I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 ,   p p .   9 0 9 ~ 9 1 9   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 1 3 . i 4 . pp 909 - 919           909     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a p e . ia esco r e. co m   PM flu x - revers a l  ma chine f o r  wind  energy  appli ca tio n       M a nn e  B ha ra t hi 1 ,  I.   S.   N.   V.   R.   P ra s a nth 2 ,  T ella pa t i A nu ra dh a   Dev i 3 ,  M a llig un t a   K ira n K um a r 4 ,    D .   Ra v i K um a r 5 ,  Ch.  Ra m i  Reddy 6, 7   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   V i g n a n ' s Fo u n d a t i o n   f o r   S c i e n c e ,   T e c h n o l o g y   a n d   R e se a r c h ,  G u n t u r ,  I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   M e c h a n i c a l   E n g i n e e r i n g ,   M a l l a   R e d d y   E n g i n e e r i n g   C o l l e g e ,   S e c u n d e r a b a d ,   I n d i a   3 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   V a r d h a ma n   C o l l e g e   o f   E n g i n e e r i n g ,  S h a ms h a b a d ,   I n d i a     4 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   K o n e r u   L a k sh m a i a h   E d u c a t i o n   F o u n d a t i o n ,   G u n t u r ,   I n d i a   5 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   V N R   V i g n a n a   J y o t h i   I n st i t u t e   o f   E n g i n e e r i n g   a n d   Te c h n o l o g y ,   H y d e r a b a d ,   I n d i a   6 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   Jo g i n p a l l y   B . R .   En g i n e e r i n g   C o l l e g e ,   H y d e r a b a d ,   I n d i a   7 A p p l i e d   S c i e n c e   R e se a r c h   C e n t e r ,   A p p l i e d   S c i e n c e   P r i v a t e   U n i v e r s i t y ,   A mm a n ,   J o r d a n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   2 1 ,   2 0 2 3   R ev is ed   J u n   2 4 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u l 1 9 ,   2 0 2 4       Cu rre n tl y ,   a tt e m p ts  a re   b e in g   m a d e   t o   h a rn e ss   win d   e n e rg y   b y   m e a n s  o f   n o n - c o n v e n ti o n a l  e lec tri c a l  m a c h in e s  su c h   a s  flu x   re v e rsa l  m a c h in e s  (F RM ).   T h e   m a in   a d v a n tag e   o f  th e   F R M ,   w h e n   c o m p a re d   wit h   e x isti n g   s y n c h ro n o u s   g e n e ra to rs  (S G ),   is  th a t  a ll   th e   a c ti v e   p a rts  li k e   P M s  a n d   a rm a tu re   win d i n g s   a re   m o u n ted   o n   th e   sta to r   p a rt,   wh e re a s  lea v in g   t h e   ro t o r  h a s  si m p le  a n d   ro b u st.  I n   t h is  st u d y ,   th e   t h re e - p h a se   6 /8 - p o le  f lu x   re v e rsa l  g e n e ra to r s   ( F RG s )   a re   se lec ted ,   siz e d ,   d e sig n e d ,   a n d   a n a l y z e d   u si n g   fi n it e   e lem e n t  a n a ly s i s  (F EA).   T h e   wo r k i n g   p ri n c ip le,   c h o ice   o f   sta to r   a n d   ro t o r   p o les ,   a n d   m a c h in e   d e sig n   d ime n sio n s  e v a l u a ti o n   (a n a ly ti c a l  siz in g   p ro c e d u re ),   a s  we ll   a s  re lev a n t  p e rfo rm a n c e   d e tails are   d isc u ss e d   in   th is p a p e r.   T h is st u d y   is   u se d   t o   a n a l y z e ,  a   p o p u lar  6 /8   p o le,   0 . 8   k W,   5 0   H z ,   a n d   e x a m in e   th e   su i tab il it y   fo r   th e   win d   e n e rg y   a p p li c a ti o n s  i n   term s  o f  to r q u e   a n d   p o we r  d e n sit y ,   to r q u e   ri p p le,  p o we r  fa c to r,   a n d   c o g g i n g   t o rq u e   u n d e r  2 D  f in it e   e lem e n t  a n a ly sis   (F EA).   Th e   a n a ly sis  p ro v i d e s  a n   u p d a te  o n   t h e   c u rre n t  sta te - of - th e - a rt  a n d   a s  we ll   a s  fu tu re   th ru st  a re a s  o f  re se a rc h   n e c e ss a ry   to   b ri d g e   t h e   g a p   o n   wh a t  is  stil l  d e sire d   fo r  th e   p ra c ti c a l  a p p li c a ti o n   o f  F RM s   fo r  wi n d   e n e r g y .   K ey w o r d s :   Flu x   r ev er s al  m ac h in e     Me d iu m   s p ee d   Per m an en t m ag n et   R ar e  ea r th   W in d   en er g y   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   M allig u n ta   Kir an   Ku m ar   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,   Ko n er u   L ak s h m aiah   E d u ca tio n   Fo u n d atio n   Gu n tu r ,   An d h r a  Pra d esh ,  I n d i a   E m ail:  k ir an . m allig u n ta@ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   u s ag e  o f   p er m an en t  m ag n et  ( PM)   ty p e  elec tr ical  m ac h in es  s ig n if ican tly   g r o win g   d ay   b y   d a y   b ec au s e  th e  ad v an tag es  o f   h ig h - p o wer   an d   to r q u e  d en s ity ,   a n d   ef f icien cy ,   esp ec ially   f o r   v ar iab le  s p ee d   d r iv es  f o r   win d   p o wer   g en e r atio n   [ 1 ] .   T h e   n ee d   f o r   in cr ea s ed   u s e  o f   win d   p o wer   g en er atio n   is   well  estab lis h ed ,   b ec au s e  o f   its   ac ce s s ib ilit y   th r o u g h o u t  th e   d a y   a n d   p o s s ib ilit y   f o r   lar g e  m e g awa tts   p o wer   g en e r atio n   [ 2 ] .   I n   2 0 2 0 ,   th e  w in d   en er g y   g en e r atio n   is   a  r ap id ly   g r o win g ,   ec o n o m ically   p r ac tical,   an d   h i g h ly   ef f icien t  m o d e  o f   elec tr ic  p o wer   g en er atio n ,   wit h   a  g lo b al  c u m u lativ e   ca p ac it y   o f   in s talled   win d   en er g y   is   7 4 3   GW .   T h e  n ew   in s talled   g lo b al  win d   e n er g y   c ap ac ity   was 9 3   GW   as o f   2 0 2 0   as sh o wn   in   Fig u r e  1 ,   wh ich   was a   5 3 % in cr ea s e  wh en   co m p a r ed   to   2 0 1 9   [ 3 ] .   T h e  I n ter n atio n al  E n er g y   Ag e n cy   ( I E A)   a n n u al  g r o wth   o f   g lo b al  win d   e n er g y   in s tallatio n   ca p ac ity   f o r ec ast is   a  m in im u m   o f   1 4 %.   T h is   en co u r ag es th e   r esear ch e r ’ s   in ter est in   d esig n in g   an d   m an u f ac tu r in g   win d   g en er at o r s   f o r   v ar io u s   p o wer   lev els.   W in d   e n er g y   g e n er ato r s   ac q u ir e   v ar io u s   ty p es o f   AC   g en er ato r s ,   s u c h   as  in d u ctio n   g en e r ato r s ,   p e r m an e n t  m a g n et  s y n ch r o n o u s   g e n er ato r s   ( PMSG) ,   an d   n o n - co n v en tio n al  s tato r   PM  g en er ato r s .   T h e  PMSG  wi th   PMs   o n   th e  r o to r   ar e  attr ac tiv e  f o r   l ar g e  m eg awa tts   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   9 0 9 - 919   910   win d   en er g y   g e n er atio n   a p p l icatio n s   b ec au s e  o f   th eir   h ig h   en er g y   y ield   co m p a r ed   to   o th er   co n v en tio n al   elec tr ical  g en er ato r s   [ 4 ] .   H o wev er ,   r o to r   PM  s tr u ctu r es  ar e  n o t  g o o d   at  h ig h   p o wer s   an d   s p ee d s   b ec au s e  th ey   lead   to   m ec h an ical  in s tab ilit y   p r o b lem s .   T o   th is   en d ,   s tato r - m o u n ted   PMs  h av e  b ee n   d ev elo p e d   an d   co m m er cialize d   s u cc ess f u lly   f o r   v ar i o u s   ap p licatio n s .   Gen er ally ,   PM  m ac h in es  a r e  c lass if ied   b ased   o n   th e   p o s itio n   o f   th e   PMs,  r o to r   PMs ,   a n d   s tato r   PMs.   T h e  ex is tin g   PMSG  ar e  n o t   s u i tab le  f o r   lo w - s p ee d   an d   v a r iab l e - s p ee d   ap p licatio n s   [ 5 ] ,   b ec au s e  it  r eq u ir e   h ea v y   m ec h an ical  g ea r s   to   co n n ec t  with   th e  win d   tu r b in es.  T h er ef o r e,   n o n - co n v en tio n al  s tato r - e x cited   PM  m ac h in es   ( SEPMM s )   h av e  b ee n   p r o p o s ed   f o r   v ar i o u s   ap p licatio n s   [ 6 ] .   SEPMM s   ar e  m o s t   s u itab le  in   co m m er cial   ap p licatio n s   co m p ar ed   to   t h e  e x is tin g   elec tr ical  m ac h in es   d u e   to   th eir   m an y   a d v an ta g es.  C o m p ar ed   to   th e   r o to r - ex cited   PM  m ac h i n e,   SEP M  m ac h in es  ar e   p r ef er ab le   b ec au s e  r o tatin g   PMs  m ay   ca u s e  ir r ev er s ib le   d em ag n etiza tio n   p r o b lem s ,   a n d   lim it  th e  p o wer   d en s ity   an d   m ec h an ical  in s tab ilit y   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   T h er e  ar e  two   ty p es  o f   SEPMM s :  f lu x   r ev er s al  m ac h in es  ( FR M )   an d   f lu x   s witch in g   m ac h in e  ( FS M) .   T h e  f ir s t  o n e  is   a  d o u b le  s alien t   SEPMM   ca lled   a  f lu x   s witch   alter n ato r .   W h en   R au ch   an d   J o h n s o n   [ 8 ]   f ir s t  in tr o d u ce d   it  in   1 9 5 5 ,   t h e  r o to r   v o lu m e  u s ag e  was  f o u n d   to   b e   p o o r ,   p r o d u cin g   s tato r   v ib r ati o n s   an d   d if f icu lty   in   s tato r   ass em b ly .   T o   en h a n ce   th e  to r q u e  d e n s ity   an d   to   h elp   s im p lify   th e  m an u f ac tu r in g   p r o ce s s ,   Deo d h ar   et  a l .   [ 9 ]   in v e n ted   a  s in g le - p h ase   FR M  to   r ep lace   th e  s tan d a r d   claw   p o le  alter n at o r   f o r   au t o m o b ile   ap p licatio n s   i n   1 9 9 7 .   W an g   et   a l .   [ 1 0 ]   in tr o d u ce d   th e   th r ee - p h ase  FR M  in   2 0 0 0 .   T h e   m ac h in e   d esig n   was  o p tim ized   f r o m   o n e  p h a s e  to   th r ee - p h ase  to   en h an ce   h ig h   PM  f lu x - lin k ag e   at  th e  ar m atu r e  win d in g ,   g o o d   elec tr o m ag n etic  p e r f o r m an c es,  an d   less   co g g in g   to r q u e.   Alth o u g h   t h e  FR M  was  n o t  t h e  f i r s t  d o u b le  s alien t  PM  elec tr ical  m ac h in e,   it  h as  b i p o l ar   p h ase,   m ag n etic  m o tiv e  f o r ce   ( MMF ) ,   a n d   f lu x   v ar iatio n   with   r e g ar d   t o   th e  r o to r   r o tatio n .   I t  also   s ee m s   th at  FR M,   in h er en tly   h av e  lo w   s elf   an d   m u tu al  i n d u ctan ce   with   r o to r   d is p lace m en t  an d   s o ,   it   h as  a   lo w  elec tr ical   tim e  co n s tan t.  All   th ese  f ea tu r es,  i n co r p o r ated   with   a  s im p le  s tr u ct u r e   o f   FR M,   m ak e   it  attr ac tiv e   f o r   lo w - co s t  v ar iab le   s p ee d   g en er ato r   d esig n   [ 1 1 ] .   Fu r th er ,   to   in cr ea s e  th e  p o w er   d en s ity   o f   FR M,   f u ll - p itc h ed   win d in g   is   in tr o d u ce d   r ath er   th an   co n ce n tr ated   win d in g ,   a n d   it  is   also   co m p ar ed   with   PMSG  b y   in tr o d u cin g   th e  " f ictitio u s   elec tr ical  g ea r "  co n ce p t   [ 1 2 ] .   I t  is   claim ed   th at  f u ll - p itch ed   f lu x   r e v er s al  g en er ato r   ( FR G )   s tato r   win d in g   is   tw ice  as  ef f icien t  as   co n ce n tr ated   FR G  win d in g ,   b u t  th is   wo u ld   r esu lt  in   in cr ea s e s   in   s elf - in d u ctan ce   is   2 . 5   t o   3   tim es  d ep en d in g   o n   th e  s atu r atio n   o f   th e   m ac h in e,   wh ich   lead s   to   p o o r   v o ltag e  r eg u latio n .   I t  is   im p r o v ed   w ith   s er ies  ca p ac itiv e   co m p en s atio n   an d   co m p a r ed   p o wer   d en s ity   in   ter m s   o f   PMSG,  th e  f u ll - p itch ed   s tato r   win d in g   o f   FR G  is   1 3 . 7 5 % h ig h er ,   m ak i n g   th is   s tr u ctu r e  a   s u itab le  co m p etitiv e  o n e  f o r   lo w - s p ee d   d r i v es  [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] .   In   [ 1 4 ] ,  [1 5 ] ,   co m p ar is o n s   ar e  m ad e  b etwe e n   6 /1 4   r ar e  ea r th   FR G  an d   2 8 - p o le  f r ac tio n al  s lo t  PMSG  u n d er   s im ilar   p h y s ical  d im en s io n s ,   r ated   s p ee d ,   a n d   e lectr ical  an d   m ag n etic  lo a d in g .   T h e  au th o r s   co n clu d ed   th at  t h e  p o wer   d e n s ity   o f   6 /1 4   FR G  is   1 . 5   tim es  th at  o f   th e  2 8 - p o le  f r ac tio n al  s lo t  PMSG  an d   th at  th e  p o wer   f ac to r   an d   v o ltag e  r e g u latio n   o f   PMSG  ar e  s lig h tly   b etter   th an   th o s e  o f   FR M.   Fu r th er ,   it  i s   claim ed   th at  th e  c o n s tan t  p o wer   s p ee d   r a n g e  o f   FR M  is   b etter   th an   PMSG,  m a k in g   it th e  m o s t su itab le  f o r   lo w - s p ee d ,   lo w - p o wer   ap p licati o n s .           Fig u r e  1 .  T h e  g lo b al  in s tallatio n   win d   e n er g y   m ar k et  ca p ac i ty   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P M flu x - r ev ers a l m a ch in e  fo r   w in d   en erg y  a p p lic a tio n   ( Ma n n e  B h a r a th i )   911   I n   Mo r e   et  a l .  [ 1 6 ] ,   an   o u ter   r o to r   6 /1 4   FR M  s tr u ctu r e  with   r ar e  ea r th   PMs  f o r   r o o f to p   win d   tu r b in e   g en er ato r s   was  i n tr o d u ce d ,   an d   wh en   co m p ar ed   to   a  6 /1 4   in n er   r o to r   s tr u ctu r e   with   th e   s am e  o u te r   d im e n s io n s ,   it  was  s tated   th at  th e  o u ter   r o t o r   FR M  h as  1 . 2 5   tim es  h ig h er   p o wer   d en s ity   th an   th e  in n er   r o to r   an d   im p r o v ed   th e  m ac h in e' s   p er f o r m an c e   f o r   d ir ec t   d r iv es .   I n   [ 1 7 ] - [ 2 0 ] ,   a   1 0   k W ,   5 0   r p m ,   1 2 /6 4   FR M  s tr u ctu r e  with   r ar e  ea r th   ( Nd - Fe - B )   was  d ev el o p ed   an d   o p tim ized   i n   ter m s   o f   m ass - to - to r q u e   r atio   th r o u g h   th e  f in ite  elem en t   m eth o d   f o r   lo w - s p ee d   d ir ec t  d r iv es.  I n   [ 2 0 ] ,   [ 2 2 ] ,   FR M  with   a  4 8 /4 6   s t r u ctu r e  with   r ar e   ea r th   ( R E )   PMs  h as  b ee n   d ev elo p e d   f o r   g ea r less   d ir ec t  d r i v e  win d   p o wer   g e n er atio n   ap p licatio n s   an d   co m p ar ed   with   PMSG,   claim ed   th at  u s ag e  o f   r ar e  ea r t h   PMs  is   5   tim es   less   th an   PM SG  with   m ag n ets  o n   th e  r o to r .   Activ e  m ater ial  co s t  is   also   2 . 3   tim es  less ,   b ec au s e  th e  to o th e d   FR M  r o to r   s tr u ct u r e  is   s im p le  an d   r eliab le,   o n ly   m ad e  u p   o f   lam i n ated   s teel,   an d   o v er all  m ac h in e  m a n u f ac tu r i n g   is   also   1 . 3   tim es  l ess   th an   PMSG.  Fu r th er m o r e,   it  s tated   th at  FR M   m ain tain s   h ig h   ef f icien cy   with   a  wid e  s p ee d   r an g e  an d   r ip p l e  to r q u e  is   lo w  as  with   r o to r   P Ms  g en er ato r   [ 2 3 ] .  T h e  r ec en t  s tu d ies  o f   FR M   d esig n s   an d   ab o u n d   f o r   v ar io u s   ap p licatio n s   clea r ly   s h o w  th at  RE - ex cited   FR M s   ar e  em er g in g .   Su c h   s tu d ies  ap p ea r   th at  th ese  FR M   g en er ato r s   ar e  s u itab le  r ep lace m en ts   f o r   R E   r o to r   ex cited   b r u s h less   ty p e  m ac h in es  [ 24 ].   Mo s t  o f   th e  ex is tin g   liter atu r e  h as  f o cu s ed   o n   th e  an aly s is   o f   s m all  p o wer   s ca l e   ( ab o v e   1   k W )   r atin g s   wh ic h   ar e  em p lo y e d   f o r   t h e  h ig h - s p ee d   ( HS)   o r   lo w - s p ee d   ( L S)   d r iv e tr ain s ,   to   in d icate   a  n ee d   to   in v esti g ate  th e  p er f o r m an ce   o f   R E   FR Ms  s ca led   to   th e  b elo w  1   k W   r an g e  f o r   m e d iu m   s p ee d   ( MS)   r o o f - to p   win d   en er g y   ap p licatio n s   [ 2 5 ] .   T h e  MS  s p ee d   d r iv e  tr ain s   ar e  p o p u lar   an d   g o o d   co r r e latio n   b etwe en   th e   s ize  an d   co s t o f   b o th   g e n er ato r   an d   m ec h an ical  d r iv etr ain   s y s tem s .     T h e  m ain   co n tr ib u tio n   o f   th is   s tu d y   is   u s ed   to   ex p lo r e  th e  p o ten tials   o f   R E   F R Ms   is   in   th e  ap p licatio n   o f   r o o f - to p   win d   e n er g y   g en er ato r   m o d elin g   a n d   em p lo y ed   t o   m ed iu m - s p ee d   win d   g en er at o r   d r iv es  at  m icr o   p o wer   s ca le.   T h e  aim   o f   th is   p ap er   is   u s ed   to   ex p lo r e  th e  p o t en tials   ar e  R E   PMs o f   a  6 /8   p o le,   FR M s   to p o lo g y   f o r   MS  win d   p o wer   g e n er atio n   ap p licatio n s   at   m icr o   p o wer - s ca le.   I n   th is   s tu d y ,   a   3   p h ase,   6 /8   p o le  FR M  o f   PMs g en er ato r   is   d esig n ed   wit h   ch ar ac ter izatio n   f o r   0 . 8   k W   p o wer   s ca le  is   in v esti g ated .   T h u s ,   an   o v er v iew  o f   th e  FR M  tech n o lo g y   i n clu d in g   th e  o p er atin g   p r in cip le,   d esira b le  s tato r - s lo t  an d   r o to r   p o le  co m b in atio n s   is   d is cu s s ed   with   f lu x   d is tr ib u tio n   u n d er   2 D  f in ite  elem en t  an aly s i s  ( FEA )   in   s ec tio n   2 .   T h er ef o r e,   in   s ec tio n   3 ,   th e  d esig n   f o r m u latio n   o f   th e  FR M,   a  p s eu d o - o p tim al  p ar a m etr ic  v ar iatio n   p r o ce d u r e  to   ev alu ate  th e  d esig n   d im en s io n s   is   in v esti g ated   at   2 D  FEA  f o r   MS  d r iv etr ain s .   F u r th er ,   th e  p o wer - g en er atin g   p er f o r m a n ce s   o f   th e   FR Ms  ar e  co n s id er ed   in   th is   s tu d y   in   ter m s   o f   ter m i n al  v o ltag e,   v o l t a g e   r e g u l a t i o n ,   t o r q u e   p o w e r   d e n s i t y ,   a n d   e f f i c i e n c y   a t   r at e d   l o a d   c o n d i t io n s   a r e   e x p l a i n e d   i n   s e c ti o n   4 .   T h e   s e c ti o n   5   p r e s e n ts   t h e   c o n cl u d i n g   r e m a r k s .       2.   B AS I C  P RIC I P L E   O F   F RM   T h e  FR Ms   o p er atin g   p r in cip le  is   ex p lain ed   with   th e  h elp   o f   a  p o p u lar   3 - p h ase ,   6 /8   p o le  FR M  s tr u ctu r e.   T wo   co ils   in   a  s er ies   m ak e  a  p h ase.   T y p ical  2 D  an d   3 D  cr o s s - s ec tio n s   o f   th is   F R M  ar e  illu s tr ated   in   Fig u r e   2 .   W ith   r esp ec t  to   Far ad ay ’ s   law  o f   elec tr o m ag n et ic  in d u ctio n ,   th e   r o tatio n   o f   t h e  r o to r   ch a n g es  th e   p er m ea n ce   i n   air g a p ,   wh ich   lead s   to   a  ch a n g e  in   th e  f lu x   lin k ag e      in   s tato r   co ils   b y   f ield   s o u r ce   at   a   g iv en   elec tr ical  s p ee d   (   ) .  A  b ip o lar   in d u ce d   elec tr o m o tiv e   f o r ce   ( E MF)   ap p ea r s   o n   th e   s tato r   ter m in als      wh ich   is   g iv en   as   ( 1 ) .     = −        ( 1 )           Fig u r e  2 .   A  s tr u ctu r al  v iew  o f   2 D  an d   3 D  v iew  o f   a   6 /8   p o le  FR M       W h en   a  p r im e  m o v er   s p in s   th e  r o to r ,   in   th e  ca s e  o f   a  g en er ato r ,   th e  FR M   p r in cip le  ca n   b e  d em o n s tr ated   b ased   o n   2 D  s tatic  FEA   lin e  f l u x   d en s ity   d is tr ib u tio n   p lo ts ,   a s   d ep icted   in   Fig u r e  3 .   I n   Fig u r e  3 ( a) ,   a  r o to r   p o le   is   b etwe en   two   PMs   at  th e  s t ato r   to p   p a r t  an d   th e  PMs  in   th e  s tato r   b o tto m   p o le.   T h is   p o s itio n   is   ca lled   an   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   9 0 9 - 919   912   eq u ilib r iu m   p o s itio n ,   in   wh ic h   th e  r o t o r   p o les  an d   s tato r   p o le  PMs  ar e  n o t  alig n ed ;  th e   f lu x   p r o d u ce d   b y   t h e   PMs m o v es wh o lly   in   ea ch   s ta to r   teeth ,   with   th er e   is   n o   f lu x   in   th e  s tato r   co r e  [ 1 1 ] .   W h en   th e  r o to r   is   d r iv e n   b y   1 1 . 2 °   in   a   co u n ter - clo ck wis e  d ir ec tio n   ( C C W D) ,   th e  r o to r   p o les  a r e  alig n ed   with   th e  PMs,  an d   th e   f lu x   p ass es  th r o u g h   c o ils ,   s tato r   co r e,   to p   PMs ,   an d   b o tto m   PMs.  I n   th is   p o s itio n ,   as  d ep icted   in   Fig u r e  3 ( b ) ,   th e  f lu x   is   m ax im u m .   I n   Fig u r e  3 ( c) ,   th e  r o to r   is   f u r th er   m o v ed   f r o m   th e  in itial   eq u ilib r iu m   p o s itio n   b y   2 2 . 5 ° ,   th er e  is   n o   f lu x   i n   th e  s tato r   y o k e  an d   n o   f lu x   lin k in g   with   th e   ar m atu r e  win d in g   co ils .   Fu r th er ,   r o to r   m o v em e n t  o f   1 1 . 2 5 °   i n   th e  clo c k wis e  d ir ec tio n   ( C W D)   r esu lts   in   th e  p o s itio n   illu s tr ated   in   Fig u r e   3 ( d ) .   I n   th is   p o s itio n ,   t h e  f lu x   is   a g ain   m ax im u m .   Ho wev er ,   th is   p o s itio n   is   o p p o s ite  to   t h at  o f   th e   f ir s t   alig n m en t  in   Fig u r e  3 ( b ) .   Fro m   all  th ese,   it  ca n   b e  s ee n   th at  FR M   h as  a  b ip o lar   f lu x   v ar iatio n   an d   MM F  co n s id er in g   th e  r o to r   d is p lace m en t  an d   it  co v e r s   all  f o u r   q u ad r an ts .   At  th e  p o s itio n s   in   Fig u r es  3 ( a)   a n d   3 ( c) ,   th er e  ar e   ze r o - f lu x   lin k ag es,  w h ile  at  th o s e  in   Fig u r es 3 ( b )   an d   3 ( d ) ,   th e  e n er g y   tr an s f o r m atio n   o cc u r s ,   an d   t h e   f lu x   r e v er s al  co n ce p t is estab lis h ed .           ( a)     ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r e  3 .   T h e  wo r k in g   p r in cip al  o f   6 /8   o f   6 /8   s tato r - s lo t/ro to r - p o le  FR M  ( a)   a   r o to r   d is p lace m en t a t 0 ° ,     ( b )   a   r o to r   d is p lace m en t a t 1 1 . 2 5 °   CCWD ,   ( c)   r o to r   d is p lace m en t a t 2 2 . 5 °   CCWD ,   an d   ( d )   r o to r   d is p lace m e n t  at  1 1 . 2 5 °   CWD       3.   DE S I G N  F O RM U L A T I O N  O F   F RM   A  p o p u lar ,   3 - p h ase,   6 /8   p o l e  FR M  s tr u ctu r e  ca n   b e  c h o s en ,   th ese  co m b in atio n s   ca n   ac h iev e   s y m m etr ical  p h ase  E MF  with   h ig h er   t o r q u e  an d   p o wer   d e n s ity   [ 1 3 ] .   T h e  lo wer   n u m b er   o f   r o to r   p o le  ( N r )   an d   s tato r   s lo t  ( N s )   co u n t  is   r ec o m m en d ed   f o r   th e  m i n im izatio n   o f   co r e  lo s s es  an d   m an u f ac tu r in g   d if f icu lty ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P M flu x - r ev ers a l m a ch in e  fo r   w in d   en erg y  a p p lic a tio n   ( Ma n n e  B h a r a th i )   913   alth o u g h   a  lo wer   n u m b e r   o f   p o les  lead s   to   a  m in im izatio n   in   th e  am p litu d e  o f   E MF  [ 1 3 ] .   B ased   o n   all  th e  lim itatio n s ,   a  n eg o tiatio n   b etwe en   an d   f r e q u en c y   ( 5 0   Hz)   an d   h i g h   am p litu d e   E MF,   a   6 /8   FR M  to p o lo g y   is   em p lo y ed .   C o n s id er in g   t h e  m a ch in e  r o to r   s p ee d   ( n )   a n d   o p en   cir cu it E MF  f r eq u e n cy   ( f e )   as e x p r ess ed   b y   ( 2 ) .     = ∗ 60   ( 2 )     T h e  p r elim in a r y   d esig n   d im en s io n s   o f   a  6 /8   p o le  FR M  ar e  e v alu ated ,   b ased   o n   th e   r ated   p o wer   r eq u ir em en t   as  m icr o - s ca le  ( 0 . 8   k W )   at  @   3 7 5   r /m in .   As a   g en er at o r ,   th e  el ec tr o m ag n etic   p o wer      at  a  d esire d   ef f icien cy   o f   0 . 9 5   a n d   s p ee d   o f   3 7 5   r /m in   is   g iv en   b y   ( 3 ) .      =      ( 3 )     T h en ,   th e  s p ec if ic  elec tr ical  an d   m ag n etic  lo ad in g   ar e  ass u m ed   to   ev alu ate  th e  tan g en tial f o r ce   d en s ity   .  T h e   g en er al  o u tp u t sizin g   p r o ce d u r e  to   m o d el  t h e  m ac h in e   is   ex p r ess ed   as  ( 4 )   [ 1 3 ] .     = √ 2 P b π f t λ ω r J η 3   ( 4 )     W h er e  ω r   is   r o to r   s p ee d   ( r ad /s ec ) ,     is   m ac h in e  ef f icien cy ,     is   m a ch in e  lam in ated   s tack   to   r o to r   d iam eter ,   an d   th e  d esig n ed   FR M  s tr u ctu r e  is   n ee d ed   to   o p e r ate  th e  m ac h in e   to   m ee t  with   win d   tu r b in e   p o wer   r atin g   f o r   a  MS   d r iv etr ain .   T h e  k ey   e v alu ated   p ar am eter s   an d   d im en s io n al  s p ec if icatio n s   o f   t h e  FR M  m ac h in e  f o r   MS  d r i v es   ar e  p r esen ted   in   T ab le   1.       T ab le  1 .  Key   d esig n   d im e n s io n s   an d   p ar a m eter s   o f   th e   FR M   P a r a me t e r / d i me n si o n   RE - F R G   R o t o r   p o l e   s p a n   a n g l e   ( α=β ) ,   d e g   2 2 . 5   N u mb e r   t u r n s  p e r   c o i l   ( N t )   1 7 6   S t a c k   l e n g t h   (  ),   mm   2 0 0   S t a t o r   o u t e r   d i a m e t e r   ( D out ) ,   mm   1 2 9   O u t e r   r o t o r   d i a me t e r   ( ) ,   mm   72   S t a t o r   p o l e   w i d t h   (  ) ,   mm   21   R o t o r   p o l e   h e i g h t   ( ℎ  ) ,   mm   17   C u r r e n t   d e n s i t y ( J)   ( A mm 2 ⁄ )   5   S t a t o r   b a c k   i r o n   t h i c k n e ss   (  ) ,   mm   11   S l o t   o p e n i n g   w i d t h   (  ) ,   mm   29   S h a f t   d i a m e t e r   ( ℎ ) ,   mm   46   R a t e d   s p e e d ,   ( r / mi n )   3 7 5   M a g n e t   t h i c k n e s s ( ℎ  ) ,   mm   3   R a t e d   f r e q u e n c y   ( H z )   50   F i l l   f a c t o r   ( )   0 . 4       T h er ea f ter ,   ta n g en tial  f o r ce   d e n s ities   f r o m   eq u iv alen t  elec tr i c  an d   m ag n etic  lo ad in g   o f   t h e   m ac h in es  ca n   b e  s elec ted   b ased   o n   th e  l iter atu r e  s tu d ies  [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ]   o f   FR Ms.  Fu r th er ,   b ased   o n   th e  s izin g   ex p r ess io n   in   ( 4 ) ,   th e  r o to r   d ia m eter   a n d   s tack   len g th   ca n   b e  e v alu ated .   Af ter   ch o o s in g   t h e  a p p r o p r iate   r esid u al  f lu x   d e n s ity   an d   co er civ e  f o r ce   p ar am ete r s   etc.   f o r   s p ec if ic  PMs,  th e  air g ap   f lu x   d e n s ity   ca n   b e  ev a lu ated .   A  d etailed   s tr u ctu r al  p ar am eter   o f   r o to r   a n d   s tato r   ca n   th en   b e  d er iv e d .   FEA  is   th en   u s ed   to   v alid ate  th e  g en er ato r   d esig n   s p ec if icatio n s .   T h er e  s h o u ld   b e  a  ch ec k   to   v e r if y   t h at  th e  m ac h in e  g e o m etr y   p ar am eter s   a r e  p r ac tical.   I f   n o t,   th e  in itial  v alu es  s h o u l d   b e   r e s et.   FEA  v er if icatio n s   at  v ar i o u s   o p er ati o n   c o n d itio n s   a r e  t h en   co n d u cte d ,   its   p r o ce s s   is   f lo w  ch ar te d   an d   p r esen ted   in   Fig u r e   4 .   W ith   2 D  FEA,   th e  p o wer - g en e r atin g   p e r f o r m a n ce s   s u ch   as  f lu x   lin k ag es,  E MF,   C T   an d   r ip p le  to r q u e ,   p o wer   an d   to r q u e  d en s ity ,   g o o d   s m o o th   av e r a g e  to r q u e ,   etc. ,   ar e  in v esti g ated .   I f   d esire d   p er f o r m an ce s   ar e   n o t   ac h i ev e d ,   t h e  d esig n   f lo w   ca n   b e   iter ated   with   ad ju s tm en ts   m a d e   to   th e  d esig n   p ar am eter s .   T h is   ca n   b e  o b s er v ed   in   T a b le  1 ,   t h at  th e  2 D  FEA  an d   an aly tical  r esu lts   h av e  g o o d   co r r elatio n s .   Hen ce ,   a  co n clu s io n   ca n   b e  d r awn   th at  th e  p r o p o s ed   an aly tical  d esig n   m eth o d o lo g y   is   ef f ec tiv e   an d   ap p licab le.   T h e  2 D  g eo m etr ical  d im en s io n al  v iew  o f   3 - p h ase  FR M  ca n   b e  d ep icted   in   Fig u r e  5 .   Fro m   th e   m ag n eto s tatic  s im u latio n ,   th e  o p en - cir c u it  f lu x   d en s ity   o f   F R M  i s   B =1 . 2   T   f o r   r ar e - ea r th   ( Nd - Fe - B )   an d   th e  m esh   p lo t  ca n   b e  d ep icted   in   Fig u r e  6   f r o m   th e  2 D  FEA.   R elativ e  p er m ea b ilit y   =1 . 0 9   a n d   f ield   in ten s ity     =   9 0 0   k A/m   is   co n s id er ed   t h r o u g h o u t  th e  m ac h i n e  d esig n .   T h e  o th er   d esig n   co n s tr ain ts   ar e  ass u m ed ,   th at   ar e  f illi n g   f ac to r   an d   c u r r e n t d en s ity ,     ca n   b e   ch o s en   b ased   o n   th e  c o o lin g   m ec h an is m   [ 1 4 ] - [ 1 7 ] ,   5   A/m m 2 ,   a n d   0 . 4 ,   r esp ec tiv ely .   Fr o m   MS  n o - lo ad   a  C T   o f   th e  FR M  is   ex a m in ed   u n d er   2 D  FEA  an d   th e  p ea k - to - p ea k   C T   is   2 . 4 5   Nm   as sh o w n   in   Fig u r e  7 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   9 0 9 - 919   914   S p e c i f i c a t i o n s :   P o w e r ,   s p e e d ,   t o r q u e ,     s t a t o r   o u t e r   d i a m e t e r ,   t o r q u e ,   e f f i c i e n c y   e t c .   S e l e c t e d   i n i t i a l   v a l u e s :   S l o t   p o l e   c o m b i n a t i o n ,   t a n g e n t i a l   f o r c e   d e n s i t y ,   e l e c t r i c a l   l o a d i n g ,   m a g n e t i c   l o a d i n g ,   s t a c k   l e n g t h ,   m a c h i n e   o u t e r   d i a m e t e r ,   s t a t o r   p o l e   s h o e   h e i g h t   e t c .   U s e   t o r q u e   e q u a t i o n   a n d   s e t   γ   v a l u e ,   e v a l u a t e   t h e   r o t o r   d i a m e t e r   ( D r )   a n d   s t a c k   l e n g t h   ( l s t k ) S t a t o r   g e o m e t r y   d e s i g n :   A s l o t ,   h p s , W t s ,   l w i ,   D s e , B c s R o t o r   g e o m e t r y   d e s i g n :   α ,   h p r ,   D r ,   B c r S t a t o r   o u t e r   d i a m e t e r   D o u t   = D s e   + 2   B c s T o t a l   m a c h i n e   l e n g t h   l o   = l s t k   + l e n d 2 D   F E A   s i m u l a t i o n :   n o - l o a d ,   r a t e d   l o a d ,   s m o o t h   t o r q u e   p r o f i l e ,   o v e r l o a d   a n d   o v e r   s p e e d   c a p a b i l i t y ,   e t c . T h e   c a l c u l a t e d   r e s u l t   m a t c h   t h e   s p e c i f i c a t i o n s R e s u l t N Y Y N D o u t   <   m a c h i n e   o u t e r   d i a m e t e r l o   <   m a c h i n e   l e n g t h     Fig u r e  4 .  Desig n   f lo w  ch ar t  o f   FR M           Fig u r e  5 .  Geo m etr ical  v iew  o f   th e  FR M           Fig u r e  6 .   2 D  FEA  ev alu atio n   o f   m esh   p lo t   an d   f lu x   d en s ity   p lo t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P M flu x - r ev ers a l m a ch in e  fo r   w in d   en erg y  a p p lic a tio n   ( Ma n n e  B h a r a th i )   915       Fig u r e  7 .   T h e  co g g in g   to r q u e  v ar iatio n   o f   FR M  at  m ag n eto s tatic  co n d itio n       4.   P E RF O RM A NCE  E VA L U AT I O N  O F   F RM   Ma n y   o f   th e  s tu d ies  h av e  d e v e lo p ed   d if f e r en t  FR M  to p o lo g ie s   f o r   win d   tu r b in e  a p p licatio n s .   Ma n y   o f   th e  s tu d ies  r eg ar d in g   ar e  h ig h - s p ee d   o r   lo w - s p ee d   win d   ap p li ca tio n s   at  lo w  p o wer   lev els  o n ly   [ 1 8 ] - [ 2 1 ] .   I n   th is   s tu d y   is   u s ed   to   co n s id er   th e  MS  d r iv e  tr ain   s y s tem   f o r   FR Ms,  as  lik e  o f   o th er   d r i v e  tr ai n s ,   wh ich   ar e  alr ea d y   ex am in ed   f o r   th e  b r u s h less   d o u b le  s alien t  s tr u ctu r es  [ 2 2 ] - [ 2 4 ] .   I n   th is   s tu d y ,   a  6 / 8   p o le,   3 7 5   r /m in ,   m icr o   p o wer   lev el,   Nd - Fe - B   ex cited   FR M   s tr u ctu r e  ar e  s tu d ied   an d   d ev e lo p ed   at  2 D  FEA,   f o r   MS  win d   en er g y   g en er ato r   ap p licatio n s .   T h e  p o wer   g e n er atin g   p er f o r m an ce   a r e  an al y ze d ,   with   r esp ec t  to   to r q u e  an d   p o wer   d e n s ity ,   ter m in al  v o ltag e,   ef f icien cy ,   a n d   p o we r   f ac to r   at  th e  r ated   lo ad   co n d itio n s   ar e  an aly ze d .     4 . 1 .     O pen c ircuit   co nd it io n ( no - lo a d)  a na ly s is   T h is   FR M  s tr u ctu r e  is   in v esti g ated   u n d e r   th e  n o - lo ad   o r   o p en   cir cu ited   co n d itio n ,   u n d er   2 D  FEA.   T h e  o p en - cir c u ited   co n d itio n ,   th e  f lu x   lin k ag es,  v o ltag es,  an d   C T   ar e  in v esti g ated .   T h e  p h a s e  f lu x   lin k ag es  an d   v o ltag es  at  n o - lo ad   ar e   p r esen ted   in   Fig u r es  8   a n d   9 .   A n   in t er esti n g   f ac t  to   n o te   ab o u t  th e   co g g in g   to r q u e  t h at  th e  tr an s ien t  a n aly s is   s h o w  th a t  th e  C T   is   lo wer   at  m ag n eto s tatic  th an   with   t r an s ien t  n o - lo ad   d u e  to   th e  p r esen ce   o f   ex citatio n s   o r   s p ee d   to   th e  F R M,   les s   lo ck in g   is   ex p er ien ce d   b etwe en   th e  r o to r   a n d   PMs  ca n   b e  p r esen ted   in   Fig u r e  1 0 .   T h e  C T   is   a  f u n ctio n   o f   to r q u e   r ip p le  at  l o ad   co n d itio n ,   s o ,   it  r eq u ir ed   to   m in im i ze   th e  PM  ex cited   m ac h in es  f o r   th e   s af e  o p er ati o n   [ 2 0 ] .   B y   c o n s id er in g   th e   o p tim al  d esig n   d im en s io n s   th e  co g g in g   to r q u e   an d   to r q u e  r ip p le  ar e  m in im ized   c o m p ar ed   with   ex is tin g   PM  m a ch in es.     4 . 2 .    On - l o a d a na ly s is   T h e  elec tr o m ag n etic  p er f o r m a n ce s   at  lo ad   co n d itio n   ar e  an aly ze d   an d   th e  r ated   lo ad   r esis tan ce   o f   th e   g en er ato r   ca n   b e  e v alu ated   u n d er   r ated   p o wer   an d   v o ltag e  o f   ea ch   p h ase,   i.e . ,   R n  is   2 5 . 3   Ω .   I n   th is   s ec tio n   is   u s ed   to   ex am in e  th e  p o wer   g en er atin g   p er f o r m a n ce s   o f   th e  FR M  in clu d in g   ter m in al  v o ltag e  ag ain s t  p h ase   cu r r en t,   v o ltag e   r eg u latio n ,   to r q u e  r i p p le,   e f f icien cy ,   an d   p o wer   f ac to r ,   as  well  as  lo s s es  ar e  an aly ze d   b y   th e   2 D  FEA.   I n   th e  ac tu al  r u n   co n d itio n ,   th e  to r q u e   r ip p le  o f   th e   FR M  at  r ate  lo ad   c o n d itio n   is   d ep icted   in   Fig u r e  1 1 .   I n   th e  lo a d   co n d iti o n   to r q u e  r ip p le  is   th e  f u n ctio n   o f   th e  co g g i n g   to r q u e,   wh ic h   lead s   to   v ib r atio n   an d   n o is e  at  lo ad ,   a n d   it  c r ea tes  n eg ativ e  im p ac t  o n   th e   m ac h in e  p er f o r m a n ce .   T h e  to r q u e  r ip p le  o f   FR M  ca n   b e  ev alu ated   f r o m   th e  g r a p h   th at  p ea k - to - p ea k   to r q u e  t o   av g   to r q u e  u n d e r   th e  lo a d .             Fig u r e  8 .  T h e  tr an s ien t o p en - c ir cu ited   f lu x   lin k ag e  p lo t o f   FR M   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   9 0 9 - 919   916       Fig u r e  9 .   T h e  o p en   cir cu ited   e ac h   p h ase  v o ltag e  o f   FR M  @   3 7 5   r /m i n           Fig u r e  1 0 .   T h e  c o g g in g   to r q u e   ef f ec t o f   FR M  u n d er   n o - lo ad           Fig u r e  1 1 .  T o r q u e  r ip p le  ef f ec t o f   th e  FR M       T h e  o u tp u t  v o ltag e  ( r m s ) ,   c u r r en t  ( r m s ) ,   an d   p o wer   o f   th e  m ac h in e  wh en   o p er atin g   at  r e s is tiv e  lo ad     @   3 7 5   r /m in   ar e  a n aly ze d   th r o u g h   FEA  to   in v esti g ate  th e   o v e r lo ad   ca p ab ilit ies  o f   th e  m ac h i n es.  T h e   g en e r atin g   o p er atin g   p o in t  p er f o r m an ce s   in clu d in g   o u tp u t  v o ltag e  a g ain s t  lo ad   cu r r en t,  v o ltag e  r e g u lati o n ,   p o wer   cu r v e  in   ter m s   o f   v ar y in g   lo a d   cu r r e n t  an d   m ac h in e  s p ee d ,   as  well  as  l o s s   an d   ef f icien cy   cu r v es  o f   th e  m ac h in e  wo r k in g   is   an aly ze d   b y   FEA  s im u latio n .   T h e  tr a n s ien t  lo ad   co n d itio n   th e   o u t p u t  v o ltag e   ag ain s t  l o ad   c u r r en t   cu r v e   is   p lo tted   to   ex am in e  th e  o v er lo a d   ca p ab ilit y   ca n   b e  d ep icte d   in   Fig u r e  1 2 .   Fro m   Fig u r e  1 2 ,   o b s er v e  th at  as  lo ad   cu r r en t   in cr ea s es  th e  FR M  ex h ib its   g o o d   o v er lo a d   ca p a b ilit y .   T h e   to r q u e   d en s ity   o f   th e  R E   m ac h in e   is   h ig h er   b ec au s e  it   h as  h ig h er   r e m an en ce   f lu x   d e n s ity   an d   co er ci v e  f o r ce s .   Fu r th er ,   th e  elec tr o m ag n etic  p er f o r m an ce s   ar e  o f   o u tp u t   p o wer ,   to r q u e   d en s ity ,   ef f icie n cy ,   p o wer   f a cto r   is   an aly z ed ,   an d   o v e r all  p er f o r m an c es  ar e   s u m m ar ized   f r o m   2 D  FEA  an d   p r esen ted   i n   T ab le  2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       P M flu x - r ev ers a l m a ch in e  fo r   w in d   en erg y  a p p lic a tio n   ( Ma n n e  B h a r a th i )   917       Fig u r e  1 2 .   T h e  o u tp u t  v o ltag e  v s   th e  p h ase  cu r r en t @   3 7 5   r / m in       T ab le  2 .   2 D  FEA  p r ed icted   c h ar ac ter is tics   o f   th e  3 - p h ase,   6 / 8   p o le  FR M  u n d e r   th e  lo a d   co n d itio n   P a r a me t e r   F R M   To r q u e   r i p p l e   u n d e r   r a t e d   l o a d ,   %   1 1 . 4 6   O u t p u t   v o l t a g e   [ R M S ]   ( V )   82   R a t e d   o u t p u t   p o w e r   ( k W )   0 . 8 6 3   V o l t a g e   r e g u l a t i o n   ( %)   1 2 . 7 5   Ef f i c i e n c y   a t   r a t e d   l o a d   %   93   To r q u e   d e n si t y   ( k N m/ m 3 )   3 8 . 6 7 1   To t a l   l o sses   a t   r a t e d   l o a d ,   W   4 7 . 4 9   P o w e r   f a c t o r   0 . 8       5.   CO NCLU SI O N   I n   th is   p ap e r ,   th e   n ee d   f o r   in v e s tig atin g   th e  p o te n tial  o f   PM  e x cited   FR Ms  f o r   th e  m e d iu m   s p ee d   win d   en er g y   ap p licatio n s   at  t h e  m ic r o   s ca le  h as  b ee n   s tu d ied .   A  3 -   p h ase,   6 /8   p o le  r a r e - ea r th   FR M  s tr u ctu r e  wer e   m o d elled   b ased   o n   a n aly tical  d esig n - s izin g   p r o c ed u r e  ( p s eu d o - o p tim al  p ar a m etr ic  v a r iatio n ) ,   s em i - o p tim ized   FR Ms   an d   s im u lated   u n d er   2 D  FEA,   th en   co n s id er in g   s o m e  o th er   d esig n   co n s tr ain ts   f o r   m ed iu m   s p ee d   d r i v es  an d   im p lem en ted   in   th e  2 D  F E A  en v ir o n m e n t.  T h e  p ea k - to - p ea k   co g g in g   to r q u e  an d   to r q u e  r ip p le   ( %)  ar e  ex am in ed   at  tr an s ien t  n o - l o ad   i.e . ,   2 . 3 1   Nm   an d   0 . 1 1 4 6   r es p ec tiv ely .   T h e  d esig n e d   m ac h in e  ex h ib its   b etter   o v er lo ad   ca p ab ilit y   wh en   th e  l o ad   cu r r en t  is   v ar ied   u p   to   1 . 5   tim es  o f   th e  r ated   lo ad .   Fu r th er ,   th e  to r q u e  d en s ity   an d   p o wer   f ac to r   ar e  ex a m i n ed ,   i.e ,   3 8 . 6   k Nm /m 3  an d   0 . 8   r esp ec tiv ely .   B ased   o n   th e  o v er all  p er f o r m an ce   s u m m ar y   o f   th e   p r o p o s ed   m a ch in e  ex h ib its   g o o d   o v er lo a d   ca p ab ilit y ,   to r q u e  d en s ity ,   e f f icien cy   an d   p o we r   f ac to r ,   th is   s tr u ctu r e  is   b est s u i tab le  f o r   m e d iu m   s p ee d   win d   t u r b in e  g en er ato r   ap p licatio n s .       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   M .   C h i n c h i l l a ,   S .   A r n a l t e s ,   a n d   J .   C .   B u r g o s,   “ C o n t r o l   o f   p e r ma n e n t - m a g n e t   g e n e r a t o r s   a p p l i e d   t o   v a r i a b l e - sp e e d   w i n d - e n e r g y   sy st e ms   c o n n e c t e d   t o   t h e   g r i d , ”   I EEE   T ra n s a c t i o n s   o n   En e rg y   C o n v e rsi o n ,   v o l .   2 1 ,   n o .   1 ,   p p .   1 3 0 – 1 3 5 ,   2 0 0 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TE C . 2 0 0 5 . 8 5 3 7 3 5 .   [ 2 ]   U .   B .   A k u r u   a n d   M .   J.   K a m p e r ,   “ Ev a l u a t i o n   o f   f l u x   sw i t c h i n g   P M   m a c h i n e s   f o r   me d i u m - s p e e d   w i n d   g e n e r a t o r   d r i v e s, ”   2 0 1 5   I EEE   En e r g y   C o n v e rsi o n   C o n g r e ss  a n d   Ex p o si t i o n   (   E C C E ) ,   2 0 1 5 ,   p p .   1 9 2 5 – 1 9 3 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / E C C E . 2 0 1 5 . 7 3 0 9 9 3 2 .   [ 3 ]   I EA ,   “ En e r g y   a n d   c l i ma t e   c h a n g e   -   W o r l d   e n e r g y   o u t l o o k   s p e c i a l   r e p o r t , ”   I n t e r n a t i o n a l   E n e r g y   A g e n c y ,  2 0 1 6 ,   [ O n l i n e ] .   A v a i l a b l e :   h t t p : / / w w w . w o r l d e n e r g y o u t l o o k . o r g / med i a / .   [ 4 ]   G W EC ,   “ G l o b a l   w i n d   e n e r g y   r e p o r t   –   S p e c i a l   R e p o r t , ”   G l o b a l   Wi n d   En e rg y   C o u n c i l ,   2 0 2 1 ,   [ O n l i n e ] .   A v a i l a b l e :   h t t p s : / / g w e c . n e t / g l o b a l - w i n d - r e p o r t - 2 0 2 1 / .   [ 5 ]   U .   B .   A k u r u   a n d   M .   J .   K a mp e r ,   “ D e s i g n   a n d   I n v e st i g a t i o n   o f   L o w - c o s t   P M   F l u x   S w i t c h i n g   M a c h i n e   f o r   G e a r e d   M e d i u m - s p e e d   W i n d   E n e r g y   A p p l i c a t i o n s , ”   El e c t ri c   P o w e r  C o m p o n e n t s   a n d   S y st e m s ,   v o l .   4 6 ,   n o .   9 ,   p p .   1 0 8 2 – 1 0 9 0 ,   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 0 8 0 / 1 5 3 2 5 0 0 8 . 2 0 1 8 . 1 4 8 5 7 8 9 .   [ 6 ]   M .   C h e n g ,   W .   H u a ,   J.  Zh a n g ,   a n d   W .   Z h a o ,   “ O v e r v i e w   o f   s t a t o r - p e r ma n e n t   ma g n e t   b r u s h l e ss  m a c h i n e s , ”   I E EE   T ra n sa c t i o n s   o n   I n d u st r i a l   El e c t r o n i c s ,   v o l .   5 8 ,   n o .   1 1 ,   p p .   5 0 8 7 – 5 1 0 1 ,   2 0 1 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / T I E. 2 0 1 1 . 2 1 2 3 8 5 3 .   [ 7 ]   D .   K .   Ja n g   a n d   J.   H .   C h a n g ,   “ P e r f o r m a n c e   c o m p a r i so n   o f   P M   s y n c h r o n o u s  a n d   P M   v e r n i e r   m a c h i n e s b a se d   o n   e q u a l   o u t p u t   p o w e r   p e r   u n i t   v o l u me, ”   J o u rn a l   o f   E l e c t ri c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   T e c h n o l o g y ,   v o l .   1 1 ,   n o .   1 ,   p p .   1 5 0 – 1 5 6 ,   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 5 3 7 0 / JEE T. 2 0 1 6 . 1 1 . 1 . 1 5 0 .   [ 8 ]   S .   E.   R a u c h   a n d   L.   J.  J o h n s o n ,   “ D e si g n   P r i n c i p l e s  o f   F l u x - S w i t c h   A l t e r n a t o r s  [ i n c l u d e s  d i s c u ss i o n ] , ”   T ra n s a c t i o n s   o f   t h e   Am e ri c a n   I n st i t u t e   o f   El e c t ri c a l   En g i n e e rs.   Pa rt   I I I :   Po w e r   A p p a r a t u s  a n d   S y st e m s ,   v o l .   7 4 ,   n o .   3 ,   J a n .   1 9 5 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A I EEPA S . 1 9 5 5 . 4 4 9 9 2 2 6 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,  Vo l.  1 3 ,   No .   4 ,  Dece m b er   20 2 4 :   9 0 9 - 919   918   [ 9 ]   R .   P .   D e o d h a r ,   S .   A n d e m o n ,   I .   B o l d e a ,   a n d   T.   J.  E.   M i l l e r ,   “ T h e   f l u x - r e v e r s a l   m a c h i n e :   a   n e w   b r u s h l e ss  d o u b l y - s a l i e n t   p e r m a n e n t - mag n e t   m a c h i n e , ”   I E EE  T r a n s a c t i o n s  o n   I n d u s t ry   A p p l i c a t i o n s ,   v o l .   3 3 ,   n o .   4 ,   p p .   9 2 5 - 9 3 4 ,   Ju l - A u g .   1 9 9 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / 2 8 . 6 0 5 7 3 4 .   [ 1 0 ]   C .   W a n g ,   S .   A .   N a s a r ,   a n d   I .   B o l d e a ,   “ V e c t o r   C o n t r o l   o f   Th r e e - P h a se   F l u x   R e v e r s a l   M a c h i n e , ”   E l e c t r i c   M a c h i n e s   &  P o w e r  S y s t e m s ,  v o l .   2 8 ,   n o .   2 ,   p p .   1 5 3 – 1 6 6 ,   F e b .   2 0 0 0 ,   d o i :   1 0 . 1 0 8 0 / 0 7 3 1 3 5 6 0 0 2 6 8 4 3 2 .   [ 1 1 ]   C .   X .   W a n g ,   I .   B o l d e a ,   a n d   S .   A .   N a s a r ,   “ C h a r a c t e r i z a t i o n   o f   t h r e e   p h a s e   f l u x   r e v e r sa l   ma c h i n e   a s a n   a u t o mo t i v e   g e n e r a t o r , ”   I E E E   T ra n s a c t i o n s  o n   E n e r g y   C o n v e rs i o n ,   v o l .   1 6 ,   n o .   1 ,   p p .   7 4 – 8 0 ,   M a r .   2 0 0 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / 6 0 . 9 1 1 4 0 7 .   [ 1 2 ]   D .   S .   M o r e   a n d   B .   G .   F e r n a n d e s ,   “ A n a l y s i s  o f   f l u x - r e v e r sa l   mac h i n e   b a s e d   o n   f i c t i t i o u s   e l e c t r i c a l   g e a r , ”   I EEE   T ra n s a c t i o n s  o n   En e r g y   C o n v e rsi o n ,   v o l .   2 5 ,   n o .   4 ,   p p .   9 4 0 – 9 4 7 ,   2 0 1 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TEC . 2 0 1 0 . 2 0 4 8 3 3 0 .   [ 1 3 ]   D .   S .   M o r e ,   H .   K a l l u r u ,   a n d   B .   G .   F e r n a n d e s,   “ C o m p a r a t i v e   a n a l y s i s  o f   f l u x   r e v e r sa l   m a c h i n e   a n d   f r a c t i o n a l   s l o t   c o n c e n t r a t e d   w i n d i n g   P M S M , ”   i n   I E C O N   Pro c e e d i n g s  ( I n d u st r i a l   El e c t ro n i c s  C o n f e re n c e ) ,   2 0 0 8 ,   p p .   1 1 3 1 – 1 1 3 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I EC O N . 2 0 0 8 . 4 7 5 8 1 1 3 .   [ 1 4 ]   V .   D mi t r i e v s k i i   a n d   V .   P r a k h t ,   “ G e a r l e ss  g e n e r a t o r   w i t h   m a g n e t s   o n   t h e   st a t o r   f o r   w i n d   t u r b i n e , ”   i n   J o u r n a l   o f   Ph y si c s:   C o n f e re n c e   S e r i e s ,   2 0 1 8 ,   v o l .   1 1 0 2 ,   n o .   1 ,   d o i :   1 0 . 1 0 8 8 / 1 7 4 2 - 6 5 9 6 / 1 1 0 2 / 1 / 0 1 2 0 1 8 .   [ 1 5 ]   L.   S h a o ,   W .   H u a ,   M .   C h e n g ,   J.  S o u l a r d ,   Z.   W u ,   a n d   Z.   Q .   Z h u ,   “ E l e c t r o mag n e t i c   p e r f o r m a n c e   c o m p a r i so n   b e t w e e n   1 2 - p h a s e   sw i t c h e d   f l u x   a n d   su r f a c e - m o u n t e d   P M   m a c h i n e s   f o r   d i r e c t - d r i v e   w i n d   p o w e r   g e n e r a t i o n , ”   i n   I E EE  T r a n sa c t i o n s   o n   I n d u s t ry   Ap p l i c a t i o n s ,   v o l .   5 6 ,   n o .   2 ,   p p .   1 4 0 8 - 1 4 2 2 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI A . 2 0 2 0 . 2 9 6 4 5 2 7 .   [ 1 6 ]   D .   S .   M o r e ,   H .   K a l l u r u ,   a n d   B .   G .   F e r n a n d e s,  “ O u t e r   R o t o r   F l u x   R e v e r sa l   M a c h i n e   f o r   R o o f t o p   W i n d   G e n e r a t o r , ”   i n   2 0 0 8   I EEE   I n d u st r y   A p p l i c a t i o n s  S o c i e t y   An n u a l   Me e t i n g ,   O c t .   2 0 0 8 ,   p p .   1 – 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / 0 8 I A S . 2 0 0 8 . 7 7 .   [ 1 7 ]   G .   P e l l e g r i n o   a n d   C .   G e r a d a ,   “ M o d e l i n g   o f   f l u x   r e v e r sal   mac h i n e s  f o r   d i r e c t   d r i v e   a p p l i c a t i o n s , ”   Pro c e e d i n g s  o f   t h e   2 0 1 1   1 4 t h   Eu r o p e a n   C o n f e r e n c e   o n   P o w e r  El e c t ro n i c s   a n d   A p p l i c a t i o n s ,   2 0 1 1 ,   p p .   1 – 1 0 .   [ 1 8 ]   B .   V i d h y a   a n d   K .   N .   S r i n i v a s,  “ S ma l l   S c a l e   W i n d   G e n e r a t i o n   S y st e m:   P a r t   I   –   E x p e r i m e n t a l   V e r i f i c a t i o n   O f   F l u x   R e v e r s a l   G e n e r a t o r   B l o c k , ”   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   A p p l i e d   P o w e r E n g i n e e ri n g   ( I J AP E) ,   v o l .   6 ,   n o .   1 ,   p .   1 ,   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j a p e . v 6 . i 1 . p p 1 - 1 2 .   [ 1 9 ]   A .   M o h a mm a d i   e t   a l . ,   “ D e s i g n   O p t i mi z a t i o n   o f   a   D i r e c t - D r i v e   W i n d   G e n e r a t o r   W i t h   a   R e l u c t a n c e   R o t o r   a n d   a   F l u x   I n t e n s i f y i n g   S t a t o r   U si n g   D i f f e r e n t   P M   T y p e s, ”   I EEE  T ra n s a c t i o n s  o n   I n d u st r y   A p p l i c a t i o n s ,   v o l .   6 0 ,   n o .   4 ,   p p .   6 1 1 3 – 6 1 2 3 ,   J u l .   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI A . 2 0 2 4 . 3 3 9 6 7 9 2 .   [ 2 0 ]   S .   R ó ż o w i c z ,   Z.   G o r y c a ,   a n d   A .   R ó ż o w i c z ,   “ P e r ma n e n t   M a g n e t   G e n e r a t o r   f o r   a   G e a r l e ss B a c k y a r d   W i n d   T u r b i n e , ”   En e rg i e s ,   v o l .   1 5 ,   n o .   1 0 ,   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e n 1 5 1 0 3 8 2 6 .   [ 2 1 ]   V .   P r a k h t ,   V .   D mi t r i e v s k i i ,   V .   K a z a k b a e v ,   a n d   M .   N .   I b r a h i m ,   “ C o m p a r i s o n   b e t w e e n   r a r e - e a r t h   a n d   f e r r i t e   p e r m a n e n t   m a g n e t   f l u x - sw i t c h i n g   g e n e r a t o r s fo r   g e a r l e ss w i n d   t u r b i n e s , ”   En e rg y   R e p o r t s ,   v o l .   6 ,   p p .   1 3 6 5 – 1 3 6 9 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . e g y r . 2 0 2 0 . 1 1 . 0 2 0 .   [ 2 2 ]   M .   B h a r a t h i ,   U .   B .   A k u r u ,   a n d   M .   K .   K u mar,   “ C o mp a r a t i v e   D e s i g n   a n d   P e r f o r man c e   A n a l y s i s   o f   1 0   k W   R a r e - Ea r t h   a n d   N o n - R a r e   Ea r t h   F l u x   R e v e r sa l   W i n d   G e n e r a t o r s , ”   E n e r g i e s ,   v o l .   1 5 ,   n o .   2 ,   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e n 1 5 0 2 0 6 3 6 .   [ 2 3 ]   L.   S z a b o ,   “ A   s u r v e y   o n   mo d u l a r   v a r i a b l e   r e l u c t a n c e   g e n e r a t o r s  f o r   sm a l l   w i n d   t u r b i n e s, ”   I EE E  T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u s t r y   Ap p l i c a t i o n s ,   v o l .   5 5 ,   n o .   3 ,   p p .   2 5 4 8 – 2 5 5 7 ,   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI A . 2 0 1 9 . 2 8 9 1 7 3 0 .   [ 2 4 ]   U .   B .   A k u r u   a n d   M .   J.   K a m p e r ,   “ P e r f o r man c e   c o m p a r i s o n   o f   o p t i mu m   w o u n d - f i e l d   a n d   f e r r i t e   P M   f l u x   sw i t c h i n g   m a c h i n e s  f o r   w i n d   e n e r g y   a p p l i c a t i o n s,”   i n   Pr o c e e d i n g s  -   2 0 1 6   2 2 n d   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   E l e c t r i c a l   M a c h i n e s ,   I C E M  2 0 1 6 ,   2 0 1 6 ,   p p .   2 4 7 8 – 2 4 8 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C EL M A C H . 2 0 1 6 . 7 7 3 2 8 6 9 .   [ 2 5 ]   M .   S a l e h i ,   A .   G h a h e r i ,   A .   O mi d i ,   A .   D a r a b i ,   M .   H .   M a r z e b a l i ,   a n d   M .   M a n j r e k a r ,   “ Tr a n s v e r se   F l u x   P e r ma n e n t   M a g n e t   M a c h i n e s   S t a t e   o f   t h e   A r t   a n d   D e si g n   P r o c e d u r e   f o r   D i r e c t   D r i v e   W i n d   T u r b i n e s, ”   i n   2 0 2 4   I E EE  T r a n sp o r t a t i o n   E l e c t r i f i c a t i o n   C o n f e r e n c e   a n d   Ex p o   ( I T EC ) ,   Ju n .   2 0 2 4 ,   p p .   1 – 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I TEC 6 0 6 5 7 . 2 0 2 4 . 1 0 5 9 9 0 0 5 .       B I O G RAP H I E S O F   AUTH O RS       Ma n n e   B h a r a t h i          re c e iv e d   B. Tec h .   d e g re e   i n   e lec tri c a l  a n d   e lec tro n ics   e n g in e e rin g   fro m   P VP  S id d h a rt h a   In stit u te  o f  Tec h n o l o g y ,   JN TU,   Ka k in d a ,   I n d ia,   i n   2 0 1 5 ,   M . Tec h .   d e g re e   in   p o we r  sy ste m s  fro m   Ac h a ry a   Na g a rju n a   Un i v e rsi ty , G u n tu r ,   I n d ia,   in   2 0 1 7   a n d   re c e iv e d   P h . D.  in   e lec tri c a l  a n d   e lec tro n ics   e n g i n e e rin g   a t  Ko n e r u   Lak sh m a iah   Ed u c a ti o n   F o u n d a ti o n ,   G u n t u r,   In d ia  i n   2 0 2 2 .   He r  c u rre n t  re se a rc h   i n c lu d e s  fu e l  c e ll   m o d e li n g   f o r   d istri b u ted   g e n e ra ti o n   a n d   g ri d   c o n n e c ted   a p p l ica ti o n s  a n d   sp e c ial  e lec tri c a l  m a c h in e s  m o d e li n g   a n d   c o g g in g   to r q u e   m i n imiz a ti o n   a n a l y sis  e sp e c ially   fo r  win d   t u rb i n e   g e n e ra to r   a p p li c a ti o n s.  S h e   c a n   b e   c o n tac te d   a t   e m a il :  b h a ra th i. m a n n e 1 9 9 4 @ g m a il . c o m .         I.  S .   N.  V.  R.   Pra sa n th           wa s  a wa rd e d   a   d o c t o ra te  o f  p h il o so p h y   in   m e c h a n ica l  e n g in e e rin g   (m a c h in in g   o f  c o m p o sites )  fro m   Ja wa h a rlal  Ne h ru   T e c h n o l o g ica l  Un i v e rsity ,   Hy d e ra b a d ,   P o st  g ra d u a ti o n   in   th e   sp e c ializa ti o n   o f  in d u strial  e n g i n e e rin g   a n d   m a n a g e m e n t   fro m   JN TUH  a n d   b a c h e lo r   o f   e n g in e e rin g   i n   m e c h a n ica l  e n g in e e r in g   fro m   JN TUH.  He   h a s  1 7   y e a rs o f  tea c h i n g   e x p e rien c e   in   v a rio u s rep u ted   e n g in e e rin g   c o l leg e s in   Hy d e ra b a d .   He   is   v e ry   m u c h   e n t h u sia stic  to wa rd s  re se a rc h   a c ti v it ies .   He   h a s  p u b li sh e d   3   F re e   S CI,   6   F re e   Web   o f  S c ien c e   a n d   6   F re e   S c o p u s  jo u rn a l  p a p e rs,  1   b o o k   c h a p ter,  4   p a t e n ts  a n d   a ro u n d   3 0   o t h e r  re p u ted   p u b li c a ti o n   p a p e rs.  Re v ie we d   ten   a rti c les   in   re p u ta b le  in ter n a ti o n a l   jo u rn a ls.  Un d e r   h is  a b le  g u id a n c e   3 2   p r o jec ts  h a v e   b e e n   c o m p lete d   i n   UG   lev e l,   a n d   8   p r o jec ts  i n   P G   lev e l .   On e   CRG   p ro jec t  h a s  b e e n   p ro v isi o n a ll y   a c c e p ted   in   M a y - 2 0 2 3 .   He   c a n   b e   c o n tac ted   a t  e m a il :   p ra sa n th 5 1 0 9 @g m a il . c o m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.