Moteur à courant continu à balais: conception et principe de fonctionnement

Les moteurs de collecteur sont assez courants dans la vie quotidienne et au travail. Ils sont utilisés pour entraîner divers mécanismes, outils électriques, dans les voitures. Une partie de la popularité est due au simple réglage de la vitesse du rotor, mais il existe certaines limites à leur utilisation et, bien sûr, des inconvénients. Voyons ce qu'est un moteur à courant continu à collecteur (DCM), quels sont les types de ce type de moteurs électriques et où ils sont utilisés.

Définition et appareil

Les ouvrages de référence et les encyclopédies donnent la définition suivante :

« Un moteur collecteur est un moteur électrique dans lequel le capteur de position de l'arbre et le commutateur d'enroulement sont le même appareil - le collecteur. De tels moteurs peuvent fonctionner soit uniquement en courant continu, soit en courant continu et alternatif. »

Le moteur électrique du collecteur, comme tout autre, se compose de rotor et stator. Dans ce cas, le rotor est l'ancre. Rappelons que l'armature est la partie de la machine électrique qui consomme le courant principal, et dans laquelle la force électromotrice est induite.

A quoi sert le collecteur et comment est-il agencé? Le collecteur est situé sur l'arbre (rotor), et est un ensemble de plaques espacées longitudinalement, isolées de l'arbre et les unes des autres. On les appelle des lattes. Les prises des sections d'enroulement d'induit sont connectées aux lamelles (vous pouvez voir le dispositif d'enroulement d'induit du KDPT sur groupe de figures ci-dessous), ou plutôt chacune d'elles est reliée à la fin de la section précédente et au début de la section suivante enroulements.

Le courant est fourni aux enroulements par les balais. Les brosses forment un contact glissant et, lors de la rotation de l'arbre, entrent en contact avec l'une ou l'autre lamelle. Ainsi, les enroulements d'induit sont commutés, pour cela un collecteur est nécessaire.

L'ensemble de balais se compose d'un support avec des porte-balais et des balais en graphite ou en métal-graphite y sont installés directement. Pour assurer un bon contact, les balais sont pressés contre le collecteur par des ressorts.

Des aimants permanents ou des électro-aimants (enroulement de champ) sont installés sur le stator, qui créent un champ magnétique du stator. Dans la littérature sur les machines électriques, au lieu du mot « stator », les termes « système magnétique » ou « inducteur » sont souvent utilisés. La figure ci-dessous montre la conception du DCT dans différentes projections. Voyons maintenant comment fonctionne un moteur à courant continu à balais !

Principe de fonctionnement

Lorsque le courant traverse l'enroulement d'induit, un champ magnétique apparaît, dont la direction peut être déterminée à l'aide de règles de vrille. Le champ magnétique constant du stator interagit avec le champ de l'armature et il commence à tourner du fait que les pôles du même nom sont repoussés et attirés par les pôles opposés. Ce qui est parfaitement illustré dans la figure ci-dessous.

Lorsque les brosses se déplacent vers d'autres lamelles, le courant commence à circuler dans la direction opposée (si l'on considère l'exemple ci-dessus), les pôles magnétiques changent de place et le processus se répète.

Dans les machines à collecteur modernes, une conception à deux pôles n'est pas utilisée en raison d'une rotation inégale; au moment de changer le sens du courant, les forces agissant sur l'armature seront minimes. Et si vous allumez le moteur dont l'arbre s'est arrêté dans cette position "transitoire", il risque de ne plus se mettre à tourner du tout. Par conséquent, il y a beaucoup plus de pôles et de sections sur le collecteur d'un moteur à courant continu moderne. enroulements posés dans les rainures du noyau stratifié, obtenant ainsi une douceur de mouvement et un couple optimaux sur l'arbre.

Le principe de fonctionnement du moteur collecteur en langage simple pour les nuls est divulgué dans la vidéo suivante, nous vous recommandons fortement de vous familiariser.

Types de KDPT et schémas de connexion des enroulements

Selon la méthode d'excitation, les moteurs à courant continu à collecteur se distinguent de deux types:

1. A aimants permanents (moteurs de faible puissance d'une puissance de dizaines et centaines de watts).
2. Avec des électro-aimants (machines puissantes, par exemple, sur des mécanismes de levage et des machines-outils).

Il existe de tels types de KDPT selon la méthode de connexion des enroulements:

• Excitation séquentielle (dans l'ancienne littérature russe et chez les anciens électriciens, vous pouvez entendre le nom "Serial", de l'anglais. En série). Ici, l'enroulement de champ est connecté en série avec l'enroulement d'induit. Un couple de démarrage élevé est l'avantage d'un tel schéma, et son inconvénient est une baisse de vitesse avec une augmentation de la charge sur l'arbre (caractéristique mécanique douce), et le fait que le moteur est en train de colporter (augmentation incontrôlée de la vitesse avec endommagement ultérieur des paliers de support et de l'armature) s'ils tournent au ralenti ou avec une charge sur l'arbre dans moins de 20-30% de nominal.
• Parallèle (également appelé "shunt"). En conséquence, l'enroulement de champ est connecté en parallèle avec l'enroulement d'induit. À bas régime sur l'arbre, le couple est élevé et stable sur une plage de régimes relativement large, et avec l'augmentation du régime, il diminue. L'avantage est des révolutions stables dans une large plage de charge sur l'arbre (limitée par sa puissance), et l'inconvénient est que si le circuit d'excitation est cassé, il peut se détraquer.
• Intoxiqué. Les enroulements de champ et les armatures sont alimentés par différentes sources. Cette solution vous permet de contrôler plus précisément la vitesse de l'arbre. Les caractéristiques du travail sont similaires à celles du DCT avec excitation parallèle.
• Mixte. Une partie de l'enroulement de champ est connectée en parallèle et une partie en série avec l'armature. Combinez les avantages des types série et parallèle.

Vous pouvez voir la désignation graphique conventionnelle dans le diagramme ci-dessous.

Dans la littérature étrangère et nationale moderne, ainsi que sur les diagrammes, vous pouvez trouver une autre représentation de l'UGO pour KDPT, comme le montre la figure précédente sous la forme d'un cercle avec deux carrés, où le cercle désigne une ancre et deux carrés - brosses.

Schéma de connexion et inverse

Le schéma de connexion des enroulements du stator et du rotor est déterminé lors de la fabrication et, selon l'endroit où un moteur particulier est utilisé, une solution appropriée doit être choisie. Dans certains modes de fonctionnement (mode freinage par exemple), les circuits de commutation des enroulements peuvent être modifiés ou des éléments supplémentaires introduits.

Comprend des moteurs à balais CC de faible puissance utilisant: des commutateurs à semi-conducteur (transistors), interrupteurs ou boutons à bascule, microcircuits de commande spécialisés ou utilisant une faible puissance relais. Les grandes machines puissantes sont connectées au secteur DC via deux pôles contacteurs.

Ci-dessous, vous voyez un circuit réversible pour connecter un moteur à courant continu à un réseau 220V. En pratique, en production, le circuit sera similaire, mais il n'y aura pas de pont de diodes, car tout les lignes pour connecter ces moteurs sont posées à partir de sous-stations de traction, où le courant alternatif se redresse.

L'inverse s'effectue en changeant la polarité sur l'enroulement inducteur ou sur l'armature. Il est impossible de changer la polarité à la fois là et là, car le sens de rotation de l'arbre ne changera pas, comme c'est le cas avec les moteurs à collecteur universel lorsqu'ils fonctionnent en courant alternatif.

Pour démarrer le moteur en douceur, un dispositif de réglage est introduit dans le circuit d'alimentation de l'enroulement d'induit ou de l'enroulement d'induit et de l'enroulement d'excitation (selon le circuit de leur connexion), par exemple, un rhéostat, la vitesse de l'arbre est également régulée de la même manière, mais au lieu d'un rhéostat, un ensemble de résistances constantes est plus souvent utilisé, connecté à l'aide d'un ensemble contacteurs.

Dans les applications modernes, la vitesse est modifiée à l'aide de la modulation de largeur d'impulsion (PWM) et clé semi-conductrice, c'est exactement comme cela que cela se fait dans un outil électrique sans fil (tournevis, par exemple). L'efficacité de cette méthode est beaucoup plus élevée.

Champ d'application

Les moteurs à collecteur DC sont utilisés partout à la fois dans la vie quotidienne et dans les dispositifs et mécanismes industriels, considérons brièvement leur domaine d'application :

• Dans les voitures, les DCT collecteurs 12V et 24V sont utilisés pour entraîner les balais d'essuie-glace (essuie-glaces), dans les lève-vitres, pour démarrer moteur (le démarreur est un moteur à courant continu à balais d'excitation série ou mixte) et les entraînements d'autres destination.
• Dans les mécanismes de levage (grues, ascenseurs, etc.), on utilise des KDPT qui fonctionnent sur un réseau à courant continu avec une tension de 220V ou toute autre tension disponible.
• Dans les jouets pour enfants et les modèles radiocommandés de faible puissance, des KDPT avec un rotor tripolaire et des aimants permanents sur le stator sont utilisés.
• Dans un outil électrique sans fil à main - une variété de perceuses, meuleuses, tournevis électriques, etc.

Notez que des moteurs électriques sans balais ne sont pas installés dans des outils électriques modernes et coûteux.

Avantages et inconvénients

Analysons les avantages et les inconvénients d'un moteur à courant continu à balais. Avantages :

1. Le rapport des dimensions à la puissance (poids et dimensions).
2. Facile à régler la vitesse et à mettre en œuvre un démarrage en douceur.
3. Couple de démarrage.

Les inconvénients du KDPT sont les suivants :

1. Usure des pinceaux. Les moteurs très chargés qui fonctionnent régulièrement nécessitent une inspection régulière, le remplacement des balais et l'entretien de l'ensemble collecteur.
2. Le collecteur s'use à cause du frottement des balais.
3. L'arc des balais est possible, ce qui limite l'utilisation dans des endroits dangereux (alors le KDPT antidéflagrant est utilisé).
4. En raison de la commutation constante des enroulements, ce type de moteur à courant continu introduit du bruit et de la distorsion dans les circuits d'alimentation. ou le réseau électrique, ce qui entraîne des dysfonctionnements et des problèmes de fonctionnement d'autres éléments du circuit (particulièrement important pour l'électronique régimes).
5. Dans les moteurs à courant continu à aimants permanents, les forces magnétiques s'affaiblissent avec le temps (démagnétisées) et le rendement du moteur diminue.

Nous avons donc examiné ce qu'est un moteur à courant continu à collecteur, comment il fonctionne et quel est son principe de fonctionnement. Si vous avez des questions, posez-les dans les commentaires sous l'article !

Matériaux associés :

• Qu'est-ce que l'anode et la cathode
• Comment fonctionne un démarreur magnétique
• Comment baisser la tension dans le réseau
• Qu'est-ce qu'un moteur à induction