Les moteurs CC à balais traditionnels (couramment utilisés dans les jouets électriques et les ventilateurs) reposent sur le contact glissant mécanique entre des balais fixes (généralement en carbone) et un collecteur rotatif. Cela commute automatiquement la direction du courant dans les bobines du rotor pendant la rotation, générant un couple électromagnétique continu.
Le stator est la partie fixe. Dans un moteur CC simple, il se compose d'aimants permanents situés de chaque côté du boîtier (pôle N/rouge à gauche, pôle S/bleu à droite), produisant un champ magnétique horizontal de gauche à droite.
Le rotor est l'ensemble rotatif au centre, enveloppé de bobinages en fil de cuivre. Lorsqu'elles sont sous tension, ces bobines agissent comme un électroaimant. Leurs pôles magnétiques interagissent avec les aimants du stator ("les pôles semblables se repoussent, les pôles opposés s'attirent"), ce qui fait tourner le rotor.
Deux segments semi-circulaires du collecteur en cuivre sur l'arbre se connectent aux extrémités des bobines. Deux balais fixes en carbone de chaque côté se connectent à la source d'alimentation CC. Lorsque le rotor tourne, les segments du collecteur entrent en contact alternativement avec les balais, inversant automatiquement le sens du courant de la bobine lors du passage au point mort vertical afin de maintenir une rotation continue !
Dans ce modèle interactif, le côté gauche affiche la section physique du moteur CC à balais, et le côté droit montre son circuit de connexion. Lorsque le moteur est connecté à l'alimentation CC, le courant circule à travers les balais fixes dans les bobines du rotor, créant un couple électromagnétique. Le rotor tourne sous l'effet de l'attraction magnétique. Chaque fois que le rotor tourne de 180° et dépasse la ligne centrale, les espaces entre les segments du collecteur traversent les balais, inversant la polarité du courant circulant dans les bobines. Cela garantit que la direction du couple reste cohérente tout au long de la rotation.
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| Étape | Angle du rotor | Contact balai (+) | Contact balai (-) | Couple électromagnétique | Courant de bobine |
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Le collecteur est un ensemble de segments de contact en cuivre (deux segments dans ce modèle simplifié) montés sur l'arbre du rotor, tournant avec lui. Les balais sont des blocs de carbone fixes maintenus contre le collecteur par des ressorts. Lorsque le rotor tourne, les balais entrent en contact avec différents segments à tour de rôle. Étant donné qu'un balai est positif et l'autre négatif, le sens du courant à travers les bobinages s'inversent mécaniquement chaque fois que le rotor passe par le point médian vertical. Cela garantit que les pôles magnétiques du rotor repoussent et attirent toujours les aimants du stator de manière à générer un couple horaire continu.
C'est le plus grand avantage des moteurs CC à balais ! La commutation est gérée entièrement mécaniquement par l'interface balai-collecteur agissant comme un commutateur physique. Le simple fait d'appliquer une tension CC aux bornes fait tourner le moteur en continu. Il ne nécessite aucun microcontrôleur (MCU), puce de commande (MOSFET) ou algorithme de détection de position du rotor, ce qui rend le système extrêmement simple et bon marché.
Il y a trois inconvénients majeurs :
• Usure des balais et durée de vie courte : Le frottement de glissement constant entre les balais et le collecteur use les balais de carbone au fil du temps, nécessitant un entretien ou un remplacement régulier.
• Arcs électriques et interférences électromagnétiques (EMI) : Lors de la commutation des contacts des balais, un arc électrique se produit en raison de l'inductance de la bobine. Cela crée de minuscules étincelles (inadaptées aux environnements explosifs) et génère un bruit électrique important qui interfère avec l'électronique à proximité.
• Mauvaise dissipation thermique et efficacité : Les bobinages générant de la chaleur se trouvent sur le rotor rotatif, ce qui rend difficile le transfert direct de la chaleur vers le boîtier extérieur, limitant ainsi la densité de puissance du moteur.
Le principe fondamental est identique. Cependant, pour éviter que le moteur ne se bloque au point mort vertical de 90° (où il ne peut pas démarrer à l'arrêt), les moteurs de jouets réels utilisent généralement un rotor à 3 pôles (trois dents de fer et trois segments de collecteur). Cette conception garantit qu'au moins deux phases sont toujours alimentées à n'importe quel angle, permettant au moteur de démarrer de manière fiable à partir de n'importe quelle position statique et de fonctionner avec un couple plus régulier et uniforme.