Il primo lavoro di Charles Proteus Steinmetz dopo il suo arrivo in America è stato quello di studiare i problemi incontrati nella progettazione della versione a corrente alternata del motore a commutazione spazzolata. La situazione era così grave che i motori non potevano essere progettati prima della costruzione effettiva.

Il successo o il fallimento di un progetto di motore non è noto fino a quando non viene effettivamente costruito e testato. Ha formulato le leggi dell’isteresi magnetica nel trovare una soluzione. L’isteresi è un ritardo rispetto alla forza del campo magnetico rispetto alla forza di magnetizzazione. Questo produce una perdita non presente in DC magnetics.

Le leghe a bassa isteresi e la rottura della lega in sottili lamierini isolati hanno permesso di progettare con precisione i motori dei commutatori CA prima della costruzione.

I motori a commutatore CA, come i motori CC comparabili, hanno una coppia di avviamento più elevata e una velocità maggiore rispetto ai motori asincroni CA.

Il motore di serie funziona ben al di sopra della velocità sincrona di un motore a corrente alternata convenzionale. I motori del commutatore di CA possono essere monofase o polifase. La versione monofase AC subisce una pulsazione di coppia a doppia frequenza di linea, non presente nel motore polifase.

Poiché un motore a commutatore può funzionare a una velocità molto più elevata di un motore a induzione, può produrre più potenza di un motore a induzione di dimensioni simili. Tuttavia, i motori dei commutatori non sono esenti da manutenzione come i motori asincroni, a causa dell’usura della spazzola e del commutatore.

Motore di serie monofase

Se un motore di serie di CC fornito di un campo laminato è collegato a CA, la reattanza in ritardo della bobina del campo ridurrà considerevolmente la corrente di campo. Mentre un tale motore ruoterà, l’operazione è marginale.

Durante l’avvio, gli avvolgimenti dell’armatura collegati ai segmenti del commutatore cortocircuitati dalle spazzole sembrano giri di trasformatore cortocircuitati verso il campo. Ciò si traduce in notevole arco e scintille alle spazzole come l’armatura comincia a girare.

Questo è meno di un problema con l’aumento della velocità, che condivide l’arco e scintille tra i segmenti del commutatore La reattanza in ritardo e le spazzole ad arco sono tollerabili solo in motori AC serie molto piccoli non compensati azionati ad alta velocità. I motori a corrente alternata di serie più piccoli dei trapani a mano e dei miscelatori della cucina possono non essere compensati. (Figura sotto)

Motore AC serie non compensato

Motore serie compensato

L’arco e la scintilla vengono mitigati posizionando un avvolgimento compensativo dello statore in serie con l’armatura posizionata in modo che la sua forza magnetomotiva (mmf) annulla l’armatura AC mmf.

Un traferro del motore più piccolo e un minor numero di giri di campo riducono la reattanza in ritardo in serie con l’armatura che migliora il fattore di potenza. Tutti i motori a commutatore CA, tranne quelli molto piccoli, impiegano avvolgimenti compensatori. Motori grandi come quelli impiegati in un miscelatore da cucina, o più grandi, utilizzano avvolgimenti compensati dello statore.

Motore a corrente alternata serie compensato

Motore universale

È possibile progettare piccoli (sotto i 300 watt) motori universali che funzionano da CC o CA. Motori universali molto piccoli possono essere non compensati. I motori universali a velocità più elevata utilizzano un avvolgimento di compensazione.

Un motore funzionerà più lentamente su AC rispetto a DC a causa della reattanza incontrata con AC. Tuttavia, i picchi delle onde sinusoidali saturano il percorso magnetico riducendo il flusso totale al di sotto del valore DC, aumentando la velocità del motore “serie”.

Così, gli effetti di compensazione si traducono in una velocità quasi costante da DC a 60 Hz. I piccoli apparecchi di linea azionati, come trapani, aspirapolvere e miscelatori, che richiedono da 3000 a 10.000 giri / min utilizzano motori universali.

Tuttavia, lo sviluppo di raddrizzatori a stato solido e magneti permanenti economici sta rendendo il motore a magneti permanenti DC una valida alternativa.

Motore di repulsione

Un motore di repulsione è costituito da un campo direttamente collegato alla tensione di linea CA e da una coppia di spazzole cortocircuitate sfalsate di 15°a 25° dall’asse di campo. Il campo induce un flusso di corrente nell’armatura cortocircuitata il cui campo magnetico si oppone a quello delle bobine di campo.

La velocità può essere controllata ruotando le spazzole rispetto all’asse di campo. Questo motore ha una commutazione superiore al di sotto della velocità sincrona, una commutazione inferiore al di sopra della velocità sincrona. La bassa corrente di avviamento produce una coppia di avviamento elevata.

Motore a corrente alternata repulsivo

Motore a induzione repulsivo

Quando un motore a induzione aziona un carico di avviamento duro come un compressore, è possibile utilizzare l’elevata coppia di avviamento del motore repulsivo. Gli avvolgimenti del rotore del motore a induzione vengono portati ai segmenti del commutatore per l’avvio da una coppia di spazzole in cortocircuito.

A velocità quasi di marcia, un interruttore centrifugo accorcia tutti i segmenti del commutatore, dando l’effetto di un rotore a gabbia di scoiattolo. Le spazzole possono anche essere sollevate per prolungare la durata della spazzola. La coppia di avviamento è compresa tra il 300% e il 600% del valore di velocità totale rispetto a meno del 200% per un motore asincrono puro.

Sommario: Motori del commutatore di CA

• Il motore monofase di serie è un tentativo di costruire un motore come un motore del commutatore di CC. Il motore risultante è pratico solo nelle dimensioni più piccole.
• L’aggiunta di un avvolgimento di compensazione produce il motore di serie compensato, superando l’eccessiva scintilla del commutatore. La maggior parte dei motori del commutatore di CA sono questo tipo. Ad alta velocità, questo motore fornisce più potenza di un motore a induzione della stessa dimensione ma non è esente da manutenzione.
• È possibile produrre piccoli motori di elettrodomestici alimentati da AC o DC. Questo è noto come un motore universale.
• La linea AC è collegata direttamente allo statore di un motore di repulsione con il commutatore cortocircuitato dalle spazzole.
• Le spazzole cortocircuitate retrattili possono avviare un motore a induzione a rotore avvolto. Questo è noto come un motore a induzione repulsione inizio.