El primer trabajo de Charles Proteus Steinmetz después de llegar a Estados Unidos fue investigar los problemas encontrados en el diseño de la versión de corriente alterna del motor de conmutador cepillado. La situación era tan mala que los motores no se podían diseñar antes de la construcción real.

El éxito o el fracaso de un diseño de motor no se conoce hasta que se construye y prueba realmente. Formuló las leyes de la histéresis magnética para encontrar una solución. La histéresis es un rezago de la fuerza del campo magnético en comparación con la fuerza de magnetización. Esto produce una pérdida no presente en los magnéticos de CC.

Aleaciones de baja histéresis y la ruptura de la aleación en finas laminaciones aisladas hicieron posible diseñar con precisión motores de conmutador de CA antes de construir.

Los motores conmutadores de CA, al igual que los motores de CC comparables, tienen un par de arranque más alto y una velocidad más alta que los motores de inducción de CA.

El motor de serie funciona muy por encima de la velocidad síncrona de un motor de CA convencional. Los motores conmutadores de CA pueden ser monofásicos o polifásicos. La versión de corriente alterna monofásica sufre una pulsación de par de doble frecuencia de línea, no presente en el motor polifásico.

Dado que un motor conmutador puede funcionar a una velocidad mucho mayor que un motor de inducción, puede producir más potencia que un motor de inducción de tamaño similar. Sin embargo, los motores del conmutador no son tan libres de mantenimiento como los motores de inducción, debido al desgaste del cepillo y del conmutador.

Motor de serie monofásico

Si un motor de serie CC equipado con un campo laminado está conectado a CA, la reactancia de retraso de la bobina de campo reducirá considerablemente la corriente de campo. Mientras que un motor de este tipo girará, la operación es marginal.

Durante el arranque, los devanados de la armadura conectados a los segmentos del conmutador en cortocircuito por los cepillos parecen giros de transformador en cortocircuito hacia el campo. Esto resulta en un considerable arco y chispas en los cepillos a medida que la armadura comienza a girar.

Esto es un problema menor a medida que aumenta la velocidad, que comparte el arco y las chispas entre los segmentos del conmutador, La reactancia de retraso y los cepillos de arco solo son tolerables en motores de CA de serie sin compensación muy pequeños que funcionan a alta velocidad. Los motores de corriente alterna de serie más pequeños que los taladros manuales y los mezcladores de cocina pueden no estar compensados. (Figura a continuación)

Motor de CA de serie no compensado

Motor de serie compensado

El arco y las chispas se mitigan colocando un devanado compensador en el estator en serie con la armadura posicionada de modo que su fuerza magnetomotriz (mmf) anule el efecto de la armadura AC mmf.

Un espacio de aire del motor más pequeño y menos vueltas de campo reducen la reactancia de retraso en serie con la armadura mejorando el factor de potencia. Todos los motores conmutadores de CA, excepto los muy pequeños, emplean devanados compensadores. Motores tan grandes como los empleados en un mezclador de cocina, o más grandes, usan devanados compensados del estator.

Compensada serie de motor de CA

Motor Universal

es posible diseñar pequeñas (menos de 300 vatios) motores universales que ejecutar desde cd o CA. Los motores universales muy pequeños pueden no estar compensados. Los motores universales de mayor velocidad utilizan un bobinado compensador.

Un motor funcionará más lento en CA que en CC debido a la reactancia encontrada con CA. Sin embargo, los picos de las ondas sinusoidales saturan la trayectoria magnética reduciendo el flujo total por debajo del valor de CC, aumentando la velocidad del motor de «serie».

Por lo tanto, los efectos de compensación dan como resultado una velocidad casi constante de CC a 60 Hz. Los pequeños aparatos operados por línea, como taladros, aspiradoras y mezcladoras, que requieren de 3000 a 10,000 rpm, utilizan motores universales.

Sin embargo, el desarrollo de rectificadores de estado sólido e imanes permanentes de bajo costo está convirtiendo al motor de imán permanente de CC en una alternativa viable.

Motor de repulsión

Un motor de repulsión consiste en un campo conectado directamente a la tensión de línea de CA y un par de cepillos en cortocircuito separados entre 15°y 25° del eje de campo. El campo induce un flujo de corriente en la armadura en cortocircuito cuyo campo magnético se opone al de las bobinas de campo.

La velocidad se puede controlar girando los cepillos con respecto al eje de campo. Este motor tiene conmutación superior por debajo de la velocidad síncrona, conmutación inferior por encima de la velocidad síncrona. La baja corriente de arranque produce un alto par de arranque.

Motor de corriente alterna de repulsión

Motor de inducción de arranque de repulsión

Cuando un motor de inducción acciona una carga de arranque dura como un compresor, se puede utilizar el alto par de arranque del motor de repulsión. Los devanados del rotor del motor de inducción se llevan a los segmentos del conmutador para el arranque mediante un par de cepillos en cortocircuito.

A una velocidad cercana a la corriente, un interruptor centrífugo corta todos los segmentos del conmutador, dando el efecto de un rotor de jaula de ardilla. Los cepillos también se pueden levantar para prolongar la vida útil del cepillo. El par de arranque es del 300% al 600% del valor de velocidad total en comparación con menos del 200% para un motor de inducción puro.

Resumen: Motores de conmutador de CA

• El motor de serie monofásico es un intento de construir un motor como un motor de conmutador de CC. El motor resultante solo es práctico en los tamaños más pequeños.
• La adición de un devanado compensador produce el motor de serie compensado, superando las chispas excesivas del conmutador. La mayoría de los motores conmutadores de CA son de este tipo. A alta velocidad, este motor proporciona más potencia que un motor de inducción del mismo tamaño, pero no está libre de mantenimiento.
• Es posible producir pequeños motores para electrodomésticos alimentados por CA o CC. Esto se conoce como un motor universal.
• La línea de CA está conectada directamente al estator de un motor de repulsión con el conmutador en cortocircuito por los cepillos.
• Los cepillos retráctiles en cortocircuito pueden arrancar un motor de inducción de rotor enrollado. Esto se conoce como motor de inducción de arranque de repulsión.