AC-koolborstelmotoren (algemeen bekend als eenfasige universele motoren) worden veel gebruikt in huishoudelijke apparaten met een hoog toerental, zoals stofzuigers en haardrogers. Hun stator- en rotorwikkelingen zijn in serie geschakeld. Zelfs bij voeding met wisselstroom (AC) die voortdurend van richting verandert, veranderen de magnetische polen van de stator en rotor tegelijkertijd van polariteit, waardoor een constante richting van het draaimoment behouden blijft.
In tegenstelling tot de permanente magneten van DC-koolborstelmotoren, bestaat de stator van een AC-koolborstelmotor uit een set elektromagnetische spoelen. Wanneer wisselstroom wordt toegepast, wisselt de polariteit (N/Z-polen) van de statorelektromagneet met de richting van de wisselstroom.
De "serie-gewikkelde (in serie bekrachtigde)" structuur van de motor betekent dat de stroom uit de wisselstroombron eerst door de elektromagnetische spoelen van de stator stroomt, vervolgens via de koolborstels en commutatorsegmenten in de rotorspoelen stroomt en tenslotte terugkeert naar de voeding. Dit betekent dat de stromen die door de stator en rotor lopen in perfecte synchronisatie veranderen.
Wanneer de wisselstroom van positief naar negatief verandert, keert het magnetische veld van de stator om (bijv. de linkerkant verandert van N naar Z). Op exact hetzelfde moment keert ook de stroom door de rotorspoelen om, waardoor de magnetische polen van de rotor synchroon van polariteit veranderen! Volgens de wetten van magnetische aantrekkingskracht, omdat beide magnetische polen tegelijkertijd omkeren, veranderen de richtingen van afstoting en aantrekking niet, en blijft de motor in zijn oorspronkelijke richting draaien!
In deze interactieve demonstratie ziet u de fysieke toestand van een universele motor aangedreven door eenfasige wisselstroom (AC 220V). Tijdens zowel de positieve als negatieve halve cyclus van de sinusvormige wisselstroom klappen de richting van het magnetische veld van de statorelektromagneet en de polariteit van de rotorwikkeling samen om. Hierdoor blijft het netto draaimoment met de klok mee wijzen, wat, in combinatie met het gesegmenteerd schakelen van de commutator, de motor in staat stelt soepel en met hoog toerental op wisselstroom te draaien.
Laden...
| Stap | AC halve cyclus status | Statorpolariteit (Links/Rechts) | Borstel (+) contactsegment | Borstel (-) contactsegment | Elektromagnetische koppelstatus |
|---|
De stator van een DC-koolborstelmotor is een permanente magneet waarvan de richting van het magnetische veld vastligt. Indien aangesloten op wisselstroom (AC), blijft de richting van het magnetische veld van de stator ongewijzigd wanneer de stroom omkeert, maar de stroom die de rotorspoel in stroomt keert wel om, waardoor ook het elektromagnetische koppel omkeert. Hierdoor zal de motor in het 50Hz wisselende magnetische veld alleen heftig heen en weer oscilleren of trillen en niet in één richting draaien. In tegenstelling hiermee zijn de stator en rotor van een universele motor in serie geschakeld, waardoor hun polariteiten synchroon omkeren ('twee minnen maken een plus'), waardoor de motor soepel in één richting kan draaien.
Een universele motor (ook bekend als seriemotor) heet zo omdat deze op zowel eenfasige wisselstroom (AC) als gelijkstroom (DC) kan werken. Omdat het bedrijfskoppel alleen afhangt van het product van de stator- en rotorstroomrichtingen, genereert het aanleggen van zowel gelijkstroom als wisselstroom een aandrijfkoppel in dezelfde richting. Het biedt extreem hoge toerentallen, eenvoudige snelheidsregeling via spanningsregeling en is zeer kosteneffectief.
Ze worden veel gebruikt in huishoudelijke apparaten en elektrisch gereedschap die zeer hoge toerentallen en een sterk koppel vereisen voor relatief korte duur. Voorbeelden zijn:
• Stofzuigers: Hoge toerentallen zijn nodig om onderdruk te genereren voor zuigkracht (typisch 20.000 tot 40.000 omw/min).
• Haardrogers: Hogesnelheidswielen zijn nodig om een groot luchtvolume te leveren.
• Handboren en haakse slijpers: Bieden draagbare kracht met een hoog koppel voor het zagen/slijpen van metaal en hout.
• Blenders en keukenmachines: Hoge toerentallen zijn nodig om voedselvezels te vermalen.
Er zijn twee primaire geluidsbronnen:
• Hoogfrequente borstelwrijving: De koolborstels en commutatorsegmenten veroorzaken intense fysieke wrijvingsgeluiden en kleine elektrische vonkjes tijdens het draaien met tienduizenden omwentelingen per minuut.
• Hogesnelheidsluchtfluit: Bedrijfstoerentallen van tienduizenden omwentelingen per minuut zijn veel hoger dan die van standaard inductiemotoren (typisch max. 3.000 omw/min). De ventilatorbladen of de rotorkern die bij dergelijke snelheden door de lucht snijden, genereren luide luchtwrijving en gefluit. Dit is ook de reden waarom high-end haardrogers en stofzuigers overstappen op 'borstelloze DC-motoren met hoog toerental (BLDC)' voor een stillere werking.