Dergiler / El-Cezeri / 2026 / Cilt: 13 Sayı: 3

Alüminyum Köprü Modülatör Rotor Yapısı Kullanılarak Hız Çarpanlı Manyetik Dişlinin Mekanik Dayanıklılığının Artırılması

Mechanical Strength Enhancement of a Speed Multiplier Magnetic Gear Using an Aluminium Bridge Modulator Rotor Structure

M Khairol Nizam M Anuar(Universiti Teknikal Malaysia Melaka)0009-0007-4975-7951
Mohd Firdaus Mohd Ab Halim(Universiti Teknikal Malaysia Melaka)0000-0001-6965-9143
Fauzi Ahmad(Universiti Teknikal Malaysia Melaka)0000-0002-0790-7348
Mohd Hisham Mokhtar(Universiti Teknikal Malaysia Melaka)0009-0001-9126-4874
Syed Muhammad Naufal Syed Othman(Universiti Tun Hussein Onn Malaysia)0000-0002-3104-7480
Sarweash Rao Tharma Raja(Universiti Teknikal Malaysia Melaka)0009-0004-4633-6340
Sayfa
454–464
Yayın Tarihi
2026-09-07
🏛️Bu makalenin bibliyografik verileri ve tam metin bağlantısı DergiPark üzerinden sağlanmıştır.
DergiPark Kaydı ↗
✨

Yapay Zeka Hızlı Bakış & Çıkarımlar

AI Insight
⚡ TL;DR(1 Cümlede Hızlı Çıkarım)

Önceki çalışmalar elektromanyetik performansa odaklanmış olsa da, modülatör rotorun aşırı çalışma yükleri altındaki mekanik dayanıklılığı henüz araştırılmamıştır.Bu çalışma, üç modülatör rotor tasarımının yapısal performansını değerlendirmek için 3 boyutlu sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanmaktadır: takviyesiz bir taban hattı, polimer dolgulu bir varyant ve yeni bir alüminyum köprü takviyeli yapı. ~83 Nm sabit tork yükü altında 10.800 rpm'ye kadar dönme hızlarında gerçekleştirilen simülasyonlar, alüminyum köprü takviyesinin von Mises gerilimini 458 MPa'dan (takviyesiz) 161 MPa'ya düşürdüğünü, yani %64,85'lik bir azalma sağladığını göstermektedir.

📌 3 Maddede Bu Makale

🎯
Amaç & Hipotez:Elektrikli makinelerin (EM) yüksek hızlarda çalıştırılması, ciddi rotor stresine ve verimlilik kayıplarına neden olur.
📊
Temel Bulgular & Veri:Eş eksenli hız çarpanlı manyetik dişli (SMMG), düşük hızlı EM'lerin yüksek çıkış dönüş hızlarına ulaşırken verimli bir şekilde çalışmasını sağlayarak, ilgili EM tasarım sorunlarından kaçınılmasını sağlar.
💡
Sonuç & Katkı:Önceki çalışmalar elektromanyetik performansa odaklanmış olsa da, modülatör rotorun aşırı çalışma yükleri altındaki mekanik dayanıklılığı henüz araştırılmamıştır.Bu çalışma, üç modülatör rotor tasarımının yapısal performansını değerlendirmek için 3 boyutlu sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanmaktadır: takviyesiz bir taban hattı, polimer dolgulu bir varyant ve yeni bir alüminyum köprü takviyeli yapı. ~83 Nm sabit tork yükü altında 10.800 rpm'ye kadar dönme hızlarında gerçekleştirilen simülasyonlar, alüminyum köprü takviyesinin von Mises gerilimini 458 MPa'dan (takviyesiz) 161 MPa'ya düşürdüğünü, yani %64,85'lik bir azalma sağladığını göstermektedir.
🔬Tür:Modelleme & Sayısal Simülasyon
📍Kapsam:Genişletilmiş Akademik Örneklem
⚙️Değişkenler:Sonlu elemanlar analizi (FEA) · Yüksek hızlı uygulamalar · Manyetik dişliler

Özet

Elektrikli makinelerin (EM) yüksek hızlarda çalıştırılması, ciddi rotor stresine ve verimlilik kayıplarına neden olur. Eş eksenli hız çarpanlı manyetik dişli (SMMG), düşük hızlı EM'lerin yüksek çıkış dönüş hızlarına ulaşırken verimli bir şekilde çalışmasını sağlayarak, ilgili EM tasarım sorunlarından kaçınılmasını sağlar. SMMG topolojisinde, modülatör rotor olarak da bilinen ferromanyetik kutup parçası (FMP) rotoru, EM'den girdi alan yüksek hızlı çıkış bileşenidir ve bu da yapısal bütünlüğünü kritik hale getirir. Önceki çalışmalar elektromanyetik performansa odaklanmış olsa da, modülatör rotorun aşırı çalışma yükleri altındaki mekanik dayanıklılığı henüz araştırılmamıştır.Bu çalışma, üç modülatör rotor tasarımının yapısal performansını değerlendirmek için 3 boyutlu sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanmaktadır: takviyesiz bir taban hattı, polimer dolgulu bir varyant ve yeni bir alüminyum köprü takviyeli yapı. ~83 Nm sabit tork yükü altında 10.800 rpm'ye kadar dönme hızlarında gerçekleştirilen simülasyonlar, alüminyum köprü takviyesinin von Mises gerilimini 458 MPa'dan (takviyesiz) 161 MPa'ya düşürdüğünü, yani %64,85'lik bir azalma sağladığını göstermektedir. Ayrıca, tüm hızlarda 1,6'nın üzerinde bir güvenlik faktörü sağlar ve NSSMC 35H210 kutup malzemesinin akma dayanımı (250 MPa) dahilinde çalışmayı garanti eder. Buna karşılık, takviyesiz ve polimer dolgulu tasarımlar, malzemenin akma sınırını aşan felaket düzeyinde gerilim seviyeleri yaşamıştır. Bu çalışma, temel tasarım kılavuzları sağlamakta ve alüminyum köprü modülatörünün yüksek hızlı uygulamalar için sağlam bir aday olduğunu doğrulamaktadır.

Abstract

Operating electrical machines (EMs) at high speeds induces severe rotor stress and efficiency losses. A coaxial speed multiplier magnetic gear (SMMG) enables low-speed EMs to operate efficiently while achieving high output rotational velocities, thus avoiding the associated EM design penalties. In the SMMG topology, the ferromagnetic pole piece (FMP) rotor, also known as the modulator rotor, is the high-speed output component receiving input from EM, making its structural integrity critical. While prior studies have focused on electromagnetic performance, the mechanical strength of the modulator rotor under extreme operational loads remains unexplored. This study employs 3D finite element analysis (FEA) to evaluate the structural performance of three modulator rotor designs: an unreinforced baseline, a polymer-filled variant, and a novel aluminium bridge-reinforced structure. Simulations performed at rotational speeds up to 10,800 rpm under a constant torque load of ~83 Nm demonstrate that the aluminium bridge reinforcement reduces the von Mises stress from 458 MPa (unreinforced) to 161 MPa, a 64.85% reduction. It also maintains a safety factor above 1.6 across all speeds and ensures operation within the yield strength (250 MPa) of the NSSMC 35H210 pole material. In contrast, the unreinforced and polymer-filled designs experienced catastrophic stress levels, exceeding the material's yield limit. This work provides essential design guidelines and validates the aluminium bridge modulator as a robust candidate for high-speed applications.

🔖

Bu Makaleye Atıf Yap

Anuar, M. K. N. M., Halim, M. F. M. A., Ahmad, F., Mokhtar, M. H., Othman, S. M. N. S., Raja, S. R. T. (2026). Alüminyum Köprü Modülatör Rotor Yapısı Kullanılarak Hız Çarpanlı Manyetik Dişlinin Mekanik Dayanıklılığının Artırılması. El-Cezeri, Cilt: 13 Sayı: 3, 454–464. https://doi.org/10.31202/ecjse.1782141

📄 Tam Metin PDF Okuyucu

📄

PDF görüntüleyici hazırlanıyor...

Kaynakça (30)

  1. M. F. M. Ab Halim, E. Sulaiman, and A. Abd Rahman, “Investigation of the cogging factor of CMG and RPMG in several pole pair combinations,” El-Cezeri Journal of Science and Engineering, vol. 10, no. 2, pp. 222-230, 2023.
  2. J. Park, T. Lee, D. Hong, and J. Chang, “Magnetic–Mechanical Performance Analysis and Experimental Validation of Noncontact Coaxial Magnetic Gear for a Contra-Rotating Propeller in an Electric Outboard,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 57, no. 2, pp. 1-5, 2021.
  3. S. Gerber and R. J. Wang, “Evaluation of a prototype magnetic gear,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology, 2013. doi: 10.1109/ICIT.2013.6505692.
  4. D. Jang and J. Chang, “Effect of Stationary Pole Pieces with Bridges on Electromagnetic and Mechanical Performance of a Coaxial Magnetic Gear,” Journal of Magnetics, vol. 18, no. 2, pp. 207-211, 2013.
  5. M. F. M. A. Halim, E. Sulaiman, R. Aziz, R. N. F. K. R. Othman, and A. A. Rahman, “Torque Density Design Optimization of Rotating Pole Piece Concentric Magnetic Gear,” Arabian Journal for Science and Engineering, vol. 47, no. 3, pp. 2797-2806, 2022.
  6. M. F. M. A. Halim, A. A. Rahman, and E. Sulaiman, “Concentric Magnetic Gear Structure Review,” Przeglad Elektrotechniczny, vol. 2024, no. 8, pp. 140-147, 2024.
  7. J. Tao, D. Wei, K. Liu, Z. Zhu, Y. Ding, H. Cai, J. Chen, Z. Zhao, and H. Wu, “A High Strength and Low Cogging Torque Modulator Structure for Magnetic-Geared Machines,” 2024 27th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Fukuoka, Japan, 2024, pp. 3116-3121.
  8. V. P, S. V. Nair, and K. Hatua, “Electromagnetic, Structural and Thermal Analysis of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicle Application,” 2023 11th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia (ICPE 2023 - ECCE Asia), Jeju Island, Korea, 2023, pp. 148-153.
  9. K. Cha, D. Kim, M. Park, M. Yoon, and J. Hong, “Multipolar High-Speed IPMSM Design for EV Traction Considering Mechanical Stress,” 2016 IEEE 84th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), Montreal, QC, Canada, 2016, pp. 1-6.
  10. B. Yan, X. Li, X. Wang, and Y. Yang, “A review on the field-modulated magnetic gears: Development status, potential applications, and existent challenges,” IET Electric Power Applications, vol. 18, no. 1, pp. 1-19, 2024.
  11. M. F. M. Ab Halim, E. Sulaiman, R. Firdaus, and A. Rahman, “A new speed multiplier coaxial magnetic gear,” ProgressIn Electromagnetics Research M, vol. 93, pp. 145-154, 2020.
  12. P. O. Rasmussen, T. V. Frandsen, K. K. Jensen, and K. Jessen, “Experimental evaluation of a motor-integrated permanent-magnet gear,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 49, no. 2, 2013, doi: 10.1109/TIA.2013.2242423.
  13. A. Shoaei and Q. Wang, “A Comprehensive Review of Concentric Magnetic Gears,” IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 10, no. 3, pp. 5581-5598, 2024.
  14. G. Ruiz-Ponce, M. A. Arjona, C. Hernandez, and R. Escarela-Perez, “A Review of Magnetic Gear Technologies Used in Mechanical Power Transmission,” Energies, vol. 16, no. 4, p. 1721, 2023.
  15. S. Kim, T. Lee, Y. Chun, and D. Hong, “Performance analysis of magnetic gear with Halbach array for high power and high speed,” International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 64, no. 1-4, pp. 959-967, 2020.
  16. J. Lee, K. Shin, T. Bang, D. Ryu, K. Kim, K. Hong, and J. Choi, “Design and Analysis of the Coaxial Magnetic Gear Considering the Electromagnetic Performance and Mechanical Stress,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 30, no. 4, pp. 1 -5, 2020.
  17. E. Lee, H. Song, J. Jeong, and S. Jeong, “Mechanical Variable Magnetic Gear Transmission: Concept and Preliminary Research,” IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 7, no. 2, 2022, doi: 10.1109/LRA.2022.3146506.
  18. M. F. M. A. Halim, E. Sulaiman, R. Aziz, S. Othman, S. M. Naufal, A. A. Rahman, and T. Kosaka, “Electromagnetic Torque Performance Evaluation of Concentric Magnetic Gear Alternative Conditions using Finite Element,” International Journal of Nanoelectronics and Materials, vol. 14, no. Special Issue ISSTE, pp. 59-68, 2021.
  19. N. Fernando and S. Saha, “Torsional Shear Stress Minimization Techniques and Implications on Electromagnetic Performance of Flux-Modulated Double Rotors,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 33, no. 1, pp. 49-58, 2018.
  20. K. B. Mustapha, Practical Finite Element Simulations with SOLIDWORKS 2022: An illustrated guide to performing static analysis with SOLIDWORKS Simulation, Birmingham, UK: Packt Publishing, 2022.
  21. Y. Wu and C. Chan, “A novel bicycle rear hub transmission with a magnetic gear mechanism,” Advances in Mechanical Engineering, vol. 10, no. 7, p. 1687814018784825, 2018.
  22. M. Kowol, J. Kołodziej, R. Gabor, M. Łukaniszyn, and M. Jagieła, “On-Load Characteristics of Local and Global Forces in Co-Axial Magnetic Gear with Reference to Additively Manufactured Parts of Modulator,” Energies, vol. 13, no. 12, p. 3169, 2020.
  23. M. F. M. A. B. Halim, A. A. Rahman, M. K. N. M. Anuar, and M. H. Mokhtar, “Torque ripple minimization of rotating pole piece concentric magnetic gear using rotor skewing and pole piece modification,” Journal of Engineering Science and Technology, vol. 20, no. 3, pp. 837- 852, 2025.
  24. M. Rabah and O. Mohammed, “Rotor vibration and experimental Study of Centrifugal fan,” 2022 International Conference on Engineering & MIS (ICEMIS), Istanbul, Turkey, 2022, pp. 1-15.
  25. I. Chirită, N. Tănase, S. E. Apostol, C. Ilie, and M. Popa, “Design optimization of a flywheel using solidworks modeling and simulation capabilities,” 2017 International Conference on ENERGY and ENVIRONMENT (CIEM), Bucharest, Romania, 2017, pp. 344 -348.
  26. M. Desvaux, R. L. G. Latimier, B. Multon, H. B. Ahmed, and S. Sire, “Design and optimization of magnetic gears with arrangement and mechanical constraints for wind turbine applications,” 2016 Eleventh International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, Monaco, 2016, pp. 1-8.
  27. A. V. Sisliana, D. Romahadi, and M. Imran, “Strength Analysis Of A Wuxi Tunnel Shaft Using Finite Element Method,” International Journal of Innovation in Mechanical Engineering and Advanced Materials, vol. 5, no. 1, 2023, doi: 10.22441/ijimeam.v5i1.18974.
  28. H. Nezzar, F. Ferroudji, T. Outtas, L. Saihi, K. Roummani, K. Koussa, and D. Boukhlef, “Modelling and Stress Analysis of an Aluminum Blade for Vertical Axis Wind Turbine,” 2022 2nd International Conference on Advanced Electrical Engineering (ICAEE), Constantine, Algeria, 2022, pp. 1-4.
  29. BusinessAnalytiq, “Aluminium price index — January 2026 and outlook,” BusinessAnalytIQ Price Index, Oct. 1, 2025. [Online]. Available: https://businessanalytiq.com/procurementanalytics/index/aluminium-price-index/
  30. BusinessAnalytiq, “ABS price January 2026 and outlook,” BusinessAnalytIQ Price Index, 2025. [Online]. Available: https://businessanalytiq.com/procurementanalytics/index/abs-price-index/