Design Optimization of Radial Flux-Focusing Coaxial Magnetic Gears and Comparison with Conventional Surface Permanent Magnet and Halbach Topologies

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作者
Shrikesh Sheshaprasad,Matthew Johnson,Hamid A. Toliyat
标识
DOI:10.1109/ecce53617.2023.10362868
摘要

Magnetic gears offer the benefits of mechanical gears with the potential for added advantages stemming from contactless power transfer. This work compares optimized coaxial radial flux-focusing magnetic gears (FF-MGs) with similarly optimized surface permanent magnetic gears (SPM-MGs) and Halbach magnetic gears (HB-MGs). All the topologies are independently optimized for volumetric torque density (VTD), gravimetric torque density (GTD), and the permanent magnet gravimetric torque density (PM GTD) across a range of gear ratios using a genetic algorithm (GA). Pareto optimization of all three objectives was performed for the three topologies. The results show that FF-MGs offer a significant improvement in VTD and GTD when compared to SPM-MGs. However, when compared to HB-MGs, FF-MGs have comparable VTDs, but lower GTDs. The PM-GTDs of all three topologies are quite similar. 3D FEA suggests that the FF-MG designs experience higher drops in torque due to end effects than the SPM-MG and HB-MG designs. Harmonic analysis and transient simulations show that the FF-MG can experience higher amplitude undesirable harmonics and higher losses when compared to the SPM-MGs and HB-MGs.

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