동축 마그네틱 기어의 폴 피스 형상에 따른 최적 설계

Optimal Design of Coaxial Magnetic Gear according to Pole Piece Shape

본 논문은 동축 마그네틱 기어(CMG: Coaxial Magnetic Gear) 폴 피스의 형상별 최적 설계에 관한 연구이다. CMG의 폴 피스 형상은 육각형, 부채꼴, 마름모, 타원 4가지 방식의 형상으로 설계하여 해석을 수행하였다. CMG 폴 피스의 길이를 가로 6mm에서 10mm, 세로 10mm에서 16mm까지의 범위로 선정하였으며, 해석은 축방향 누설 자속까지 고려하기 위해 3D 유한요소해석을 수행했다. 기본 모델로 육각형 형상을 기준으로 하였으며, 폴 피스의 크기는 가로 8mm, 세로 13mm를 초깃값으로 설정하였다. 이후 형상별로 최적 기법을 통해 최적 설계를 진행하였다. 목적 함수는 평균 토크의 최대화이며, 제약 조건은 토크 리플 5Nm 미만으로 설정하였다. 최적 설계를 진행한 결과, 4가지 형상 모두 초기 모델보다 평균 토크가 향상되는 결과를 보였다. 최종적으로 폴 피스 형상이 부채꼴 형태이며 가로 8.5mm, 세로 10.5mm의 치수에서 가장 높은 57.82Nm의 평균 토크를 나타냈다.

This paper is a study on the optimal design of the pole piece of a coaxial magnetic gear (CMG). The pole piece shape of the CMG was designed in four shapes: hexagonal, fan-shaped, rhombus, and elliptical, and the analysis was performed. The length of the CMG pole piece was selected from the range of 6mm to 10mm in width and 10mm to 16mm in length, and the analysis was performed using 3D finite element analysis to consider the axial leakage flux. The hexagonal shape was used as the basic model, and the size of the pole piece was set to 8mm in width and 13mm in length as the initial values. After that, the optimal design was performed using the optimal method for each shape. The objective function was to maximize the average torque, and the constraint was set to a torque ripple of less than 5Nm. As a result of the optimal design, the average torque was improved for all four shapes compared to the initial model. Finally, the pole piece shape was fan-shaped and showed the highest average torque of 57.82Nm at the dimension of 8.5mm in width and 10.5mm in length.