Les moteurs AC à balais (communément appelés moteurs universels monophasés) sont largement utilisés dans les appareils électroménagers à grande vitesse tels que les aspirateurs et les sèche-cheveux. Leurs enroulements de stator et de rotor sont connectés en série. Même lorsqu'ils sont alimentés par un courant alternatif (AC) qui inverse constamment de direction, les pôles magnétiques du stator et du rotor changent de polarité simultanément, maintenant ainsi une direction constante du couple de rotation.
Contrairement aux aimants permanents des moteurs DC à balais, le stator d'un moteur AC à balais se compose d'un ensemble de bobines électromagnétiques. Lorsque le courant alternatif est appliqué, la polarité (pôles N/S) de l'électroaimant du stator alterne avec la direction de l'AC.
La structure « d'enroulement série (excitation série) » du moteur signifie que le courant sortant de la source d'alimentation AC traverse d'abord les bobines électromagnétiques du stator, puis les balais de carbone et les segments du collecteur dans les bobines du rotor, et retourne enfin à l'alimentation. Cela signifie que les courants traversant le stator et le rotor changent en synchronisation parfaite.
Lorsque l'AC passe de positif à négatif, le champ magnétique du stator s'inverse (par exemple, le côté gauche passe de N à S). À ce même instant, le courant traversant les bobines du rotor s'inverse également, provoquant le changement de polarité des pôles magnétiques du rotor en synchronisation ! Selon les lois de l'attraction magnétique, puisque les deux pôles magnétiques s'inversent en même temps, les directions de répulsion et d'attraction ne changent pas, et le moteur continue de tourner dans sa direction d'origine !
Dans cette démonstration interactive, vous pouvez voir l'état physique d'un moteur universel entraîné par un courant alternatif monophasé (AC 220V). Pendant les demi-cycles positif et négatif de l'AC sinusoïdal, la direction du champ magnétique du stator et la polarité de l'enroulement du rotor basculent ensemble. Cela maintient le couple de rotation net pointant dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui, combiné avec la commutation segmentée du collecteur, permet au moteur de tourner en douceur et à grande vitesse sous alimentation AC.
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| Étape | Statut du demi-cycle AC | Polarité du stator (Gauche/Droite) | Seg. de contact du balai (+) | Seg. de contact du balai (-) | Statut du couple électromagnétique |
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Le stator d'un moteur DC à balais est un aimant permanent dont la direction du champ magnétique est fixe. S'il est connecté à une alimentation AC, lorsque le courant s'inverse, la direction du champ magnétique du stator reste inchangée, mais le courant entrant dans la bobine du rotor s'inverse, provoquant également l'inversion du couple électromagnétique. En conséquence, le moteur ne fera qu'osciller ou vibrer violemment d'avant en arrière dans le champ magnétique alternatif de 50 Hz, ne parvenant pas à tourner dans une direction. En revanche, comme le stator et le rotor d'un moteur universel sont connectés en série, leurs polarités s'inversent en synchronisation (« deux négatifs font un positif »), permettant au moteur de tourner en douceur dans une seule direction.
Un moteur universel (également connu sous le nom de moteur en série) est ainsi nommé parce qu'il peut fonctionner sur une alimentation AC monophasée ou DC. Parce que son couple de fonctionnement ne dépend que du produit des directions du courant du stator et du rotor, l'application de courant DC ou AC génère un couple d'entraînement dans la même direction. Il offre des vitesses de rotation extrêmement élevées, un réglage facile de la vitesse via la régulation de tension et est très rentable.
Ils sont largement utilisés dans les appareils électroménagers et les outils électriques qui nécessitent des vitesses ultra-élevées et un couple fort pendant des durées relativement courtes. Les exemples incluent :
• Aspirateurs : Des vitesses élevées sont requises pour générer une aspiration à pression négative (généralement 20 000 à 40 000 tr/min).
• Sèche-cheveux : Des turbines à grande vitesse sont nécessaires pour fournir un volume d'air élevé.
• Perceuses manuelles et meuleuses d'angle : Fournissent une puissance portable et à couple élevé pour couper le métal et le bois.
• Mélangeurs et robots culinaires : Des vitesses élevées sont nécessaires pour broyer les fibres alimentaires.
Il existe deux sources principales de bruit :
• Frottement des balais à haute fréquence : Les balais de carbone et les segments du collecteur créent des bruits de frottement physique intenses et de minuscules arcs électriques tout en tournant à des dizaines de milliers de tr/min.
• Sifflement du flux d'air à grande vitesse : Les vitesses de fonctionnement de dizaines de milliers de tr/min sont bien supérieures à celles des moteurs à induction standard (généralement max 3 000 tr/min). Les pales du ventilateur ou le noyau du rotor traversant l'air à de telles vitesses génèrent d'importants bruits de frottement de l'air et des sifflements. C'est également pourquoi les sèche-cheveux et les aspirateurs haut de gamme adoptent des « moteurs DC sans balais (BLDC) à grande vitesse » pour un fonctionnement plus silencieux.