Fonctionnement et Applications de Moteur à Balais

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Découvrez le moteur à courant continu à balais (le moteur à balais), sa construction, son principe de fonctionnement et ses applications, ainsi que ses avantages et ses inconvénients.
Le moteur à balais est l’un des moteurs les plus anciens et les plus simples car il met en œuvre les lois décrites ci-dessus de la manière la plus simple. Dans ce blog, nous allons apprendre le principe de fonctionnement et les applications du moteur CC à balais


Qu’est-ce qu’un moteur à balais ?

Le moteur CC à balais est l’un des types les plus simples de moteurs CC. Il utilise des balais pour fournir du courant aux enroulements du moteur par commutation mécanique.

Le nombre de bobines enroulées autour du moteur et la densité des bobines déterminent les propriétés du moteur. L’armature ou le rotor est un électro-aimant. L’aimant de champ est un aimant permanent. Ce moteur ne nécessite aucun contrôleur pour fonctionner ou faire varier la vitesse.

bobine enrouler
l’image de bobine enrouler

Que font les balais d’un moteur ?

Si vous avez vu des étincelles à travers les évents de refroidissement du moteur d’une perceuse électrique, vous avez vu les balais d’un moteur électrique au travail. L’arc se produit parce que l’électricité est conduite de la partie non tournante du moteur, ou stator, vers l’induit, qui est la partie qui tourne. Les balais sont la partie du stator d’un moteur électrique qui conduit le courant électrique vers le rotor.

Fonctionnement

Les balais sont maintenus en place par des porte-balais, qui contiennent le balai et un ressort. Le ressort presse le balai contre le collecteur avec une force suffisante pour assurer un bon contact électrique tout en évitant une force trop importante qui provoquerait une usure excessive. De nombreuses étincelles produites par un outil à main peuvent indiquer que les balais sont usés.

Fonction

Le courant alternatif inverse son sens de circulation 60 fois par seconde. Un induit directement connecté à ce courant essaierait de faire la même chose. Le collecteur est un anneau avec des segments alternativement conducteurs et isolants. Chaque segment conducteur est relié à un enroulement de l’induit. La fonction des balais est de conduire l’électricité vers les segments individuels lorsqu’ils tournent d’un balai à l’autre. Cela permet au moteur de tourner dans un sens à une vitesse déterminée par le nombre d’enroulements de l’induit.

Moteur à balais
L’image de moteur à balais

Composition

Les balais des moteurs à puissance fractionnée sont fabriqués à partir d’un mélange de carbone et de la forme graphite du carbone, appelée carbone-graphite. Pour les outils à grande vitesse comme les défonceuses, les balais sont entièrement en graphite en raison de sa faible friction. Les gros moteurs utilisent des balais constitués d’un mélange de graphite et de jusqu’à 50 % de cuivre. La composition d’un balai particulier pour un moteur dans une certaine application est déterminée par des facteurs tels que la fréquence des démarrages, la probabilité de surcharges, la durée de vie prévue du moteur et la pression contre le collecteur.

Rendement

Le pourcentage de courant perdu entre le balai et le collecteur est affecté par la qualité du contact entre les deux. Un bon ajustement entre le balai et le collecteur améliore l’efficacité. De même, un collecteur qui présente moins de frottement ou de rayures, moins de piqûres et moins de pellicules est plus efficace.

Usure

Deux types d’usure affectent les balais : mécanique et électrique. En fonctionnement normal, un film de graphite se forme entre le balai et le collecteur, ce qui réduit l’usure mécanique. Les irrégularités de la surface du collecteur et une faible humidité peuvent endommager ce film. L’usure électrique est causée par des points précis de haute tension qui produisent les étincelles que vous voyez. Chaque étincelle représente un petit creux dans un balai ou le collecteur.

Construction d’un moteur à courant continu à balais

Le moteur à balais se compose généralement d’une paire d’aimants permanents appelés stator et d’une bobine de moteur appelée rotor, reliée à un commutateur. Dans ce moteur, l’enroulement de l’induit se trouve sur le rotor et les aimants permanents sont toujours sur le stator.

Les conducteurs qui transportent le courant se trouvent toujours sur la partie tournante. En pratique, ces conducteurs sont alimentés par une source de courant continu. Ils utilisent des balais métalliques (qui tournent avec le rotor) pour transférer le courant à la bobine.  Bien que ces moteurs soient assez efficaces, ils nécessitent un entretien périodique des balais.

Principe de fonctionnement du moteur à balais

Lorsque le moteur est alimenté par une batterie ou toute autre source de courant continu, l’électricité circule de la source à l’induit par l’intermédiaire des balais qui se trouvent généralement sur les côtés opposés de l’arbre du moteur. Les balais sont la partie la plus importante de ce moteur. Ces balais transfèrent le courant électrique à l’induit par contact physique avec le collecteur.

Moteur à balais
L’image de moteur à balais

Dès que la bobine d’induit reçoit de l’énergie ou du courant, elle commence à se comporter comme un aimant. Et à ce moment-là, ses pôles commencent à repousser les pôles de l’aimant permanent qui constitue le stator. Lorsque les pôles se repoussent, l’arbre du moteur où la bobine d’induit est fixée commence à tourner avec une vitesse et un couple. La vitesse et le couple dépendent de l’intensité du champ magnétique autour de l’armature.

En général, l’intensité du champ magnétique est fonction de la tension appliquée aux balais et de la puissance de l’aimant permanent utilisé pour le stator.

Avantages du moteur à balais

🟡 Faibles coûts totaux de construction ;
🟡 Peut souvent être reconstruit pour prolonger sa durée de vie ;
🟡 Contrôleur simple et peu coûteux ;
🟡 Contrôleur n’est pas nécessaire pour une vitesse fixe ;
🟡 Idéal pour les environnements de fonctionnement extrêmes.

Limites du moteur à balais

🟢 Moins efficace
🟢 Bruit électrique : l’action de commutation des collecteurs qui créent et interrompent constamment des circuits inductifs crée un bruit électrique et électromagnétique important.
🟢 Moins durée de vie : Comme ils sont en contact physique perpétuel avec l’arbre, les balais et les collecteurs s’usent.

Applications du moteur CC à balais

🟡 Ces moteurs sont principalement utilisés dans les appareils ménagers et les automobiles.
🟡 Ces moteurs sont toujours utilisés à des fins industrielles pour des entraînements électriques de faible ou de forte puissance, à vitesse fixe ou variable.
🟡 Ils sont encore utilisés pour les machines à papier, les grues, la propulsion électrique, les machines à coudre, les outils électriques et les laminoirs à acier.


FAQ

Où utilise-t-on les moteurs à balais ?
Les moteurs à balais continuent d’être utilisés pour la propulsion électrique, les grues, les machines à papier et les laminoirs à acier. Comme les balais s’usent et doivent être remplacés, les moteurs à courant continu sans balais utilisant des dispositifs électroniques de puissance ont supplanté les moteurs à balais dans de nombreuses applications.

Pourquoi les moteurs à balais sont-ils encore utilisés ?
Les moteurs à courant continu à balais sont encore fréquemment utilisés dans les appareils ménagers et les automobiles. Ils conservent également une forte niche industrielle en raison de la possibilité de modifier le rapport couple/vitesse, une exclusivité des moteurs à balais. Grâce à sa fiabilité et à sa longévité, le moteur CC sans balais s’est étendu à de nombreuses applications.

Les moteurs à balais ont-ils plus de couple ?
La vérité, c’est que les moteurs à courant continu à balais produisent des couples de pointe élevés et peuvent fonctionner avec de simples régulateurs de vitesse pour une multitude d’applications. Ils peuvent avoir une relation couple-vitesse linéaire, ce qui facilite les contrôles.

Conclusion

Le développement du moteur électrique à courant continu a parcouru un long chemin. Que verrons-nous dans le futur si quelqu’un d peut développer cette industrie encore plus loin ? Pour l’instant, nous pouvons tous être reconnaissants que ces moteurs rendent la vie tellement plus facile. Dans cet article, on a parlé du moteur à balais et son fonctionnement. Le prix raisonnable et le dontrôleur simple et peu coûteux sont les avantages importants de ce moteur. 

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Ronix

12 décembre 2021

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