Pourquoi seule la moitié de l'isolation est-elle retirée d'un commutateur ?

Dans le moteur à courant continu classique “ fil et batterie ” utilisé en classe, seule la moitié de l'isolation est retirée afin que la bobine ne reçoive du courant que pendant le demi-tour où le couple magnétique l'aide, et reste en circuit ouvert lorsque le couple s'oppose au mouvement. Si vous retirez tout, le moteur cale ou vibre simplement. Si vous ne retirez rien, il ne démarre jamais. À moitié dénudée, à moitié isolée, cette petite boucle de fil bon marché se transforme en un moteur rudimentaire mais efficace. commutateur.

Ce que signifie réellement “ la moitié de l'isolation retirée ”

Précisons ce qu'est le matériel, car le terme “ commutateur ” peut avoir différentes significations selon les personnes.

À l'école ou dans le laboratoire de première année, le “ commutateur ” est littéralement constitué des extrémités en fil de cuivre émaillé de la bobine rotative reposant sur deux supports (broches, trombones, crochets). Vous grattez l'émail :

• une extrémité : complètement nue là où elle touche le support
• l'autre extrémité : nue seulement sur environ la moitié de la circonférence, l'autre moitié restant isolée

Vu de côté, chaque extrémité ressemble à un cercle de cuivre, mais sur l'une d'elles, le cuivre n'est exposé que sur un demi-cercle. Cette extrémité à moitié nue est le segment du commutateur. Lorsque le demi-cercle nu fait face au support, le courant circule. Lorsque le demi-cercle isolé fait face au support, le circuit s'ouvre. Simple, mais pas aléatoire. Les tutoriels, les notes de laboratoire et les fils de discussion Q&A décrivent tous ce modèle à 180 degrés nu / 180 degrés isolé comme la clé pour obtenir une rotation continue.

Ainsi, “ seule la moitié de l'isolation a été retirée ” signifie que seule une partie d'environ 180° de la circonférence d'une extrémité de la bobine, là où elle repose sur le support, a été nettoyée.

Que se passe-t-il si vous retirez toute l'isolation ?

Imaginez que vous ignorez les instructions et que vous grattez complètement les deux extrémités pour les nettoyer.

Désormais, la bobine est un électroaimant tant que la batterie est connectée. La direction du courant ne change jamais par rapport à la bobine, donc la direction du moment magnétique ne change jamais non plus. Le couple exercé sur la bobine dans un champ uniforme est proportionnel au sinus de l'angle entre le moment magnétique de la bobine et le champ.

Cela signifie :

• à partir d'un certain angle initial, le couple accélère la bobine vers l'alignement avec le champ ;
• Une fois l'alignement dépassé, le couple s'inverse naturellement et tente de ramener la bobine en arrière.

Avec un courant continu, la bobine recherche simplement la position la moins énergétique et s'y maintient, collée magnétiquement à l'orientation préférée. Plusieurs notes prises en classe indiquent précisément ceci : si les deux côtés sont entièrement dénudés, la bobine est “ toujours un aimant ” et a tendance à rester collée en direction de l'aimant permanent plutôt que de tourner.

Vous pourriez observer un léger mouvement lorsque vous branchez l'alimentation pour la première fois, mais pas une rotation continue. Si le frottement est faible et que tout est parfaitement symétrique, vous pourriez même obtenir un léger balancement d'avant en arrière. Ce n'est pas ce que l'on pourrait appeler un moteur.

Donc, en retirant toute l'isolation, le commutateur cesse d'être un commutateur. Vous perdez complètement la fonction de “ commutation ”.

Demi-nu = 180° allumé, 180° éteint

Le fil semi-dénudé résout ce problème en créant un modèle temporel simple :

• rotation d'environ 180° lorsque le courant est activé ;
• environ 180° lorsque le courant est coupé.

L'idée, comme l'expliquent plusieurs manuels et explications de laboratoire, est que le moteur utilise le courant pour s'accélérer pendant la “ bonne ” moitié du tour, puis roule en roue libre pendant la “ mauvaise ” moitié grâce à son élan, tandis que le circuit est ouvert.

Pendant le demi-tour motorisé, les forces exercées des deux côtés de la bobine la poussent dans le même sens de rotation. Une fois que la bobine a basculé à l'endroit où ces forces inverseraient leur direction et commenceraient à freiner, la partie nue s'éloigne du support, la partie isolée passe sous le support et le courant s'arrête. Sans courant, il n'y a pas de couple, donc rien ne tire la bobine en arrière. Elle continue simplement à bouger parce qu'elle est déjà en mouvement.

Au bout d'un demi-tour supplémentaire, la partie dénudée se retrouve à nouveau sous le support, le courant se rétablit et le cycle se répète.

Ainsi, “ retirer seulement la moitié de l'isolation ” signifie en réalité “ allumer le chalumeau pendant la moitié du tour, puis l'éteindre pendant l'autre moitié ”.

Pourquoi cela doit-il être le à droite moitié

Il ne suffirait pas d'enlever au hasard 180° d'isolation. La moitié nue doit être alignée avec l'orientation de la bobine où vous voulez que le courant passe.

Dans la construction habituelle, vous marquez la bobine dans un plan vertical entre les faces nord et sud des pôles. Ensuite, vous grattez la moitié supérieure d'une extrémité du fil, en laissant la moitié inférieure isolée, en veillant à ce que les deux extrémités exposent le même côté du fil par rapport à cette orientation verticale de la bobine. Les instructions données en classe et les fiches de laboratoire sont très explicites sur cette orientation, précisément parce qu'une erreur à ce niveau peut entraîner un dysfonctionnement du moteur de manière déroutante.

Si vous raclez la mauvaise moitié, vous finissez par alimenter la bobine principalement lorsque le couple serait s'opposer la direction dans laquelle vous essayez de le faire tourner. Il en résulte une forte tendance à rester immobile ou à ne rouler que lorsque vous le lancez dans une direction “ chanceuse ”.

Le commutateur semi-isolé ne concerne donc pas uniquement la quantité d'isolation retirée. Il s'agit également de phase : aligner la fenêtre de conduction avec la région angulaire où le couple a le signe souhaité.

Comparaison de différents modèles de décapage

Voici un résumé de ce qui se passe réellement pour différents choix de “ combien d'isolation avons-nous retiré ? ” dans ce type de moteur :

C'est pourquoi les bonnes fiches de laboratoire ne parlent pas seulement de “ la moitié de l'isolation ”, mais aussi de l'étendue angulaire et de l'orientation de cette section dénudée.

Pourquoi un demi-tour est-il le point idéal ?

En supposant que le lecteur soit familier avec les courbes couple-angle, il existe un moyen intéressant de visualiser pourquoi “ environ la moitié ” est intéressant.

Prenons une simple bobine rectangulaire, un tour, N = 1, aire A, dans un champ uniforme B. L'amplitude du couple électromagnétique instantané est proportionnelle à IAB sin θ, où θ est l'angle entre la normale à la bobine et le champ. Si vous laissez le courant circuler en permanence dans une direction fixe, le couple moyen sur un tour est nul, comme prévu ; la partie positive annule la partie négative.

Maintenant, découpez la forme d'onde actuelle de manière à ce qu'elle n'existe que sur 180° centrés sur les angles où sin θ a le signe que vous souhaitez, et qu'elle soit nulle ailleurs. Le couple moyen sur un tour devient différent de zéro, et la zone de couple négatif est supprimée. Ce “ fenêtrage ” du couple est exactement ce que fait le commutateur semi-isolé, mais avec un timing très grossier.

Si vous rendez la fenêtre beaucoup plus longue que 180°, vous recommencez à laisser passer le courant dans une partie de la région où le couple s'opposerait au mouvement. Si vous la rendez beaucoup plus courte, vous réduisez le couple moyen et forcez le rotor à s'appuyer fortement sur l'inertie et le faible frottement. Une fenêtre d'environ 180° est un compromis pratique pour un moteur construit à partir d'une batterie, d'un aimant et de tout fil et trombone qui se trouvaient dans le tiroir. Les notes de laboratoire qui traitent de ce sujet avec soin citent souvent “ la conduction empêchée au-delà de 180° de rotation ” comme objectif de conception.

La construction semi-isolée offre un cycle de service électrique de 50% sans nécessiter de pièces supplémentaires autres qu'un couteau ou du papier abrasif.

Le demi-tour “ mort ” n'est pas perdu

Les gens s'inquiètent parfois du fait que la moitié non alimentée du cycle soit gaspillée. Dans un moteur de laboratoire, vous ne recherchez pas l'efficacité. Vous recherchez une démonstration claire de la direction du couple et de la commutation.

Pendant le demi-tour :

• l'énergie cinétique stockée dans la bobine en rotation la fait passer à travers la zone où le couple magnétique aurait opposé une résistance au mouvement ;
• l'absence de courant signifie qu'il n'y a pas de chauffage supplémentaire de la bobine ou des contacts pendant cet intervalle ;
• mécaniquement, les balais (supports métalliques) subissent moins de courant de contact moyen, ce qui limite la combustion et la corrosion dans une construction déjà très marginale.

Plusieurs ressources pédagogiques décrivent explicitement cette phase comme un intervalle de roue libre “ une fois par tour ” pendant lequel la bobine n'attire pas l'aimant et continue simplement dans la même direction générale.

Le moteur échange donc un couple continu contre une direction stable et une plus grande simplicité.

Connexion à des commutateurs à courant continu réels et retrait partiel de l'isolation

L'astuce du fil semi-isolé est une version simplifiée de ce que font les grandes machines à courant continu équipées de commutateurs à segments de cuivre appropriés.

Dans un moteur ou un générateur à courant continu réel :

• le commutateur est constitué de nombreuses barres de cuivre, séparées par une fine couche de mica ou un isolant similaire ;
• le mica est usiné ou “ évidé ” légèrement en dessous du niveau des segments de cuivre, de sorte que les balais ne frottent que sur le cuivre, et non sur le matériau isolant ;
• La géométrie et la largeur de la brosse sont choisies de manière à ce que, lorsqu'un segment se trouve sous la brosse, la bobine d'armature associée passe d'une polarité à l'opposée.

Les guides d'entretien soulignent qu'il ne faut pas retirer tout le mica entre les segments. Il suffit de l'enfoncer d'environ un millimètre (les valeurs typiques citées sont comprises entre 1/32″ et 1/16″), juste assez pour l'empêcher de racler les balais de charbon et pour éviter que les “ arêtes ” de mica ne soulèvent les balais et ne provoquent des arcs électriques. Le mica restant maintient la structure en place et empêche les barres adjacentes de court-circuiter.

Ainsi, dans le monde industriel, “ enlèvement de l'isolation ” signifie généralement :

• enfoncer légèrement l'isolant sous le cuivre afin de contrôler le contact mécanique et les étincelles ;
• sans jamais supprimer complètement la barrière isolante entre les segments.

Dans le moteur de table, “ seule la moitié de l'isolation a été retirée ” signifie :

• maintenir l'isolation sur la moitié de la circonférence d'une extrémité de la bobine afin de contrôler le moment où le circuit se ferme.

Dans les deux cas, le principe est le même : vous retirez juste assez d'isolant pour modeler le courant dans le temps ou dans l'espace, tout en conservant suffisamment d'isolant pour préserver la séparation électrique et l'intégrité mécanique.

Pourquoi cette astuce toute simple reste importante même quand on “ connaît la théorie ”

Si vous connaissez déjà la théorie des machines à courant continu, vous pourriez être tenté de considérer le commutateur semi-isolé utilisé en classe comme un gadget. Mais il recèle discrètement plusieurs idées qui peuvent être directement appliquées à des travaux de conception sérieux.

Tout d'abord, cela montre qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un courant continu pour obtenir une rotation continue. Il faut un courant correctement synchronisé par rapport à l'angle mécanique. Tout le reste n'est que détails de fluidité et d'efficacité.

Deuxièmement, cela vous oblige à réfléchir à ce que fait le moteur lorsque le couple passe à zéro. Votre système dispose-t-il d'une inertie suffisante et d'un frottement suffisamment faible pour passer à travers la bande morte ? Si ce n'est pas le cas, vous avez besoin de plus de pôles, d'une commutation multisegment appropriée ou d'un certain type de contrôle par rétroaction.

Troisièmement, cela vous rappelle que tout commutateur, aussi sophistiqué soit-il, n'est en réalité qu'une succession répétitive de trois opérations : connexion, déconnexion, reconnexion avec polarité inversée. Le moteur scolaire réduit tout cela à un simple morceau de cuivre raclé.

Une fois que vous voyez le fil à moitié isolé de cette manière, la question initiale trouve presque toute seule sa réponse. Seule la moitié de l'isolation est retirée, car c'est l'intervention minimale qui permet encore au commutateur de remplir sa fonction : fournir du courant à la bobine exactement lorsque son couple magnétique pousse dans la direction souhaitée, et rester hors du chemin pendant le reste du tour.