交流换向器电机

Charles Proteus Steinmetz 抵达美国后的第一份工作是调查交流电版有刷换向器电机设计中遇到的问题。情况如此糟糕，以至于无法在实际施工之前设计电机。

电机设计的成功或失败在实际制造和测试之前是未知的。他制定了磁磁滞定律 在寻找解决办法。与磁化力相比，磁滞是磁场强度的滞后。这会产生直流磁体中不存在的损耗。

低磁滞合金并将合金破碎成薄的绝缘叠片 使得在建造之前准确设计交流换向器电机成为可能。

交流换向器电机与同类直流电机一样，具有比交流感应电机更高的启动转矩和更高的转速。

串联电机的运行速度远高于传统交流电机的同步速度。交流换向器电机可以是单相或多相。单相交流电机出现双线频率转矩脉动，多相电机不存在。

由于换向器电机可以以比感应电机高得多的速度运行，因此它可以比类似尺寸的感应电机输出更多的功率。然而，由于电刷和换向器磨损，换向器电机不像感应电机那样免维护。

单相串联电动机

如果将装有叠片励磁的直流串联电动机连接到交流电，励磁线圈的滞后电抗会大大降低励磁电流。虽然这样的电机会旋转，但操作是微不足道的。

启动时，连接到被电刷短路的换向器段的电枢绕组看起来像短路的变压器匝数。当电枢开始转动时，这会导致电刷处产生大量电弧和火花。

随着速度的增加，这不是一个问题，它共享换向器段之间的电弧和火花。滞后电抗和电弧刷只能在高速运行的非常小的无补偿串联交流电机中容忍。小于手电钻和厨房搅拌机的串联交流电机可能没有补偿。 （下图）

无补偿串联交流电机

补偿串联电动机

通过放置一个补偿绕组来减轻电弧和火花 定子与电枢串联定位，使其磁动势 (mmf) 抵消电枢 AC mmf。

更小的电机气隙和更少的励磁匝数减少了与电枢串联的滞后电抗，从而提高了功率因数。除了非常小的交流换向器电机外，所有电机都使用补偿绕组。与厨房搅拌机中使用的电机一样大或更大的电机使用补偿定子绕组。

补偿串联交流电机

通用电机

可以设计小型（低于 300 瓦）通用电机 从直流或交流运行。非常小的通用电机可能没有补偿。较大的高速通用电机使用补偿绕组。

由于交流电会遇到电抗，电动机在交流电下的运行速度将比直流电慢。然而，正弦波的峰值使磁路饱和，从而将总通量降低到直流值以下，从而提高了“串联”电机的速度。

因此，抵消效应导致从 DC 到 60 Hz 的速度几乎恒定。需要 3000 至 10,000 rpm 的小型生产线操作设备，如电钻、真空吸尘器和搅拌机，使用通用电机。

尽管如此，固态整流器和廉价永磁体的发展使直流永磁电机成为可行的替代方案。

斥力马达

斥力电机由直接连接到交流线路电压的磁场和一对偏移 15° 的短路电刷组成 到 25° 从场轴。磁场感应电流流入短路的电枢，其磁场与励磁线圈的磁场相反。

可以通过相对于场轴旋转电刷来控制速度。该电机在同步转速以下换相较好，在同步转速以上换相较差。低启动电流产生高启动转矩。

斥力交流电机

斥力启动感应电机

当感应电机驱动压缩机等硬启动负载时，可以使用推斥电机的高启动扭矩。感应电机转子绕组通过一对短路电刷引出到换向器片上启动。

在接近运行速度时，离心开关使所有换向器段短路，从而产生鼠笼转子的效果。还可以提起电刷以延长电刷寿命。启动转矩为全速值的 300% 至 600%，而纯感应电机的启动转矩低于 200%。

总结：交流换向器电机

• 单相串联电动机 是尝试制造类似直流换向器电机的电机。由此产生的电机仅适用于最小尺寸。
• 添加补偿绕组产生补偿串联电动机 , 克服换向器过度火花。大多数交流换向器电机都是这种类型。在高速运行时，该电机比同尺寸的感应电机提供更多功率，但并非免维护。
• 可以生产由交流或直流供电的小家电电机。这被称为通用马达 .
• 交流线直接连接到斥力电机的定子 换向器被电刷短路。
• 可伸缩的短路电刷可能会启动绕线转子感应电机。这被称为斥力启动感应电机。