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Un moteur à courant continu peut convertir de manière stable le courant continu en énergie mécanique de rotation, principalement en s'attaquant au problème du champ magnétique unidirectionnel généré par le courant continu grâce à une conception structurelle spécifique. Il repose sur un commutateur pour maintenir la direction constante de la force (受力) du rotor. Son fonctionnement implique trois composants principaux : le stator, le rotor et le commutateur, ainsi que deux processus clés : l'action de la force électromagnétique directionnelle et la commutation mécanique. Le principe spécifique se décompose en trois parties :
1. Composantes principales : Élaboration du « cadre structurel » de la force directionnelle
La conception structurelle d'un moteur à courant continu est centrée sur la nécessité d'une « rotation continue », chacun des trois composants servant un objectif distinct :
- StatorPartie fixe du moteur, elle se compose principalement de pôles magnétiques principaux, d'un châssis et de balais. Les pôles magnétiques principaux sont généralement bobinés avec des enroulements de champ ; lorsqu'ils sont traversés par un courant continu, un champ magnétique constant (avec des pôles N et S alternés) est généré, créant un environnement propice à la force exercée sur le rotor. Les balais sont fixés au châssis : une extrémité est connectée à une alimentation CC externe, et l'autre extrémité est en contact avec le collecteur du rotor, chargé de transmettre le courant à ce dernier.
- Rotor (induit)Situé dans le champ magnétique du stator, il peut tourner autour de l'arbre du moteur et est composé d'un noyau d'induit et de ses enroulements. Le noyau d'induit est constitué d'un empilement de tôles d'acier au silicium afin de réduire les pertes par courants de Foucault. Les enroulements d'induit sont enroulés dans les encoches du noyau selon un motif spécifique et servent de composant central pour générer la force électromagnétique par interaction entre le courant et le champ magnétique.
- CommutateurInnovation clé des moteurs à courant continu, il est fixé sur l'arbre du rotor et relié aux deux extrémités des enroulements d'induit. Il est composé de plusieurs segments de cuivre isolés (leur nombre correspond au nombre de spires des enroulements d'induit). Agissant comme un convertisseur de sens de courant, il modifie en temps réel le sens du courant dans les enroulements d'induit par contact glissant avec les balais.
2. Mécanisme de fonctionnement : la « logique de base » pour obtenir une rotation continue
La rotation d'un moteur à courant continu dépend de la synergie entre la « génération de force électromagnétique » et le « réglage du commutateur », le processus spécifique étant divisé en deux étapes :
- Génération directionnelle de force électromagnétiqueLorsqu'un courant continu externe circule dans le collecteur via les balais, puis dans les enroulements d'induit, les conducteurs de ces enroulements, situés dans le champ magnétique constant du stator, subissent une force électromagnétique conformément à la règle de la main gauche de Fleming. Par exemple, les conducteurs situés sous le pôle N du stator subissent une force vers la droite, tandis que ceux situés sous le pôle S subissent une force vers la gauche. Ces forces forment collectivement un couple électromagnétique qui entraîne le rotor en rotation dans le sens horaire.
- Fonction de commutation du commutateurLorsque le rotor tourne jusqu'au point où les conducteurs des enroulements d'induit croisent l'axe des pôles magnétiques du stator, si le sens du courant reste inchangé, le sens du champ magnétique agissant sur les conducteurs s'inverse, inversant ainsi le sens de la force électromagnétique et empêchant le rotor de tourner en continu. À ce moment, le commutateur tourne en synchronisme avec le rotor. Grâce à la commutation des contacts entre les segments de cuivre et les balais, il inverse précisément le sens du courant dans le conducteur (le courant entrant initialement sort maintenant), maintenant ainsi le même sens de la force électromagnétique (entraînant toujours la rotation du rotor dans le sens horaire). Ce cycle se répète : à chaque rotation de 180° du rotor, le commutateur ajuste le sens du courant, garantissant ainsi que le rotor reçoive toujours un couple électromagnétique dans le même sens et permettant une rotation continue.
3. Importance pratique du principe : Détermination des performances et des applications des moteurs à courant continu
Ce principe fondamental confère aux moteurs à courant continu des avantages uniques : en ajustant la tension d'induit ou le courant de champ, une régulation de vitesse fluide (par exemple, une variation continue de la vitesse) est facilement obtenue. De plus, leur couple de démarrage élevé leur permet de démarrer des équipements à forte charge. Par conséquent, les moteurs à courant continu sont largement utilisés dans les applications exigeant une grande précision de régulation de vitesse, telles que les entraînements de broche pour machines-outils et ascenseurs dans le secteur industriel, les systèmes d'entraînement pour véhicules électriques traditionnels dans le secteur des transports, ainsi que les outils électriques et les moteurs de tapis roulants dans les appareils électroménagers. Cependant, en raison du frottement mécanique entre le collecteur et les balais, les moteurs à courant continu présentent des coûts de maintenance relativement plus élevés et une durée de vie plus courte que les moteurs à courant alternatif. Cela a également favorisé le développement des moteurs à courant continu sans balais (qui utilisent la commutation électronique plutôt que mécanique).
