Un moteur monophasé est-il équipé d'un commutateur ?

En général, non. Si vous vous intéressez aux moteurs monophasés qui entraînent les ventilateurs, les pompes, les soufflantes et les compresseurs, il s'agit presque toujours de machines à induction avec un rotor à cage d'écureuil et sans commutateur du tout. Les exceptions sont les moteurs monophasés spécifiques de type “ commutateur ”, tels que les modèles universels, à courant alternatif en série et à répulsion.

Ce que la plupart des gens entendent réellement par “ moteur monophasé ”

Sur le terrain, quand quelqu'un dit “ remplacez ce moteur monophasé ”, il fait généralement référence à un moteur à induction monophasé fonctionnant sous 220-240 V CA. Démarrage par condensateur, fonctionnement par condensateur, division permanente, pôles ombragés : différentes astuces de démarrage, mais même principe de base : stator sur le secteur, rotor sous forme de cage fermée, sans balais. Le rotor n'a jamais besoin d'une connexion électrique directe à l'alimentation, il n'y a donc rien à faire pour un commutateur.

Historiquement, c'est cette conception qui a remplacé les anciennes machines à collecteur lorsque les ingénieurs ont appris à construire un moteur à induction monophasé sans collecteur pratique, peu coûteux et robuste.

Donc, si votre question est en réalité “ Un moteur à induction monophasé classique est-il équipé d'un commutateur ? ”, la réponse honnête, mais ennuyeuse, est tout simplement non.

Mais “ moteur monophasé ” est une expression vague.

L'expression elle-même est imprécise. Elle fait référence à l'offre, et non à la construction. Dès que l'on passe des questions d'examen au matériel réel, le terme “ moteur monophasé ” peut désigner au moins quatre familles différentes :

Un moteur à induction monophasé alimenté en courant alternatif. Un moteur universel fonctionnant à partir d'un courant alternatif monophasé ou d'un courant continu redressé. Un moteur à répulsion ou à répulsion-induction, également alimenté par un courant alternatif monophasé. Un moteur à courant continu situé derrière un redresseur, toujours alimenté en fin de compte par une ligne monophasée.

Seuls les trois derniers s'appuient sur un commutateur. Ce n'est pas le terme “ monophasé ” qui détermine cela, mais la conception du rotor.

Si vous gardez cela à l'esprit, les astuces d'examen et les fiches techniques des produits seront plus faciles à lire.

Image mentale rapide : ce que fait réellement le commutateur

Le commutateur est un interrupteur rotatif. Il est composé de segments en cuivre sur l'arbre et de balais qui appuient sur ces segments. Lorsque le rotor tourne, les connexions des bobines d'induit sont inversées afin que le couple reste à peu près dans une seule direction, au lieu d'osciller d'avant en arrière avec la polarité de la ligne.

Cette fonction est essentielle dans les moteurs à courant continu et les moteurs universels. Elle permet au courant du rotor de conserver la relation de phase correcte avec le champ du stator, même lorsque l'alimentation inverse sa polarité à chaque demi-cycle. Sans cette astuce, vous n'obtiendriez que des vibrations et de la chaleur. Ou un presse-papier très patient qui bourdonne.

Dans un moteur à induction normal, le courant du rotor est obtenu par induction, et non par des contacts glissants, de sorte que vous “ externalisez ” ce travail difficile aux lois de l'électromagnétisme. Aucun commutateur n'est nécessaire.

Lorsque les moteurs monophasés sont véritablement équipés d'un commutateur

Il existe quelques cas bien définis où la réponse devient affirmative.

Tout d'abord, le moteur universel. Sur le plan électrique, il s'agit d'un moteur à courant continu en série construit avec du fer laminé et conçu pour fonctionner aussi bien en courant alternatif qu'en courant continu. Les enroulements du stator et du rotor sont en série, et le rotor utilise un commutateur de sorte que lorsque l'alimentation s'inverse, le champ et l'induit s'inversent ensemble. Le couple net ne s'inverse pas, il continue donc à tourner dans le même sens.

Ce sont les moteurs qui équipent les perceuses à main, de nombreux aspirateurs, les petits appareils électroménagers et beaucoup d'outils bon marché et bruyants. Vitesse élevée, couple de démarrage élevé, petit châssis et commutateur qui s'use.

Deuxièmement, la famille des moteurs à répulsion et à induction par répulsion. Le stator ressemble à un stator à induction monophasé. Le rotor ressemble à un induit à courant continu avec un commutateur et des balais, mais les balais sont court-circuités entre eux plutôt que connectés à l'alimentation. Les courants induits dans le rotor créent un couple par répulsion entre les systèmes de pôles du stator et du rotor.

Certaines versions utilisent le commutateur uniquement au démarrage, puis court-circuitent tous les segments ou soulèvent les balais, laissant la machine fonctionner comme un simple moteur à induction une fois qu'elle a atteint sa vitesse de croisière.

Ainsi, si vous voyez un moteur monophasé avec un mécanisme à balais et un commutateur sur l'arbre, vous êtes presque certainement en présence d'un modèle à commutateur, et non d'un modèle standard à démarrage par condensateur.

Une simple comparaison

Voici une méthode concise pour distinguer les différentes variantes lorsque vous êtes face à une fiche technique confuse ou à un moteur poussiéreux sur un établi.

Une fois que vous avez classé le moteur dans l'une de ces catégories, la question du commutateur trouve presque d'elle-même sa réponse.

Pourquoi les types à induction évitent délibérément les commutateurs

Les concepteurs évitent autant que possible les commutateurs. Les raisons sont banales, mais convaincantes.

Les commutateurs et les balais entraînent de l'usure, de la poussière de carbone, des pertes par contact glissant et des étincelles. Ils ajoutent des étapes d'usinage, d'assemblage et des instructions d'entretien.

Les rotors à induction sont simplement constitués de barres et d'anneaux d'extrémité, généralement en aluminium ou en cuivre moulé. Ils ne comportent aucun segment isolé ni balais. Le rotor est mécaniquement plus simple et plus facile à équilibrer. C'est pourquoi les moteurs à pôles ombragés, pour les très petites puissances, et les moteurs à condensateur, pour les puissances plus importantes, sont devenus la norme pour les entraînements monophasés “ ordinaires ”.

Ainsi, lorsque quelqu'un demande : “ Pourrions-nous utiliser un commutateur ici ? ”, la question qui suit implicitement est : “ Quels avantages cela nous apporte-t-il qui justifient le coût ? ”

Quand un moteur monophasé à collecteur est-il réellement pertinent ?

Ce n'est pas seulement la nostalgie qui fait perdurer les moteurs universels et à répulsion. Ils résolvent assez bien un ensemble spécifique de problèmes.

Les moteurs universels offrent un couple de démarrage élevé et une vitesse très élevée à partir d'un boîtier léger et compact sur une simple ligne CA. C'est exactement ce que vous recherchez dans une perceuse à main. Vous voulez un couple puissant dès le démarrage et vous préférez que la vitesse diminue sous la charge plutôt que de dépenser de l'argent pour un onduleur. Le bruit est acceptable. Le remplacement des balais est acceptable. Le commutateur a toute sa place ici.

Les moteurs à répulsion et à induction par répulsion constituent davantage une réponse historique à la question suivante : “ Comment obtenir un couple de démarrage élevé en monophasé avant de disposer de condensateurs et de variateurs à semi-conducteurs bon marché et de grande taille ? ” Ils ont rempli cette fonction en utilisant la géométrie du commutateur et des balais pour modeler les courants du rotor pendant le démarrage. Plus tard, les concepteurs ont pu court-circuiter le commutateur une fois la machine en marche et laisser le rotor se comporter davantage comme une cage.

Dans les catalogues modernes, vous en verrez moins, remplacés par des solutions à démarrage par condensateur et à entraînement électronique, mais le principe mérite toujours d'être compris, car les anciennes installations ne se modernisent pas toutes seules.

Comment savoir en un coup d'œil si votre moteur monophasé est équipé d'un commutateur

Sur le banc ou sur le terrain, vous n'avez souvent pas besoin d'instruments. Juste vos yeux et vos oreilles.

Si le châssis comporte des porte-balais, des bouchons d'accès ou une ouverture très visible autour de l'axe où les balais peuvent être entretenus, c'est un indice fort. Si vous pouvez voir des segments de cuivre à travers un évent près de l'axe, il s'agit d'un commutateur. Si le fabricant l'appelle “ universel ”, “ série CA ”, “ répulsion ” ou “ répulsion-induction ” sur la plaque signalétique ou dans la documentation, vous connaissez déjà la réponse.

En revanche, si le châssis est lisse et ne comporte qu'un boîtier de raccordement ou un fil volant, sans balais, et que la plaque indique “ à pôles ombragés ”, « démarrage par condensateur », « fonctionnement par condensateur » ou simplement « moteur à induction monophasé », vous pouvez supposer qu'il n'y a pas de commutateur à l'intérieur.

Le bruit est un autre indice. Les moteurs universels ont tendance à émettre un sifflement plus aigu et plus aigu, ainsi qu'un bourdonnement plus audible provenant des balais. Les moteurs à induction de 50/60 Hz émettent plutôt un bourdonnement grave, auquel s'ajoute le bruit mécanique du ventilateur et des roulements.

Quelques cas limites subtils

Il arrive parfois que vous tombiez sur un moteur qui ressemble à un simple moteur à induction monophasé, mais le système d'entraînement situé devant lui complique les choses.

Un exemple est un moteur à courant continu alimenté par un redresseur monophasé et un hacheur. Du point de vue de l'alimentation, il s'agit d'une “ charge moteur monophasée ”. Du point de vue de la construction, il s'agit évidemment d'une machine à courant continu qui, si elle est à balais, utilisera un commutateur.

Un autre exemple est celui d'un moteur à induction à démarrage par répulsion, dans lequel les segments du commutateur sont court-circuités ou les balais sont soulevés une fois que le moteur a atteint sa vitesse de rotation. Si vous l'ouvrez à l'arrêt, vous verrez un commutateur. Si vous modélisez son comportement en régime permanent, vous le traiterez comme un rotor à cage d'induction. Les deux descriptions sont correctes, chacune à leur manière.

C'est pourquoi la réponse la plus sûre à la question initiale est toujours : de quel moteur monophasé spécifique parlons-nous ?

Réponses courtes et directes aux variantes courantes de la question

Le résumé honnête est donc simple, mais légèrement délicat : la plupart des moteurs monophasés courants ne sont pas équipés d'un commutateur. Certains moteurs monophasés spécialisés en sont toutefois équipés. Ce n'est pas le terme “ monophasé ” qui est déterminant, mais la construction du rotor et la méthode de production du couple.