Comprendre les moteurs à collecteur à courant alternatif : conception, types et applications

Après son arrivée en Amérique, Charles Proteus Steinmetz a relevé les défis déconcertants de la conception de moteurs à collecteur à courant alternatif à balais, qui ne pouvaient auparavant pas être conçus de manière fiable avant construction.

Sa percée est venue en formalisant l'hystérésis magnétique, révélant comment le flux magnétique retarde derrière la force magnétisante et crée des pertes absentes dans les machines à courant continu.

En utilisant des alliages à faible hystérésis et en tranchant le noyau en fer en minces laminations isolées, les ingénieurs pouvaient désormais prédire avec précision le comportement des moteurs à collecteur à courant alternatif avant de les construire.

Comme leurs homologues à courant continu, les moteurs à collecteur à courant alternatif délivrent un couple de démarrage plus élevé et une vitesse plus élevée que les moteurs à induction à courant alternatif. Le type série, en particulier, peut fonctionner bien au-dessus de la vitesse synchrone d'un moteur à courant alternatif conventionnel.

Les moteurs à collecteur à courant alternatif existent en variantes monophasées et polyphasées. Les moteurs monophasés subissent une pulsation de couple à double fréquence de ligne qui est absente dans la conception polyphasée plus douce.

Bien qu'un moteur à collecteur puisse fonctionner à une vitesse bien plus élevée qu'un moteur à induction et ainsi délivrer plus de puissance pour une taille donnée, il n'est pas sans maintenance. L'usure des balais et du collecteur exige un entretien périodique.

Moteur série monophasé

Lorsqu'un moteur série à courant continu équipé d'un champ laminé est alimenté par du courant alternatif, la réactance inductive retardée de la bobine de champ réduit markedly le courant de champ. Le moteur tournera, mais sa performance est marginale.

Au démarrage, les enroulements d'induit court-circuités par les balais ressemblent à des spires de transformateur court-circuitées dans le champ, produisant un arc et des étincelles substantiels alors que l'induit commence à tourner.

À mesure que la vitesse augmente, l'arc et les étincelles sont répartis sur plus de segments de collecteur, rendant la condition plus tolérable. Les petits moteurs série à courant alternatif non compensés — ceux en dessous de la taille d'une perceuse à main ou d'un mélangeur de cuisine — peuvent encore fonctionner sous ces contraintes.

 

Moteur série à courant alternatif non compensé

 

Moteur série compensé

Le problème d'arc est atténué en ajoutant un enroulement de compensation sur le stator. Cet enroulement est placé en série avec l'induit et positionné de sorte que sa force magnétomotrice annule la FMM alternative de l'induit.

La réduction de l'entrefer et du nombre de spires de champ abaisse la réactance inductive en série avec l'induit, améliorant le facteur de puissance. Tous les moteurs à collecteur à courant alternatif, sauf les plus petits, emploient des enroulements de compensation ; même les moteurs de taille mélangeur de cuisine le font.

 

Moteur série à courant alternatif compensé

 

Moteur universel

Les petits moteurs universels — généralement sous 300 watts — peuvent fonctionner soit sur courant continu, soit sur courant alternatif. Les très petites unités peuvent être non compensées ; les unités plus grandes à haute vitesse utilisent presque toujours un enroulement de compensation.

Sur courant alternatif, le moteur tourne légèrement plus lentement que sur courant continu en raison de la réactance. Cependant, les pics des ondes sinusoïdales saturent le chemin magnétique, réduisant le flux total et augmentant la vitesse de la section « série ». Ces effets opposés maintiennent la vitesse presque constante entre le courant continu et 60 Hz.

Les moteurs universels alimentent les appareils courants qui exigent 3 000 à 10 000 tr/min, tels que les perceuses, aspirateurs et mélangeurs.

Les avancées dans les redresseurs à semi-conducteurs et les aimants permanents à faible coût rendent les moteurs à courant continu à aimants permanents une alternative de plus en plus attractive.

Moteur à répulsion

Un moteur à répulsion connecte le champ directement à la tension de la ligne alternative et place une paire de balais court-circuités décalés de 15° à 25° de l'axe du champ. Le champ induit un courant dans l'induit court-circuité, produisant un champ magnétique qui s'oppose aux bobines de champ.

La vitesse est contrôlée en rotatif les balais par rapport à l'axe du champ. Le moteur présente une excellente commutation en dessous de la vitesse synchrone et une mauvaise commutation au-dessus. Le faible courant de démarrage délivre un couple de démarrage élevé.

 

Moteur à répulsion à courant alternatif

 

Moteur à induction à démarrage par répulsion

Lorsqu'un moteur à induction doit démarrer une charge dure, comme un compresseur, le couple de démarrage élevé d'un moteur à répulsion est inestimable. Les enroulements du rotor à induction sont temporairement connectés aux segments de collecteur via des balais court-circuités.

Une fois que le moteur approche de la vitesse de fonctionnement, un interrupteur centrifuge court-circuite tous les segments de collecteur, convertissant le rotor en configuration à cage d'écureuil. Les balais peuvent également être relevés pour prolonger leur durée de vie.

Le couple de démarrage peut atteindre 300 % à 600 % de la valeur à pleine vitesse — comparé à moins de 200 % pour un moteur à induction pur.

 

Résumé : Moteurs à collecteur à courant alternatif

• Le moteur série monophasé est une tentative d'émuler un moteur à collecteur à courant continu ; il n'est pratique que dans de très petites tailles.
• L'ajout d'un enroulement de compensation produit le moteur série compensé, surmontant l'étincelage excessif du collecteur. La plupart des moteurs à collecteur à courant alternatif sont de ce type. Ils fournissent plus de puissance à haute vitesse qu'un moteur à induction de même taille mais ne sont pas sans maintenance.
• Les petits appareils peuvent utiliser des moteurs qui fonctionnent soit sur courant alternatif, soit sur courant continu, connus sous le nom de moteurs universels.
• La ligne alternative est directement connectée au stator d'un moteur à répulsion, avec le collecteur court-circuité par les balais.
• Des balais court-circuités rétractables peuvent démarrer un moteur à induction à rotor bobiné ; c'est le moteur à induction à démarrage par répulsion.