Коллекторные двигатели переменного тока

Первой работой Чарльза Протеуса Стейнмеца после прибытия в Америку было исследование проблем, возникших при разработке версии щеточного коллекторного двигателя переменного тока. Ситуация была настолько плохой, что двигатели не могли быть спроектированы до фактического строительства.

Успех или неудача конструкции двигателя неизвестны, пока он не будет фактически построен и испытан. Он сформулировал законы магнитного гистерезиса . в поиске решения. Гистерезис - это отставание напряженности магнитного поля от силы намагничивания. Это приводит к потерям, которых нет в магнитах постоянного тока.

Сплавы с низким гистерезисом и разделение сплава на тонкие изолированные пластинки позволили точно спроектировать коллекторные двигатели переменного тока перед сборкой.

Коллекторные двигатели переменного тока, как и сопоставимые двигатели постоянного тока, имеют более высокий пусковой момент и более высокую скорость, чем асинхронные двигатели переменного тока.

Серийный двигатель работает намного выше синхронной скорости обычного двигателя переменного тока. Коллекторные двигатели переменного тока могут быть однофазными или многофазными. Версия с однофазным переменным током испытывает пульсацию крутящего момента с двойной частотой сети, которой нет в многофазном двигателе.

Поскольку коллекторный двигатель может работать с гораздо большей скоростью, чем асинхронный двигатель, он может выдавать больше мощности, чем асинхронный двигатель аналогичного размера. Однако коллекторные двигатели не требуют такого обслуживания, как асинхронные, из-за износа щеток и коллекторов.

Однофазный двигатель

Если последовательный двигатель постоянного тока с ламинированным полем подключен к переменному току, запаздывающее реактивное сопротивление катушки возбуждения значительно снизит ток возбуждения. Пока такой мотор будет вращаться, работа предельная.

При пуске обмотки якоря, подключенные к закороченным щетками сегментам коммутатора, выглядят как закороченные витки трансформатора на поле. Это приводит к значительному искрообразованию и искрению на щетках, когда якорь начинает вращаться.

Это меньшая проблема, так как скорость увеличивается, что приводит к разделению дуги и искры между сегментами коммутатора. Запаздывающее реактивное сопротивление и дуговые щетки допустимы только в очень маленьких некомпенсированных серийных двигателях переменного тока, работающих на высокой скорости. Электродвигатели переменного тока серии меньшего размера, чем ручные дрели и кухонные миксеры, могут не иметь компенсации. (Рисунок ниже)

Двигатель переменного тока без компенсации

Серийный двигатель с компенсацией

Возникновение дуги и искры смягчается за счет размещения компенсирующей обмотки статор включен последовательно с якорем, расположенным так, чтобы его магнитодвижущая сила (ммс) компенсировала переменный ток якоря, ммс.

Меньший воздушный зазор двигателя и меньшее количество витков возбуждения уменьшают последовательное реактивное сопротивление запаздывания, а якорь улучшает коэффициент мощности. Все коллекторные двигатели переменного тока, кроме очень маленьких, имеют компенсирующие обмотки. В двигателях такого же размера, как в кухонных смесителях, или более крупных, используются компенсированные обмотки статора.

Серийный двигатель переменного тока с компенсацией

Универсальный двигатель

Возможна разработка небольших (до 300 Вт) универсальных двигателей . которые работают от постоянного или переменного тока. Очень маленькие универсальные двигатели могут не компенсироваться. В более мощных универсальных двигателях с большей скоростью используется компенсирующая обмотка.

Двигатель будет работать медленнее на переменном токе, чем на постоянном, из-за реактивного сопротивления переменного тока. Однако пики синусоидальных волн насыщают магнитный путь, уменьшая общий поток ниже значения постоянного тока, увеличивая скорость «последовательного» двигателя.

Таким образом, эффекты смещения приводят к почти постоянной скорости от постоянного тока до 60 Гц. В небольших линейных устройствах, таких как дрели, пылесосы и миксеры, требующие от 3000 до 10 000 об / мин, используются универсальные двигатели.

Однако разработка твердотельных выпрямителей и недорогих постоянных магнитов делает двигатель постоянного тока с постоянными магнитами жизнеспособной альтернативой.

Отталкивающий двигатель

Отталкивающий двигатель состоит из поля, напрямую подключенного к сети переменного тока, и пары закороченных щеток, смещенных на 15 ° . до 25 ° от оси поля. Поле индуцирует ток в закороченном якоре, магнитное поле которого противоположно полю катушек возбуждения.

Скорость можно контролировать, вращая щетки относительно оси поля. Этот двигатель имеет превосходную коммутацию ниже синхронной скорости, меньшую коммутацию выше синхронной скорости. Низкий пусковой ток обеспечивает высокий пусковой крутящий момент.

Отталкивающий двигатель переменного тока

Асинхронный двигатель с отталкиванием

Когда асинхронный двигатель приводит в движение жесткую пусковую нагрузку, такую ​​как компрессор, можно использовать высокий пусковой момент отталкивающего двигателя. Обмотки ротора асинхронного двигателя выведены на сегменты коммутатора для запуска парой закороченных щеток.

На скорости, близкой к рабочей, центробежный переключатель закорачивает все сегменты коммутатора, создавая эффект ротора с короткозамкнутым ротором. Щетки также можно поднимать, чтобы продлить срок их службы. Пусковой крутящий момент составляет от 300% до 600% от значения полной скорости по сравнению с менее чем 200% для чисто асинхронного двигателя.

Резюме:коллекторные двигатели переменного тока

• однофазный двигатель представляет собой попытку построить двигатель, подобный коллекторному двигателю постоянного тока. Полученный двигатель практичен только в самых маленьких размерах.
• Добавление компенсирующей обмотки дает последовательный двигатель с компенсацией , преодолевая чрезмерное искрение коллектора. Большинство коллекторных двигателей переменного тока относятся к этому типу. На высокой скорости этот двигатель обеспечивает большую мощность, чем асинхронный двигатель того же размера, но не требует обслуживания.
• Возможно производство небольших двигателей для бытовых приборов с питанием от переменного или постоянного тока. Это называется универсальным двигателем . .
• Линия переменного тока напрямую подключена к статору отталкивающего двигателя . коллектор закорочен щетками.
• Выдвижные закороченные щетки могут запустить асинхронный двигатель с фазным ротором. Это называется асинхронным двигателем с отталкивающим пуском .