home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ 500 MB Nyheder Direkte fra Internet 2 / 500 MB nyheder direkte fra internet CD 2.iso / start / data / text / faq-1599.txt < prev    next >
Text File  |  1995-05-01  |  17KB  |  299 lines

  1. Archive-name: woodworking/motors
  2. Last-modified: 3/17/94
  3.  
  4. Copyright (c) 1994 by James J. Roche. All rights reserved. 
  5.  
  6. This article answers many of the frequently asked questions about electric
  7. motors. 
  8.  
  9.  
  10. Motors:
  11.  
  12.     There are many kinds of motors, but this article considers only two
  13.     kinds used frequently in woodworking tool applications: universal AC/DC
  14.     motors and single-phase induction motors. Universal motors have brushes
  15.     and commutators and are used for portable tools like routers, skilsaws,
  16.     and electric drills.  Single-phase induction motors have no brushes,
  17.     run only on AC electrical power, and are usually found on stationary
  18.     tools such as table saws, drill presses, planers, and jointers.
  19.     There are exceptions to this: some stationary tools use universal
  20.     motors.
  21.  
  22.     Horsepower:  Motor horsepower is the most misunderstood (and misused)
  23.     electric motor rating.  Neither motor, universal or induction, produces
  24.     usable horsepower unless it is slowed down (by applied mechanical load)
  25.     from no-load speed.  For induction motors, this slowdown is called
  26.     "slip", and the horsepower "developed" by a motor increases with slip
  27.     (to a simple approximation).  This is why induction motors are
  28.     typically rated at 3450 rpm (two pole motor) or 1750 rpm (four pole
  29.     motor).  The rating speed allows for slip from the "synchronous"
  30.     speeds of 3600 and 1800 rpm, respectively.  Universal motors do not
  31.     have a synchronous speed, but have a maximum no-load speed that depends
  32.     upon the voltage applied to the motor.
  33.  
  34.     Most motors can put out a lot more maximum horsepower than they can
  35.     sustain continuously.  By forcing more mechanical load on the motor,
  36.     slowdown is increased and so therefore is the output horsepower.
  37.     Mechanically, horsepower is torque times rpm, and increasing the
  38.     mechanical load means that the rpm is slowed slightly and the drag
  39.     torque is increased to obtain more torque times rpm.  Electrically,
  40.     horsepower is volts times amps, and by conservation of energy, the
  41.     mechanical output horsepower must be balanced by electrical input
  42.     horsepower.  Since the voltage is relatively constant, this means that
  43.     as a motor is loaded, the input current increases.  But the electrical
  44.     winding impedance has a resistive component, so that higher current
  45.     means more power dissipated in the windings.  In fact, the motor
  46.     windings heat up proportional to the square of the motor current.
  47.     Except for specially designed motors, the current that a motor can
  48.     sustain continuously without burning out its windings is a fraction
  49.     of the current at maximum load.
  50.  
  51.     Unscrupulous vendors sometimes publish maximum "developed" horsepower
  52.     to make their products seem more capable than they really are.
  53.     Developed horsepower may be two to five times the continuous duty
  54.     rating of a motor.  Such products should be examined to discover the
  55.     continuous duty rating to compare with other, more conservatively
  56.     rated products.
  57.  
  58.     When the talk is of developed horsepower, the meaning is "peak" which
  59.     for an induction motor is typically the local peak of the torque curve
  60.     near synchronous speed.  A typical induction motor torque curve is:
  61.  
  62.           |
  63.           |
  64.           .                                            
  65.           |.
  66.           |  .                                        
  67.    Dev.   _    .                                           .
  68.           |      .                                    .      .
  69.           |         .                               .         .
  70.           |              .                        .            .
  71.           |                       .             .
  72.    Rated  _                              .                      .
  73.           |
  74.           |                                                      .
  75.           |                                       
  76.           |                                                       .
  77.           |                                  
  78.   Torque  |                                                        .
  79.           |
  80.           |
  81.           |                                                         .
  82.           |__________________________________________________________._
  83.                                                                      |
  84.           0                   RPM                              1800 or 3600
  85.  
  86.  
  87.     As you can see, the curve is very steep in the operating region and in
  88.     fact, the observed operation is typically that once you load the motor
  89.     past the local maximum torque, the speed jumps to the corresponding
  90.     point on the initial portion of the curve or simply stops.  The actual
  91.     operation depends upon the shape of the curve near 0 RPM.
  92.  
  93.     The Rated HP is typically the torque level at which the motor can be run
  94.     continuously without exceeding the temperature at which the winding
  95.     insulation beaks down.  Since there is thermal mass involved, you can
  96.     operate the motor at higher than rated torque for less than 100% of
  97.     the time and not exceed this temperature if the motor is cool preceding
  98.     the run etc. etc.  etc.
  99.  
  100.     Typically, two motors with different rated HP develop different HP in a
  101.     ration close to the same as the difference in rating.
  102.  
  103.  
  104.     The story is somewhat different for a universal motor such as is used on
  105.     most hand held tools.  In these motors, for a given input voltage, the
  106.     torque goes up as the speed goes down.  The more you load them, the slower
  107.     they run until they stall, at which point their torque is a maximum.
  108.     In this case, the developed horsepower is a the point along the torque
  109.     curve where the speed X torque is a maximum.  As with the induction motor,
  110.     the rated horsepower means you can run the motor there at 100% duty cycle.
  111.     Again, you can load the motor more and it will produce more torque but you
  112.     may only do this on a limited basis.
  113.  
  114.     The final word is heat.  If you exceed the winding insulation temperature
  115.     rating, you will fail the insulation and ruin the motor ( or pop the
  116.     thermal cutout if so equipped). 
  117.  
  118.  
  119.  
  120.     Application areas:  Universal motors are compact, have high starting
  121.     torque, can run at high rpm, and deal well with rapidly varying
  122.     loads.  They are often used with triac or thyristor speed controls.
  123.     This makes them ideal for portable power tools.  Single-phase
  124.     induction motors are efficient, have a limited rpm selection,
  125.     are relatively heavy and bulky, and are almost maintenance-free.
  126.     They work well in stationary tools that run at one rpm or that have
  127.     a variable-speed transmission.
  128.  
  129.     Voltage: Both kinds of motors are supplied in popular mains voltages
  130.     (115 or 230) but only induction motors are supplied with winding
  131.     taps that allow either voltage to be selected.  As far as the motor
  132.     is concerned, there is no difference in efficiency when selecting
  133.     either 115 or 230 volts.  This is because such motors have two
  134.     identical sets of windings that are connected in parallel for the lower
  135.     voltage and in series for the higher.  Neither connection results
  136.     in the individual windings seeing a different voltage.  However,
  137.     inadequate wiring can make a difference to motor operation, because
  138.     higher current at 115 volts may give unacceptable wiring voltage drops
  139.     in some shops or garages.  Some wiring voltage drop is expected and
  140.     built into the motor rating.  Nominal pole transformer output (to
  141.     your house) is about 120/240 volts.  Motors are rated for 115/230
  142.     volt operation, which allows for 5/10 volts wiring voltage drop.
  143.     More voltage drop than this can cause low starting torque and
  144.     overheating at rated load.
  145.  
  146.     115 or 230 volt operation makes no difference to your power company
  147.     either.  The watt-hour meter at your electrical entry measures watts
  148.     regardless of the voltage used.  Your power company does not give
  149.     you a single watt for free, and your PUC (Public Utility Commission)
  150.     won't let the power company charge more than the legal rates.
  151.     Watt-hour meter accuracy is a matter of law in most States.
  152.  
  153.     Current:  Motors have a nominal current rating which is supposed to be
  154.     the current at rated horsepower and rated voltage.  A motor will not
  155.     draw exactly rated current except in the unlikely circumstance that
  156.     the voltage applied is exactly the rated voltage and the load applied
  157.     is exactly the rated horsepower.  As a matter of fact, most woodworking
  158.     tools spend much of their life spinning without applied load and drawing
  159.     only a small fraction of nameplate rated current.  When the tool begins
  160.     to cut, motor current varies widely depending upon cutting load.  In
  161.     some tools which have relatively small motors, motor current may approach
  162.     several times rated current as the tool is momentarily loaded close
  163.     to stall or breakdown torque.  An exception to this wide variation
  164.     would be something like the motor driving the fan on a dust
  165.     collection system; such motors operate at about rated horsepower all
  166.     the time because the fan presents a constant load.
  167.  
  168.     For both universal and single-phase induction motors, the full-load
  169.     current is given by
  170.  
  171.         I  =  (746 * hp) / (eff * pf * voltage)
  172.  
  173.     where eff is efficiency, pf is power factor, and the others are
  174.     obvious.  In AC systems, the voltage and current waveforms are
  175.     (nominally) sine waves and may differ in phase from each other
  176.     by an angle called the phase angle.  There are 360 phase angle
  177.     degrees in one sinusoidal cycle.  Power factor is the cosine of
  178.     the phase angle, and for motors this angle is normally between
  179.     zero and 90 degrees, current lagging voltage.  In DC systems,
  180.     there is no phase angle, and power factor is defined as 1.0.
  181.  
  182.     Typical values for single-phase induction motors running at 115
  183.     volts AC are pf = 0.8 and eff = 0.9.  This gives a rule-of-thumb
  184.     value for amps/horsepower at 115 volts of
  185.  
  186.           9 amps / horsepower
  187.  
  188.     This figure is probably OK for rule-of-thumb comparison of induction
  189.     and universal motors or reasonability checks as long as you
  190.     remember that it is based on typical values.
  191.  
  192.     If you are contemplating operating a 115 volt universal motor
  193.     on DC, performance should be slightly better at 115 volts DC
  194.     than it was on AC.  The proper voltage to use is 115 volts DC.
  195.     This is because AC voltages are given as RMS values, which
  196.     are their power-equivalent DC values.  The tool will actually
  197.     endure less voltage stress under DC operation because the
  198.     peak voltage experienced under DC is 0.707 times the AC peak
  199.     voltage.  Switches and contacts, however, may not last as long.
  200.  
  201.     Starting current can be as much as ten times rated motor current.
  202.     This is usually not a problem for the circuit breaker feeding the
  203.     motor, because modern circuit breakers are typically rated to trip
  204.     instantaneously at about ten times breaker nameplate rating.  For
  205.     currents less than the instantaneous value, the breaker trips due
  206.     to internal heater elements which mimic the heatup characteristics
  207.     of the wiring the breaker is supposed to protect.  Since starting
  208.     currents last only a second or two (unless the motor is jammed),
  209.     motors usually will not trip circuit breakers on starting current if
  210.     the breaker is rated at higher current than the motor nameplate
  211.     current.  This may not be true if you start the motor on a circuit
  212.     which is already loaded close to rating.
  213.  
  214.     A motor may trip your circuit breaker on time-overcurrent (the
  215.     heaters) even if the motor nameplate current rating appears to be
  216.     within the breaker rating.  This can happen if you continuously
  217.     overload the motor; motor current will then be several times the
  218.     nameplate rating.  There may be other signs of this.  The motor may
  219.     become extremely hot (spit sizzles on the casing).  This is General
  220.     Electric's way of telling you to slow down.
  221.  
  222.     Breakdown torque:  Single-phase induction motors, unless they are
  223.     designed for torquemotor operation, have a "breakdown" torque rating.
  224.     This refers to the motor torque-versus-rpm curve, which has a peak
  225.     torque somewhere between zero rpm and rated rpm.  If the motor is
  226.     running and load is applied, the motor slows and torque increases
  227.     until breakdown torque is reached.  At this point, further rpm
  228.     reduction causes a reduction of motor-supplied torque, and the motor
  229.     rpm reduces rapidly to zero (it "breaks down").  This is why a saw,
  230.     for instance, appears to suddenly stall as it is overloaded.
  231.  
  232.     Ventilation: Most motors have one of two kinds of ventilation: fan-
  233.     cooled open housing, or totally enclosed, fan-cooled (TEFC) housing.
  234.     In the former type, a fan attached to the motor shaft draws air
  235.     through the internal parts of the motor and blows it out of
  236.     ventilation slots cut into the motor housing.  Most universal motors
  237.     are of this type because of the need to cool the brushes and to
  238.     exhaust brush carbon dust and commutator copper fragments.  In the
  239.     TEFC type, the motor housing is completely enclosed and no air
  240.     gets to the internal parts of the motor.  Instead, internal heat
  241.     is conducted through the metal housing to fins, where air blown
  242.     by an external fan removes the heat.  Some induction motors have
  243.     this kind of (more expensive) ventilation and they are often used
  244.     in applications where excessive dust or flammable conditions exist.
  245.  
  246.     Drive gear:  Surprisingly enough, even though many people will look
  247.     at motor horsepower rating, they often completely ignore the drive
  248.     gear attaching the motor to its load.  The drive gear is often a clue
  249.     to the real power rating of the motor-drive combination.  It's
  250.     difficult to determine the rating of enclosed gears, but v-belts
  251.     can give an immediate visual clue.  While larger pulleys increase
  252.     a v-belt rating, a nominal rule of thumb is about one horsepower
  253.     per 1/2 inch v-belt.  Two 5/8 v-belts on large pulleys may be good
  254.     for 4 or 5 horsepower.  One small belt on a motor which "develops"
  255.     3 horsepower is cause for some suspicion.  Actual belt drive ratings
  256.     can be found in manufacturers handbooks (see Gates, for example) or
  257.     in Machinery's Handbook.
  258.  
  259.     Motor Starters:  Motor starters are big relays mounted in expensive
  260.     metal boxes with heater overloads matched to the motor they start.
  261.     They serve two purposes: 1) The relay contacts are heavy duty and
  262.     are rated for the motor starting current.  Delicate contacts, such
  263.     as those on a pressure switch, will fail if used directly to
  264.     start a large motor.  Delicate contacts are therefore wired to
  265.     operate the motor starter relay rather than the motor.  2)  Wall-
  266.     mounted circuit breakers are designed to protect building wiring,
  267.     not motors plugged into wall receptacles.  If your electrical box
  268.     circuit breaker trips before your motor burns up, it is incidental,
  269.     not on purpose.  However, motor starters are designed to trip on
  270.     heater overload before the motor they start burns up.
  271.  
  272.     How much horsepower:  This question is often asked and has no easy
  273.     answer.  This is because the amount of horsepower you need depends
  274.     upon your patience, your preferences, and the way you use the
  275.     machine in question.  Here are some pros and cons.  A larger
  276.     horsepower motor (and associated drive gear) has a thicker shaft
  277.     and is typically more robust than a smaller horsepower motor.  It
  278.     responds to overloads and hard cuts more strongly, and may not stall
  279.     in your application.  It does not use very much more power, since
  280.     electric motors use only power demanded plus some motor losses (which
  281.     are somewhat larger for higher rated motors).  On the down side, the
  282.     initial expense of the motor and drive gear is greater.  Higher
  283.     horsepower often requires 230 volt wiring.  The motor and associated
  284.     drive gear and mountings are heavier.  A smaller horsepower motor
  285.     is cheaper, lighter, and may run on 115 volts.  For a careful worker,
  286.     the torque supplied may be sufficient.  On the down side, the tool
  287.     may stall more often and wet wood may be impossible to cut.  The
  288.     drive gear may be less robust and may require more maintenance.  If
  289.     the tool is operated in overload, the 115 volt circuit breaker may
  290.     trip.
  291.  
  292.  
  293.  
  294.  
  295. -- 
  296. Jim Roche
  297. roche@cs.rochester.edu
  298. University of Rochester Computer Science Department Rochester, NY 14627
  299.