Fonction du commutateur à anneaux fendus dans un moteur électrique

Si vous avez déjà regardé un simple schéma de moteur à courant continu et pensé :, “ D'accord, mais que signifie réellement cet étrange anneau de cuivre brisé ? » faire?” — ceci est pour vous.

Le commutateur à anneaux fendus est minuscule, mais il décide discrètement si votre moteur :

• continue à tourner sans à-coups dans un seul sens, ou
• se contente de se tortiller maladroitement d'avant en arrière et abandonne.

À la fin de cet article, vous connaîtrez non seulement la réponse théorique, mais vous aurez également une représentation mentale de ce qui se passe. à chaque demi-tour à l'intérieur du moteur.

• Dans ce guide, vous apprendrez :
  • Qu'est-ce qu'un commutateur à anneaux fendus physiquement ?
  • Comment il maintient le couple dans le même direction malgré les revers actuels
  • Pourquoi un moteur à courant continu ne fonctionne pas correctement sans cela
  • En quoi cela diffère-t-il des bagues collectrices dans les machines à courant alternatif ?

1. Petit rappel : comment fonctionne un simple moteur à courant continu ?

Avant de nous intéresser de plus près à l'anneau brisé, mettons les choses en perspective.

Un moteur à courant continu de base comprend :

• A bobine (armature) de fil métallique pouvant tourner
• A champ magnétique, généralement à partir d'aimants permanents
• A source d'alimentation en courant continu (batterie ou alimentation CC)
• Balais et commutateur pour faire passer le courant dans la bobine tournante

Lorsque le courant circule dans la bobine dans un champ magnétique, chaque côté de la bobine subit une force dans des directions opposées (grâce à l'effet moteur / règle de la main gauche de Fleming). Un côté est poussé vers le haut, l'autre vers le bas, ce qui fait tourner la bobine.

Le hic : sans une astuce ingénieuse, après un demi-tour, les forces sens de basculement et la bobine se contenterait d'osciller d'avant en arrière au lieu de tourner en continu.

Cette “ astuce ingénieuse ” est le commutateur à anneaux fendus.

• Un moteur à courant continu simple comprend généralement :
  • Bobine (armature) sur un arbre rotatif
  • Aimant permanent (ou électroaimant de champ)
  • Alimentation CC (batterie ou source CC)
  • Commutateur à anneaux fendus
  • Balais de charbon appuyant sur le commutateur

2. Qu'est-ce que c'est exactement ? est un commutateur à anneaux fendus ?

Physiquement, un commutateur à anneaux fendus est :

• A anneau en cuivre coupé en deux moitiés, monté sur l'arbre du moteur
• Chaque moitié est reliée à une extrémité de la bobine
• Deux balais de charbon reposez sur ces moitiés, connectées à l'alimentation CC externe

Lorsque l'arbre (et la bobine) tournent, les balais restent immobiles mais touchent toujours l'une ou l'autre moitié de l'anneau.

Considérez cela comme un commutateur rotatif ou un “ inverseur de polarité ” mécanique synchronisé avec la rotation de la bobine.

• Principales caractéristiques physiques d'un commutateur à anneaux fendus :
  • Fabriqué à partir de segments de cuivre (deux segments dans le moteur le plus simple)
  • Les segments sont isolé les uns des autres
  • Fixé au arbre du rotor
  • Chaque segment se connecte à un extrémité de bobine d'armature
  • Les balais appuient sur la surface extérieure pour alimenter le courant.

3. Fonction principale : inversion du courant tous les demi-tours

Voici l'essentiel :

La fonction du commutateur à anneaux fendus dans un moteur à courant continu est d'inverser le sens du courant dans la bobine à chaque demi-tour, de sorte que le couple sur la bobine agisse toujours dans le même sens de rotation, permettant ainsi une rotation continue. 

Faisons un tour complet au ralenti.

1. Position de départ (0°) :
   • Le côté AB de la bobine transporte le courant “ vers l'avant ”, le côté CD transporte le courant “ vers l'arrière ”.
   • Dans le champ magnétique, AB est poussé vers le bas, CD est poussé vers le haut → la bobine commence à tourner.
2. Approche de 90° :
   • La bobine se déplace vers la verticale.
   • Le couple est momentanément faible lorsque la bobine est exactement verticale, mais l'inertie la maintient en mouvement.
3. À 90° (demi-tour) :
   • La bobine est verticale.
   • Les balais franchissent désormais les espaces entre les segments du commutateur et commencent à toucher le moitiés opposées.
   • Ceci soigneusement inverse le sens du courant dans la bobine.
4. De 90° à 180° :
   • Le courant dans AB et CD s'est inversé, mais l'orientation de la bobine aussi.
   • Résultat : les forces de chaque côté continuent à pousser dans le même sens de rotation global. Le sens du couple est conservé.

Ainsi, même si le courant est inversé, le commutateur garantit que le le couple ne. C'est pourquoi le moteur tourne plutôt que de vibrer.

• En termes simples, comme dans un examen, l'anneau fendu :
  • Inverse le courant dans la bobine d'induit tous les demi-tours
  • Maintient le couple sur la bobine dans la même direction
  • Garantit rotation continue dans une seule direction
  • Maintient une sortie/entrée CC au niveau des bornes externes (pour les générateurs/moteurs respectivement)

4. Avec ou sans anneau fendu (et par rapport aux bagues collectrices)

Il est plus facile de comprendre son utilité en comparant différents scénarios.

Tableau comparatif

En bref :

• Anneau fendu → “ Je vais inverser le courant de la bobine au moment opportun afin que votre couple reste unidirectionnel. ”
• Bague collectrice → “ Je vais simplement transférer le courant que vous me fournissez ; je ne suis pas là pour inverser la polarité. ”

• Le rôle du commutateur à anneaux fendus, en résumé :
  • Agit comme un onduleur mécanique pour le courant d'induit
  • Synchronise l'inversion actuelle avec l'angle du rotor (à chaque demi-tour)
  • Convertit l'effet naturel “ va-et-vient ” en rotation régulière
  • Permet à un moteur à courant continu de fonctionner comme prévu : de manière fluide et directionnelle.

5. Approfondissement : quel problème l'anneau brisé permet-il de résoudre ?

Imaginons que nous supprimer le commutateur à anneaux fendus et connecter d'une manière ou d'une autre la bobine directement à l'alimentation CC via des bagues collectrices.

Au début, les forces exercées sur les côtés de la bobine la font tourner. Mais après avoir effectué un demi-tour :

• Le côté qui se trouvait auparavant sous le pôle nord se trouve désormais sous le pôle sud.
• La direction actuelle de chaque côté n'a pas a été retourné (car il n'y a pas de commutateur).
• Les forces magnétiques agissent désormais dans le direction opposée → le couple s'inverse.

Le moteur agirait comme une personne essayant de pousser une porte. d'abord en avant, puis en arrière, puis en avant, s'arrêtant toujours au milieu. C'est pourquoi la bobine oscillait ou calait simplement autour de la position verticale au lieu de tourner.

Le commutateur à anneaux fendus intervient et dit :

“ Chaque fois que la bobine atteint ce point intermédiaire délicat, je permute ses connexions afin que les forces ne changent pas leur direction globale. ”

C'est ça, la magie. Pas besoin de mathématiques avancées, juste inversion de polarité au bon moment.

• Image conceptuelle à retenir :
  • Sans commutateur → le sens du couple s'inverse à chaque demi-tour → mouvement de balancement
  • Avec commutateur à anneaux fendus → le courant s'inverse → le couple reste unidirectionnel → rotation complète
  • Dans les générateurs, le même mécanisme agit comme un redresseur mécanique pour fournir du courant continu à partir d'une tension induite de type courant alternatif

6. Structure + brossage : comment cela entre réellement en contact

Dans les moteurs réels, le commutateur n'est pas simplement constitué de deux morceaux de cuivre disgracieux. Il est conçu de manière technique :

• Multiple segments de cuivre sont fixés autour de l'arbre.
• Les segments sont isolés les uns des autres à l'aide de matériaux tels que mica ou plastiques.
• Balais de charbon à ressort Appuyez sur la surface extérieure et faites glisser sur les segments pendant que l'arbre tourne.
• Chaque segment est relié à une bobine d'induit particulière.

Dans un moteur à courant continu très simple de niveau scolaire :

• Le “ commutateur ” est simplement deux demi-anneaux en cuivre (l'anneau fendu)
• Chaque demi-anneau se connecte à une extrémité d'une seule bobine.
• Deux balais alimentent ces moitiés en courant continu, permettant à la bobine de tourner tout en restant connectée électriquement.

C'est tout ce dont il a besoin : une interface rotative qui échange périodiquement l'extrémité de la bobine connectée à la borne d'alimentation.

• Pourquoi utiliser des balais et un commutateur ?
  • Vous ne pouvez pas tordre les fils indéfiniment pendant que le rotor tourne.
  • Vous avez besoin d'un contact glissant entre le fixe monde et le rotatif monde.
  • Le commutateur et les balais forment cette interface. et gérer la tâche d'inversion en cours.

7. Anneau fendu ou anneau collecteur : comment expliquer clairement la différence ?

Il s'agit là d'un piège classique lors d'un examen ou d'un entretien, alors clarifions bien les choses.

• A anneau fendu est :
  • Une bague en cuivre coupé en morceaux (généralement deux dans les moteurs à courant continu simples).
  • Utilisé comme commutateur: il inverse le sens du courant dans les enroulements du rotor tous les demi-tours.
  • Courant dans Moteurs et générateurs à courant continu.
• A bague collectrice est :
  • A anneau continu (non divisé) utilisé uniquement pour transférer la puissance/les signaux à une pièce rotative.
  • Oui, c'est vrai. pas inverser le courant par lui-même.
  • Courant dans Générateurs à courant alternatif, les moteurs à induction à bagues collectrices et les systèmes rotatifs tels que les éoliennes.

En une ligne :

Anneau fendu = commutateur, inverse le courant. Bague collectrice = connecteur, transmet le courant.

• Des astuces faciles à retenir :
  • “Diviser anneau ” → séparer les connexions, inverser le courant
  • “Glissement anneau ” → laisser passer le courant en continu
  • Split → Moteurs à courant continu ; Slip → Machines à courant alternatif (principalement)

8. Notes techniques pratiques : limites de la commutation mécanique

Les commutateurs mécaniques, y compris les types à anneaux fendus, sont brillants mais pas parfaits :

• Ils souffrent de friction et usure où les balais frottent contre des segments de cuivre.
• Il peut y avoir étincelles et bruit électrique, en particulier à grande vitesse ou à courant élevé.
• Ils ont besoin entretien périodique et remplacement des brosses.

C'est l'une des raisons pour lesquelles de nombreux disques durs modernes utilisent désormais moteurs à courant continu sans balais (BLDC) ou moteurs à induction CA :

• Les moteurs BLDC suppriment complètement le commutateur mécanique et le remplacent par commutation électronique des courants dans le stator.

Mais dans le domaine de l'éducation, des moteurs de laboratoire de base, des jouets et des entraînements à courant continu simples, le commutateur à anneaux fendus reste le moyen le plus clair et le plus tangible de voir comment nous pouvons transformer l'électricité en mouvement de rotation unidirectionnel.

• Pour garder une vue d'ensemble :
  • Commutateur = “ gestionnaire de courant ” du rotor
  • Anneau fendu = forme physique la plus simple de ce commutateur dans un moteur à courant continu
  • Son rôle n'est pas seulement de connecter, mais aussi de se connecter dans la bonne direction au bon moment

9. Récapitulatif rapide

Le Fonction du commutateur à anneaux fendus dans un moteur électrique (à courant continu) est de :

• Inverser le sens du courant dans la bobine d'induit tous les demi-tours.
• Maintenez le couple sur la bobine agissant dans un sens de rotation constant
• Assurez-vous que le moteur ne se contente pas d'osciller d'avant en arrière, mais qu'il tourne. en continu
• Assurer la connexion électrique coulissante entre l'alimentation fixe et l'armature tournante.

Si vous pouvez visualiser ce petit anneau de cuivre inversant la polarité de la bobine comme un interrupteur parfaitement synchronisé, vous comprenez mieux que la plupart des paragraphes des manuels scolaires ne le transmettent jamais.