Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: This thesis is a description of how the first magnetically geared axial flux permanent magnet generator (MGAFG) is designed, constructed and experimentally evaluated. Magnetic gears (MGs) allow for contact-less power transfer and lubricant free operation, which may solve the reliability concerns with current mechanically geared wind energy converters. However, the complex structure of MGs may present serious challenges to its design. Thus, special care should be given to the mechanical layout and the electromagnetic influence of every component. The MGAFG can be configured to be magnetically coupled or decoupled. In the coupled configuration the permanent magnets (PMs) of the MG contribute to the total flux linkage in the PM generator (PMG). The coupled configuration is therefore more efficient. The processing time required to optimise the decoupled configuration is however much faster, since the MG and the PMG can be optimised separately. The optimised results show that a torque density in excess of 100kNm/m3 could be achieved, which is significantly higher than any of known electrical machines. However, owing to excessive losses in the mechanical support structures, the prototype exhibited lower torque density and poor efficiency. The design related aspects and issues are analysed and discussed in detail in an attempt to outline problem areas in the design process. Relevant recommendations are also given for future design improvements. The costs of magnetic material accounts for over fifty percent of the total cost of the prototype. Therefore to make the manufacturing of the MGAFG more economically viable magnetic material should be minimised in the design process. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis word die eerste magnetiese geratte aksiale vloed permanente magneet generator (MGAVG) ontwerp, vervaardig en eksperimenteel geëvalueer. In magnetiese ratte (MR) is daar geen kontak tussen werkende dele nie, daarom word geen smeermiddels benodig nie. Dit dra by tot die betroubaarheid van die ratkaste in wind energie generators en kan onderhoud grotendeels uitskakel. Die komplekse struktuur van magnetiese ratte kan egter die betroubaarheid van die ontwerp juis verswak. Daarom moet die meganiese uitleg noukeurig beplan word sodat dit nie die elektromagnetiese werking ondermyn nie. Die magnetiese rat (MR) en die permanente magneet generator (PMG) van die masjien kan magneties of sonder magnetiese koppeling verbind word. In die gekoppelde konfigurasie dra all die permanente magnete van die MR gesamentlik by tot die totale vloed-koppeling in die PMG. Wat die magnetiese gekoppelde konfigurasie meer doeltrefend maak. Minder tyd word benodig om die nie magnetiese gekoppelde konfigurasie te optimaliseer omdat die MR en die PMG apart geoptimaliseer kan word. Die optimale resultate toon dat ’n wringkrag van meer as 100kNm/3 bereik kan word, wat aansienlik beter is as die van bekende elektriese masjiene. Maar as gevolg van oormatige verliese in die meganiese strukture, toon die prototipe lae wringkrag digtheid en swak doeltreffendheid. Die ontwerp probleme word ontleed en bespreek in ’n poging om probleem areas in die ontwerp te identifiseer. Relevante aanbevelings word gegee vir toekomstige ontwerp verbeterings. Die koste van die magnetiese material verteenwoordig meer as vyftig persent van die vervaardigings koste van die prototipe. Koste kan bespaar word op die vervaardiging van die MGAVG deur die hoeveelheid magnete wat gebruik word te beperk.

Tato dizertační práce se zabývá návrhem původního motor-generátoru s axiálním tokem a buzením permanetními magnety, zkonstruovaným specificky pro hybridní elektrický autobus. Návrhové zadání pro tento stroj přineslo požadavky, které vedly k této unikátní topologii tak, aby byl dosažen výkon, účinnost a rozměry stroje. Tato partikulární topologie motor-generátoru s axiálním tokem je výsledkem literární rešerše, kterou následoval výběr koncepce stroje s představeným návrhem jako výsledkem těchto procesů. Přístup k návrhu stroje s axiálním tokem sledoval „multi-fyzikální“ koncepci, která pracuje s návrhem elektromagnetickým, tepelným, mechanickým, včetně návrhu řízení, v jedné iteraci. Tím je v konečném návrhu zajištěna rovnováha mezi těmito inženýrskými disciplínami. Pro samotný návrh stroje byla vyvinuta sada výpočtových a analytických nástrojů, které byly podloženy metodou konečných prvků tak, aby samotný návrh stroje byl přesnější a spolehlivější. Modelování somtného elektrického stroje a celého pohonu poskytlo představu o výkonnosti a účinnosti celého subsytému v rozmanitých operačních podmínkách. Rovněž poukázal na optimizační potenciál pro návrh řízení subsystému ve smyslu maximalizace účinnosti celého pohonu. Bylo postaveno několik prototypů tohoto stroje, které prošly intensivním testováním jak na úrovni sybsytému, tak systému. Samotné výsledky testů jsou diskutovány a porovnány s analytickými výpočty parametrů stroje. Poznatky získané z prvního prototypu stroje pak sloužily k představení možností, jak zjednodušit výrobu a montáž stroje v příští generaci. Tato práce zaznamenává jednotlivé kroky během všech fází vývoje elektrického stroje s axiálním tokem, počínaje výběrem konceptu stroje, konče sumarizací zkušeností získaných z první generace prototypu tohoto stroje.