I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7 ,   p p .   23 1 ~ 23 8   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v8 i 1 . p p 2 3 1 - 238          231       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JP E DS   Desig n and  Inv est ig a tion o O u ter Ro tor Pe r m a ne nt  Ma g net  Flux Sw itching M a chine f o Do w nh o le Applicatio n       Ra j esh   K u m a r 1 ,   E rw a n Sul a i m a n 2 ,   M a hy uzie  J ena l 3 ,   L a i li Iw a ni J us o h 4 ,   F a t iha Sh a f iqa h B a hri m 5   1, 2, 3, 4 , 5   Re se a rc h   Ce n ter f o A p p ied   El e c tro m a g n e ti c s,  Un iv e rsit y   o T u n   Hu ss e in   O n n   M a lay si a   (UTHM )   L o c k e d   Ba g   1 0 1 ,   P a rit   Ra ja  8 6 4 0 0 ,   Ba tu   P a h a t,   J o h o r,   M a lay sia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  10 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   Dec   16 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   Dec   2 6 ,   2 0 1 6       P e rm a n e n m a g n e f lu x   s w it c h in g   m a c h in e   (P M F S M is  a   j o in v e n tu re   o f   sw it c h   re lu c tan c e   m a c h in e   (S RM a n d   p e rm a n e n m a g n e s y n c h ro n o u s   m a c h in e   (P M S M ).   It  h a b e c o m e   a   p ro m in e n re se a r c h   to p ic  f o v a rio u a p p li c a ti o n b e c a u se   o f   ro b u st  ro to stru c t u re ,   h ig h   to r q u e   a n d   p o w e d e n siti e b u f e w   w e re   d e v e lo p e d   f o d o w n h o le  a p p li c a ti o n m a in ly   d u e   to   h a rsh   e n v iro n m e n tal  c o n d it i o n s.  F o rm e rl y ,   m o st  o f   d e v e lo p e d   P M F S M f o r   d o w n h o le  a p p li c a ti o n w e re   m a i n ly   c o n c e n trate d   o n   in n e r - ro t o t y p e   d e si g n ,   a n d   d if f icu lt   to   f in d   re se a rc h   w o rk   o n   o u ter - ro to c o n f ig u ra ti o n .   T h e re f o re ,   th is  p a p e in tr o d u c e th e   d e sig n   a n d   i n v e stig a ti o n   o f   P M F S M   w it h   o u ter - ro to c o n f ig u ra ti o n   f o d o w n h o le  a p p li c a ti o n .   P rim a ril y ,   th e   g e o m e tri c   to p o lo g y   o f   p ro p o se d   d e sig n   is  d e sc rib e d   in   d e tail.   T h e n ,   th e   n o   l o a d   a n d   lo a d   a n a ly sis a re   i m p le m e n ted   in   o rd e r   to   i n v e stig a te t h e   in it ial  p e rf o rm a n c e   o f   th e   p ro p o se d   d e sig n .   K ey w o r d :   Do w n h o le  ap p licatio n   Flu x   s w i tch i n g   Hig h t to r q u e   Ou ter   r o to r   P er m a n en m a g n e t   Co p y rig h ©   201 7   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   E r w a n   Su lai m a n   R esear ch   C en ter   f o r   A p p ied   E lectr o m ag n etic s ,     Un i v er s it y   o f   T u n   H u s s ei n   On n   Ma la y s ia  ( UT HM ) ,   L o ck ed   B ag   1 0 1 ,   P ar it R a j 8 6 4 0 0 ,   B atu   P ah at,   J o h o r ,   Ma lay s ia .   E m ail:  er w a n @ u t h m . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   I n d u ctio n   m o to r s   h a v b ee n   w id el y   e m p lo y ed   i n   d o w n h o l e   ap p licatio n   to   d r iv e   s u b m er s ib le  p u m p s   b ec au s t h e y   ar r o b u s t,  co s t   ef f ec tiv e   a n d   ea s y   to   m ai n tai n   [ 1 ] .   Ho w e v er ,   th e y   ar i n co m p eten to   f u l f ill   th e   r eq u ir e m en ts   o f   h i g h er   p o w er   d en s it ies,  h i g h er   e f f icie n cies   an d   b etter   co n tr o llab ilit y   w h en   co m p ar ed   w it h   p er m a n e n m a g n et  s y n c h r o n o u s   m ac h in e s   as  s h o w n   i n   T ab le   1 .   [ 2 ] .   I n   s p ite  o f   th ese  ad v an ta g e s ,   f e w   w er e   d esig n ed   f o r   d o w n h o le  ap p licatio n   b ec au s o f   h ig h   a m b ien te m p er atu r e s   in   d ee p   r eser v o ir s   an d   lo w   te m p er atu r s tab ilit y   o f   p er m an e n m ag n et  m ater ials   wh ich   cr ea tes  d e m a g n etiza tio n   ef f ec t s   in   m ac h i n e   o p er atio n   [ 3 ] .   R ec en t   ad v a n ce m en t   i n   p er m an e n t   m ag n et  ( P M)   tec h n o lo g ies   p er m it s   o p er atio n   at  h ig h er   te m p er atu r es  w i th o u p er m a n en m a g n etiza tio n   lo s s   [ 4 ] .   T h er ef o r e,   it  is   i n cr ea s i n g l y   i n t er esti n g   o p p o r tu n it y   f o r   o il a n d   g as secto r s   to   d ev el o p   p er m an e n m ag n et  m ac h i n es f o r   d o w n h o le  ap p licatio n .   T h p er m a n en m ag n et  f l u x   s w itc h i n g   m ac h in is   a n   u n f a m iliar   t y p o f   P m ac h i n es  co m p r i s i n g   a   p ass iv a n d   r o b u s s alie n p o l r o to r   an d   co m p le x   s al ien p o le  s tato r   w ith   ar m at u r w i n d in g   an d   p er m a n e n t   m ag n et s .   T h f ir s t   P MFSM  w a s   p r ese n ted   as   s in g le  p h ase  a lter n ato r   i n   1 9 5 5   s h o w n   i n   Fi g u r e   1 ( a) e m p lo y i n g   lo w   p er f o r m a n ce   m ag n et  m ater ial  [ 5 ] ,   w h i le  Fi g u r 1 ( b )   d ep icts   th r ee   p h ase  b r u s h les s   m ac h i n w a s   f ir s p r esen ted   in   1 9 9 7   [ 6 ] .   C o n te m p o r ar y ,   th er h av b ee n   r en e w ed   r esear ch   in ter est  P MFSM,   ap p ar en tl y   d u to   n u m b er   o f   p er ce iv ed   b en ef its .   Si n ce   all  ac tiv p ar ts   s u c h   as  p er m an en m a g n et  a n d   ar m atu r e   w i n d in g s   ar all   p lace d   o n   t h s tato r ,   s i m p le  y et   ef f icie n t   m ac h i n e.   T h u s ,   co o lin g   ca n   b ea s il y   i m p le m en ted   [ 7 ] .   Fu r t h er m o r e,   ad d itio n al  ad v a n ta g es   s u ch   as  r o b u s r o to r   s tr u c tu r e,   h i g h   to r q u a n d   f lu x   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     23 1     23 8   232   d en s itie s ,   h i g h   e f f icien c y   a n d   b etter   f lu x   w ea k e n i n g   ab ili t y   ar co m p r e h en s iv e l y   e x a m i n ed   an d   v er i f ied   f o r   n u m b er   o f   ap p licat io n s   [ 8 ] - [ 1 0 ] .   P lacin g   th e   r o to r   o n   t h o u ter   s u r f ac w i ll  g e n er ate  m o r e   to r q u e,   co m p ar ed   to   t h co n v e n ti o n al  i n n e r   r o to r   [ 1 1 ] .   Ho w e v er ,   r esear ch   o n   th P MFSM  h as  m ain l y   f o cu s ed   o n   th elec tr o m a g n etic  an al y s is   a n d   o p tim izatio n   o f   t h i n n er   r o t o r   ty p [ 1 2 ] - [ 1 4 ] ,   w it h   b ar el y   p aid   an y   atte n tio n   to   t h o u ter   r o to r   P MFSM.   R ec en t l y ,   f e w   o u ter   r o to r   P M FS Ms  w er d ev elo p ed   esp ec iall y   f o r   lig h t tr ac tio n s   ap p licati o n s   [ 1 5 ] - [ 1 6 ] .   T h is   p ap er   m ai n l y   f o cu s es  o n   t h d esi g n   a n d   i n v e s ti g atio n   o f   o u ter   r o to r   P MFSM  f o r   d o w n h o l ap p licatio n .   I n   Sectio n   2 ,   f ir s t l y   t h m ac h i n d esig n   tec h n iq u is   i n tr o d u ce d .   T h en ,   th r el atio n s h ip s   b et w ee n   d if f er e n m ac h in p ar a m eter s   ar d ev elo p ed .   I n   Sectio n   3   o u ter   r o to r   P MFSM  is   a n al y ze d   u n d er   n o   lo ad   co n d itio n   s u c h   a s   f l u x   li n k a g e,   co g g i n g   to r q u e,   a n d   b ac k   elec tr o m o t iv e   f o r ce   ( E MF) .   Fin a ll y ,   th e   lo ad   an al y s is   i s   ca r r ied   o u t in   Sect i o n   4 .       T ab le  1 .   P er f o r m a n ce   co m p ar i s io n   [ 2 ]   P e r f o r man c e   I n d u c t i o n   M o t o r   P M S M   P o w e r   D e n si t y   N e u t r a l   V e r y   G o o d   Ef f e c i e n c y   G o o d   V e r y   G o o d   R e l i a b i l i t y   V e r y   G o o d   N e u t r a l   T e c h n i c a l   M a t u r i t y   G o o d   N e u t r a l   C o n t r o l l a b i l i t y   N e u t r a l   G o o d               Fig u r 1 ( a)   Sin g le  p h a s alte r n ato r   ( b )   T h r ee   p h ase  b r u s h le s s   m ac h i n e       2.   G E O M E T R I T O P O L O G Y   T h o u ter   r o to r   P MFSM  h as   d o u b ly   s alie n s tr u ct u r w i t h   n o v el  to p o lo g y .   T h f lu x   s w i tch i n g   th eo r y   f o r   elec tr ic  m ac h i n o r ig i n ates  f r o m   v ar iatio n   o f   b o th   a m p lit u d an d   p o lar it y   o f   f l u x   li n k ag e s   in   t h e   ar m atu r w in d i n g   i n   ac co r d an ce   w it h   r o to r   p o s itio n .   F ig u r e   2 ( a) ,   s h o w s   cr o s s   s ec tio n al   v ie w   o f   o u ter   r o to r   P MFSM.   E ac h   s tato r   s lo co n s is ts   o f   t w o   ir o n   teet h   an d   r ec tan g u lar   p er m a n en m a g n et  s a n d w ich ed   b et w ee n   th e m ,   a n d   g r asp ed   b y   co n ce n tr ated   ar m at u r w i n d in g s ,   w h ile   r o to r   p o le  is   s i m p l y   f o r m ed   with   an   i r o n   to o th .   T h k e y   d esi g n   p ar a m eter s   o f   o u ter   r o to r   P MFSM  ar b o u n d ed   b y   g eo m etr ic   r elati o n s h ip   ar co n s tr u ed   in   m ag n i f ied   lo ca s tr u ctu r e   as  s h o w n   i n   Fi g u r e   2 ( b ) .   T h s tato r   s lo s h o u ld   b ev e n   m u ltip le  o f   p h ase  n u m b er s .   T h u s ,   th r elat io n s h ip   b et w ee n   s tato r   s lo n u m b er   a n d   N s   r o to r   p o le  n u m b e r   N r   is   [ 1 7 ] .     6 * ) 12 ( s N n N r   ( 1 )     W h er n   is   an   i n teg er   ( p o s itiv e)   w h ic h   s h o u ld   n o b m u l tip le  o f   th r ee .   To   o b tain   ze r o   r esu lta n m a g n etic   f o r ce ,   N r   is   c h o s en   to   b e   an   e v en   n u m b er .   T h k e y   d esi g n   p ar am eter s   s u ch   a s   s ta to r   to o th   w id t h   ar β s ,   r o to r   p o le  w id th   ar β r   p er m a n en m ag n et  w id t h   ar β p m   an d   s ta to r   ar m atu r s lo w id th   ar c   β slot   i n i tiall y   s et  as      s s l o t pm s r N 3 3   ( 2 )     On   t h o th er   h a n d ,   ad d itio n al  r elatio n s h ip   b et w ee n   s tato r   in n er   r ad iu s   R si, ,   an d   o u ter   r ad iu s   R so s tato r   b ac k   len g th   h ys   a n d   r o to r   y o k len g th   h yr   ar o r ig in a ll y   f i x ed   as    ( a )   ( b )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   a n d   I n ve s tig a tio n   o f O u ter R o to r   P erma n en t Ma g n et   F lu S w itch in g   Ma ch in e   fo r   . . . .   ( R a jesh   K u ma r )   233   2 so si R R   ( 3 )     ys yr h h * 5 . 1   ( 4 )     A d d itio n al l y ,   to   o b tain   s u f f ici en t r o to r   s alien c y ,   t h r o to r   p o le  h eig h t   h pr   is   s et  as      8 so pr R h   ( 5)     Mo r eo v er ,   s tato r   s lo w i n d in g   ar ea   A s lo t c a n   b d eter m in ed   as      s s so s l o t N N R A t a n 2 2 s i n 2 2   ( 6 )     I n   ad d itio n ,   n u m b er   o f   t u r n s   N a   f o r   o n s tato r   s lo t a n d   p ea k   i n j ec ted   c u r r en I m   in   ea ch   co il  ca n   b ca lcu lated   as      d A N s lo t a 2 * 2   ( 7 )     a s l o t a m N α A J I 2 * *   ( 8 )     W h er e,   α   is   f illi n g   f ac to r ,   d   is   th d ia m eter   o f   w ir a n d   J a   is   t h p ea k   in j ec ted   cu r r en t d en s it y Fi n all y ,   t h r o to r   o u ter   r a d iu s   ca n   b d er iv ed   as     g R N R so s ro * 2 8 9   ( 9 )     W h er e,   is   th air   g ap .   T ab le   2 ,   s h o w s   k e y   g eo m etr ic  p ar a m eter s   o f   o u ter   r o to r   P MFSM  th at  ar ca lcu lated   th r o u g h   ab o v m en tio n ed   eq u atio n s .                                    Fig u r 2 ( a)   Key   d esi g n   p ar a m eter es   ( b )   C r o s s   s ec tio n al  v i e w     T ab le  2 Desig n   s p ec i f icatio n   o f   o u ter   r o to r   P MFSM    R o t o r   PM   W i n d i n g s   S t a t o r   β s   β pm   β r   β s lot   h ys   h yr   h pr   A1   A1   C1   C1   B1   B1   C2   C2   A2   A2   A3   A3   B3     B2   B2   B4     C3   C4   C3   C4   A4   B3     A4   B4     R ro   R so   ( a )   ( b )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     23 1     23 8   23 4   P a r a me t e r s   A b b r e v i a t i o n   V a l u e   U n i t s   S t a t o r   S l o t   N u mb e r   Ns   12     R o t o r   P o l e   N u mb e r     Nr   22     R o t o r   O u t e r   R a d i u s   R r o   5 0     mm   R o t o r   I n n e r   R a d i u s   R r i   4 0 . 5     mm   S t a t o r   I n n e r   R a d i u s   R si   2 0     mm   S t a t o r   O u t e r   R a d i u s   R so   40   mm   S t a t o r   B a c k   L e n g t h     h y s   3   mm   R o t o r   Y o k e   L e n g t h     h y r   4 . 5   mm   R o t o r   P o l e   W i d t h     β r   3 . 4 9   mm   S t a t o r   T o o t h   W i d t h   β s   3 . 4 9   mm   P e r man e n t   M a g n e t   W i d t h     β pm   3 . 4 9   mm   S l o t   A r e a     A s l o t   5 0 . 7 3 2   mm 2   A i r   G a p   g   0 . 5   mm   S t a c k   L e n g t h     l   2 0 0   mm   N u mb e r   o f   T u r n s   Na   33     S y n c h r o n o u s S p e e d   ɷ   1 0 0 0   r p m   A r mat u r e   C u r r e n t   D e n si t y   Ja   30   A / mm 2   S p l i t   R a t i o   λ   0 . 8         3.   O P E CIRC UI T   ANA L YSI S   T h is   s ec tio n   i n cl u d es  co m p r e h en s i v d is cu s s io n   o f   o u ter   r o to r   P MFSM  f o r   d o w n h o le   a p p licatio n   u n d er   n o   lo ad   co n d itio n   s u c h   as  co il  te s ar r ag e m e n t,  f l u x   li n a n d   d is tr ib u tio n ,   co g g i n g   t o r q u an d   i n d u ce d   v o ltag e s .     3 . 1 .   O pera t ing   P rinciple    T h p r in cip le  o f   o p er atio n   f o r   o u ter   r o to r   P MFSM  f o r   d o w n h o le  ap p licatio n   is   v er if ied   b y   co il  tes t   ar r an g e m en t.  I n   b alan ce d   th r ee   p h ase  ( 3 )   s y s te m ,   t h t h r ee   p h ases   o f   1 2   ar m at u r co ils   ar d eter m i n ed   b y   in s p ec ti n g   th m a g n etic  f l u x   lin k a g o n   ea ch   o f   ar m at u r co il.  T h ar m atu r cu r r en t   d en s it y   w as  s e at   0 A / m m 2   s o   th a t h to tal   f lu x   is   g e n er ated   b y   P o n l y .     T h er ef o r e,   b y   r ev o lv in g   t h r o t o r   at  th e   s p ee d   o f   1 0 0 0 r /m in ,   t h f l u x   li n k a g o n   ar m a tu r co ils   i s   s h o w n   i n   T a b le   3.   T h 3   f l u x   li n k ag e   is   p lo tted   in   Fig u r 3 ,   w h e n   t h p o lar it y   a n d   p h a s o f   t h e n tire   ar m at u r co il   h as  b ee n   d iag n o s ed .   Fro m   th f i g u r e,   it  ca n   b o b s er v ed   th at  th r esu l tin g   a m p l itu d o f   t h P g en er ated   f lu x   is   ab o u t 0 . 0 9 W b   th at  is   s u f f ic i en t f o r   m o to r   o p er atio n .   A p ar t   f r o m   th is   it  h as a l m o s t s in u s o i d al  w av e f o r m .       T ab le  3 .   P h ase  r ep r esen tatio n   o f   ar m at u r co il     P h a se   A r mat u r e   C o i l   U   A 1 ,   A 2 ,   A 3 ,   A 4   V   B 1 ,   B 2 ,   B 3 ,   B 4   W   C 1 ,   C 2 ,   C 3 ,   C 4           Fig u r 3 T h r ee   p h ase  f lu x   li n k ag     - 0 . 1 - 0 . 0 7 5 - 0 . 0 5 - 0 . 0 2 5 2 . 8 E- 1 6 0 . 0 2 5 0 . 0 5 0 . 0 7 5 0 . 1 0 30 60 90 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 U V W F l u x   [ W b ]   El e c t r i c   C y c l e   [ o ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   a n d   I n ve s tig a tio n   o f O u ter R o to r   P erma n en t Ma g n et   F lu S w itch in g   Ma ch in e   fo r   . . . .   ( R a jesh   K u ma r )   235   3 . 2 .   Co g g ing   T o rque   I is   also   ca lled   a s   d eten o r   'n o - cu r r en t to r q u th a cr ea tes  n o is an d   v ib r atio n   i n   m ac h i n o p er atio n .     T h P g en er ated   co g g i n g   to r q u an al y s i s   f o r   o n elec tr ica c y cle  i s   s h o w n   i n   Fi g u r 4 T h co g g i n g   to r q u w a v e f o r m   h a s   6   n u m b er s   o f   c y cles t h at  ar ca lcu la ted   as [ 1 8 ] .        N N H C F N N s r r p   ( 1 0 )       N N N N r s p e   ( 1 1 )     W h er e,   HC F   is   t h h i g h e s co m m o n   f ac to r ,   N p   i s   th co n s ta n a n d   N e   is   th n u m b er   o f   co g g i n g   to r q u c y c les.   Mo r eo v er ,   it  is   o b s er v ed   f r o m   th g r ap h   th at  th p ea k   to   p ea k   co g g i n g   to r q u is   ab o u 3 . 2 N m .   T h is   s i m u lated   d esig n   h a s   lo w   co g g i n g   to r q u w h ic h   is   d esira b le  f o r   m ac h i n o p er atio n .             Fig u r 4 C o g g in g   to r q u w av ef o r m           3 . 3 .   F lux   L ines   a n d Distr ib utio n   T h p u r p o s o f   f l u x   li n es  i s   to   m o n i to r   th f lo w   o f   f l u x ,   w h i le  f l u x   d is tr ib u t io n   r e f lects  th e   ef f ec o f   f l u x   s a tu r atio n   in   t h m ac h i n e.   Fig u r 5 ( a)   d e p icts   th at,   th f l u x   li n es  tr a v el   f r o m   s tato r   teet h   to   r o to r   p o le  an d   r eb o u n d   b ac k   f r o m   n ea r est  r o to r   p o le,   in   o r d er   t o   m ak f u l cy cle s .   A p p ar en tl y ,   th i n iti al  d esig n   h a s   m o r e   f l u x   leak a g e,   w h ic h   d i s to r ts   t h f l u x   f lo w   f r o m   s tato r   co r to   r o to r   an d   v i ce   v er s a.   F u r th er m o r e,   th e   m ax i m u m   f l u x   d en s it y   o f   2 . 3 6 T   v alu m ea s u r ed   in   Fi g u r 5 ( b ) .             Fig u r 5 ( a)   Flu x   L i n es ( b )   Flu x   D is tr ib u tio n     -2 - 1 . 5 -1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 2 0 30 60 90 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 C o g g i n g   To r q u e ( a )   ( b )   T o r q u e   [ N m]   El e c t r i c   C y c l e   [ o ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     23 1     23 8   236   3 . 4 .   I nd uce d Vo lt a g es   Fu r t h er   ex a m i n atio n   o f   th p r o p ec tiv e   d esig n   o n   b ac k   E M F   in   n o   lo ad   co n d itio n   i s   ca r r ied   o u at  th e   s p ee d   o f   1 0 0 0   r /m .   T h r esu lt s   o b tain ed   f o r   b ac k - e m f   ar p lo tted   in   Fi g u r e   6.   I n itiall y ,   li n an d   p h ase  v o ltag e s   of   th e   p r o p o s ed   d esig n   ar ap p r o x i m atel y   3 5 5 . 4 an d   2 0 5 . 2 r esp ec tiv e l y .   T h h i g h   v alu es o f   b ac k   E M F c a n   b f u r t h er   r ed u ce d   u s i n g   d esi g n   r ec tif ica tio n   m et h o d s .   Ho w er v er ,   it  h as  f a v o r ab le  s in u s o id al  w a v ef o r m   d u e   less   h ar m o n ic  d is to r tio n .             Fig u r 6 I n d u ce d   v o ltag e s   o f   1 2 s - 22p       4.   CL O S E CIR CUI T   ANA L YSI S   T h is   s ec tio n   co v er s   lo ad   in v es tig atio n   o f   o u ter   r o to r   P MFSM  f o r   d o w n h o le  ap p licatio n   wh ich   in cl u d es to r q u es a t v ar io u s   ar m at u r cu r r en t d en s tie s ,   to r q u an d   p o w er   v er s u s   s p ee d .       4 . 1 .   Av er a g O utput   T o rque  v er s us   Ar m a t ure  C urre nt  Den s i t ies   T h e   av er ag elec tr o m ag n etic  t o r q u o f   p r o p o s ed   d esig n   ca n   b ca lcu lated   as     l R A J B K N T so s l o t a g d r a v g 8     ( 1 2 )     W h er B g   air   g ap   f lu x   d en s it y   at  n o   lo ad   c o n td itio n ,   K d   is   le ak ag f ac to r   w h ic h   is   tak e n   as   0 . 7 5 .   T h o b tain ed   r esu lts   f r o m   ca lc u lat i o n   an d   s i m u latio n   ar p lo tted   in   Fi g u r 7 ,   in   w h ic h   ar m atu r cu r r en d en s it y   is   v ar ied   f r o m   0 A / m m 2   to   3 0 A / m m 2 .   T h m a x i m u m   s i m u late d   an d   ca lcu latd   to r q u o f   7 5 . 3 0 N m   an d   9 3 . 0 9 Nm   r esp ec tiv el y   ar o b tain ed   at   3 0 A / m m 2 ,   f o r   d o w n h o le  ap p licatio n   t h ar m at u r cu r r e n t   d en s it y   is   k ep at   5 A / m m 2   a n d   av er a g o u tp u t   to r q u th r o u g h   s i m u latio n   an d   ca lcu latio n   ar f o u n d   to   b 1 6 . 3 9 Nm   a n d   1 5 . 5 1 Nm   r esp ec tiv el y .         Fig u r 7 Av er ag to r q u at  v a r io u s   ar m at u r cu r r en t d e n s it ie s       - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 0 30 60 90 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 Li n e P h a se 0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 30 C a l c u l a t e d S i mu l a t e d El e c t r i c   C y c l e   [ o ]   V o l t a g e s [ V ]   C u r r e n t   D e n si t y   [ A / mm 2 ]   T o r q u e   [ N m]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   a n d   I n ve s tig a tio n   o f O u ter R o to r   P erma n en t Ma g n et   F lu S w itch in g   Ma ch in e   fo r   . . . .   ( R a jesh   K u ma r )   237     4 . 2 .   T o rque  a nd   P o w er   v er s us   S peed  Cha ra ct er is t ics   Fo r   p r o p o s ed   o u ter   r o to r   P M FS M,   th to r q u an d   p o w er   v er s u s   s p ee d   cu r v is   p lo ted   in   Fig u r 8 .   T h s o lid   b lu e   li n i n d icate s   t h to r q u e - s p ee d   c u r v e,   w h i le  r ed   lin e   r ep r esen ts   t h p o w er   c u r v e.   Fo r   p r o p o s ed   d esig n ,   at  b ase  s p ee d   1 1 0 8 . 1 r p m ,   t h to r q u o b tain ed   is   7 5 . 0 3 Nm   w h ile  co r r esp o n d in g   m a x i m u m   p o w er   o b tain ed   f r o m   p r eli m i n ar y   d es ig n   i s   8 . 7 3 k W .         Fig u r 8 T o r q u   p o w er   a g ai n s s p ee d   cu r v e       5.   CO NCLU SI O N   I n   th i s   r esear ch   p ap er ,   d esig n   an d   an al y s i s   o f   o u ter   r o to r   P M FS f o r   d o w n h o le   ap p licatio n   h a s   b ee n   in tr o d u ce d .   Firstl y ,   d esi g n   p r o ce d u r f o r   p r o p o s ed   m ac h in h as   b ee n   d escr ib ed   co m p r e h en s i v el y .   T h e n ,   t h e   n o   lo ad   an d   lo ad   test s   w er e x ec u ted   i n   o r d er   to   o b s er v t h in it ial  p er f o r m a n ce   o f   th m ac h in e.     Fro m   t h e   r esu lt s   th a h a v b ee n   o b tai n e d ,   it  ca n   b co n clu d ed   t h at  t h e   in itial   p er f o r m a n ce   o f   t h m a ch in e   ca n   f u r th er   b i m p r o v ed   th r o u g h   d es ig n   r ef i n e m en t a n d   o p ti m izat io n   p r o ce s s .       ACK NO WL E D G E M E NT   T h is   r esear ch   w o r k   w as  s u p p o r ted   b y   R esear c h ,   I n n o v atio n ,   C o m m er cial izatio n   a n d   C o n s u lta n c y   ( OR I C C )   UT HM ,   B atu   P ah at  u n d er   Vo t n u m b er   U5 1 9   an d   Min i s tr y   o f   H ig h er   E d u ca tio n   Ma la y s ia  ( MO HE ) .     RE F E R E NC E S   [1 ]   A.   Ch e n ,   e a l . ,   Re v iew   o f   El e c tri c a M a c h in e i n   Do w n h o le  A p p li c a ti o n   a n d   T h e ir  A d v a n tag e s,”   13 th   In ter n a t io n a Po we r E lec tro n ics   a n d   M o ti o n   C o n fer e n c e ,   P o z n a n ,   P o lan d ,   2 0 0 8 .         [2 ]   A.   Ch e n ,   e a l. In v e stig a ti o n   o f   a   T h re e   P h a se   F lu x   S w it c h in g   P e rm a n e n M a g n e M a c h in e   f o Do w n h o le  A p p li c a ti o n s ,   20 th   I n ter n a ti o n a l   Co n fer e n c e   o n   El e c trica M a c h in e s ,   Ro m e 2010 .   [3 ]   T .   F in k e n   a n d   K.   Ha m e y e r,   D e sig n   o f   El e c tri c   M o to rs  f o Hy b rid   El e c tri c   V e c h il e   A p p li c a ti o n s ,   ICEM S   2 0 0 9 ,   T o k y o ,   Ja p a n ,   No v   1 5 - 1 8 ,   2 0 0 9 .     [4 ]   M .   J.  M e lf i ,   e a l. I n d u c ti o n   v e rsu s p e rm a n e n m a g n e m o to rs ,   IEE In d u stri a A p p li c a ti o n   M a g a zin e 2 0 0 9 .     [5 ]   S .   E.   Ra u c h   a n d   L .   J.  Jo h n so n ,   De sig n   P rin c i p le  o f   F l u x   S w it c h in g   A lt e rn a to rs,”  IEE T ra n s a c ti o n   o n   Po we r   Ap p li c a ti o n S y ste ms   III ,   v o l /i ss u e :   74 ( 3 ) ,   p p .   1 2 6 1 - 1 2 6 8 ,   1 9 5 5 .   [6 ]   E.   Ho a n g ,   S w it c h in g   F lu x   P M   P o ly p h a se d   S y n c h ro n o u M a c h in e s,”  7 th   E u ro p e a n   Co n fer e n c e   o n   P o we r   El e c tro n ics   Ap p li c a ti o n s ,   v o l.   3 ,   p p .   9 0 3 - 9 0 8 ,   1 9 9 7 .   [7 ]   Z.   Q.  Zh u ,   e a l. ,   A n a l y sis  o Eec tro m a g n e ti c   P e rf o r m a n c e   o f   F lu x   S w it c h in g   P M   M a c h in e   b y   No n - L in e a r   A d a p ti v e   L u m p e d   P a ra m e ter M a g n e ti c   Circu it   M o d e l,   IEE E   T ra n s a c ti o n   o n   M a g n e ti c s ,   v o l / issu e :   41 ( 11 ) 2 0 0 5 .     [8 ]   E.   B.   S u laim a n   a n d   T .   Ko sa k a ,   De v e lo p m e n o f   Hig h   T o rq u e   a n d   Hig h   P o w e De n sity   H y b rid   Ex c it a ti o n   F l u x   S w it c h in g   M o t o f o T ra c ti o n   Dri v e   in   Hy b rid   El e c tri c   V e h icle s,”  En e rg y   a n d   Po we r E n g i n e e rin g 2 0 1 3 .   [9 ]   C.     S .   W a lt e r,   e t   a l . ,   Hig h   T o rq u e   De n sit y   Hig h   E ff icie n c y   F lu x   S w it c h in g   M a c h in e   f o A e ro sp a c e   A p p li c a ti o n s ,   IEE J o u rn a l   o f   Eme rg in g   a n d   S e lec ted   T o p ics   i n   P o we r E lec tro n i c s v o l /i ss u e :   1 ( 4 ) ,   p p .   3 2 7 - 3 3 6 ,   2 0 1 3 .   [1 0 ]   Z.   Q.  Zh u ,   e a l . ,   A n a l y sis  o f   a   No v e M u lt T o o t h   F l u x   S w it c h in g   P M   Bru sh les A M a c h in e   fo Hig h   T o rq u e   Dire c Driv e   A p p li c a ti o n s,”  IE EE   T ra n s a c ti o n   f o r M a g n e ti c s ,   v o l /i s su e :   44 ( 11 ) ,   p p . 4 3 1 3 - 4 3 1 6 ,   2 0 0 8 .   [1 1 ]   C.   V.  A ra v in d ,   e a l . ,   Do u b le  R o to S w it c h e d   Re lu c tan c e   M o to rs F u n d a m e n tals  a n d   M a g n e ti c   Cir c u it   A n a l y sis” .   IEE S COR ED ,   Ku a lalu m p u r,   M a la y sia ,   p p .   2 9 4 - 2 9 9 ,   2 0 1 1 .   [1 2 ]   T .   Ra m in o so a ,   e a l . ,   De sig n   C o n sid e ra ti o n   f o a   F a u lt   T o lera n t   F lu x   S w it c h in g   P e rm a n e n M a g n e M a c h in e ,   IEE tra n sa c ti o n   o n   In d u stri a El e c tro n ics ,   v o l /i ss u e :   58 ( 7 ) ,   p p .   2 8 1 8 - 2 8 2 5 ,   2 0 1 0 .   0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 S pe e v T o r qu e S pe e v P o we r T o r q u e   [ N m]   P o w e r   [ k W ]   S p e e d   [ r p m ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     23 1     23 8   238   [1 3 ]   M .   Ch e n g ,   e a l No n li n e a V a r y in g   Ne t w o rk   M a g n e ti c   Circu it   A n a l y si f o Do u b ly   S a li e n P e r m a n e n M a g n e M o to rs ,   IEE T ra n s a c ti o n s o n   M a g n e ti c s ,   v o l.   3 6 ,   p p .   3 3 9 - 3 4 8 ,   2 0 0 0 .   [1 4 ]   R.     L .   O w e n ,   e a l . ,   A lt e rn a te  P o les   W o u n d   F lu x - S w it c h in g   P e r m a n e n t - M a g n e Bru sh les A M a c h in e s, ”  IEE T ra n sa c ti o n o n   In d u stri a A p p l ica ti o n s ,   v o l / issu e :   46 ( 2 ) ,   p p   7 9 0 - 7 9 7 ,   2 0 1 0 .   [1 5 ]   Y.  W a n g ,   e a l . ,   A n   Ou ter  Ro t o F lu x - S w it c h in g   P e rm a n e n M a g n e M a c h in e   f o T r a c ti o n   A p p li c a ti o n s,”  IEE E   En e rg y   Co n v e rs io n   C o n g re ss   a n d   Exp o siti o n ,   p p .   1 7 2 3     1 7 3 0 ,   2 0 1 0 .   [1 6 ]   W .   F e i,   e a l . ,   A   No v e P e rm a n e n M a g n e F lu x   S w it c h in g   M a c h in e   f o Urb a n   El e c tri c   V e h icle   P r o p u lsio n ,   3 rd   In ter n a t io n a C o n fer e n c e   o n   P o w e r   El e c tro n ics   S y ste m a n d   A p p l ica ti o n s ,   2 0 0 9 .      [1 7 ]   W .   F e i,   e a l . ,   A   No v e P e rm a n e n M a g n e F l u x   S w it c h in g   M a c h in e   w it h   a n   Ou ter  Ro t o Co n f ig u ra ti o n   f o in   W h e e L i g h T ra c ti o n   A p p li c a ti o n s,”  IEE T ra n sa c ti o n   o n   In d u stry   Ap p li c a ti o n s v o l.   4 8 ,   p p .   1 4 9 6 - 1 5 0 6 ,   2 0 1 2 .       [1 8 ]   M .   W a ll a c e ,   T h e   N e w   F lu x   S w it c h in g   M o t o   A   DC  M o to r   w it h o u Bru sh e s , ”  Ph . T h e sis ,   Un iv e rsit y   o W a r w ic k ,   P o lan d ,   2 0 0 0 .     B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS          Ra jes h   Ku m a w a b o rn   o n   3 rd   S e p tem b e 1 9 9 2   a Um e rk o t ,   P a k istan .   He   o b tain e d   h i s   in term e d iate   e d u c a ti o n   f ro m   h is  h o m e to w n   w h il e   h e   re c e i v e d   B. in   in d u strial  e lec tro n ics   f ro m   In stit u te   o f   In d u strial   El e c tro n ic En g in e e rin g ,   Ka ra c h i,   P a k istan   i n   2 0 1 3 .   He   is  c u rre n tl y   e n ro ll e d   i n   M . a De p a rtm e n o f   El e c tri c a P o w e En g in e e rin g ,   Un iv e rsit y   T u n   Hu ss e in   On n   M a la y sia .   His  re s e a rc h   in ten ti o n a re   m a in l y   f o c u se d   o n   d e sig n   a n d   m o d e li n g   o f   p e rm a n e n m a g n e f lu x   s w it c h in g   m a c h in e s (P M F S M s) .         Erw a n   S u laim a n   w a b o rn   i n   Jo h o r,   M a lay si a ,   o n   A u g u st  3 1 ,   1 9 7 8 .   He   re c e iv e d   h is  B. a n d   M . d e g re e in   El e c tri c a En g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsit y   o f   M a la y a   in   2 0 0 1   a n d   Un iv e rsity   T u n   Hu ss e in   On n   M a lay sia   (U T HM)  in   2 0 0 4 .   He   g o t   Do c to r   De g re e   in   El e c tri c a En g in e e rin g   f ro m   Na g o y a   In stit u te o f   T e c h n o lo g y   ( NIT ),   Ja p a n   in   2 0 1 2 .   Cu rre n tl y ,   h e   is  se r v in g   a a n   a ss o c iata te   p ro f e ss o a De p a rt m e n o f   El e c tri c a P o w e En g in e e rin g ,   Un iv e rsit y   T u n   Hu ss e in   On n   M a la y sia .   His  re se a rc h   in tere sts   in c o rp o ra te  d e sig n   o p t im iza ti o n o f   HEF S M ,   W F F S M ,   i n   p a rti c u lar,  f o HE V   d riv e   a p p li c a t io n s.       M a h y u z ie  Je n a g o h is  b irt h   i n   Jo h o r ,   M a lay sia ,   o n   De c e m b e 4 ,   1 9 7 7 .   He   g o h is  B. a n d   M . d e g re e in   El e c tri c a En g i n e e rin g   f ro m   Un iv e r siti   T e k n o lo g M a lay sia   in   2 0 0 0   a n d   Un iv e rsiti   T u n   Hu ss e in   On n   M a l a y sia   (U T HM)  in   2 0 0 9 .   He   h a b e e n   w it h   UT HM  f ro m   Ju n 2 0 0 3   a i n stru c t o a n d   se lec ted   a a   lec tu re in   2 0 0 9 .   He   is  c u rre n tl y   P h c a n d i d a te  a t   Un iv e rsiti   T u n   Hu ss e in   On n   M a la y sia .   His  re se a rc h   in tere st   is  e lec tri c   m a c h in e   d e sig n   e sp e c iall y   in   p e rm a n e n m a g n e f lu x   sw it c h in g   m a c h in e .       L a il Iwa n b in ti   Ju s o h   w a b o rn   i n   Be su t,   T e re n g g a n u ,   M a lay s ia,  o n   A u g u st  2 ,   1 9 8 7 .   S h e   a c h iev e d   h e B. d e g re e   in   El e c tri c a En g in e e rin g   f o r m   Un iv e rsit y   o T u n   Hu ss e in   On n   M a la y sia   in   2 0 1 0 .   Af ter  th a t,   sh e   o b tai n e d   M a ste in   T e c h n ica V o c a ti o n a a n d   Ed u c a ti o n   f ro m   UT HM  in   2 0 1 4 .   C u rre n tl y ,   sh e   is  p u rsu i n g   P h . a UT HM.   He re se a rc h   targ e ts  a re   m a in ly   re late d   to   sin g le  a n d   th re e   p h a se   p e rm a n e n m a g n e f lu x   s w it c h in g   m a c h in e f o li g h e lec tri c   v e h icle s.      F a ti h a h   S h a f iq a h   Ba h rim   wa b o rn   i n   Jo h o r ,   M a lay sia   o n   N o v e m b e 1 9 9 2 .   S h e   re c e iv e d   t h e   B. S .   d e g re e   in   e lec tri c a e n g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsiti   Tek n o lo g M a ra   (UiT M ),   S e lan g o r ,   M a la y sia   in   2 0 1 5 .   S in c e   S e p tem b e 2 0 1 5 ,   sh e   h a b e e n   a   re se a r c h e in   Re se a rc h   Ce n ter  f o r   A p p li e d   El e c tro m a g n e ti c (EM C)  a Un iv e rsiti   T u n   Hu ss e in   O n n ,   J o h o r,   M a lay sia .   He p re se n re se a rc h   in tere sts   in c lu d e   d e sig n   a n d   m o d e ll in g   o f   e le c tri c a m a c h in e ,   sp e c ial  e le c tri c a m a c h in e   a n d   e m b e d d e d   p o w e e lec tro n ics .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.