AC 정류자 모터의 이해: 설계, 유형 및 응용 분야

미국에 도착한 찰스 프로테우스 스타인메츠(Charles Proteus Steinmetz)는 제작 전에 신뢰성 있게 설계할 수 없었던 브러시 AC 정류자 모터의 난제를 해결했습니다.

그의 돌파구는 자기 히스테리시스를 정형화함으로써 이루어졌습니다. 자기 플럭스가 자화력에 뒤처지며 DC 기계에는 없는 손실을 만든다는 것을 밝혀냈습니다.

저히스테리시스 합금 사용과 철심을 얇은 절연 적층으로 분할함으로써, 엔지니어들은 이제 AC 정류자 모터의 동작을 제작 전에 정확히 예측할 수 있게 되었습니다.

DC 모터와 마찬가지로 AC 정류자 모터는 AC 유도 모터보다 높은 시동 토크와 높은 속도를 제공합니다. 특히 직렬형은 기존 AC 모터의 동기 속도 훨씬 위에서 작동할 수 있습니다.

AC 정류자 모터는 단상과 다상 변형이 있습니다. 단상 모터는 매끄러운 다상 설계에는 없는 2배 선로 주파수의 토크 맥동을 경험합니다.

정류자 모터는 유도 모터보다 훨씬 높은 속도로 회전할 수 있어 주어진 크기에서 더 많은 출력을 낼 수 있지만, 유지보수가 필요 없습니다. 브러시와 정류자 마모로 주기적인 정비가 필요합니다.

단상 직렬 모터

적층 계자권을 가진 DC 직렬 모터를 AC로 구동하면, 계자 코일의 지연 리액턴스가 계자 전류를 현저히 감소시킵니다. 모터는 돌지만 성능은 미미합니다.

시동 시 브러시에 의해 단락된 전기자 권선은 계자에서 단락된 변압기 2차 권선처럼 보여, 전기자가 회전하기 시작하면서 상당한 아크와 스파킹을 생성합니다.

속도가 오르면 아크와 스파킹이 더 많은 정류자 세그먼트에 분산되어 상태가 더 견딜 만해집니다. 핸드 드릴이나 주방 믹서 크기 미만의 소형 무보상 직렬 AC 모터는 여전히 이러한 제약 하에서 작동할 수 있습니다.

보상 직렬 모터

아크 문제는 고정자에 보상 권선을 추가하여 완화합니다. 이 권선은 전기자와 직렬로 배치되며, 그 기자력이 전기자의 AC 기자력을 상쇄하도록 위치합니다.

공극을 줄이고 계자 턴 수를 낮추면 전기자와 직렬인 지연 리액턴스가 감소하여 역률이 개선됩니다. 가장 작은 AC 정류자 모터를 제외한 모든 모터가 보상 권선을 사용하며, 주방 믹서 크기 모터도 마찬가지입니다.

범용 모터

소형 범용 모터(일반적으로 300와트 미만)는 DC나 AC 모두에서 작동할 수 있습니다. 매우 소형 유닛은 무보상일 수 있지만, 더 크고 고속 유닛은 거의 항상 보상 권선을 사용합니다.

AC에서 리액턴스로 인해 DC보다 약간 느리게 작동합니다. 그러나 사인파 피크가 자기 경로를 포화시켜 총 플럭스를 줄이고 "직렬" 부분의 속도를 증가시킵니다. 이 상충 효과로 DC와 60Hz 사이에서 속도가 거의 일정하게 유지됩니다.

범용 모터는 드릴, 진공청소기, 믹서 등 3,000~10,000rpm을 요구하는 일반 가전제품에 동력을 공급합니다.

고체 정류기와 저비용 영구자석의 발전으로 DC 영구자석 모터가 점점 더 매력적인 대안이 되고 있습니다.

반발 모터

반발 모터는 계자를 AC 라인 전압에 직접 연결하고, 브러시 쌍을 계자 축에서 15°~25° 오프셋하여 단락시킵니다. 계자가 단락된 전기자에 전류를 유도하여 계자 코일에 반대되는 자기장을 생성합니다.

브러시를 계자 축에 대해 회전시켜 속도를 제어합니다. 동기 속도 이하에서 우수한 정류를 보이며, 이상에서는 정류가 나빠집니다. 낮은 시동 전류로 높은 시동 토크를 제공합니다.

반발 시동 유도 모터

컴프레서 같은 힘든 부하를 시동해야 하는 유도 모터에 반발 모터의 높은 시동 토크는 매우 유용합니다. 유도 회전자 권선을 단락된 브러시를 통해 정류자 세그먼트에 임시로 연결합니다.

모터가 운전 속도에 근접하면 원심 스위치가 모든 정류자 세그먼트를 단락시켜 회전자를 다람쥐꼴 구성으로 변환합니다. 브러시도 들어올려 수명을 연장할 수 있습니다.

시동 토크는 최대 속도 값의 300%~600%에 도달할 수 있습니다. 이는 순수 유도 모터의 200% 미만과 비교됩니다.

요약: AC 정류자 모터

• 단상 직렬 모터는 DC 정류자 모터를 모방하려는 시도이며, 매우 소형에서만 실용적입니다.
• 보상 권선 추가는 보상 직렬 모터를 만들어 과도한 정류자 스파킹을 극복합니다. 대부분의 AC 정류자 모터가 이 유형입니다. 동크기 유도 모터보다 고속에서 더 많은 출력을 내지만 유지보수가 필요합니다.
• 소형 가전제품은 AC/DC 양쪽에서 작동하는 범용 모터를 사용할 수 있습니다.
• AC 라인이 반발 모터의 고정자에 직접 연결되며, 정류자는 브러시에 의해 단락됩니다.
• 수축 가능한 단락 브러시로 권선형 로터 유도 모터를 시동할 수 있습니다. 이것이 반발 시동 유도 모터입니다.