1 

 

EE 2145230 Chapter 8 Electric Motor 

8.1 Motor Theory  

• An electric motor is a device that changes electrical energy to mechanical energy. 

Electrical Energy

Mechanical Energy

Motor

Generator 

• Motors can be classified as DC and AC motors. 

• Electromagnetism: Whenever an electric current  flows  in a conductor a magnetic  field  is  set up  in  the space surrounding the conductor. The field spreads out around the conductor  in concentric circles with the greatest density of magnetic flux nearest to the conductor.  

 

• If we place a current‐carrying conductor in a magnetic field, the conductor has a force exerted on it. If the conductor is free to move this force will produce motion. 

       

2 

 

8.2 DC Motor  

• DC motors are described in part by the type of field winding and armature winding connection. There are four types: separately excited, series, shunt and compound DC motor. 

•  The principle of DC motor:  ( )F I l B= × → F Bli= → tT K Iaφ=  

   

Repulsion of like magnetic poles and attraction of unlike magnetic poles.  

• Characteristics of DC motors 

 

• There are two main windings: 

1. Field winding (Stator): This winding provides magnetic flux and is static. 

2. Armature winding (Rotor): Current‐carrying wires in B (from Stator) ⇒ Force ⇒ Torque.  

 

3 

 

   

• The action of the commutator continually switches the input current to new sections of the armature winding so that the top of the armature is always a north pole; hence the armature continues to rotate in an effort to align itself with the field poles. 

• Counter or Back emf: As an armature rotates and cuts through the magnetic flux from the field circuit, an induced voltage occurs. This is because an electromotive force (emf) will be induced across the ends of a conductor when there is relative motion between it and a magnetic field. 

( )e l v B= × →  tE K N=Kb φ φω=

KVL on armature circuit:  b t a aE V I R= −  

 

 

    Separately excited DC motor: Field circuit and armature circuit are separated. 

4 

 

     

Shunt DC motor:  L a fI I I= +  

‐ Low starting torque 

‐ The speed is almost constant for all reasonable loads. 

‐ Loads: electric fans and pumps 

 

   

          Series DC motor:  T A A A F AV E R I R I= + +   

‐ High starting torque  

‐ If a series motor is not connected mechanically to a load, the speed of the motor will continue to increase for as long as the counter emf is substantially below the applied emf. The speed may increase far above the normal operating speed of the motor, and this may result in the armature flying apart because of the centrifugal force developed by the rapid rotation. A series motor should always be connected mechanically to a load to prevent it from “running away”. 

‐ Loads: engine starter, landing gear 

 

 

5 

 

• DC motor efficiency: Losses100% 100% 100%

Lossesout out in

in out in

P P PP P P

η −= × = × = ×

+ 

 

  Four major losses are 

1. Copper losses (Cu losses): losses from field and armature windings 

2. Core loss: Hysteresis and Eddy current losses 

3. Mechanical losses: Friction and windage losses 

4. Stray load losses: 1% of output power 

  Note that core and mechanical losses are called rotational losses. 

• Speed control 

1. For separately excited motors, speed can be controlled by varying the field current, varying the armature source voltage or by inserting additional resistance in series with the armature. 

2. For shunt‐connected motors, speed can be controlled by varying the field current or by inserting additional resistance in series with the armature.

3. For series‐connected motors, its torque is almost inversely proportional to the square of its speed. This type of motor is suitable for starting heavy loads. It can reach dangerous speeds if the load is totally removed 

 

8.3 AC Motor  

• Because the speed of an AC motor is determined by the frequency of the AC supply that is applied it, AC motors  are well  suited  to  constant  speed  applications. The principle of  all AC motors  is based on  the generation of a rotating magnetic field. It is this rotating field that causes the motor’s rotor to turn. 

• AC motors can be grouped into 1) Synchronous motors and 2) Induction motors 

• If three windings are placed round a stator frame, and three‐phase AC is applied to the windings, the magnetic fields generated in each of the three windings will combine into a magnetic field that rotates. At any given instance, these fields combine together in order to produce a resultant field that which acts on the rotor. The rotor turns because the magnetic field rotates. 

6 

 

 

• Synchronous motor: AC is applied to the stator and DC is applied to the rotor. 

• If the rotor winding is energized with DC, it will act like a bar magnet and it will rotate in sympathy with the  rotating  field. The  speed of  rotation of  the magnetic  field depends on  the  frequency of  the  three‐phase  AC  supply  and,  provided  that  the  supply  frequency  remains  constant,  the  rotor will  turn  at  a constant speed. Furthermore, the speed of rotation will remain constant regardless of the load applied. 

• The synchronous motor is so called because its rotor is synchronized with the rotating field set up by the stator. Its construction is essentially the same as that of a simple AC generator (alternator). 

• Synchronous motors are not self‐starting and must be brought up to near synchronous speed before they can continue rotating by  themselves. When  the motor speed reaches approximately 97% of nameplate RPM, the DC field current is applied to the rotor producing Pull‐in Torque and the rotor will pull‐in ‐step and “synchronize” with the rotating flux field in the stator. The motor will run at synchronous speed and produce Synchronous Torque.  

• The requirement to have an external DC voltage source as well as the AC field excitation makes this type of motor somewhat unattractive! 

 

7 

 

• Advantages of synchronous motors 

1) Precise speed regulation makes the synchronous motor an ideal choice for certain industrial processes and as a prime mover for generators. 

2) Synchronous motors have  speed  /  torque  characteristics which are  ideally  suited  for direct drive of large horsepower, low‐rpm loads such as reciprocating compressors. 

3) Synchronous motors operate at an  improved power  factor,  thereby  improving overall system power factor and eliminating or reducing utility power factor penalties. An improved power factor also reduces the system voltage drop and the voltage drop at the motor terminals. 

• Induction motor (IM): most commonly used AC motors.  

• The  induction motor derives  its name from the fact that AC currents are  induced  in the rotor circuit by the  rotating magnetic  field  in  the  stator.  The  stator  construction  of  the  induction motor  and  of  the synchronous motor is almost identical, but their rotors are completely different. 

• Two types of rotor winding are 1) Squirrel cage and 2) Wound rotor 

• The essential parts of an induction motor are the rotor and the stator. The stator is in the form of a shell with longitudinal slots on the inner surface. The rotor in an induction motor consists of a laminated iron core in which are placed longitudinal conductors. Additional resistance can be added to wound rotor type through slip rings, while no resistance can be added for squirrel cage type. 

 

 

 

8 

 

Stator Winding Squirrel cage rotor

End ring

3 supply

Stator Winding Wound rotor winding

Slip ring

Brushes

External variable resistor

3 supply

(Stator Winding may be Y or connection.)

 

• The  induction  motor  is  the  most  commonly  used  AC  motor  because  of  its  simplicity,  its  robust construction  and  its  relatively  low  cost.  These  advantages  arise  from  the  fact  that  the  rotor  of  an induction motor  is a self‐contained component that  is not actually electrically connected to an external source of voltage. 

• The induction motor has the same stator as the synchronous motor. The rotor is different in that it does not require an external source of power. Current is induced in the rotor by the action of the rotating field cutting through the rotor conductors. This rotor current generates a magnetic field which  interacts with the stator field, resulting in a torque being exerted on the rotor and causing it to rotate. 

• The rotating magnetic field generated in the stator induces an e.m.f. in the rotor. The current in the rotor circuit caused by this induced e.m.f. sets up a magnetic field. The two fields interact, and cause the rotor to turn. Note that the rotor circuit is a closed‐loop circuit. 

 

• The rotor of an  induction motor rotates at  less than synchronous speed,  in order that the rotating field can  cut  through  the  rotor  conductors  and  induce  a  current  flow  in  them.  This  percentage  difference between the synchronous speed and the rotor speed  is known as slip. Slip varies very  little with normal load  changes,  and  the  induction motor  is  therefore  considered  to  be  a  constant‐speed motor.  If  the speeds were exactly the same, no relative motion would exist between the two, and so no e.m.f. would be induced in the rotor. 

 

9 

 

Three‐phase IM 

• Synchronous speed (Ns) can be calculated from 2 12060s

fN fP P

= × × =  

Slip (s) can be calculated from  s r

s

N NsN−

= where Nr is the rotor speed 

• Developed torque 22 2

2 22 2

( )

ksE RTR sX

=+

 

 

• When the load on an induction motor becomes so great that the torque of the rotor cannot carry it, the motor will stop. This is called the pull‐out point. 

• Induction motor efficiency 

3 cosL LV I θ

 

 

10 

 

  Four major losses are 

1. Stator Copper losses (PSCL): losses from the stator winding 

2. Core loss: Hysteresis and Eddy current losses 

3. Rotor Copper losses (PRCL): losses from the rotor winding 

4. Mechanical losses: Friction and windage losses 

5. Stray load losses: 1% of output power 

   

Two‐phase IM 

• In the case of a two‐phase induction motor, two windings are placed at right angles to each other. By exciting these windings with current which is 90 degrees out of phase, a rotating magnetic field can be created. 

 

Single‐phase IM 

• A single‐phase induction motor, on the other hand, has only one phase. This type of motor is extensively used in applications which require small low‐output motors. The advantage gained by using single‐phase motors is that in small sizes they are less expensive to manufacture than other types. Also they eliminate the need for a three‐phase supply. 

• A single‐phase induction motor has only one stator winding; therefore the magnetic field generated does not  rotate. A single‐phase  induction motor with only one winding cannot start  rotating by  itself. Some means of  starting  is  required  for all  single‐phase  induction motors. Once  the  rotor  is  started  rotating, however, it will continue to rotate and come up to speed. 

 

11 

 

• Three types of commonly used single‐phase IM 

1) Split‐phase  IM: This  IM should not start frequently. Rating between 60W – 250 W (1/12 hp‐ 1/3 hp). Split stator winding into main winding and auxiliary winding with different wire sizes. 

 

 

2) Capacitor‐type IM: This IM can start often and gives high starting torque. Rating between 120 W – 7.5 kW                (1/6 hp‐10 hp). The performance is better due to the capacitor. 

 

12 

 

    

  3) Shaded‐pole IM: This IM gives low starting torque. Rating lower than 0.05 hp (40 W).  

      In the shaded pole  induction motor, a section of each pole face  in the stator  is shorted out by a metal  strap. This has  the effect of moving  the magnetic  field back and  forth across  the pole  face. The moving magnetic  field  has  the  same  effect  as  a  rotating  field,  and  the motor  is  self‐starting  when switched on. 

 

References: 

Textbooks # 1 and # 2 

EE 2145230 Aircraft Electricity and Electronics  

Asst. Prof. Thavatchai Tayjasanant, Ph.D.