第12节 交流换向器电机 (修订中)
[TOC]
Charles Proteus Steinmetz 抵达美国后的第一份工作是调查在设计交流电版本的有刷换向电机时遇到的问题。情况如此糟糕，以至于无法在实际施工之前设计电机。
电机设计的成败只有在实际建造和测试后才能知晓。他制定了_磁滞_定律来寻找解决方案。磁滞是磁场 (opens new window)强度相对于磁化力的滞后。这会产生直流磁体中不存在的损耗。
低滞后合金和将合金分解成薄绝缘_叠片_使得在制造之前准确设计交流换向器电机成为可能。
交流换向器电机与类似的直流电机一样，具有比交流感应电机 (opens new window)更高的启动转矩和更高的速度。
串联电动机的运行速度远高于传统交流电动机的同步速度。交流换向器电机可以是单相或多相。单相交流版本具有双工频转矩脉动，多相电机中不存在。
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，由于电刷和换向器的磨损，换向器电机不像感应电机那样免维护。
# 1. 单相串联电动机
如果配备叠层励磁的直流串联电动机与交流电连接，励磁线圈的滞后电抗将大大降低励磁电流。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就像短路的变压器匝到磁场。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，这不再是一个问题，它共享换向器段之间的电弧和火花。滞后电抗和电弧电刷仅在高速运行的非常小的无补偿串联交流电机中是可以容忍的。比手电钻和厨房搅拌机小的系列交流电机可能没有补偿。（下图）
无补偿串联交流电动机
# 2. 补偿串联电机
电弧和火花通过将_补偿绕组_与电枢串联放置在定子上，以使其磁通势 (mmf) 抵消电枢交流 mmf。
较小的电机气隙和较少的磁场匝数可减少与电枢串联的滞后电抗，从而提高功率因数 (opens new window)。除了非常小的交流换向器电机外，所有电机都采用补偿绕组。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。
补偿串联交流电动机
# 3. 通用电机
可以设计使用直流或交流运行的小型（300 瓦以下）_通用电机。_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。
由于交流电遇到的电抗，电机在交流电上的运行速度会比直流电慢。然而，正弦波的峰值使磁路饱和，使总磁通量低于直流值，从而提高了“串联”电机的速度。
因此，偏移效应导致从 DC 到 60 Hz 的速度几乎恒定。需要 3000 到 10,000 rpm 的小型线路操作设备，例如钻头、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一种可行的替代方案。
# 4. 斥力马达
排斥电机由直接连接到交流线路电压的磁场和一对偏离磁场轴15 __°__至 25 __°的短路电刷组成。__该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刷子来控制速度。该电机在同步速度以下换向优越，在同步速度以上换向较差。低启动电流产生高启动转矩。
斥力交流电机
# 5. 斥力启动感应电动机
当感应电机驱动压缩机等硬启动负载时，可以使用斥力电机的高启动扭矩。感应电动机的转子绕组通过一对短路的电刷引出至换向器段以进行启动。
在接近运行速度时，离心开关会短路所有换向器片，从而产生鼠笼转子的效果。刷子也可以抬起来延长刷子的使用寿命。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%。
摘要：交流换向器电机
- 单_相串联电动机_是一种尝试构建类似直流换向器电动机的电动机。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_，克服过度的换向器火花。大多数交流换向器电机都是这种类型。在高速下，这种电机比同尺寸的感应电机提供更多的功率，但不是免维护的。
- 可以生产由交流或直流供电的小型电器电机。这被称为_通用电机_。
- 交流线直接连接到_排斥电机_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动机。这被称为_排斥启动感应电动机。_
总目录：