AC-commutatormotoren begrijpen: ontwerp, typen en toepassingen

Na aankomst in Amerika, aanpak Charles Proteus Steinmetz de verwarderende uitdagingen van het ontwerpen van geborstelde AC-commutatormotoren, die eerder niet betrouwbaar konden worden ontworpen voor constructie.

Zijn doorbraak kwam door magnetische hysterese te formaliseren, onthullend hoe de magnetische flux achterblijft op de magnetiserende kracht en verliezen creëert die afwezig zijn in DC-machines.

Door gebruik te maken van lage-hysterese legeringen en het snijden van de ijzeren kern in dunne geïsoleerde laminaties, konden ingenieurs nu het gedrag van AC-commutatormotoren accurate voorspelen voordat ze gebouwd werden.

Net als hun DC-geliegens, leveren AC-commutatormotoren hoger startkoppel en hogere snelheid dan AC-inductiemotoren. De serietype, in het bijzonder, kan goed boven de synchrone snelheid van een conventionele AC-motor opereren.

AC-commutatormotoren komen in éénfasige en poly-fasige varianten. Éénfasige motoren ervaren een dubbele-netfrequentie koppelpulsatie die afwezig is in het gladere poly-fasige ontwerp.

Terwijl een kommutatormotor op een veel hogere snelheid kan draaien dan een inductiemotor en dus meer vermogen kan leveren voor een gegeven grootte, is het niet onderhoudsvrij. Borstel- en kommutatorslijtage eisen periodiek onderhoud.

Eénfasige seriemotor

Wanneer een DC-seriemotor uitgerust met een gelamineerde veldkern wordt gevoed vanuit AC, verlaagt de achterblijvende reactantie van de veldspoel de veldstroom aanzienlijk. De motor zal draaien, maar de prestaties zijn marginaal.

Tijdens opstart lijken de ankerwikkelingen die door de borstels worden bekort, op bekorte transformator-windingen in het veld, wat aanzienlijke boogvorming en vonken produceert naarmate de anker begint te draaien.

Naarmate de snelheid stijgt, worden de boogvorming en vonken verdeeld over meer kommutatorsegmenten, wat de toestand meer draagbaar maakt. Kleine ongecompenseerde serie AC-motoren – die kleiner zijn dan een boormachine of keukenmixer – kunnen nog steeds onder deze beperkingen opereren.

Ongecompenseerde serie AC-motor

Gecompenseerde seriemotor

Het boogvormingsprobleem wordt gemitigeerd door een compenserende wikkeling op de stator toe te voegen. Deze wikkeling wordt in serie met de anker geplaatst en zo gepositioneerd dat zijn magnetomotorische kracht de AC-mmk van de anker annuleert.

Het verkleinen van de luchtspeling en het aantal veldwindingen verlaagt de achterblijvende reactantie in serie met de anker, wat de cosinus phi verbetert. Alle behalve de kleinste AC-commutatormotoren gebruiken compenserende wikkelingen; zelfs keukenmixer-grote motoren doen dit.

Gecompenseerde serie AC-motor

Universelmotor

Kleine universelmotoren – typisch onder 300 watt – kunnen op zowel DC als AC draaien. Zeer kleine eenheden kunnen ongecompenseerd zijn; grotere, hoge-snelheidseenheden gebruiken bijna altijd een compenserende wikkeling.

Op AC draait de motor iets langzamer dan op DC door reactantie. Echter, de pieken van de sinusgolven verzadigen het magnetische pad, wat de totale flux verlaagt en de snelheid van de "serie" sectie verhoogt. Deze tegenovergestelde effecten houden de snelheid bijna constant tussen DC en 60 Hz.

Universelmotoren aandrijven veelvoorkomende apparaten die 3.000 tot 10.000 rpm vereisen, zoals boormachines, stofzuigers en mixers.

Vooruitgang in vaste-staat-gleichrichters en goedkope permanentmagneten maken DC-permanentmagnietmotoren een steeds aantrekkelijkere alternatief.

Afstotingsmotor

Een afstotingsmotor verbindt het veld direct met de AC-netspanning en plaatst een paar bekorte borstels verschoven 15° tot 25° van de veldas. Het veld induceert een stroom in de bekorte anker, wat een magnetisch veld produceert dat de veldspoelen afstoot.

Snelheid wordt geregeerd door de borstels ten opzichte van de veldas te roteren. De motor toont uitstekende kommutatie onder synchrone snelheid en slechte kommutatie erboven. De lage startstroom levert hoog startkoppel.

Afstotings-AC-motor

Afstotings-start inductiemotor

Wanneer een inductiemotor een zware belasting moet starten, zoals een compressor, is het hoge startkoppel van een afstotingsmotor onmisbaar. De inductie-rotorwikkelingen worden tijdelijk verbonden met kommutatorsegmenten via bekorte borstels.

Eenmaal de motor nabij de draaisnelheid bereikt, kortsluit een centrifugale schakelaar alle kommutatorsegmenten, wat de rotor omzet in een grijze-eend-configuratie. De borstels kunnen ook worden opgetild om hun levensduur te verlengen.

Startkoppel kan 300% tot 600% van de volle-snelheidswaarde bereiken – vergeleken met minder dan 200% voor een zuivere inductiemotor.

• De éénfasige seriemotor is een poging om een DC-commutatormotor na te bootsen; het is alleen praktisch in zeer kleine maten.
• Het toevoegen van een compenserende wikkeling levert de gecompenseerde seriemotor, wat excessieve kommutatorvonken overwint. De meeste AC-commutatormotoren zijn van dit type. Ze leveren meer vermogen bij hoge snelheid dan een even grote inductiemotor maar zijn niet onderhoudsvrij.
• Kleine apparaten kunnen motoren gebruiken die op AC of DC draaien, bekend als universelmotoren.
• De AC-netspanning is direct verbonden met de stator van een afstotingsmotor, met de kommutator bekort door de borstels.
• Inneembare bekorte borstels kunnen een wikkelde-rotor inductiemotor starten; dit is de afstotings-start inductiemotor.