AC整流子モーターの理解：設計、種類、応用

アメリカに渡ったチャールズ・プロテウス・スタインメッツは、それまで建設前に信頼性を持って設計できなかったブラシ付きAC整流子モーターの困難な課題に取り組みました。

彼のブレークスルーは磁気ヒステリシスを形式化したことで、磁束が磁化力に遅れて生じる、直流機器にはない損失のメカニズムを明らかにしました。

低ヒステリシス合金の使用と鉄心の薄い絶縁積層板への分割により、エンジニアはAC整流子モーターの挙動を構築前に正確に予測できるようになりました。

直流モーターと同様に、AC整流子モーターはAC誘導モーターより高い起動トルクと高速度を発揮します。特にシリーズ型は、従来のACモーターの同期速度を大きく超えて動作できます。

AC整流子モーターには単相と多相のバリエーションがあります。単相モーターは、滑らかな多相設計にはない倍線周波数のトルク脈動を経験します。

整流子モーターは誘導モーターよりはるかに高速で動作できるため、同サイズでより多くの出力が得られますが、メンテナンスフリーではありません。ブラシと整流子の摩耗により定期的な整備が必要です。

単相シリーズモーター

積層界磁を備えたDCシリーズモーターをACで駆動すると、界磁コイルの遅れリアクタンスが界磁電流を著しく低減します。モーターは回転しますが、性能は限定的です。

起動時、ブラシで短絡された電機子巻線は界磁において短絡トランスターンのように見え、電機子が回転し始めると大量のアークとスパークを生じます。

速度が上昇すると、アークとスパークがより多くの整流子セグメントに分散され、状態はより許容可能になります。ハンドドリルやキッチンミキサー未満のサイズの小型非補償シリーズACモーターは、これらの制約下でも動作可能です。

 

非補償シリーズACモーター

 

補償シリーズモーター

アーク問題は、ステータに補償巻線を追加することで緩和されます。この巻線は電機子と直列に配置され、その起磁力が電機子のAC起磁力を打ち消すように位置付けられます。

エアギャップと界磁ターン数を減らすことで、電機子と直列の遅れリアクタンスを低減し、力率を改善します。最小サイズを除くすべてのAC整流子モーターが補償巻線を採用し、キッチンミキサーサイズのモーターでも採用されます。

 

補償シリーズACモーター

 

ユニバーサルモーター

通常300ワット未満の小型ユニバーサルモーターは、DCでもACでも動作可能です。非常に小型ユニットは非補償の場合がありますが、大型高速ユニットはほぼ常に補償巻線を使用します。

ACではリアクタンスによりDCよりわずかに低速で動作します。しかし、正弦波のピークが磁気経路を飽和させ、総磁束を減らし、「シリーズ」部分の速度を増加させます。これらの相反する効果により、DCと60Hz間で速度はほぼ一定に保たれます。

ユニバーサルモーターは、3,000〜10,000rpmを要求するドリル、掃除機、ミキサーなどの一般的な家電製品を駆動します。

固体整流器の進歩と低コスト永久磁石により、DC永久磁石モーターがますます魅力的な代替案となっています。

リプルジョンモーター

リプルジョンモーターは界磁をACライン電圧に直接接続し、界磁軸から15°〜25°ずれた位置に短絡ブラシ対を配置します。界磁が短絡電機子に電流を誘導し、界磁コイルに対向する磁界を生成します。

速度はブラシを界磁軸に対して回転させることで制御します。同期速度以下では優れた整流を示し、以上では不良です。低起動電流で高起動トルクを発揮します。

 

リプルジョンACモーター

 

リプルジョン始動誘導モーター

コンプレッサーのようなハードな負荷を誘導モーターで起動する必要がある場合、リプルジョンモーターの高起動トルクが貴重です。誘導ロータ巻線を短絡ブラシを介して一時的に整流子セグメントに接続します。

モーターが定格速度に近づくと、遠心スイッチがすべての整流子セグメントを短絡し、ロータをかご形構成に変換します。ブラシを持ち上げて寿命を延ばすこともあります。

起動トルクは定格速度値の300%〜600%に達し、純粋な誘導モーターの200%未満と比較して高いです。

 

まとめ：AC整流子モーター

• 単相シリーズモーターはDC整流子モーターのエミュレーション試みで、非常に小型でのみ実用的
• 補償巻線の追加で補償シリーズモーターとなり、過度な整流子スパークを克服。ほとんどのAC整流子モーターはこのタイプ。同サイズ誘導モーターより高速で大出力だがメンテナンスフリーではない
• 小型家電にはAC/DC両用のユニバーサルモーターを使用可能
• リプルジョンモーターはACラインをステータに直接接続し、整流子をブラシで短絡
• 収納可能な短絡ブラシで巻線形誘導モーターを起動。これがリプルジョン始動誘導モーター