Linear Machines for Long Stroke Applications: a review

This document reviews the current state of the art in the linear machine technology. First,the recent advancements in linear induction, switched reluctance and permanent magnet machines arepresented. The ladder slit secondary configuration is identified as an interesting configuration for linearinduction machines. In the case of switched reluctance machines, the mutually-coupled configuration hasbeen found to equate the thrust capability of conventional permanent magnet machines. The capabilities ofthe so called linear primary permanent magnet, viz. switched-flux, flux-reversal, doubly-salient and verniermachines are presented afterwards. A guide of different options to enhance several characteristics of linearmachines is also listed. A qualitative comparison of the capabilities of linear primary permanent magnetmachines is given later, where linear vernier and switched-flux machines are identified as the most interestingconfigurations for long stroke applications. In order to demonstrate the validity of the presented comparison,three machines are selected from the literature, and their capabilities are compared under the same conditionsto a conventional linear permanent magnet machine. It is found that the flux-reversal machines suffer froma very poor power factor, whereas the thrust capability of both vernier and switched-flux machines isconfirmed. However, the overload capability of these machines is found to be substantially lower than theone from the conventional machine. Finally, some different research topics are identified and suggested foreach type of machine

Design And Implementation Of A Double-sided Coreless Linear Motor

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Lineer motor teknolojisi 1840’lara dayanmaktadır. Bilinen ilk model bir İngiliz mühendis olan Charles Wheatstone tarafından yapılmıştır, ancak bu model çok kullanışlı ve uygulanabilir olarak hatırlanmamaktadır. Elverişli ilk model, bir Alman mühendis olan Alfred Zehden tarafından 1905’te tasarlanmıştır. Bu model trenlerde ve asansörlerde kullanılmıştır. Uygulamalar daha da geliştirilerek en ileri şekliyle 1935’te Herman Kemper tarafından tasarlanmıştır. Yine de herşeye rağmen lineer motorun gelişimine en çok katkıda bulunan ve mucidi olarak tanınan kişi aynı zamanda Imperial College London profösörlerinden biri olan Eric Laithwaite’dir. Günümüzde elektrik motorlarından beklentiler oldukça fazladır. Bunlardan bazıları hafiflik, kontrol edilebilirlik, doğrudan tahrik, yüksek kuvvet/moment ağırlık oranı ve düşük bakım maliyeti olarak sıralanabilir. Bu saydığımız beklentiler, lineer motorlara olan ilgiyi son zamanlarda fazlasyla arttırmıştır. Lineer motorlar üzerine yapılan çalışmalar asenkron lineer motorlarla başlamış olsa da, lineer fırçasız doğru akım makinaları kontrol edilebilirliklerin çok daha kolay olması nedeniyle asenkron motorlarlara olan bu ilgiyi ikinci plana atmayı başarmıştır. Lineer motorlar en basit yapılarıyla, dönel bir motorun yarıçapı boyunca kesilip lineer hale getirilmiş durumu olarak tanımlanabilir. Lineer motorda momentden söz edilmez ve bu büyüklük yerini kuvvete bırakır. Lineer motorlar uzunlukları boyunca kuvvet üretirler. Kısa zamanda yüksek kuvvet değerlerine çıkabilmektedirler. Aktarma elemanlarının olmaması ve yapıları gereği bunlara ihtiyaç dahi olmaması döner hareketi lineer harekete çevirirken kaybedilen enerjiyi ortadan kaldırmaktadır. Dolayısıyla motor sürücüleri için daha hassas kontrol sağlamaktadır. Sanayide çeşitli alanlarda kullanılabilirler. Başlıca uygulama alanmaları, CNC tezgahları, robotik ve otomasyon uygulamaları, füze konumlama sistemleri, gen dizimi, konveyör sistemleri, vinç sistemleri ve manyetik levitasyon olarak sıralanabilir. Lineer motor üzerine yapılan çalışmala çoğunlukla Almanya ve Japonya’da yer almaktadır. Lineer motorların bugünkü en ileri teknolojisi, Japonya‘da bir manyetik levitasyon uygulaması olan Maglev trenlerinde kullanılmaktadır. Bu tren son zamanlarda ulaştığı 600km/sa hız değeriyle dünya rekorunu kırmıştır. Geçmiş uygulamalara bakıldığında, 10 yıl öncesinde bile lineer motorlar yük altında doğrusal olarak sadece 5m/sn gibi bir hızla hareket edebiliyorlardı. Bu düşünüldüğünde Japonya’daki uygulamalar lineer motor teknolojisinde devrim yaratmıştır denilebilir. Böylece pek kullanılmamakta olan lineer motor teknolojisi yeniden dünyanın ilgisini çekmeye başlamıştır. Lineer motorlar artık günümüzde basit yapıları ve düşük maliyetleri nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak güç faktörü ve veriminin çok yüksek olmaması bir dez avantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzde lineer motor teknolojisinden beklentiler eskiye göre çok daha ileri düzeydedir. Lineer motor uygulamalarından en dikkat çekenleri gen dizimi, tıp elektroniği ve roket konumlandırma olarak listenebilir. Bu nedenle özellikle hassas konumlandırma, lineer motor teknolojisinde her geçen gün çok daha fazla önem kazanmaktadır. Hassas konumlandırma özellikle belli durumlarda fazlasıyla dikkat edilmesi gereken bir husustur. Özellikle çok yüksek ve çok düşük hız durumu, hızlı ivmelenme ve hızlı yatışma süresi söz konusu olduğunda ön plana çıkar ve verimliliği arttır. Bu durum düzgün hareket ve aşırı hassas ayar gerektiren mekanik ve konumlama elemanlarının başlıca araştırma konusudur. Tüm bu araştırmalar esasında motorun değişken yüke ve uygulanan kontrol sinyaline çabuk cevap verebilmesini amaçlamaktadır. Lineer motorun çalışma ilkesi Lorentz ve Faraday yasasına dayanır. Lorentz kuvvet yasası içinden akım geçirilen bir iletkenin, akıma dik olarak endüklenmiş bir manyetik alana yerleştirilmesi sonucunda bu iletkene bir kuvvet etkiyeceği ve bu kuvvetin iletkeni hareket ettirmeye çalışacağını söylemektedir. Bunun yanında bu kuvvetin iletkendeki sarım sayısı, sargı akımı ve üretilen akı ile doğru orantılı olduğu bilinmektedir. Faraday yasası ise manyetik alan içerisinde bulunan bir iletken, bu alan içerisinde belirli bir hızla haraket ettirilirse bu iletken üzerinde bir gerilim endüklendiğini söyler. Bu fikirlerden yola çıkılarak var, tez çalışmasında yeni bir lineer motor tasarlanıp üretilmiştir. Çalışmanın amacı çift yanlı, hava çekirdekli yüksek konum hassasiyetine sahip lineer bir motor tasarlamaktır. Uygulama alanları robotik ve otomasyon uygulamaları olarak belirlenmiş ve motor jenerik olarak tasarlanmıştır. Motorun yapısı gereği tasarım amacına ulaşmaktadır. Hava çekirdekli yapı düzgün harekete olanak vermektedir. Bunun nedeni hareketli parça üzerinde fazladan manyetik yük bulunmaması ve bu yükün stator sırt demiri ile manyetik etkileşime girememesidir. Bu durum daha hassas kontrol olanağı sağlar. Çift yanlı yapı motorun çok yüksek ve çok düşük hızlarda çalışmasını ve daha hızlı ivmelenmesini sağlar. Bu durum ise tamamen çift yanlı yapının daha homojen bir alan dağılımı oluşturmasından kaynaklanır. Tasarlanan motorun problemi ısı ve kapladığı alan olarak belirlenmiştir. Motorun önemli üç ana bölümü bulunmaktadır, bunlar; mıknatıslar, sargılar ve stator sırt demiri olarak listelenmiştir. Lineer motorda 22 kutup çifti ve 6 sargı bulunmaktadır. Tasarım ANSYS-Maxwell programında gerçekleştirilmiş, yapılan çalışmalardan sonra sonuçlar tasarıma gönderilmiştir. Çalışmanın amacı çift taraflı hava çekirdekli ve yüksek konum hassasiyetine sahip bir lineer motor tasarlamaktır. Malzeme seçimi ANSYS-Maxwell kütüphanesinden gerçekte var olan malzemelere uygun olacak biçimde yapılmıştır. Malzemeler bakır, Steel_1010 ve NdFe35 olarak seçilmiştir. Samaryum kobalt gibi NdFeB mıknatısı da nadir toprak mıknatısları arasında yer almaktadır. Bu mıknatıslar genel olarak demir, bor ve neodyum alaşımından oluşur ve kimyasal formülü Nd2Fe14B olarak yazılır. Bu tip mıknatısların koersif kuvvetleri yüksek olup tıpkı ferrit mıknatıslar gibi enine mıknatıslanmaya uygundurlar. Sargılar alüminyum yerine bakır olarak seçilmiştir. Bakırın en iyi iletken olması bu kararda önemli rol oynamıştır. Tez çalışması yüksek hassasiyette bir lineer motor tasarlamak olup, bu uygulamanın endüstride bir çok alanda kullanılmasından dolayı iç parçalar ve bağlantı parçalarının jenerik olarak üretilmesine karar verilmiştir. Toplam motor ağırlığı 10.5 kg’dır. Hafif olması nedeniyle birçok yerde kullanılabilir ve taşıma kolaylığı sayesinde istenilen yere monte edilebilir. Elektriksel tasarımı motorun manyetik analizleri ve kontrol devresinin tasarlanması oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasında sadece motorun elektrik, manyetik tasarımı ve üretimi anlatılmaktadır. Öncelikle motorun mekanik hesapları yapılmış ve bu hesplara dayanılarak motorun üç boyutlu çizimi gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu çizimden sonra analitik ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak iki boyutlu elektromanyetik hesaplarla motor tasarıma hazırlanmıştır. Bunu takiben motor üretimi gerçekleştirilmiş ve motor testlerine başlanmıştır. Motor tesleri ile sonlu elemanlar analizi arasında büyük tutarlılık görülmüştür. Tezin sonunda sonuçlar ve gelecekteki çalışmalar bölümüne yer verilmiş ve bu konudaki düşünceler belirtilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemiyle motor tasarlandıktan sonra ilk olarak kuvvet hesabı el hesabı ile tekrar kontrol edilmiş ve analiz sonucu doğrulanmıştır. Ortaya çıkan ufak fark nümerik olup hata sınırları içerisinde kalmıştır. Sürücü devresi bir PWM devresi olup Maxwell Circuit Editor programında tasarlanmıştır. Motor tasarımını etkileyen faktörler giriş gerilimi, çıkış gücü ve anma hızı olarak bulunmuştur. Gerekli güç için en iyi tasarımı elde etmek doğru malzeme seçimi ve sargı optimizasyonu ile olmaktadır. Elektrik makinaları elektromekanik enerji dönüşümü yapan aygıtlardır. Elektrik enerjisi verilip mekanik enerji alınıyorsa buna motor çalışma, mekanik enerji verilip elektrik enerjisi alınıyorsa da buna jeneratör çalışma denmektedir. Elektrik makinaları iki ana başlık altında incelenebilir. Bunlar doğru akım ve alternatif akım makinaları olarak adlandırılabilir. Alternatif akım makinelerinin çalışma prensibi alternatif akımın sargılardan geçmesi ve hava aralığında döner alan oluşturması prensibine dayanır. Alternatif akım makinalarının alt dallarına bakılacak olursa senkron ve asenkron makinaları karşımıza çıkar. Senkron makinalar altında ise fırçasız doğru akım makinası bulunur. Doğru akım makinalarında ise manyetik alan doğrudan oluşur. Doğru akım makinaları komutasyon ve homopolar olarak iki ana gruba ayrılır. Komutasyon ile çalışan motorlardan biri de sabit mıknatıslı makinadır.Yani sabit mıknatıslı makinalar doğru veya alternatif akımla çalışabilir. Sabit mıknatıslı doğru akım makinaları adında doğru akım bulundursa da aslında alternatif akım makinaları altında yer almaktadırlar. Tasarlanan lineer motor fırçasız doğru akım makinası özelliklerini taşımaktadır. Endüklenen gerilimi ise sabit mıknatıslı senkron makinaya benzer. Bunun yanında lineer motorların tasarımlarına ilişkin özel sınıflandırmaları da bulunmaktadır. Örneğin, fırça tipine göre fırçalı ya da fırçasız lineer motorlar; stator şekline göre tüp şeklinde, çift yanlı ya da yassı lineer motorlar; çekirdek tipine göre ise demir çekirdekli, hava çekirdekli ve slotsu lineer motorlar olarak sıralanabilir. Tasarlanan lineer motor her grubun bir özelliğine sahip olmak üzere fırçasız, çift yanlı ve hava çekirdekli olarak bu listede yerini alır. Tasarlanan lineer motor sargıları üzerinde önemli optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Sonuçta üretilen motordaki tasarımda 4 mıknatısın karşısında 3 sargı olacak şekilde bir düzenleme yapılmış ve bunun diğer çalışmalarla kıyaslandığında en yüksek kuvvet değerini oluşturduğu görülmüştür. Motor tasarımının her aşaması sırasında bir bilgisayar programından yararlanılmıştır. Analizler sonlu elemanlar yöntemiyle yapılmıştır ve sargılar bu yöntemle yapılan analizler sonucunda optimize edilmiştir. Yapılan tetkiklerden sonra, motor üretimi ve montajı gerçekleştirilmiştir.The history of linear motor technology can be traced back to the 1840s. The first model made by Charles Wheatstone was inefficient and impractical. The first feasible linear motor was created by a German engineer called Alfred Zehden in 1905 to drive trains and lifts. A more fundamental model was later developed by Herman Kemper in 1935. The best example of usage of linear motors today are in Maglev trains in Japan. Less than a decade ago, linear motors were only able to move 5 meters per second with straightness, load capacity and stiffness. This is a positive sign that linear motor technology is growing rapidly and is the focus of a great amount of research and development. Linear motors are widely used in the industry as they have a simple structure and their cost to produce is becoming much lower. However, linear motors have low power factor and low efficiency. Modern linear motor applications demand greater performance. The key demands of a linear motor are high acceleration, long life, low maintanence, few moving parts and precise positioning. Some of the applications include, DNA sequencing, health operations, rocket positioning etc. Therefore, precision of linear motors is becoming significantly more important. From ideas above, the study involves to produce a brand new linear motor. It has 22 pole pairs and 6 coils, designed in a FEM tool (ANSYS-Maxwell 2015®) and has since been into production. This purpose of the thesis is to demonstrate and explain the design of a high precision double-sided coreless linear motor. Materials simiar to the existing ones are chosen from ANSYS-Maxwell library. The materials are consisting of copper, NdFe35 and Steel_1010. Like Samarium Cobalt, NdFeB (Nd2Fe14B) is termed as rare earth magnet. These magnets have high coercive force and can be magnetized widthwise like a ferrite magnet. Copper windings are typically chosen over aluminum windings, even though aluminum is cheaper, copper is a better conductive material. As the application is having high precision that is applicable to many industrial areas that are listed above, it is a lot easier to design and produce the linear motor as a generic motor. The total motor weighs approximately 10.5 kg. This will be the perfect motor that can be mobile and be implemented anywhere needed. First, the electromagnetic design of the motor is performed. After the FE analysis is done using ANSYS-Maxwell software, the force value is verified by a hand calculation. The results between the two calculations are slightly different due to moving field that needs to be taken into account. Secondly, mechanical data set is examined for the motor design. Then, the CAD drawing of the motor is given followed by analytical verification of the design and electromagnetic analysis. The production and the tests of the electric motor that is designed is explained and finally the conclusion and future investigations are discussed. The drive circuit is a PWM circuit designed in ANSYS Maxwell Circuit Editor. The features that effect motor design are input voltage, output force and rated speed. To maintain the best electric design for the required force, choosing the proper materials and optimizing the coils are essential. An electrical machine is an electromechanical device that converts energy. When one investigates, when the input is electrical energy and the output is mechanical energy it works as an electrical motor. However, if the input is mechanical energy and the output is electrical energy electrical machine works as an electrical generator. Electrical machines can be divided into two different types which are listed as Alternative Current (AC) and Direct Current (DC) electrical machines. In an AC machine, alternative current flows into the coil and creates a rotating magnetic field in the airgap. In DC machines magnetic field is created straightly. Permanent magnet brushless DC motors are named DC but thinking of their working principle they can be considered in AC machine types. The designed linear motor can be thought like a BLDC machine. For the linear motor a special design is produced and laboratory tests are made. According to this special design, three coils would face four magnets. The design of the motor is made by computer aided software. After designing the linear motor, electromagnetic FEM analyses are made. The coils are optimized after making several analyses by using the finite element software. When the verification of the design is obtained, production is made as well as motor assembly. There are three hall sensors exist on the original motor. The hall sensors that are currently exist on the motor are ignored for the FEM design. An approximation is made for the FEM design for these hall sensors. In the thesis, hall sensors will not be discussed under the chapter of electromagnetic simulation.Yüksek LisansM.Sc

Advanced Electrical Machines and Machine-Based Systems for Electric and Hybrid Vehicles

The paper presents a number of advanced solutions on electric machines and machine-based systems for the powertrain of electric vehicles (EVs). Two types of systems are considered, namely the drive systems designated to the EV propulsion and the power split devices utilized in the popular series-parallel hybrid electric vehicle architecture. After reviewing the main requirements for the electric drive systems, the paper illustrates advanced electric machine topologies, including a stator permanent magnet (stator-PM) motor, a hybrid-excitation motor, a flux memory motor and a redundant motor structure. Then, it illustrates advanced electric drive systems, such as the magnetic-geared in-wheel drive and the integrated starter generator (ISG). Finally, three machine-based implementations of the power split devices are expounded, built up around the dual-rotor PM machine, the dual-stator PM brushless machine and the magnetic-geared dual-rotor machine. As a conclusion, the development trends in the field of electric machines and machine-based systems for EVs are summarized

Thrust Ripple Reduction in Linear Switched-Flux Machines via Additional Pole Optimisation

Linear switched-flux machines are a kind of permanent magnet machine with a passive ferromagnetic secondary. Therefore, they can achieve both a good performance and a low cost in long stroke applications. However, due to the end effect, these machines generate high detent force and on load thrust force ripples. There are several solutions in the literature that aim to minimise the thrust ripple. One of those solutions is the placement of additional poles in the ends of the machine. These can be passive, i. e. simple ferromagnetic teeth, or active, with additional magnets. The former is the most common solution in the literature. In this article, the optimal configuration of the additional poles is discussed via 4 additional pole sizing strategies, and the influence of the design variables and optimisation objectives is analysed. Then, a generic additional pole configuration is proposed, which combines a high effectiveness and a simple design. Finally, an experimental validation is carried out, and the measurements confirm the results from the optimisation

Flux switching machine design for high-speed geared drives

Electrical machines capable of high-speed operation are key technology used in many modern applications, such as gas turbine electrical systems, high-speed fly-wheels, turbochargers, and computer numerical control (CNC) machines. The use of geared high-speed machines to replace low-speed high torque drives has not been adequately researched to-date. The rationale of this thesis is to investigate a candidate high speed machine, namely flux switching machines to be used together with new types of core material with mechanical gearing to deliver high-torque and low speeds. Modern developments in advanced material technology have produced new magnetic materials capable of dealing with high resulting in very low losses in high speed machines. However, such metals typically have low mechanical strength, and they are found to be brittle. In order to manufacture electromechanical device with such new materials, it has to be reinforced with a mechanically strong structure. The use of multiple types of magnetic materials referred as a MMLC has been proposed in this thesis for high-speed machine design. In this research, a generic method using magnetic equivalent circuit to model flux switching machines (FSMs) is investigated. Moreover modeling, based on machine dimensions for multiphase FSMs having any pole and slot number has been introduced. The air-gap permeance modeling to simplify the magnetic circuit calculation of FSMs was also investigated in this thesis. It is shown that the permeability of magnetic material can be adjusted with the use of MMLC material. Using this feature, the FSM mathematical model is used to show the impact on electromagnetic performance using MMLCs and is shown to be beneficial. In order the evaluate the weight benefits of using geared high speed FSMs, the planetary gear systems are studies and their design constraints have been identified. An abstract form of weight estimation for given torque and speed requirements has been developed and validated using commercially available planetary gear specifications. FSMs together with gear boxes have been considered and it is shown that significant weight savings can be achieved at higher diameter and at high speeds

Investigation on Multi-Physics Modelling of Fault Tolerant Stator Mounted Permanent Magnet Machines

This thesis investigates the stator mounted permanent magnet machines from the point of view of fault tolerant capability. The topologies studied are switched flux (and its derivatives C-Core, E-Core and modular), doubly salient and flux reversal permanent magnet machines. The study focuses on fault mode operation of these machines looking at severe conditions like short-circuit and irreversible demagnetization. The temperature dependence of the permanent magnet properties is taken into account. A complex multi-physics model is developed in order to assess the thermal state evolution of the switched flux machine during both healthy and faulty operation modes. This model couples the electro-mechanical domain with the thermal one, thus being able to consider a large range of operating conditions. It also solves issues such as large computational time and resources while still maintaining the accuracy. Experimental results are also provided for each chapter. A hierarchy in terms of fault tolerant capability is established. A good compromise can be reached between performance and fault tolerant capability. The mechanism of the magnet irreversible demagnetization process is explained based on magnetic circuit configuration. It is also found that the studied topology are extremely resilient against the demagnetizing influence of the short-circuit current and the magnet demagnetization is almost only affected by temperature

Understanding Switched-Flux Machines: A MMF-Permeance Model and Magnetic Equivalent Circuit Approach

Due to their particular structure, switched-flux permanent magnet machines have become a very interesting alternative for many applications. This is why some recent studies have been focused in the understanding of the operating mechanism of these machines via the MMF-permeance modelling. However, the models that can be found in the literature make some simplifications that reduce their accuracy when predicting the performance of switched-flux machines. For example, the models that can be found in the literature are commonly not precise enough for machines with a wide slot, because the influence of the modulator of the primary side of the machine is neglected. In this article, a precise analytical model is developed for a 6/13 C-Core switched-flux machine via a combination of a magnetic equivalent circuit and a MMF-permeance model. The model is based on the magnetic field modulation principle. The analytical model is used to explain the flux focusing effect and the force generation mechanism of switched-flux machines. A new concept of PM field harmonic efficiency ratio is used to identify the most efficient PM field harmonics of 2 switched-flux machines. The precision of the model is validated via 2D and 3D Finite Element Method simulations, and experimental measurements that were obtained with a linear machine prototype. The results show that the model can predict the performance of switched-flux machines with a high accuracy level

Overview of Stator Slot-opening Permanent Magnet Machines

In the past few decades, the stator permanent magnet (PM) machines have attracted much research attention because of their reliable rotor structure, high power density, wide speed range, and strong fault-tolerant ability. Among the recently proposed stator PM machine topologies, the stator slot-opening PM (SS-PM) machines are becoming increasingly popular because of their higher stator space utilization and robust rotor structure. According to the SS-PM magnetization direction, the SS-PM machines can be classified into three categories, namely, the tangentially magnetized stator slot-opening PM (TMSS-PM) machines, the radially magnetized stator slot-opening PM (RMSS-PM) machines, and the compound magnetized stator slot-opening PM (CMSS-PM) machines. The associated working principle and electromagnetic performance of different SS-PM machines can be diverse. Therefore, this paper gives an overview of SS-PM machines in terms of machine design, working principle, and machine performance. A qualitative performance evaluation and comparative study of SS-PM machines are presented, and the future challenges and potential opportunities in the SS-PM machine design are discussed

Switched Flux Permanent Magnet Brushless Machines for Electric Vehicles

This thesis investigates different topologies of switched flux permanent magnet (SFPM) machines and variable flux (VF) methods for high speed applications. Although several novel topologies of SFPM machines have been proposed and investigated recently, their torque-speed capability has not been studied systematically. Therefore, the torque-speed capability as well as the open circuit and electromagnetic performance of conventional SFPM machines with three different stator/rotor pole combinations, i.e. 12/10, 12/13 and 12/14, and three novel SFPM machine topologies, i.e. multi-tooth, E-core and C-core are analysed and investigated by the finite element (FE) method and experiments. Moreover, in order to improve the flux-weakening capability of these machines a variable flux method using flux adjusters (FAs) is employed and the corresponding electromagnetic performance of the machines are investigated, analysed and compared. Both FE and measured results show when the FAs are used the torque-speed capability of the three conventional machines can be improved significantly, while no improvement is shown in the three novel topologies primarily due to the large winding inductances. The technique of using flux adjusters has been improved by reducing the number of FAs. Thus, a new mechanical variable-flux machine topology, which uses only half of FAs outside the stator at alternative stator poles, is proposed, developed and analysed. Open circuit results, electromagnetic performance and torque- and power-speed curves of the 12/10, 12/13 and 12/14 stator/rotor pole SFPM machines with alternative FAs are predicted and compared by 2D and 3D-FE, and experimentally validated. Furthermore, a novel SFPM machine topology with radial and circumferential PMs is proposed, investigated and optimized. This topology reduces the stator flux leakage and offers high magnetic utilization. Moreover, this topology can also be developed as a mechanical variable flux machine. Finally, three SFPM machines with variable flux techniques, i.e. mechanically movable flux adjusters (MMFA), mechanically rotatable permanent magnet set (MRMS) and hybrid excitation with backside DC coils (HEBC) are analysed. Their open circuit results and electromagnetic performance with emphasis on torque-speed characteristic are investigated and compared. Additionally, the required power to switch between flux weakening and strengthening states, flux weakening capability and permanent magnet demagnetization withstand capability are predicted, analysed and compared. The influence of end-effect on the torque-speed capability in the conventional, multi-tooth, E-core and C-core SFPM machines is investigated. Measurements and 3D-FE are performed to obtain the torque-speed curve in order to validate the findings of the research. The 3D-FE predicted results match well with the measured results, while the 2D-FE predicted results are lower due to the high end-effect in the SFPM machines