交流换向电机解析：设计、类型与应用
查尔斯·普罗透斯·斯坦梅茨赴美后，攻克了有刷交流换向电机设计的困境——此前无法在制造前可靠预测其性能。
突破源于形式化磁滞理论，揭示磁通如何滞后于磁化力并产生直流电机没有的损耗。
采用低磁滞合金并将铁芯切片为薄绝缘叠片，工程师得以在制造前准确预测交流换向电机行为。
与直流对应物一样，交流换向电机提供比交流感应电机更高启动转矩和更高转速。串励型尤其可远超常规交流电机同步转速运行。
交流换向电机有单相和多相变体。单相电机有工频两倍的转矩脉动，多相设计更平滑。
换向电机能以远高于感应电机的转速运行，故同尺寸下输出功率更大，但非免维护。电刷换向器磨损需定期保养。
单相串励电机
装有叠片励磁的直流串励电机接交流供电时，励磁线圈滞后电抗显著减小励磁电流。电机能转但性能一般。
启动时，电刷短路的电枢绕组类似励磁绕组中的短路变压器匝，产生大量电弧火花，随电枢开始转动。
转速升高时，电弧火花分布到更多换向片，状况变得可容忍。手电钻、厨房搅拌机尺寸以下的小型无补偿串励交流电机仍可在这些约束下运行。
无补偿串励交流电机
补偿串励电机
在定子加装补偿绕组可缓解电弧问题。此绕组与电枢串联，位置使其磁动势抵消电枢交流磁动势。
减小气隙和励磁匝数降低与电枢串联的滞后电抗，改善功率因数。除最小型交流换向电机外均采用补偿绕组；甚至厨房搅拌机尺寸电机也使用。
补偿串励交流电机
通用电机
小型通用电机——通常300瓦以下——可在直流或交流下运行。极小单元可能无补偿；大功率高速单元几乎总用补偿绕组。
交流下因电抗转速略低于直流。但正弦波峰值饱和磁路，减总磁通增加“串励”段转速。两相反效应抵消，使直流与60Hz下转速近似恒定。
通用电机驱动需3000-10000转/分的常见电器：电钻、吸尘器、搅拌机。
固态整流器进步和低成本永磁体使直流永磁电机成为越来越有吸引力的替代品。
避极电机
避极电机励磁直接接交流线电压，一对短路电刷偏离励磁轴15°-25°放置。励磁在短路电枢感应电流，产生对抗励磁线圈的磁场。
通过相对励磁轴旋转电刷控制转速。同步转速以下换向良好，以上则差。启动电流低却提供高启动转矩。
避极交流电机
避极启动感应电机
感应电机需启动硬载荷(如压缩机)时，避极电机高启动转矩极具价值。感应转子绕组暂时经短路电刷接换向片。
接近运行转速时，离心开关短路所有换向片，转子转为鼠笼配置。电刷亦可抬起延长寿命。
启动转矩达全速值300%-600%——纯感应电机不足200%。
总结：交流换向电机
- 单相串励电机试图仿真直流换向电机；仅极小尺寸实用。
- 加补偿绕组得补偿串励电机，克服过度换向器火花。多数交流换向电机属此类。同尺寸下高速输出功率大于感应电机但非免维护。
- 小家电可用交直流通用电机。
- 避极电机定子直接接交流线，换向器经电刷短路。
- 可伸缩短路电刷启动绕线转子感应电机，即避极启动感应电机。
工业技术