AC-commutatormotoren

De eerste taak van Charles Proteus Steinmetz na aankomst in Amerika was het onderzoeken van problemen bij het ontwerp van de wisselstroomversie van de geborstelde commutatormotor. De situatie was zo slecht dat motoren niet vooruitlopend op de eigenlijke constructie konden worden ontworpen.

Het succes of falen van een motorontwerp is pas bekend als het daadwerkelijk is gebouwd en getest. Hij formuleerde de wetten van magnetische hysterese bij het vinden van een oplossing. Hysterese is een achterstand van de magnetische veldsterkte in vergelijking met de magnetiserende kracht. Dit produceert een verlies dat niet aanwezig is in DC-magneten.

Legeringen met een lage hysterese en het breken van de legering in dunne geïsoleerde laminaten maakte het mogelijk om AC-commutatormotoren nauwkeurig te ontwerpen voordat ze werden gebouwd.

AC-commutatormotoren hebben, net als vergelijkbare DC-motoren, een hoger startkoppel en een hogere snelheid dan AC-inductiemotoren.

De seriemotor werkt ruim boven de synchrone snelheid van een conventionele AC-motor. AC-commutatormotoren kunnen enkelfasig of meerfasig zijn. De enkelfasige AC-versie heeft last van een koppelpulsatie met dubbele lijnfrequentie, die niet aanwezig is in de meerfasige motor.

Omdat een commutatormotor met een veel hogere snelheid kan werken dan een inductiemotor, kan deze meer vermogen leveren dan een inductiemotor van vergelijkbare grootte. Commutatormotoren zijn echter niet zo onderhoudsvrij als inductiemotoren, vanwege de slijtage van de borstel en de commutator.

Eenfasige seriemotor

Als een motor uit de DC-serie die is uitgerust met een gelamineerd veld, wordt aangesloten op AC, zal de achterblijvende reactantie van de veldspoel de veldstroom aanzienlijk verminderen. Terwijl zo'n motor zal draaien, is de werking marginaal.

Tijdens het starten zien ankerwikkelingen die zijn aangesloten op commutatorsegmenten die door de borstels zijn kortgesloten eruit als kortgesloten transformatordraaiingen naar het veld. Dit resulteert in aanzienlijke vonken en vonken bij de borstels wanneer het anker begint te draaien.

Dit is minder een probleem naarmate de snelheid toeneemt, wat het vonken en vonken tussen commutatorsegmenten deelt. De achterblijvende reactantie en vonkborstels zijn alleen acceptabel in zeer kleine niet-gecompenseerde serie AC-motoren die op hoge snelheid werken. Serie AC-motoren die kleiner zijn dan handboormachines en keukenmixers kunnen niet worden gecompenseerd. (Figuur hieronder)

Niet-gecompenseerde serie AC-motor

Gecompenseerde seriemotor

Het vonken en vonken wordt verzacht door het plaatsen van een compenserende wikkeling de stator in serie met het anker zo gepositioneerd dat de magnetomotorische kracht (mmf) het anker AC mmf opheft.

Een kleinere luchtspleet van de motor en minder veldomwentelingen verminderen de achterblijvende reactantie in serie, waarbij het anker de arbeidsfactor verbetert. Alle behalve zeer kleine AC-commutatormotoren maken gebruik van compenserende wikkelingen. Motoren zo groot als die in een keukenmixer, of groter, gebruiken gecompenseerde statorwikkelingen.

Gecompenseerde serie AC-motor

Universele motor

Het is mogelijk om kleine (minder dan 300 watt) universele motoren te ontwerpen die lopen van DC of AC. Zeer kleine universele motoren kunnen niet worden gecompenseerd. Grotere universele motoren met een hoger toerental gebruiken een compenserende wikkeling.

Een motor zal langzamer draaien op AC dan DC vanwege de reactantie die wordt aangetroffen met AC. De pieken van de sinusgolven verzadigen echter het magnetische pad, waardoor de totale flux onder de DC-waarde daalt, waardoor de snelheid van de "serie" -motor toeneemt.

De compenserende effecten resulteren dus in een bijna constante snelheid van DC tot 60 Hz. De kleine, door een lijn aangedreven apparaten, zoals boren, stofzuigers en mixers, die 3000 tot 10.000 tpm nodig hebben, gebruiken universele motoren.

De ontwikkeling van solid-state gelijkrichters en goedkope permanente magneten maakt de DC-motor met permanente magneet echter een levensvatbaar alternatief.

Afstotingsmotor

Een afstotingsmotor bestaat uit een veld dat rechtstreeks is aangesloten op de AC-lijnspanning en een paar kortgesloten borstels die 15° zijn verschoven tot 25° vanaf de veldas. Het veld wekt een stroom op in het kortgesloten anker waarvan het magnetische veld tegengesteld is aan dat van de veldspoelen.

De snelheid kan worden geregeld door de borstels te draaien ten opzichte van de veldas. Deze motor heeft superieure commutatie onder synchrone snelheid, inferieure commutatie boven synchrone snelheid. De lage startstroom zorgt voor een hoog startkoppel.

Afstoting AC-motor

Afstoting start inductiemotor

Wanneer een inductiemotor een harde startbelasting aandrijft, zoals een compressor, kan het hoge startkoppel van de afstotingsmotor worden gebruikt. De rotorwikkelingen van de inductiemotor worden naar de commutatorsegmenten gebracht om te starten met een paar kortgesloten borstels.

Bij bijna rijsnelheid sluit een centrifugaalschakelaar alle commutatorsegmenten kort, waardoor het effect van een eekhoornkooirotor ontstaat. De borstels kunnen ook worden opgetild om de levensduur van de borstel te verlengen. Het startkoppel is 300% tot 600% van het volledige toerental, vergeleken met minder dan 200% voor een pure inductiemotor.

Samenvatting:AC-commutatormotoren

• De eenfasige seriemotor is een poging om een ​​motor te bouwen zoals een DC-commutatormotor. De resulterende motor is alleen praktisch in de kleinste maten.
• De toevoeging van een compenserende wikkeling levert de gecompenseerde seriemotor , het overwinnen van overmatige commutatorvonken. De meeste AC-commutatormotoren zijn van dit type. Bij hoge snelheid levert deze motor meer vermogen dan een inductiemotor van hetzelfde formaat, maar is niet onderhoudsvrij.
• Het is mogelijk om motoren voor kleine apparaten te produceren die worden aangedreven door AC of DC. Dit staat bekend als een universele motor .
• De AC-lijn is direct verbonden met de stator van een afstotingsmotor met de commutator kortgesloten door de borstels.
• Intrekbare kortgesloten borstels kunnen een inductiemotor met gewikkelde rotor starten. Dit staat bekend als een repulsion start inductiemotor.