JET 37 JET Volume 14 (2021) p.p. 35-45 Issue 3, November 2021 Type of article 1.01 www.fe.um.si/en/jet.html COMPARATIVE ANALYSIS OF SYNCHRONOUS MOTORS PRIMERJALNA ANALIZA SINHRONSKIH MOTORJEV Vasilija Sarac R , Goce Stefanov 1 , Dragan Minovski 1 Keywords: FEM models, synchronous motors, steady-state characteristics, transient characteristics Abstract This paper compares the parameters, steady-state and transient characteristics of two different types of synchronous motors (SM) – a motor with surface mounted magnets on the rotor, and a motor with embedded magnets and squirrel cage winding, widely known as a line-start synchronous motor. The comparison is based on results obtained from analytical, numerical and transient models of both motors for the same output power of the motors. The models for obtaining transient characteristics allow comparison of acceleration of both motors taking into consideration that the line-start SM is a self-starting motor while the SM with surface magnets is always started with the aid of a PWM inver - ter. The results obtained from the analytical, numerical and transient models of the motors should assist in choosing the most cost-effective solution in terms of the type of the motor for the appropri- ate application. Povzetek V članku je predstavljena primerjava parametrov, ustaljene in tranzientne karakteristike dveh različ- nih tipov sinhronih motorjev (SM) – motorja s površinsko nameščenimi trajnimi magneti ter motor - ja z vgrajenimi trajnimi magneti in kratkostično kletko. Primerjava temelji na pridobljenih rezultatih iz analitičnega, numeričnega in tranzientnega modela obeh motorjev pri enaki izhodni moči mo- torjev. Modeli za določitev tranzientnih karakteristik omogočajo primerjavo hitrosti obeh motorjev upoštevajoč, da je SM s trajnimi magneti in kratkostično kletko samozagonski motor, medtem ko se R Corresponding author: Prof. Vasilija Sarac, University Goce Delcev, Faculty of Electrical Engineering, Krste Misirkov 10-A, 2000 Stip, North Macedonia, Tel: +389 32 550 650, E-mail address: vasilija.sarac@ugd.edu.mk 1 University Goce Delcev, Faculty of Electrical Engineering, Krste Misirkov 10-A, 2000 Stip, North Macedonia 38 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Vasilija Sarac, Goce Stefanov, Dragan Minovski 2  V a silija Sar ac,  Goce St e f anov,  Dra gan Min o vsk i  JET Vol. 14 (2021)     Issue 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  SM s površinsko nameščenimi trajnimi magneti vedno  zažene s pomočjo PWM pretvornika.  Rezultati  prej  omenjenih  modelov  motorjev  naj  bi  bili  v  pomoč  pri  izbiri  stroškovno  najugodnejše rešitve s stališča tipa motorja za določeno aplikacijo.    1 INTRODUCTION Finding an adequate type of motor for certain applications is not an easy task for electrical  engineers. There are varieties of induction motors, which nowadays are often used in various  drive applications. The development of power electronics has made this choice even harder.  Until recently, the three‐phase asynchronous motor has dominated in the industries’ drive  system due to its robustness, low price and low maintenance costs. The power electronics  facilitates  its  operation  in  variable  speed  drives,  as  the  speed  of  this  type  of  motor  (asynchronous  motor)  can  be  easily  regulated  by  frequency  inverters.  However,  the  low  efficiency and the low power factor remain one of the major drawbacks of this type of induction  motor. In contrast, synchronous motors have a high efficiency and power factor, which make  them  a  main  competitor  of  asynchronous  motors.  However,  the  choice  of  the  most  cost‐ effective solution in terms of motor type in a specific application is not so simple. Synchronous  motors can be divided into two major groups – motors without cage winding on the rotor, and  with various geometries of the magnets mounted on the rotor surface or embedded inside the  rotor. This type of synchronous motor cannot be started without the aid of voltage inverters,  i.e. they are not self‐starting motors or they cannot be started directly from the mains power  supply. Therefore, the cost of the motor rises as the cost of the inverter must be added to the  cost of the motor. The second group of synchronous motors is the line‐start synchronous motor  with a design very similar to that of the asynchronous squirrel cage motor. The only difference  in construction from the asynchronous squirrel cage motor is the magnets embedded inside the  rotor. The squirrel cage winding assists in motor starting while the magnets pull the motor into  synchronism.  In  an  era  where  energy  efficiency  is  of  paramount  importance,  it  is  understandable why there has been increased interest in synchronous motors in the scientific  community. The control theory, including sensorless speed control based on different original  control techniques for improving the speed regulation of synchronous motors with surface or  embedded magnets, is analysed in [1]‐[3]. Another field of research is the losses of synchronous  motors [4]. The early detection of motor faults by monitoring the stator currents or derating the  motor due to a broken bar fault was studied in [5]‐[6]. An in‐depth analysis of motor losses can  be found in [5]. Not just faults are those that limit the motor operation and life expectancy.  Noise and vibration often accompany operation of the motor. The choice of the most adequate  combination of the number of slots and number of poles can reduce noise and vibration, and  make operation of the motor smoother [7]. Synchronous motors have wide application in the  automotive  industry,  e.g.  in  high‐speed  applications.  A  detailed  study  of  the  transient  characteristics  of  an  induction  motor  with  copper  and  aluminium  bars  in  high‐speed  applications can be found in [8]. Another aspect of usage of synchronous motors in high‐speed  applications is the mechanical design of the rotor in terms of the reduction of mechanical stress.  An in‐depth study of the mechanical construction of the rotor with surface and embedded  magnets in terms of the mechanical stress can be found in [9]. Another issue that arises in terms  of  the  operation  of  synchronous  motors  is  the  harmonics  that  are  often  present  when  a  synchronous motor is operated by an inverter [10]. The literature review undertaken for this  research showed that very few papers address the comparison between synchronous motors  with surface mounted magnets (SMSPM) and line‐start synchronous motors (LSSPMM). This  JET 39 Comparative analysis of synchronous motors   Co mp ar at i ve a nal y s i s of sync hr o no us  motors  3       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  comparison is interesting from a design point of view as well as from the point of view of the  operating  characteristics  of  the  motors.  Three  different  methodologies  were  used  for  developing the motor models and obtaining the operating characteristics – a computer model  for analytical calculation of parameters and steady state characteristics, a numerical model for  magnetic  flux  density  distribution,  and  a  dynamic  model  for  obtaining  the  transient  characteristics. Both motors were constructed for the same power output and with minimum  material consumption (copper and permanent magnets), which allowed maximum efficiency  and power factor to be obtained. The results obtained from all three methods were compared  and adequate conclusions were derived. The comparison shown should assist in finding an  adequate motor for certain applications by taking into consideration all the advantages and  drawbacks of the analysed motors.    2 METHODOLOGY AND RESULTS 2. 1 Computer models for analytical calculation of parameter and steady- state characteristics Ansys software was used in modelling the computer models of both synchronous motors, which  allows  calculation  of  motor  parameters  and  operating  characteristics.  Both  types  of  synchronous motors were derived from the asynchronous motor type 2AZ155‐4 or the new  model  of  motor‐5AZ100LA‐4,  produced  by  the  Croatian  company  Rade  Končar  [11].  Both  synchronous  motors  were  modelledwith  one  constraint:  the  output  power  should  remain  unchanged, i.e. 2.2kW, the same as the asynchronous motor. In order for the computer models  to reach a solution and provide accurate results, the exact geometry of the motors must be  defined as well as all the materials used in construction of the motor. A cross‐section of both  motors is presented in Fig.1. The output results from the computer models are the motor  parameters at rated load, no load and locked rotor, as illustrated in Table 1. The comparison of  these two types of synchronous motors is justified by the fact that in spite of their quite  different rotor configuration, both motors do not exhibit any  Joule’s losses in the rotor.        a)    b)  Figure 1:  Cr oss‐ section  of th e  analys ed mo tor s      40 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Vasilija Sarac, Goce Stefanov, Dragan Minovski 4  V a silija Sar ac,  Goce St e f anov,  Dra gan Min o vsk i  JET Vol. 14 (2021)     Issue 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Table 1:  Parameters  and  ope rating  ch arac teristics  of  ana lytical  model   Parameters  SMSPM  LSSPMM  Stator phase resistance R1  ( )   2.95  1.8  Number of conductors per slot  125  97  Wire diameter (mm):    0.8  0.9  Stator slot fill factor (%):  70  69.9  Stator copper weight (kg):  3.91  3.83  Permanent magnet weight (kg):  0.61  0.5  Armature core steel weight (kg)  4.4  4.4  Rotor core steel weight (kg):    3.7  2.7  Rotor winding weight (kg)  /  0.61  Total net weight (kg):    12.6  12.1  Maximum output power (W)  6,113  5,764  Rated load operation     Armature current (A)  3.56  3.52  Input power (W)  2,349  2,303  Output power (W)  2,200  2,199  Frictional & windage loss (W):  22  22  Iron‐core loss (W):  14.2  13.9  Armature copper loss (W)  112.2  68  Total loss (W):  148.4  104  Efficiency (%)  93.7  95.5  Rated speed (rpm)  1,500  1,500  Rated torque   (Nm)  14  14  Power factor (/)  0.996  0.992  Torque angle ( )  18.5  69.3  Locked rotor operation  Start Torque (Nm)  /  62  No‐load operation  No‐Load Line Current (A)  0.27  1.76  No‐Load Input Power (W)  36.9  53    JET 41 Comparative analysis of synchronous motors   Co mp ar at i ve a nal y s i s of sync hr o no us  motors  5       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  The SMSPM does not have any rotor winding so no losses are associated with it. At LSSPMM  there is no current induced in the rotor winding when motor operates at a synchronous speed  and no losses are associated with this winding. The predefined motor parameter is the output  power  which  should  remain  unchanged.  Both  motors  are  derived  from  the  three‐phase  asynchronous squirrel cage motor by redesigning the rotor. The same materials are used in both  the motor configurations as in the original asynchronous motor. The same type of magnets are  used in both motors. In order to achieve similar operating characteristics, the stator winding of   the  SMSPM  has  to  be  modified,  i.e.  the  number  of  conductors  per  slot  is  increased.  The  programme automatically reduces the wire diameter in order to maintain the same slot fill  factor, i.e. to maintain the same output power of the motor while not exceeding the limited slot  fill factor of 75%. The increased number of conductors per slot increases the winding resistance  and  consequently  the  armature  copper  losses  are  higher  in  the  SMSPM  compared  to  the  LSSPMM. Since all the other losses are almost the same, this increase of copper losses reduces  the efficiency of the LSSPMM compared to the SMSPM. Both motors have almost the same  power factor. The net weight and consumption of material are somewhat higher in the SMSPM.  In terms of the maximum output power, both motors have satisfactorily high values, i.e. the  overloading capability of both motors is almost the same and is sufficiently high, i.e. the ratio of  breakdown torque to rated torque is 2.8 in the SMSPM and 2.62 in the LSSPMM. The motor  current and efficiency for the various torque angles are presented in Fig. 2 and 3 respectively.  The results in both the aforementioned figures should verify the data in Table 1 and illustrate  the operation of both types of motors. The adequate values of the torque and efficiency can be  read for the appropriate torque angle which defines the rated operation of the motor.      a) SMSPM     b) LSSPMM  Figure 2:  Line  c u rrent                   a) SMSPM     b) LSSPMM      Figure 3:  E fficiency  fa ct o r    42 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Vasilija Sarac, Goce Stefanov, Dragan Minovski 6  V a silija Sar ac,  Goce St e f anov,  Dra gan Min o vsk i  JET Vol. 14 (2021)     Issue 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  2. 2 FEM Model for numerical calculation of flux density The FEM models of the electrical machines have become part of the standardised procedure for  the design of motors. There are several rreasons for this: availability of various commercial or  non‐commercial programmes for creating FEM models of the machines, the importance of  detection of areas of the cross‐section of the motor with the high flux density, and detecting the  need of machine redesigning if there are large areas of the machine cross‐section with the high  flux density. For both the analysed motors, FEM models were created for calculating the flux  density distribution inside the motors. The results obtained are shown in Fig. 4.      a) LSSPMM     b) SMSPM  Figure 4:  Flux  densit y  distrib u tion  As can be seen from the results illustrated in Fig.4, the critical parts in the motor construction in  the case of the LSSPMM are the edges of the flux barriers near to the rotor slots. One solution  could be to alter the design of the rotor slots in order to provide a thicker magnetic core in this  part of the motor. For both motors, the high flux density in stator yoke can be decreased by  increasing the motor outer diameter. This could form part of an additional analysis as both the  motors were derived from a three‐phase asynchronous squirrel cage motor without changing  the  outer  dimension  of  the  motor  or  the  original  geometry  and  material  of  the  stator  laminations.     2. 3 Dynamic models and transient characteristics The analysis of the motors’ dynamics covers the transient characteristics of the speed, torque or  current during acceleration of the motors up to steady‐state operation. Although starting of  these two types of synchronous motors is different, i.e. the LSSPMM is started directly from the  mains  while  the  SMSPM  only  required  an  inverter  to  start,  an  analysis  of  their  transient  characteristics  is  necessary  in  order  to  obtain  data  relating  to  their  starting  time,  synchronisation and possibility to drive various loads. The dynamic model of the LSSPMM is  simulated in Ansys while that of the SMSPM is simulated in Simulink. Both the motors were  loaded with a step load of 14Nm, 0.35 seconds after the motor was started. The obtained  transient characteristics of speed, torque and current are presented in Figs. 5, 6 and 7.     JET 43 Comparative analysis of synchronous motors   Co mp ar at i ve a nal y s i s of sync hr o no us  motors  7       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    a) SMSPM    b) LSSPMM  Figure 5:  Transient  charact e ristics  of sp e ed  As can be seen from the illustrated transient characteristics of speed, the acceleration time of  both motors is nearly the same and they achieved a synchronous speed of 1,500rpm or 157.07  rad/s. Both motors maintained the synchronous speed after they were loaded with the load  torque.        a) SMSPM    b) LSSPMM  Figure 6:  Transient  charact e ristics  of  to rq ue  44 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Vasilija Sarac, Goce Stefanov, Dragan Minovski 8  V a silija Sar ac,  Goce St e f anov,  Dra gan Min o vsk i  JET Vol. 14 (2021)     Issue 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  In both motors, the output torque after the acceleration has finished, reaches the no‐load  torque. After the step load of 14Nm is coupled to the motor shaft, the output torque reaches  14Nm.     a) SMSPM    b) LSSPMM  Figure 7:  Transient  charact e ristics  of  current  From the transient characteristic of current of the SMSPM, after acceleration, the current  reaches almost zero value which correlates with the data in Table 1 for the no‐load current of  0.27A. After the step load of 14Nm is coupled to the motor shaft, the current increases to the  rated current 4A (rms) and correlates with the analytical result of 3.5A. A similar observation  can be derived for the current of the LSSPMM.    3 CONCLUSION This paper describes an anaylsis of an LSSPMM and SMSPM. In terms of efficiency and material  consumption, the LSSPMM has an advantage over the SMSPM, while the SMSPM has a greater  overloading capability. Construction of the SMSPM is simple, however there is an ever‐present  danger of demagnetisation of the magnets due to the surface placement on the rotor. As the  magnets are glued to the rotor, there is often a need to ‘bandage’ them to protect them from  hazard at high speeds. The design of the rotor of the LSSPMM is more complicated, but the risk  of demagnetisation of the magnets is lower as they are embedded inside the rotor and there is  no need to ‘bandage’ them. In terms of simplicity of operation, the advantage of the LSSPMM is  that it is self‐starting and does not require an inverter in contrast to the SMPSM. However, in  high‐speed applications and electrical mobility, synchronous motors with surface magnets are  often present and due to their isotropic rotor, the d‐ and q‐axis inductances are identical and  the  saliency  ratio  (ξ  =  Lq/Ld)  is  1.  Therefore,  no  reluctance  torque  occurs.  There  is  no  straightforward answer as to which type of the two analysed motors is better. Each motor  should be evaluated in terms of its specific application.  JET 45 Comparative analysis of synchronous motors   Co mp ar at i ve a nal y s i s of sync hr o no us  motors  9       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    References [1]  M.  Štulrajter,  V.  Hrabovcová.  M  Franko:  Perm ane nt  magn et  s y nch r onou s  m ot or  control  str ateg i es, Journal of Electrical Engineering, Vol.58, Iss.2, p.p. 79‐84, 2007  [2]  E. Ojionuka, I. Chinaeke‐Ogbuka, C. Ogbuka, C. Nwosu: Simplified  sensorless  s p e e d  control  of  per m ane nt  ma gne t  synchr on ou s  motor  using  model  reference  ada ptive  system, Journal of Electrical Engineering, Vol.70, Iss.6, p.p.473‐479, 2019  [3] G. Park, G. Kim, B‐G. Gu:  Sensorless  PMSM  in ductanc e  estimation  bas ed  on  th e  d ata  drive  appr oach , Electronics, Iss.10, pp.1‐19, 2021  [4]  P. Hudák, V. Hrabovcová, P. Rafajdus, J. Mihok:  Co r e  lo s s  an alysis  of  the  reluctance  synchronous  motor  with  barrier  rotors, Journal of Electrical Engineering, Vol.55, Iss.9,  pp.273‐276, 2004  [5] J. Faiz, A. M. Takbash:  Der a t ing  of  thr ee‐ p hase  squirrel  c age  i nduction  motor  un der  broke n  ba r  fa ult, Facta Universitatis, Series Automatic Control and Robotic s, Vol.12,  Iss.3, pp.147‐156, 2013  [6] P. Pietrzak, M. Wolkiewicz:  Comparison  of  select ed  methods  fo r  th e  s ta to r  w i n d i n g  condition  Mo nit o rin g  of  a  PM SM  usi n g  the  sta t or  phas e  currents, Energies, Vol.14,  2021, pp.1‐23.  [7] M. Mendizabal, A. McCloskey, J. Poza, S. Zarate, J. Iriondo, L. Irazu:  Op ti m u m  Slot  an d  Pole  Desig n  fo r  Vibration  Red u ction  in  Permane nt  M agne t  Synchr onous  Mo tors,  Applied Sciences, Vol.11, 2021, pp.1‐17.  [8] D‐C.  Popa,  B.  Văraticeănu,  D.  Fodorean,  P.  Minciunescu,  C.  Martis:  High  speed  induction  mo to r  use d  in  elec trical  v e h i c l e s, Electrotehnică, Electronică Electrotehnică,  (EEA), Vol.64, Iss.3, pp.5‐11, 2016  [9] B.D. Văraticeănu, P. Minciunescu, D. Fodorean:  Mecha n ical  desig n  an d  a n a l y s i s  of  a  perman en t  m agne t  rotor  us e d  in  high‐ s p eed  synchronous  motor,  Electrotehnică,  Electronică, Automatică, Vol.62, Iss.1, pp.9‐17, 2014  [10] R. Anand, B. Gayathridev, B.K. Keshavan:  Ve rtica l  Transportation:  Eff ec t s  of  Harm onics  of  Drives  by  PM  Machines, Power Electronics and Drives, Vol.3(38), No.1, 2018, pp.47‐ 53.  [11] Končar‐Mes.  Available:  https://koncar‐mes.hr/wp‐content/uploads/2020/08/Electric‐ motors.pdf (29.10.2021)