Objectif du commutateur à anneaux fendus

Dans presque tous les schémas scolaires représentant un moteur à courant continu ou un générateur à courant continu, on trouve une petite étiquette qui indique discrètement “commutateur à anneaux fendus”… et le manuel passe à autre chose. Pourtant, ce minuscule anneau de cuivre est la raison pour laquelle un moteur à courant continu continue de tourner dans un seul sens et qu'un générateur à courant continu produit DC au lieu de Climatisation. Sans anneau fendu, pas de machine à courant continu telle que vous la connaissez. 

TL;DR – Qu'est-ce qu'un commutateur à anneaux fendus ? Est-ce que

• Dans un moteur à courant continu :
  • Inverse le courant traversant la bobine rotative tous les demi-tours (tous les 180°).
  • Conserve le couple dans le même sens de rotation, afin que le moteur ne “ balance pas d'avant en arrière ”, mais tourne en continu. 
• Dans un générateur à courant continu :
  • Inverse les connexions de la bobine tournante au circuit externe tous les demi-tours.
  • Inverse chaque demi-cycle négatif du courant alternatif induit, de sorte que le La tension de sortie est toujours dans le même sens. (courant continu pulsé). 
• Mécaniquement :
  • Agit comme un commutateur rotatif composé de deux moitiés en cuivre.
  • Fonctionne avec des balais de charbon pour assurer une connexion électrique coulissante entre l'induit tournant et l'extérieur. 

1. Découvrez le commutateur à anneaux fendus

Imaginez que vous découpez un anneau de cuivre en deux demi-cercles et en les plaçant sur l'arbre du moteur avec un petit espace et une isolation entre eux. Chaque demi-anneau est soudé à une extrémité de la bobine d'induit. Deux fixes balais de charbon Appuyez doucement sur ces segments.

Lorsque l'arbre tourne, chaque balai glisse d'une moitié de cuivre à l'autre. Cette simple action — les balais passant d'une moitié à l'autre — est ce qui, silencieusement, inverse le courant à travers la bobine au moment opportun et permet à l'ensemble de fonctionner comme un “ courant continu ” normal. L'ensemble constitué de l'anneau fendu et des balais est ce que nous appelons le commutateur. 

En bref : comment est construit un commutateur à anneaux fendus

• Forme : Une bague divisée en deux (ou plus, dans les machines réelles) segments de cuivre isolés.
• Matériau : Segments en cuivre, isolés les uns des autres et de l'arbre à l'aide de mica ou d'un autre isolant.
• Poste : Monté sur le arbre du rotor/induit, tournant avec la bobine.
• Connexions :
  • Chaque segment est connecté à une extrémité du bobinage d'induit.
  • Des balais de charbon fixes appuient sur l'extérieur de la bague.
• Bonus : Dans les moteurs et générateurs à courant continu réels, on observe souvent des dizaines de segments étroits et plusieurs bobines pour lisser le couple et la tension de sortie.

2. Pourquoi les moteurs à courant continu ont besoin d'un commutateur à anneaux fendus

Imaginez une bobine rectangulaire unique dans un champ magnétique entre un pôle nord et un pôle sud. Lorsque le courant circule dans la bobine :

• Un côté de la bobine semble forcer à monter.
• Le côté opposé ressent un forcer à descendre.

Ces deux forces forment un couple de rotation, la bobine commence donc à tourner. Mais après un demi-tour, les côtés ont changé de place. Si le direction actuelle dans la bobine restait identique, les forces s'inverseraient et le couple agirait désormais dans le en face direction. Le moteur oscillerait simplement entre deux positions au lieu de tourner.

Le commutateur à anneaux fendus sauve la mise en inverser le courant exactement lorsque la bobine passe la position verticale (à chaque demi-tour). Étant donné que les deux orientation des bobines et le direction actuelle En inversant ensemble, le sens du couple reste le même et le rotor continue de tourner sans à-coups. 

Que se passe-t-il pendant un tour complet (storyboard moteur)

• À 0° (position de départ) :
  • La bobine est horizontale.
  • Le côté A transporte le courant “ vers la page ”, le côté B “ hors de la page ”.
  • En utilisant la règle de la main gauche de Fleming, le côté A subit une force ascendante, le côté B une force descendante – le couple est, disons, dans le sens des aiguilles d'une montre.
• Approche de 90° :
  • Le couple reste dans la même direction, mais son amplitude diminue (les forces agissent plus près du pivot).
  • La bobine passe rapidement par la position où les forces n'ont temporairement presque aucun effet de rotation.
• Exactement à 90° (vertical) :
  • Le les brosses perdent le contact avec une paire de segments et connecter à l'autre paire.
  • Cela inverse le courant dans la bobine : le côté A a désormais un courant opposé à celui qu'il avait auparavant.
• De 90° à 180° :
  • La bobine s'est physiquement retournée, et le courant s'est également inversé.
  • Résultat : le le couple est toujours dans le sens horaire. Le moteur ne s'inverse pas ; il continue dans la même direction.
• Après 180° :
  • Le même processus se répète : à chaque demi-tour, le commutateur inverse à nouveau le courant, en conservant toujours la même direction du couple.

Donc, le fonction dans un moteur à courant continu est :

“ Inversez le courant de la bobine tous les demi-tours afin que le couple du moteur ne change jamais de direction. ”

3. Rôle du commutateur à anneaux fendus dans les générateurs à courant continu

Maintenant, inversons le scénario : au lieu d'alimenter le système en électricité pour obtenir un mouvement, nous entraîner l'arbre mécaniquement (avec une turbine, un moteur, une manivelle, etc.) et produire de l'électricité. Lorsque la bobine d'induit traverse le champ magnétique, un champ électromagnétique alternatif est induit dans la bobine (demi-cycle positif, puis demi-cycle négatif).

Si nous connections cette bobine directement à un circuit externe avec bagues collectrices, nous obtiendrions une sortie CA standard. Mais les générateurs CC sont censés fournir une tension qui ne change pas de direction.

Le commutateur à anneaux fendus résout ce problème en inversant l'extrémité de la bobine qui se connecte au bornes de sortie positive et négative à chaque demi-tour. Cela signifie que chaque fois que le champ électromagnétique dans la bobine devient négatif, les connexions sont inversées afin que le circuit externe continue de voir même polarité. Le résultat est courant continu pulsé: la tension augmente et diminue, mais elle ne descend jamais en dessous de zéro. 

Étape par étape : vue du générateur de l'anneau fendu

• Entrée mécanique : L'armature tourne dans un champ magnétique.
• Courant alternatif induit dans la bobine : À l'intérieur de la bobine, le champ électromagnétique alterne au fur et à mesure qu'il tourne (une onde sinusoïdale si la vitesse est constante).
• Commutateur à commutateur : Tous les 180°, l'anneau fendu inverse l'extrémité de la bobine qui se connecte à la brosse.
• Sortie externe : Les demi-cycles négatifs sont inversés — la charge voit impulsions unidirectionnelles (DC).

Ainsi, dans les générateurs, l'objectif est essentiellement le suivant : “ Transformez le courant alternatif induit dans la bobine tournante en courant continu fourni au circuit externe. ”

4. Anneau fendu ou anneau collecteur – Dissiper la confusion

Les élèves (et beaucoup d'adultes) confondent souvent ces deux termes, mais ils désignent deux choses différentes.

• A anneau fendu fait partie d'un commutateur, conçu pour courant inverse et produisent un comportement similaire à celui du courant continu dans les moteurs et les générateurs.
• A bague collectrice est conçu pour transmettre de la puissance ou des signaux en continu à une partie rotative, sans changer la polarité — idéal pour les machines à courant alternatif. 

Tableau comparatif : anneau fendu vs anneau collecteur

Crochets à mémoire rapide

• “SPLIT anneau ” → SPLIT la polarité → utilisée là où vous le souhaitez DC.
• “SLIP anneau ” → SLIP puissance continue → utilisable où vous le souhaitez Climatisation ou des signaux ininterrompus.
• Si le diagramme montre un anneau avec un écart → réfléchir commutateur / courant continu.
• Si la bague semble complet et harmonieux → réfléchir bague collectrice / CA.

5. Notes de conception dans le monde réel (au-delà des schémas des manuels scolaires)

Dans les machines réelles, le commutateur à anneaux fendus n'est pas seulement un joli anneau en deux parties. Les moteurs et générateurs industriels à courant continu utilisent nombreux segments étroits en cuivre avec plusieurs bobines. Cette conception multi-segments rend le couple plus fluide et la sortie CC plus proche d'une ligne plate. Elle répartit également le courant sur plusieurs segments afin de réduire l'échauffement et l'usure.

Les ingénieurs s'inquiètent également de étincelant, usure des brosses, et bruit. Chaque fois qu'un balai passe d'un segment à l'autre, il y a une brève interruption et une reconnexion du courant. La géométrie du commutateur, le matériau des balais et même la forme des enroulements de la bobine sont ajustés de manière à ce que la commutation se produise au moment où la force électromotrice induite dans cette bobine est minimale, ce qui réduit les arcs électriques et les pertes d'énergie.

Compromis de conception introduits par l'anneau fendu

• Avantages
  • Permet une utilisation simple et robuste contrôle de vitesse pour les moteurs à courant continu (en modifiant la tension d'alimentation ou l'intensité du champ).
  • Donne sortie CC directe dans les générateurs sans avoir besoin d'électronique.
  • Éprouvé, largement compris et relativement bon marché pour des niveaux de puissance modérés.
• Inconvénients
  • Balais et segments de commutateur usure au fil du temps → entretien nécessaire.
  • Les étincelles peuvent provoquer bruit électrique et limiter l'utilisation dans les atmosphères explosives.
  • À des vitesses ou des courants très élevés, les commutateurs mécaniques deviennent un maillon faible, c'est pourquoi de nombreux systèmes utilisent désormais moteurs à courant continu sans balais et la commutation électronique à la place.

6. Comment se souvenir de la fonction du commutateur à anneaux fendus (pour les examens) et Vie réelle)

Si l'on fait abstraction de tout le jargon technique, un commutateur à anneaux fendus n'est rien d'autre qu'un commutateur rotatif à temporisation automatique qui inverse le sens du courant dans la bobine du rotor à chaque demi-tour. Cette inversion :

• Conserve le moteur tourner dans une direction en maintenant la direction du couple constante.
• Conserve le générateur sortie pointant dans une direction en inversant les oscillations de tension négative à la verticale.