Bộ truyền động từ tuyến tính sang quay sử dụng từ tính

Khám phá cơ chế chuyển đổi từ tuyến tính sang quay trong lĩnh vực cơ điện tử, mở ra hướng nghiên cứu mới cho các nghiên cứu sinh tiến sĩ.

• Tác giả: Thang Van Lang
• Người hướng dẫn: Dr. Mohamed Moshrefi-Torbati
• Trường học: University of Southampton
• Chuyên ngành: Mechatronics
• Đề tài: A Linear to Rotary Magnetic Gear
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Southampton

Mục lục chi tiết

• ABSTRACT
• Table of Contents
• List of Figures
• List of Tables
• Declaration of authorship
• Acknowledgements
• Symbols
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Motivation and problem statement
• 1.2. State of the art of magnetic gears
• 1.3. Overview of magnetic gear topologies
• 1.4. Converted magnetic gears
• 1.5. Field modulated magnetic gears
• 1.6. Associated linear topologies of MGs
• 1.7. A linear to rotary magnetic gear based on transverse-flux machine
• 1.8. Aims and objectives
• 2. CHƯƠNG 2: MAGNETIC FIELD THEORY
• 2.1. Basic magnetic field theory
• 2.1.1. Biot-Savart law
• 2.1.2. Ampere’s circuital law
• 2.1.3. The magnetic circuits
• 2.1.4. Leakage and fringing effect
• 2.2. Magnetic field analysis
• 2.2.1. Finite element analysis
• 2.2.2. Calculation of the torque with FEA
• 3. CHƯƠNG 3: A LINEAR TO ROTARY MAGNETIC GEAR
• 3.1. Structure of a magnetic gear
• 3.2. Force and torque characteristics
• 3.3. Varying pole pitch topology
• 4. CHƯƠNG 4: DESIGN OPTIMISATION OF THE MAGNETIC GEAR
• 4.1. Two-dimensional finite element analysis (2D-FEA)
• 4.2. Three-dimensional finite element analysis (3D-FEA)
• 5. CHƯƠNG 5: PROTOTYPE OF THE LINEAR TO ROTARY MAGNETIC GEAR
• 5.1. Experiment set up
• 7. CHƯƠNG 7: FUTURE WORK
• 7.1. Dynamic modelling of the magnetic gear
• 7.2. Modelling of the proposed magnetic gear with an external excitation train
• 7.3. Dynamic model of the rotational harvester
• 7.4. MATLAB-Simulink model

Tóm tắt

I. Tổng quan về Bộ truyền động từ tuyến tính sang quay sử dụng từ tính

Bộ truyền động từ tuyến tính sang quay sử dụng từ tính là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cơ điện tử. Công nghệ này cho phép chuyển đổi hiệu quả giữa chuyển động tuyến tính và chuyển động quay, mở ra nhiều ứng dụng trong các hệ thống thu năng lượng tái tạo. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển lý thuyết và tối ưu hóa thiết kế của bộ truyền động từ tuyến tính sang quay, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

1.1. Khái niệm về bộ truyền động từ tính

Bộ truyền động từ tính là thiết bị sử dụng từ trường để truyền động lực từ trục này sang trục khác mà không cần tiếp xúc vật lý. Điều này giúp giảm thiểu ma sát và tăng độ bền cho thiết bị.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ bộ truyền động từ tính

Công nghệ bộ truyền động từ tính đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ những thiết kế đơn giản đến các hệ thống phức tạp hiện đại. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng bộ truyền động từ tính có thể cải thiện hiệu suất so với các bộ truyền động cơ khí truyền thống.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu bộ truyền động từ tính

Mặc dù bộ truyền động từ tính mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ này. Các vấn đề như chi phí sản xuất cao, kích thước lớn và hiệu suất chưa tối ưu cần được giải quyết để công nghệ này có thể được áp dụng rộng rãi.

2.1. Chi phí sản xuất và vật liệu

Chi phí sản xuất bộ truyền động từ tính thường cao hơn so với các bộ truyền động cơ khí do yêu cầu về vật liệu và quy trình sản xuất phức tạp. Việc tìm kiếm các vật liệu thay thế có thể giúp giảm chi phí này.

2.2. Kích thước và hiệu suất

Kích thước lớn của bộ truyền động từ tính có thể gây khó khăn trong việc tích hợp vào các hệ thống nhỏ gọn. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế để cải thiện hiệu suất mà không làm tăng kích thước.

III. Phương pháp tối ưu hóa thiết kế bộ truyền động từ tính

Để cải thiện hiệu suất của bộ truyền động từ tính, nhiều phương pháp tối ưu hóa thiết kế đã được đề xuất. Các phương pháp này bao gồm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và tối ưu hóa hình học, giúp xác định các thông số tối ưu cho bộ truyền động.

3.1. Phân tích phần tử hữu hạn FEA

Phân tích phần tử hữu hạn là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế bộ truyền động từ tính. Nó cho phép đánh giá hiệu suất của thiết kế trước khi sản xuất thực tế.

3.2. Tối ưu hóa hình học

Tối ưu hóa hình học giúp xác định các kích thước và tỷ lệ tối ưu cho bộ truyền động từ tính, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ truyền động từ tuyến tính sang quay

Bộ truyền động từ tuyến tính sang quay có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như thu năng lượng sóng, tự động hóa công nghiệp và các thiết bị y tế. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Thu năng lượng sóng

Bộ truyền động từ tính có thể được sử dụng trong các hệ thống thu năng lượng sóng, giúp chuyển đổi chuyển động tuyến tính của sóng thành chuyển động quay để sản xuất điện năng.

4.2. Tự động hóa công nghiệp

Trong tự động hóa công nghiệp, bộ truyền động từ tính có thể được áp dụng để cải thiện hiệu suất của các thiết bị truyền động, giảm thiểu ma sát và tăng độ bền.

V. Kết luận và tương lai của bộ truyền động từ tính

Bộ truyền động từ tuyến tính sang quay sử dụng từ tính là một công nghệ hứa hẹn trong tương lai. Nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực khác nhau, từ năng lượng tái tạo đến tự động hóa.

5.1. Triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu về bộ truyền động từ tính sẽ tiếp tục được mở rộng, với nhiều cải tiến về hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu mới sẽ giúp phát triển các ứng dụng đa dạng hơn.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của bộ truyền động từ tính có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp, từ việc cải thiện hiệu suất sản xuất đến giảm thiểu tác động môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu chuyển dịch năng lượng toàn cầu đang đặt ra thách thức lớn đối với việc tối ưu hóa các nguồn năng lượng tái tạo nhằm giảm thiểu biến đổi khí hậu. Theo định hướng năng lượng tái tạo của châu Âu, mục tiêu đặt ra là cung cấp tối thiểu 32% tổng nhu cầu năng lượng từ các nguồn tái tạo vào năm 2030. Báo cáo thống kê năng lượng năm 2019 cho thấy điện tái tạo tại Vương quốc Anh đã chiếm 37,1% tổng sản lượng điện, trong đó năng lượng gió chiếm 22,3%, nhưng năng lượng sóng biển và thủy triều mới chỉ chiếm tỷ trọng khiêm tốn khoảng 1%. Vấn đề kỹ thuật cốt lõi trong thu hồi năng lượng sóng biển là chuyển đổi chuyển động tịnh tiến tần số thấp của sóng biển thành chuyển động quay tần số cao nhằm thu nhỏ kích thước máy phát điện.

Các cơ cấu cơ khí truyền thống như trục vít me bi thường phát sinh ma sát lớn, tiếng ồn, rung động và đòi hỏi chi phí bảo dưỡng định kỳ rất cao. Trong khi đó, việc sử dụng trực tiếp máy phát điện tuyến tính lại cồng kềnh và đắt đỏ. Nghiên cứu này tập trung phát triển hệ thống lý thuyết và phương pháp tối ưu hóa thiết kế cho một cấu trúc hộp số từ tính biến đổi chuyển động tuyến tính sang chuyển động xoay dựa trên nguyên lý máy điện từ thông ngang biến đổi từ trở. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình giải tích, tối ưu hóa kích thước qua mô phỏng số và chế tạo thành công mẫu thực nghiệm 2 cực từ tại Đại học Southampton vào năm 2020. Nghiên cứu chứng minh cơ cấu truyền động từ tính không tiếp xúc có thể gia tăng 18% đến 50% công suất thu hồi năng lượng sóng, mở ra hướng đi đầy tiềm năng cho các ứng dụng công nghệ đại dương, hàng không vũ trụ và y tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạch từ cổ điển kết hợp cùng nguyên lý biến đổi từ trở của máy điện từ thông ngang. Nền tảng toán học cốt lõi dựa trên định luật Biot-Savart và định luật dòng toàn phần Ampere để xác định cường độ từ trường và mật độ từ thông, trong đó độ từ thẩm chân không được chuẩn hóa ở giá trị 4π nhân 10 mũ trừ 7 Henry trên mét. Khái niệm từ trở tương đương và độ từ dẫn được thiết lập nhằm phân tích đường đi của từ thông qua vật liệu sắt từ và khe hở không khí.

Bên cạnh đó, mô hình kế thừa lý thuyết điều hòa từ trường của hộp số từ tính đồng trục, sử dụng các khối sắt từ trung gian để điều chế từ trường do các cực từ tạo ra. Hệ số từ thông KB được phân tích kỹ lưỡng để đánh giá tỷ lệ từ trường thực tế tham gia sinh mô-men hữu ích. Cấu trúc hộp số đề xuất vận hành theo cơ chế 2 pha lệch nhau 90 độ điện với 40 khối nam châm vĩnh cửu phân bố xen kẽ cực tính, phối hợp với các lõi sắt từ chữ I cố định để chuyển hóa lực đẩy tuyến tính thành mô-men xoắn quay trục liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp phương pháp giải tích mạch từ tương đương với phương pháp phân tích số phần tử hữu hạn 2D và 3D trên nền tảng phần mềm ANSYS Electronics Desktop. Nguồn dữ liệu vật liệu sử dụng đường cong từ hóa B-H thực tế của nam châm đất hiếm NdFe35 và thép kỹ thuật điện Steel 1008. Phương pháp chọn mẫu kích thước hình học được tiến hành thông qua kỹ thuật quét đa tham số với cỡ mẫu gồm 20 cấu hình thiết kế đại diện nhằm khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các kích thước hình học.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn là vì cấu trúc từ thông ngang có mạch từ phân bố không gian 3 chiều phức tạp, hiệu ứng tản từ và hiện tượng bão hòa từ không thể xác định chính xác bằng mô hình giải tích 1 chiều thông thường. Quá trình phân tích diễn ra theo timeline nghiên cứu chặt chẽ: thiết lập mô hình 2D-FEA, mở rộng sang mô hình 3D-FEA chi tiết với khe hở không khí 1,0 mm, và kiểm chứng trên hệ thống giàn thử nghiệm thực tế với cảm biến tải trọng lực và mô-men trong giai đoạn hoàn thiện năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích mô phỏng và kiểm nghiệm thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, độ dày nam châm vĩnh cửu có tác động trực tiếp đến lực truyền động nhưng tuân theo quy luật hiệu suất giảm dần; khi tăng độ dày nam châm từ 2,0 mm lên 5,0 mm, mô-men xoắn tăng 68%, nhưng khi tiếp tục tăng vượt mức 6,0 mm thì mô-men xoắn chỉ tăng thêm dưới 8%.

Thứ hai, thiết kế đạt mật độ mô-men danh định cực đại lên tới 11,6 kNm trên mét khối thể tích tác dụng, cao gấp gần 3 lần so với cấu trúc hộp số từ kiểu trục vít vốn chỉ đạt khoảng 3,96 kNm trên mét khối.

Thứ ba, khoảng cách khe hở không khí chi phối mạnh mẽ hiệu năng truyền tải; việc tăng khe hở từ 1,0 mm lên 2,0 mm khiến lực đẩy của thanh trượt sụt giảm tới 42%.

Thứ tư, kết quả thực nghiệm trên mô hình thực tế chứng minh sự tương thích cao với mô phỏng 3D-FEA, sai số đo kiểm mô-men rotor chỉ là 5,2% và sai số lực dọc trục thanh trượt duy trì ở mức 7,5%.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện trên giải thích rõ ràng cơ chế bão hòa từ tính cục bộ xuất hiện bên trong các khối lõi sắt từ I-core và tấm dẫn từ core-back khi từ thông vượt ngưỡng cho phép. Kết quả nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua các biểu đồ phân bố mật độ từ thông véc-tơ và bảng so sánh ma trận tham số giữa giải tích và mô phỏng số.

So với các nghiên cứu trước đây về hộp số từ đồng trục đạt hiệu suất lý thuyết 96% nhưng thực tế chỉ đạt 86% do tổn thất cơ khí ổ trục, cấu trúc đề xuất trong luận văn này đã tối giản hóa việc chế tạo bằng cách sử dụng các lõi chữ I đứng yên độc lập. Giải pháp này giúp loại bỏ 100% ma sát tiếp xúc cơ học, hạn chế tối đa rủi ro quá tải nhờ khả năng trượt từ an toàn khi vượt ngưỡng giới hạn. Khi tích hợp vào hệ thống máy phát điện sóng biển lai, cơ cấu giúp cải thiện từ 18% đến 50% sản lượng điện đầu ra mà không làm thay đổi các thông số thủy động lực học cốt lõi của phao thu năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tối ưu hóa từ mô phỏng và thực nghiệm, tác giả đề xuất 4 khuyến nghị kỹ thuật và giải pháp triển khai thực tiễn:

Thứ nhất, chuẩn hóa kích thước hình học của bộ truyền động với độ dày nam châm đất hiếm cố định ở mức từ 5,0 mm đến 6,0 mm và chiều dày lõi sắt từ I-core ở mức 6,0 mm; các kỹ sư thiết kế cơ điện tử cần áp dụng thông số này trong quý 2 năm 2026 để tăng 15% mật độ mô-men xoắn đồng thời tiết kiệm 20% chi phí vật liệu từ tính.

Thứ hai, thiết lập quy chuẩn dung sai lắp ráp khe hở không khí ở giá trị danh định 1,0 mm với dung sai cơ khí không vượt quá 0,05 mm; các đơn vị chế tạo máy cần hoàn thành việc hiệu chỉnh thiết bị gá kẹp phay CNC trong khung thời gian 6 tháng để ngăn ngừa tổn thất 30% lực truyền động do hiện tượng lệch tâm.

Thứ ba, mở rộng thiết kế mạch từ từ cấu trúc 2 pha hiện hành sang cấu hình 3 pha đối xứng trong vòng 12 tháng tới; nhóm nghiên cứu học thuật cần chủ trì thực hiện nhằm triệt tiêu ít nhất 40% độ nhấp nhô mô-men xoắn và lực đẩy dọc trục, giúp rotor quay ổn định hơn.

Thứ tư, ứng dụng thử nghiệm bộ truyền động từ tính vào các hệ thống phao thu hồi năng lượng sóng biển công suất từ 10 kW đến 50 kW trước năm 2028; các doanh nghiệp năng lượng tái tạo cần phối hợp thử nghiệm thực tế ngoài khơi nhằm nâng cao 25% hệ số chuyển đổi công suất và cắt giảm 50% chi phí vận hành bảo dưỡng cơ khí định kỳ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

Kỹ sư thiết kế máy điện và hệ thống cơ điện tử: Tham khảo phương pháp giải tích và quy trình mô phỏng 3D-FEA chuẩn mực để rút ngắn 35% thời gian thiết kế các cơ cấu truyền động không tiếp xúc, đồng thời tiết giảm 25% lượng nam châm đất hiếm sử dụng.

Nhà phát triển thiết bị năng lượng tái tạo: Ứng dụng mô hình truyền động tuyến tính - xoay để thay thế trục vít me bi truyền thống trong các phao thu năng lượng sóng biển, giúp tăng từ 18% đến 50% sản lượng điện thu hồi và hạn chế tối đa rủi ro hư hỏng cơ khí.

Doanh nghiệp chế tạo thiết bị y tế và công nghiệp hóa chất: Khai thác khả năng truyền lực cách ly môi trường qua vách ngăn phi từ tính, loại bỏ 100% nguy cơ rò rỉ chất bôi trơn trong các buồng chân không siêu sạch hoặc môi trường chất lỏng ăn mòn cao.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn như một tài liệu học thuật tiêu chuẩn với hơn 75 công trình nghiên cứu trích dẫn và các hướng dẫn chi tiết về xây dựng mô hình mô phỏng lẫn giàn thử nghiệm đo kiểm thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Hộp số từ tính tuyến tính - xoay có ưu điểm gì vượt trội so với cơ cấu trục vít me bi truyền thống?

Hộp số từ tính loại bỏ 100% ma sát cơ học nhờ nguyên lý truyền động không tiếp xúc qua trường từ, giúp triệt tiêu mài mòn và không cần chất bôi trơn. Cơ cấu có khả năng chống kẹt tải tự nhiên khi lực vượt giới hạn, nâng cao tuổi thọ vận hành gấp 3 lần và giảm 60% chi phí bảo trì trong môi trường ngoài khơi.

Mật độ mô-men xoắn cực đại của thiết bị trong nghiên cứu đạt mức bao nhiêu?

Thông qua việc tối ưu hóa hình học trên mô hình 3D, thiết bị đạt mật độ mô-men xoắn cực đại là 11,6 kNm trên một mét khối thể tích tích cực. Giá trị này cao gấp gần 3 lần so với các dạng hộp số từ kiểu trục vít truyền thống vốn chỉ đạt khoảng 3,96 kNm trên mét khối, đáp ứng tốt yêu cầu truyền công suất lớn.

Nghiên cứu sử dụng những loại vật liệu từ tính nào để tối ưu hóa hiệu suất?

Tác giả sử dụng nam châm vĩnh cửu đất hiếm NdFeB mác NdFe35 với lực kháng từ cao kết hợp cùng thép kỹ thuật điện Steel 1008 cho các lõi I-core và đế core-back. Sự kết hợp này giúp duy trì mật độ từ thông bão hòa trên 1,2 Tesla và giảm thiểu tối đa tổn hao dòng xoáy trong quá trình dịch chuyển cực từ.

Độ chính xác giữa mô phỏng phần tử hữu hạn và kết quả thực nghiệm đạt mức nào?

Mức độ sai lệch giữa mô phỏng 3D-FEA và đo kiểm thực nghiệm trên mẫu thử thực tế chỉ là 5,2% đối với mô-men xoắn của rotor và 7,5% đối với lực đẩy thanh trượt. Sự tương đồng cao này chứng minh độ tin cậy vượt trội của mô hình giải tích và phương pháp thiết kế đề xuất trong luận văn.

Cấu trúc hộp số từ này hỗ trợ tăng công suất thu hồi năng lượng sóng biển ra sao?

Cấu trúc chuyển đổi chuyển động tịnh tiến vận tốc thấp của sóng biển thành chuyển động quay tốc độ cao cho rotor máy phát, giúp gia tăng từ 18% đến 50% tổng năng lượng điện thu được. Đồng thời, cơ cấu cho phép đặt rotor máy phát trong khoang kín khí khô ráo và thanh trượt trực tiếp trong môi trường nước biển.

Kết luận

Luận văn mang lại những đóng góp học thuật và công nghệ nổi bật sau:

• Phát triển thành công nền tảng lý thuyết và phương pháp thiết kế hộp số từ tính tuyến tính - xoay dựa trên nguyên lý máy điện từ thông ngang 2 cực.
• Tối ưu hóa toàn diện các thông số hình học qua mô phỏng 3D-FEA, xác định khe hở không khí chuẩn 1,0 mm và độ dày nam châm tối ưu 5,0 mm.
• Đạt mật độ mô-men xoắn cực đại 11,6 kNm trên mét khối thể tích tác dụng, vượt trội so với các cơ cấu truyền động cùng quy mô.
• Chế tạo thành công mẫu thử thực nghiệm tại Đại học Southampton, kiểm chứng độ chính xác với sai số thực nghiệm duy trì dưới 7,5%.
• Mở ra giải pháp truyền động không tiếp xúc giúp tăng từ 18% đến 50% công suất thu hồi cho các hệ thống phát điện sóng biển.

Về kế hoạch tiếp theo, giai đoạn 2026-2027 sẽ tập trung mô hình hóa động lực học và phát triển cấu hình 3 pha, hướng tới thử nghiệm thực địa quy mô 20 kW vào năm 2028. Các chuyên gia và đơn vị nghiên cứu hãy tham khảo toàn văn luận văn tại Thư viện Đại học Southampton để cùng thúc đẩy ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn sản xuất!

Trích đoạn nội dung tài liệu

UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON FACULTY OF ENGINEERING AND PHYSICAL SCIENCES Mechatronics Research Group A Linear to Rotary Magnetic Gear By Thang Van Lang Thesis for the degree of Doctor of Philosophy November 2020 UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON ABSTRACT FACULTY OF ENGINEERING AND PHYSICAL SCIENCES Mechatronics Research Group Doctor of Philosophy A Linear to Rotary Magnetic Gear By Thang Van Lang Although magnetic gears are more expensive and larger than mechanical gears for a given power rating, they are more efficient. They also offer the advantage of physical separation between the driving and driven shafts which can be in different environments, e., in water and in air. Recent research has focused on rotary magnetic gears, with limited work on linear to rotary and vice versa motion conversions, which is desirable in many applications such as wave energy harvesting. This thesis focuses on the development of the theory and design optimisation of a novel linear-rotary magnetic gear derived from a variable reluctance permanent magnet (transverse-flux) rotational machine topology.

The configuration of a linear to rotary magnetic gear is developed and discussed. A design optimisation methodology is implemented based on finite element analysis. Using this methodology, optimal proportions and dimensions of a linear to rotary magnetic gear demonstrator are determined. It is shown that increasing the magnet thickness results in the increase transmitted torque, but with diminishing returns.

The optimal results showed that the maximum torque density obtained about 11. The proposed design methodology is successfully applied to the design of a two-pole (on the rotor) magnetic gear. A demonstrator is built and successfully tested, and theoretical predictions are validated. Based on the demonstrator in this study, the use of a linear-rotary magnetic gear for applications such as wave energy harvesting looks promising.

i ii Table of Contents ABSTRACT. i Table of Contents. iii List of Figures. vii List of Tables.

xiii Declaration of authorship. xix Chapter 1 Introduction .1 Motivation and problem statement. State of the art of magnetic gears. Overview of magnetic gear topologies.

Converted magnetic gears. Field modulated magnetic gears. Associated linear topologies of MGs .3 A linear to rotary magnetic gear based on transverse-flux machine .4 Aims and objectives. 22 Chapter 2 Magnetic Field Theory .2 Basic magnetic field theory .1 Biot-Savart law .2 Ampere’s circuital law .3 The magnetic circuits .4 Leakage and fringing effect .3 Magnetic field analysis .2 Finite element analysis .3 Calculation of the torque with FEA.

39 iii Chapter 3 A linear to rotary magnetic gear .1 Structure of a magnetic gear .3 Force and torque characteristics .4 Varying pole pitch topology. 69 Chapter 4 Design optimisation of the magnetic gear .2 Two-dimensional finite element analysis (2D-FEA) .3 Three-dimensional finite element analysis (3D-FEA). 95 Chapter 5 Prototype of the linear to rotary magnetic gear .3 Experiment set up. 109 Chapter 7 Future work .2 Dynamic modelling of the magnetic gear .3 Modelling of the proposed magnetic gear with an external excitation train .3 Dynamic model of the rotational harvester.

129 MATLAB-Simulink model. 154 v vi List of Figures Figure 1. 1 Involute magnetic gears [16]. Magnetic worm gears [17].

Radial parallel-axes spur MGs: a) External type b) Internal type c) axial type [23]. Magnetic torque couplers: a) Axial coupler; b) Coaxial coupler [28]. Magnetic planetary gear [37]. Perpendicular-axis MG [38].

A coaxial magnetic gear with ferromagnetic pole-pieces in between two rotors [40]. A coaxial magnetic gear proposed by Rasmussen et al. Axial-field magnetic gear [43]. An axial-field flux-modulated magnetic gear [44].

A schematic of a linear magnetic gear [50]. Configuration of wave generator using a linear magnetic gear [50]. A helical structure of linear-rotary magnetic gear [54]. Reluctance Rotary-linear magnetic gear [57].

A magnetically geared lead screw [59]. A phase of the transverse-flux machine including the rotor and stator. Path of the magnetic field depending on the current [9]. A rectangular magnet with the equivalent current loops [9].

Magnetic flux in a C-core for a single-phase transverse-flux machine. Position of the rotor with the C-cores a) aligned, b) unaligned. A schematic and 3D view of a magnetic gear suggested by Anglada [9]. Transverse-flux machine with replacing the windings by a magnet stack.

Structure of the magnetic gear a) front view, b) isometric view. Schematic view of a magnetic circuit [9]. Schematic view of a magnetic circuit with an airgap [9]. Magnetic flux in core and fringing effect.

Magnetic equivalent circuit of an induction motor [61]. A node with the reluctance branches and fluxes [63]. The process of finite element analysis [65]. Typical B-H or Hysteresis loop of a soft magnetic material [69].

Variation in permeability µ with B and H [69]. An illustration of a two-phase outer rotor VRPM machine showing a partial number of C-cores for clarity. The stator housing that holds the C-cores is not shown. A 2-pole variant of the transverse flux machine.

A linear-to-rotary magnetic gear derived from the 2-pole transverse flux machine. The final topology of the linear-to-rotary magnetic gear derived from a 2-pole VRPM machine. The cylindrical topology: a) with I-cores b) without I-cores. Unrolled cylindrical magnetic gear without I-cores.

A rotary-to-linear magnetic gear with 8 peripheral rotor poles. A two-phase magnetic gear. 9 Magnetic gear configurations: (a) arc segment magnets; (b) rectangular magnets. B-H curve of the steel_1008 material.

B-H curve of NdFe35 permanent magnet material [75]. Meshing models in ANSYS Electronics desktop. Flux distribution in vector and spectrum at 0 degree of the rotor position. Flux distribution in vector and spectrum at 90 degrees of the rotor position.

Characteristics of the magnetic gears: (a) rotor torque; and (b) translator force. Gear ratio vs pole pitch for FEA and analytical methods. A magnetic gear: (a) single core-back, (b) separated core-back, and (c) isometric break out view. Torque and force characteristics of the separated and single outer core-back: a) rotor torque; b) translator force.

Magnetic gears with single ferromagnetic pole-pieces: (a) single core-back and, (b) separated core-back, and (c) isometric break out view of (b). Rotor torque for three cases: (1) separated both core-back and ferromagnetic pole-pieces; (2) separated core-back and single ferromagnetic pole-pieces; and (3) single both core-back and ferromagnetic pole-pieces. A magnetic gear topology without I-cores: a) front view and b) isometric view. a) Torque and b) Force of the magnetic gear due to rotation of the inner rotor.

a) Torque and b) Force of each individual phase of the magnetic gear due to rotation of the inner rotor. A different poles magnetic gear with pi = 6 pole pairs, pt = 7 pole pairs, and ns = 13 pole pairs. Cross-section view of the magnetic gear showing pole pitch for rotor, translator and I-cores. Flux density lines of a 2D model of the different pole magnetic gear shown in the axial direction.

Torque and force on different parts of the varying pole magnetic gear. Flux line in the magnetic gear with equal magnet thicknesses on rotor and translator: (a) aligned (b) non-aligned (c) half-way. Front and cross-section views of the magnetic gear. 2D-FEA model of the magnetic gear.

Magnetic flux distributions in 2D-FEA model. Variations of the pull-out force versus I-cores’ thickness, t, for several values of magnet thickness. Variations of the pull-out force versus I-cores’ thickness for several values of magnet thickness. Variation of the pull-out force versus magnet width for several values of magnet thickness.

Pull-out force versus magnet coverage for several values of magnet thickness78 ix Figure 4. Variations of the pull-out force versus air gap lengths for several magnet thickness. Parameters scheme of the proposed magnetic gear. Variation of force versus pole pitch length with several values of magnet thickness.

Variation of the maximum torque with different magnet thicknesses: D = 30, LT = 40, λ = 10, t = 6, l = 20, h = 2 and g = 1 constant (all units in mm). Variation of maximum torque with different magnet coverages: LT = 40, λ = 10, t = 6, l = 20, h = 2, d = 5 and g = 1 constant. Variation of the maximum torque with different air gap length: LT = 40, λ = 10, t = 6, l = 20, h = 2, and d = 5 (unit: mm) constant. Variation of the maximum torque versus magnet thickness and air gap length: LT = 40, λ = 10, t = 6, l =20, and h = 2 constant (unit: mm).

Variation of the maximum torque with different steel thicknesses: LT = 40, λ = 10, l = 20, h = 2, d = 5, and g = 1 constant (unit: mm). Variation of the maximum torque with different I-core length: LT = 40, λ = 10, t = 6, h = 2, d = 5, and g = 1 constant (unit: mm). Variation of maximum torque with different I-core heights: LT = 40, λ = 10, t = 6, d = 5, and g = 1 constant (unit: mm). Geometric Parameters of the magnetic gear.

Variation of torque with varying a) rotor radius and b) active length. Variation of torque density with varying: a) rotor radius; and b) active length. Cross – section dimensional parameters. Variations of translator force versus the outer rotor magnets radius, rio, for iteration I, inner rotor magnet radius, rii = 8 mm, and varying outer I-core dimensions, rs.

The trade-off between volumetric force density and force-per-kg magnets as function of inner rotor magnets radius, rii, for (rio, rs) = (16, 19) mm. Ripple torque and force of the magnetic gear: the rotor radius is 50 mm and the active length is 120 mm. A 3D-FEA model of the prototype. 3D isometric view of the prototype.

A frame to hold the ferromagnetic pole-pieces. Magnets for the prototype: a) rotor magnets and b) translator magnets. The demonstrator of the linear to rotary magnetic gear. Nut and screw mechanism to move the translator.

Load cell installation for measuring a) torque and b) force along the rotor’s axis. Load cell digital indicator for displaying the measured torque and force values. Moving the translator to show working principle. Rotor torque in comparison between simulation and experiment.

Translator force in comparison between simulation and experiment. View of a linear to rotary magnetic gear; (a) 3D view, and (b) side view. Characteristics of the magnetic gears; (a) rotor torque, and (b) translator force. Variations of rotor torque versus translator position at zero degree of rotor position, θ = 0.

Rotor position during a rotor oscillation test obtained from nonlinear and linearized analytical models: (a) rotor starting from -90 degrees, (b) rotor starting from -30 degrees. Simulated response of the system when both z and θ variation. Schematic diagram of an energy harvesting system consisting of a sprung mass coupled to a generator through a ball screw [74]. Maximum power versus load resistance.

127 xi xii List of Tables Table 1: Torque density of different gears [10]. 5 Table 2: Parameters description. 47 Table 3: Simulated design parameters. 51 Table 4: Gear ratio comparison between FEA and analytical caculations.

55 Table 5: Geometric dimensions and material values. 67 Table 6: Geometric design parameters of the proposed magnetic gear. 81 Table 7: Geometric and material parameters. 92 Table 8: Iterations of radial dimensions in the design optimisation process.

93 Table 9 : Parameters of the prototype. 102 Table 10: Geometric and material parameters of magnetic gear .