Quel dispositif électromagnétique utilise des balais et un commutateur ?

Réponse courte d'abord : la réponse classique à l'examen est le générateur à courant continu, mais dans le matériel réel, vous rencontrez toute une famille de machines à courant continu — générateurs et moteurs — qui vivent ou meurent grâce à la paire de balais et au commutateur. 

La clé d'examen contre la paillasse de laboratoire

Si vous venez des banques de questions et des livres de tests d'entrée, le schéma est presque prévisible. La question énumère “ haut-parleur, générateur de courant continu, relais, solénoïde ” et la réponse indique discrètement “ générateur de courant continu ”. 

Du point de vue d'un concepteur de machines, cela semble un peu réducteur. Cet anneau de cuivre segmenté associé à des balais de charbon n'est pas propre à cette génération. Il s'agit du schéma de commutation mécanique standard pour les machines tournantes à courant continu : dynamos et nombreux moteurs à courant continu, ainsi que les moteurs universels que l'on trouve dans les anciens aspirateurs, par exemple. 

Ainsi, si vous répondez à une question à choix multiples, vous cochez “ générateur à courant continu ” et passez à la question suivante. Lorsque vous vous trouvez devant une machine réelle dont le capot a été retiré, vous dites : il s'agit d'une machine à courant continu à balais, qui peut être configurée comme un générateur ou un moteur, et c'est le commutateur et les balais qui lui permettent de fonctionner en courant continu au niveau des bornes.

Pourquoi existe-t-il des balais et un commutateur ?

Vous connaissez déjà Faraday, le flux, le champ électromagnétique induit et toute la structure formelle. Inutile de le répéter. Le plus intéressant ici, c'est la contrainte. Vous voulez un induit rotatif avec des conducteurs coupant les lignes du champ magnétique, tandis que le circuit externe ne voit le courant que dans un seul sens.

Le commutateur est un redresseur mécanique monté sur l'arbre. Il divise l'enroulement de l'induit en segments et inverse à chaque demi-tour le segment connecté au circuit externe. Les balais sont simplement des contacts glissants, souvent en carbone, qui restent immobiles dans le châssis et appuient sur le commutateur pour faire passer le courant. 

Tout le reste dans la machine existe pour que cet agencement ne s'autodétruise pas trop rapidement : géométrie du plan neutre, rigidité des ressorts des balais, finition de surface du cuivre, refroidissement, accès pour le remplacement. La théorie électromagnétique est presque la partie la plus facile par rapport à la mise en place de ces quelques millimètres carrés de contact glissant qui doivent fonctionner pendant des années. 

Générateur à courant continu : le dispositif classique avec balais et commutateur

Si quelqu'un pose la question “ quel appareil électromagnétique utilise des balais et un commutateur ? ” comme dans un examen de physique, il pense généralement au générateur à courant continu. Il imagine une boucle de fil métallique tournant entre des pôles, un commutateur à anneaux fendus, et deux balais reliés à une charge. Cette image figure encore aujourd'hui dans de nombreux schémas scolaires. 

Dans ce mode, le commutateur échantillonne la force électromotrice alternative induite dans les bobines rotatives et inverse les connexions afin que les bornes de sortie voient toujours la même polarité. Il s'agit d'un redresseur entraîné directement par l'arbre, et non par des diodes. Les balais ne font rien d'extraordinaire ; ils se trouvent simplement au bon endroit, entrent en contact avec le bon segment au bon moment et essaient de ne pas brûler sous l'effet du courant et des vibrations.

Le point essentiel qui est souvent négligé : le générateur ne “ sait ” pas qu'il est un générateur. Il s'agit d'une machine à courant continu entraînée mécaniquement. Inversez les rôles, et avec le même commutateur et les mêmes balais, vous obtenez un moteur.

Moteur à courant continu : mêmes pièces, point de vue différent

Dans un moteur à courant continu à balais, le commutateur continue de basculer les connexions tous les demi-tours, mais l'objectif est désormais de maintenir le couple électromagnétique approximativement dans la même direction que la rotation du rotor. Les balais alimentent le courant d'induit provenant de l'alimentation externe dans les bobines appropriées à la position angulaire adéquate. 

La plupart des notes d'introduction sur les moteurs mentionnent brièvement le commutateur, puis consacrent l'essentiel de leur contenu à la règle de Fleming. Pourtant, c'est généralement au niveau de l'interface commutateur-balais que les problèmes de terrain apparaissent : étincelles sous charge, usure inégale, bruit, réaction de l'induit vous obligeant à décaler légèrement les balais par rapport à la position géométrique neutre. 

Ainsi, même si l'examen peut pencher pour “ générateur à courant continu ” comme réponse, beaucoup de gens découvrent d'abord les balais et le commutateur à l'intérieur des moteurs à courant continu dans les outils, les jouets et les petits appareils électroménagers. Même principe, sens différent du flux d'énergie.

Qu'est-ce qui a des balais et un commutateur — et qu'est-ce qui n'en a pas ?

La principale confusion provient du fait que l'on mélange dans la même question les appareils électromagnétiques ordinaires et les machines à courant continu rotatives. Les haut-parleurs, les relais et les solénoïdes utilisent tous des bobines et des champs magnétiques, mais ils n'ont pas besoin d'inverser les courants par rotation, ils ne possèdent donc pas de commutateur. 

Il est utile de disposer les principaux appareils côte à côte.

*Les moteurs à induction à bagues utilisent bien des bagues et des balais, mais il s'agit de bagues continues, et non de commutateurs, et leur fonction est différente. 

Une fois que vous voyez cette disposition, la réponse à choix multiples n'est plus un mystère. Parmi “ haut-parleur, générateur de courant continu, relais, solénoïde ”, seule une machine possède un rotor qui nécessite une inversion de courant synchronisée.

Les réalités de la maintenance : là où la question prend soudainement un caractère pratique

Les balais et les commutateurs ne sont pas seulement des éléments décoratifs. Ils s'usent, produisent des arcs électriques et génèrent de la poussière de carbone. Lorsque la surface est rainurée ou vitrifiée, le contact devient irrégulier, la température locale augmente et le moteur ou le générateur commence à émettre des bruits et à produire un couple irrégulier. 

Un manuel d'entretien vous demandera généralement de vérifier : la longueur des balais par rapport à une valeur minimale, la pression des ressorts, l'alignement dans les supports et l'état de la surface du commutateur. Le nettoyage peut nécessiter un solvant spécifique et un chiffon non pelucheux ; le resurfaçage peut impliquer de découper le mica entre les segments ou de tourner le commutateur dans un tour. 

Rien de tout cela n'apparaît dans une question de physique d'une seule ligne. Pourtant, tout cela est implicite dès lors que l'on sait que ces deux contacts coulissants et cet anneau effectuent une commutation à courant élevé à grande vitesse, dans un champ magnétique qui n'est jamais parfaitement symétrique.

Pourquoi de nombreuses nouvelles machines évitent discrètement les balais et les commutateurs

Les conceptions modernes s'éloignent souvent complètement des commutateurs. Les moteurs à induction, les machines synchrones et les moteurs à courant continu sans balais utilisent soit une alimentation en courant alternatif, soit une commutation électronique, de sorte qu'aucun contact électrique glissant n'a à transporter un courant important lors du changement de polarité. 

La logique est simple. En éliminant les balais et le commutateur, vous supprimez les pertes dues à la chute des balais, l'usure mécanique, la poussière des balais et les limites de tension et de densité de courant liées au contact par arc électrique. Vous améliorez également la fiabilité dans les environnements hermétiques ou dangereux où les étincelles pourraient poser problème. 

Pourtant, les examens et de nombreux cours d'introduction s'appuient encore sur le générateur et le moteur à courant continu à balais, car ils rendent l'inversion de polarité très visible. Vous pouvez littéralement pointer du doigt le cuivre, les balais, et dire : c'est là que le sens change. Cette concrétisation permet à l'ancienne machine de rester au programme, même si l'industrie évolue.

Alors, que devriez-vous répondre concrètement ?

Si quelqu'un vous pose la question telle qu'elle est formulée — “ Quel appareil électromagnétique utilise des balais et un commutateur ? ” — vous répondez “ un générateur à courant continu ” et acceptez la note. C'est ainsi que les banques de questions courantes la formulent. 

Si vous écrivez ou parlez en dehors de ce format restreint, vous dites quelque chose d'un peu plus riche : les machines à courant continu qui reposent sur la commutation mécanique, principalement les générateurs à courant continu et les moteurs à courant continu à balais, utilisent des balais et un commutateur pour gérer le courant entre le circuit fixe et l'induit rotatif. Cette affirmation correspond à ce que vous voyez réellement lorsque vous ouvrez le boîtier, et pas seulement à ce qui apparaît dans le corrigé.