Charles Proteus Steinmetzs erste Aufgabe nach seiner Ankunft in Amerika bestand darin, Probleme bei der Konstruktion der Wechselstromversion des gebürsteten Kommutatormotors zu untersuchen. Die Situation war so schlecht, dass Motoren nicht vor dem eigentlichen Bau entworfen werden konnten.

Der Erfolg oder Misserfolg eines Motordesigns ist erst bekannt, wenn es tatsächlich gebaut und getestet wurde. Er formulierte die Gesetze der magnetischen Hysterese, um eine Lösung zu finden. Hysterese ist eine Verzögerung der magnetischen Feldstärke im Vergleich zur Magnetisierungskraft. Dies erzeugt einen Verlust, der bei Gleichstrommagneten nicht vorhanden ist.

Legierungen mit niedriger Hysterese und das Aufbrechen der Legierung in dünne isolierte Bleche ermöglichten es, Wechselstromkommutatormotoren vor dem Bau genau zu konstruieren.

Wechselstrom-Kommutatormotoren haben wie vergleichbare Gleichstrommotoren ein höheres Anlaufmoment und eine höhere Drehzahl als Wechselstrom-Induktionsmotoren.

Der Serienmotor arbeitet deutlich über der Synchrondrehzahl eines herkömmlichen Wechselstrommotors. Wechselstrom-Kommutatormotoren können entweder einphasig oder mehrphasig sein. Die einphasige AC-Version erleidet eine doppelte Netzfrequenz-Drehmomentpulsation, die im Mehrphasenmotor nicht vorhanden ist.

Da ein Kommutatormotor mit einer viel höheren Drehzahl als ein Induktionsmotor arbeiten kann, kann er mehr Leistung als ein Induktionsmotor ähnlicher Größe abgeben. Kommutatormotoren sind jedoch aufgrund von Bürsten- und Kommutatorverschleiß nicht so wartungsfrei wie Induktionsmotoren.

Einphasiger Reihenmotor

Wenn ein mit einem laminierten Feld ausgestatteter Gleichstrommotor an Wechselstrom angeschlossen wird, verringert die nacheilende Reaktanz der Feldspule den Feldstrom erheblich. Während sich ein solcher Motor dreht, ist der Betrieb marginal.

Beim Starten sehen Ankerwicklungen, die mit Kommutatorsegmenten verbunden sind, die von den Bürsten kurzgeschlossen werden, wie kurzgeschlossene Transformatorwindungen zum Feld aus. Dies führt zu erheblichen Lichtbögen und Funken an den Bürsten, wenn sich der Anker zu drehen beginnt.

Dies ist weniger ein Problem, da die Geschwindigkeit zunimmt, was die Lichtbögen und Funkenbildung zwischen den Kommutatorsegmenten teilt Die nacheilende Reaktanz und die Lichtbogenbürsten sind nur bei sehr kleinen unkompensierten Wechselstrommotoren der Serie tolerierbar, die mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden. Serie AC motoren kleiner als hand bohrer und küche mischer kann unkompensierte. (Abbildung unten)

Unkompensierter Wechselstrommotor der Serie

Kompensierter Motor der Serie

Die Lichtbögen und Funkenbildung werden gemildert, indem eine Kompensationswicklung platziert wird Der Stator in Reihe mit dem Anker so positioniert, dass seine magnetomotorische Kraft (mmf) den Anker-Wechselstrommotor mmf.

Ein kleinerer Motorluftspalt und weniger Felddrehungen reduzieren die verzögerte Reaktanz in Reihe mit dem Anker, wodurch der Leistungsfaktor verbessert wird. Alle außer sehr kleinen Wechselstrom-Kommutatormotoren verwenden Ausgleichswicklungen. Motoren, die so groß sind wie die in einem Küchenmischer oder größer, verwenden kompensierte Statorwicklungen.

Kompensierter Wechselstrommotor der Serie

Universalmotor

Es ist möglich, kleine (unter 300 Watt) Universalmotoren zu konstruieren, die entweder mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom betrieben werden. Sehr kleine Universalmotoren können unkompensiert sein. Größere Universalmotoren mit höherer Drehzahl verwenden eine Ausgleichswicklung.

Ein Motor läuft aufgrund der Reaktanz bei Wechselstrom langsamer als bei Gleichstrom. Die Spitzen der Sinuswellen sättigen jedoch den magnetischen Pfad und reduzieren den Gesamtfluss unter den Gleichstromwert, wodurch die Drehzahl des „Serien“ -Motors erhöht wird.

Die Versatzeffekte führen somit zu einer nahezu konstanten Drehzahl von DC bis 60 Hz. Die kleinen Line-betriebenen Geräte wie Bohrer, Staubsauger und Mischer, die 3000 bis 10.000 U / min benötigen, verwenden Universalmotoren.

Die Entwicklung von Festkörpergleichrichtern und kostengünstigen Permanentmagneten macht den Gleichstrom-Permanentmagnetmotor jedoch zu einer praktikablen Alternative.

Abstoßungsmotor

Ein Abstoßungsmotor besteht aus einem direkt an die Netzwechselspannung angeschlossenen Feld und einem Paar kurzgeschlossener Bürsten, die um 15 ° bis 25° von der Feldachse versetzt sind. Das Feld induziert einen Stromfluss in den kurzgeschlossenen Anker, dessen Magnetfeld dem der Feldspulen entgegengesetzt ist.

Die Geschwindigkeit kann durch Drehen der Bürsten in Bezug auf die Feldachse gesteuert werden. Dieser motor hat überlegene kommutierung unten synchron geschwindigkeit, minderwertige kommutierung oben synchron geschwindigkeit. Der niedrige Anlaufstrom erzeugt ein hohes Anlaufmoment.

Abstoßungs-Wechselstrommotor

Abstoßungs-Start-Induktionsmotor

Wenn ein Induktionsmotor wie ein Kompressor eine harte Startlast antreibt, kann das hohe Anlaufmoment des Abstoßungsmotors verwendet werden. Die Rotorwicklungen des Induktionsmotors werden zum Starten durch ein Paar kurzgeschlossener Bürsten zu Kommutatorsegmenten herausgeführt.

Bei nahezu Laufgeschwindigkeit schließt ein Zentrifugalschalter alle Kommutatorsegmente kurz, was die Wirkung eines Käfigläufers ergibt. Die Bürsten können auch angehoben werden, um die Lebensdauer der Bürste zu verlängern. Das Anlaufmoment beträgt 300% bis 600% des vollen Drehzahlwerts im Vergleich zu unter 200% für einen reinen Induktionsmotor.

Zusammenfassung: AC-Kommutatormotoren

• Der einphasige Serienmotor ist ein Versuch, einen Motor wie einen DC-Kommutatormotor zu bauen. Der resultierende Motor ist nur in den kleinsten Größen praktisch.
• Das Hinzufügen einer Kompensationswicklung ergibt den kompensierten Serienmotor und überwindet übermäßige Kommutatorfunkenbildung. Die meisten Wechselstrom-Kommutatormotoren sind dieser Typ. Bei hoher Drehzahl liefert dieser Motor mehr Leistung als ein Induktionsmotor gleicher Größe, ist jedoch nicht wartungsfrei.
• Es ist möglich, kleine Gerätemotoren herzustellen, die entweder mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden. Dies wird als Universalmotor bezeichnet.
• Die Wechselstromleitung ist direkt mit dem Stator eines Abstoßungsmotors verbunden, wobei der Kommutator durch die Bürsten kurzgeschlossen wird.
• Einziehbare kurzgeschlossene Bürsten können einen gewickelten Rotor-Induktionsmotor starten. Dies wird als Abstoßungsstart-Induktionsmotor bezeichnet.