia công tiếp theo.
Ưu điểm này đặc biệt rõ ràng ở động cơ từ thông hướng trục. Trong một nghiên cứu năm 2025 của Hiệp hội Luyện kim Bột Nhật Bản, SMC được sử dụng để tạo thành các răng và mặt bích đôi của stato, làm tăng đáng kể diện tích đối lập giữa stato và rôto đồng thời cải thiện hiệu suất điện từ và hiệu quả sản xuất. Một báo cáo ngành trong nước từ tháng 10 năm 2025 cũng chỉ ra tương tự rằng SMC, nhờ đặc tính từ đẳng hướng, tổn thất dòng điện xoáy thấp và hỗ trợ thiết kế từ thông 3D, đang thúc đẩy động cơ từ thông hướng trục hướng tới hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp và sản xuất hàng loạt ổn định. Ở cấp độ quy trình hiện tại, tính nhất quán của stator SMC đã được cải thiện hơn 15% và tỷ lệ năng suất tổng thể vượt quá 96%.
Trong các ứng dụng tiên tiến hơn, SMC còn được kết hợp với thép silicon để tạo thành cấu trúc lai stator : thép silicon mang mật độ từ thông cao ( ≥ 2,0 T) cho đường dẫn từ 2D, trong khi SMC xử lý từ thông 3D phức tạp. Cả hai vật liệu đều khai thác những ưu điểm tương ứng của chúng đồng thời giảm tổn thất do dòng điện xoáy và độ phức tạp trong thiết kế.
Tất nhiên, SMC không phải là không có khuyết điểm. Độ thấm từ của nó thấp hơn so với thép silicon, hạn chế mật độ từ thông cực đại trong các ứng dụng tần số rất thấp; hơn nữa, tính chất giòn của nó khiến cho việc cân nhắc độ bền cơ học trở nên quan trọng hơn khi sử dụng phía rôto. Tuy nhiên, đối với hình dạng phức tạp của lõi stato trong động cơ từ thông hướng trục, ưu điểm của SMC vượt xa những nhược điểm của nó – đó là lý do tại sao nó được coi là chất xúc tác chính để đẩy nhanh quá trình thương mại hóa động cơ từ thông hướng trục..
IV. Kết luận: Ba chìa khóa, một sứ mệnh
Từ sự đổi mới về nguyên lý mạch từ (mảng Halbach và các cực lệch kép), đến việc tái cấu trúc phương pháp thiết kế (thuật toán di truyền đa mục tiêu và phương pháp siêu hình), và cuối cùng là sự thay đổi mô hình trong vật liệu và sản xuất (tạo hình gần dạng lưới SMC), thiết kế rôto động cơ từ thông hướng trục hiệu suất cao đang trải qua một sự chuyển đổi sâu sắc – từ 'dựa trên trải nghiệm' sang 'dựa trên tính toán + điều khiển bằng vật liệu'.
Mảng Halbach tập trung từ thông đến mức chưa từng có; cấu trúc cực lệch kép đạt được khả năng triệt tiêu gợn sóng chính xác; các thuật toán di truyền đa mục tiêu và các phương pháp siêu hình xác định một cách hiệu quả sự cân bằng tối ưu Pareto giữa chi phí điện từ, nhiệt và sản xuất trong một không gian tìm kiếm rộng lớn; và SMC phá vỡ các hạn chế ba chiều của sản xuất truyền thống, mang lại tính khả thi cho sản xuất hàng loạt đối với các dạng hình học phức tạp mà trước đây chỉ tồn tại trong các bài báo học thuật. Ba chìa khóa này kết hợp với nhau để hướng tới một mục tiêu duy nhất – mà không làm giảm hiệu suất, mang động cơ từ thông hướng trục vào ô tô, máy bay, rô-bốt và thiết bị gia dụng của chúng ta với chi phí thấp hơn, thời gian thực hiện ngắn hơn và độ tin cậy cao hơn.
Đối với các kỹ sư và nhà nghiên cứu, đây không chỉ là sự mở rộng liên tục các ranh giới kỹ thuật mà còn là cơ hội cho sự thay đổi mô hình-thiết kế đáng nắm bắt.
