CHOSUN

고속구동용 마그네틱 기어의 효율 최적화 및 구조적 강건성 향상에 관한 연구

Metadata Downloads
Author(s)
박의종
Issued Date
2020
Abstract
Mechanical gears, which are widely used as power converters, transmit power through the meshing of gear teeth. Tooth meshing inevitably causes noise, vibration, and wear, and the use of lubricant to improve it requires frequent maintenance. In order to improve the shortcomings of mechanical gears, a non-contact magnetic gear has been proposed that transmits power by magnetic force. Magnetic gear has attracted attention as a substitute for mechanical gears as it exhibits low noise, low vibration, and low maintenance, and features that do not break gears when overloaded. Research has been conducted to utilize this advantage of magnetic gears and apply them to super-high-speed supercharging systems in automobiles. However, the magnetic gear has a problem in that the eddy current loss increases rapidly due to the configuration and driving characteristics. In particular, it is required to reduce the permanent magnet eddy current loss. In addition, the current magnetic gear is in the early stages of research, and since the structure has not been formalized, it is necessary to improve the structural stability of the magnetic gear according to the high-speed rotation.
In this paper, efficiency optimization and structural robustness improvement for high-speed driving of magnetic gears is shown. First, main design parameters are selected and characteristic analysis including loss and efficiency according to the parameters is performed. In addition, to prevent scattering of permanent magnets at high speed rotation and to analyze the effects of permanent magnet eddy current loss, NdFeB, Nd-bonded, and Ferrite permanent magnets are applied and analyzed respectively to derive the optimal model. Before producing the prototype of the derived model, the robustness improvement of the most fragile pole-piece structure among the magnetic gear structures is studied. A pole-piece supporter referring to the reinforced concrete structure was proposed, and a non-conductive supporter was applied to reduce additional electromagnetic losses. Since Nd-bonded permanent magnet has a cylindrical structure, it can prevent permanent magnet scattering, but a separate magnetizer must be constructed. Accordingly, the characteristics of the magnetization method were analyzed, and a magnetization method suitable for improving the efficiency of the magnetic gear was finally applied.
A prototype that synthesizes the analyzed contents have been produced and experimental equipment to perform the performance evaluation of the magnetic gear is constructed. However, since the designed efficiency and the measured efficiency did not match, it represents a process for identifying other losses including mechanical loss. As a result of listing and comparing the components constituting the loss of the magnetic gear, it was confirmed that the final designed efficiency and the measured efficiency matched within 1%.
This paper presents the process from the design of high-speed magnetic gear to the production and evaluation. The characteristic change according to the main design parameters of the magnetic gear can be confirmed, and the difference in loss and efficiency according to the permanent magnet material can be confirmed. In addition, a new structure of the pole-piece was shown and the characteristics of magnetization of the Nd-bonded permanent magnet can also be confirmed. The experimental method of magnetic gear and the measurement process for other loss due to leakage flux and mechanical loss can be used as a guideline for manufacturing and evaluating magnetic gear.
Alternative Title
A Study on Efficiency Optimization and Structural Robustness Improvement of Magnetic Gear for High Speed
Alternative Author(s)
Eui-Jong, Park
Department
일반대학원 전기공학과
Advisor
김용재
Awarded Date
2020-08
Table Of Contents
ABSTRACT ⅹⅲ

I. 서 론 1
A. 연구배경 및 필요성 1
1. 내연기관의 과급기술 1
2. 기계식 과급기 및 전동식 과급기 2
가. 기계식 과급기 2
나. 전동식 과급기 3
3. 기계식 기어, 마그네틱 기어 5
B. 연구 내용 및 구성 7

II. 동축 마그네틱 기어 8
A. 마그네틱 기어의 연구현황 8
1. 초기 마그네틱 기어 8
2. 마그네틱 기어의 신개념 토폴로지 10
3. 국내외 연구현황 13
가. 동축 마그네틱 기어 연구현황 13
나. 동축 마그네틱 기어 기술의 중요성 및 활용 14
다. 국내 연구현황 15
B. 동축 마그네틱 기어의 구동원리 및 이론 16
1. 동축 마그네틱 기어의 공극 16
2. Pole-piece 유무에 따른 공극 자속밀도 및 고조파 분석 18
3. 고조파의 이동속도 22
C. 동축 마그네틱 기어의 전자계 손실 26
1. 히스테리시스 손실 26
2. 와전류 손실 27
3. 영구자석 와전류 손실 저감 방법 33

III. 동축 마그네틱 기어설계 35
A. 설계조건 36
1. 목표 사양 및 목적함수 36
2. 설계 파라미터 및 모델링 구성 전략 38
가. 공극 및 축 방향 길이 제한 40
나. 극수 조합 제한 41
다. 특성분석을 위한 파라미터 구성 전략 43
B. 2D-FEA 기반의 2차원 형상 특성분석 45
1. NdFeB 적용모델의 IY, PP에 따른 특성분석 45
가. 토크 특성 45
나. 토크 리플 특성 47
다. 철손 특성 49
(1) 전체 철손 및 내측 요크 철손 49
(2) 외측 요크 철손 51
(3) 폴피스 철손 51
라. 영구자석 와전류 손실 특성 54
(1) 전체 영구자석 와전류 손실 54
(2) 내측 및 외측 영구자석 와전류 손실 54
마. 효율 특성 57
바. 토크 밀도 특성 59
2. Nd-bonded 및 Ferrite의 IY, PP에 따른 특성분석 60
가. 효율 특성 62
나. 1차 모델 선정 62
3. NdFeB 적용모델의 IM, OM에 따른 특성분석 65
가. 토크 특성 65
나. 토크 리플 특성 65
다. 철손 특성 68
(1) 전체 철손 및 내측 요크 철손 68
(2) 외측 요크 철손 70
(3) 폴피스 철손 71
라. 영구자석 와전류 손실 특성 72
(1) 전체 영구자석 와전류 손실 72
(2) 내측 및 외측 영구자석 와전류 손실 73
마. 효율 및 토크 밀도 특성 75
4. Nd-bonded 및 Ferrite의 IM, OM에 따른 특성분석 77
가. 효율 특성 79
나. 2차 모델 선정 79
C. 폴피스 형상 특성분석 82
1. 폴피스 손실 및 구조 이슈 82
2. 폴피스 재질 및 성층에 따른 손실 83
3. 폴피스 비틀림 영향 85
4. 폴피스 브리지 구조 적용 89
5. 폴피스 서포터 적용 91
6. 비금속 폴피스 서포터 적용 98
D. Nd-bonded 영구자석 착자 101
1. Segment 착자 101
2. 원통형 착자 103
가. 외경면 착자 105
나. 내경면 착자 106
다. 착자 방법에 따른 비교 107
라. 최종모델 108

IV. 실험 및 고찰 109
A. 실험 장비 및 실험방법 109
1. Nd-bonded 동축 마그네틱 기어 시작품 109
2. 영구자석 표면 가우스 측정 장비 112
3. 성능평가 실험 장비 114
4. 성능평가 실험 방법 115
B. 동축 마그네틱 기어 성능평가 116
1. 최대토크시험 116
2. 구동특성시험 117
C. 기타손실 분석 119
1. 누설자속에 의한 와전류 손실 119
2. 기계 손실 125
가. 회전자의 풍손 125
나. 성능평가 장비의 손실 127
다. 베어링 손실 127
D. 기타손실 적용 133

V. 결론 134

참고문헌 136
Degree
Doctor
Publisher
조선대학교 대학원
Citation
박의종. (2020). 고속구동용 마그네틱 기어의 효율 최적화 및 구조적 강건성 향상에 관한 연구.
Type
Dissertation
URI
https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/14272
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000342512
Appears in Collections:
General Graduate School > 4. Theses(Ph.D)
Authorize & License
  • AuthorizeOpen
  • Embargo2020-08-28
Files in This Item:

Items in Repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.