commutation

La commutation est la commutation mécanique des connexions électriques dans une machine tournante, le plus souvent un moteur ou une génératrice à courant continu, qui inverse le sens du courant dans l'enroulement de l'induit au moment précis. Cette synchronisation entre les conducteurs rotatifs et les aimants de champ stationnaires permet à la machine de convertir l'énergie électrique en un mouvement de rotation continu, ou la rotation mécanique en une sortie électrique. Sans commutation, un moteur à courant continu calerait lorsque l'induit tournerait au-delà du plan neutre où la bobine changerait naturellement de polarité.

Le collecteur lui-même est un anneau fendu en laiton ou en cuivre, divisé en segments, monté sur l'arbre du moteur. Chaque segment est connecté à une extrémité d'une bobine d'induit. Des balais en carbone, maintenus contre cet anneau rotatif par des ressorts, établissent un contact électrique glissant et acheminent le courant vers et depuis chaque segment à tour de rôle. Lorsque l'induit tourne, différents segments passent sous les balais en séquence, ce qui provoque l'inversion du courant dans chaque bobine au moment où cette bobine est sur le point de sortir du champ magnétique actif et d'entrer dans la zone neutre. Le nombre de segments correspond généralement au nombre de bobines; une machine à quatre pôles avec plusieurs bobines peut avoir huit ou seize lames de collecteur.

Une mauvaise commutation crée de sérieux problèmes. L'amorçage se produit lorsque les balais perdent le contact avec un segment de collecteur alors que le courant circule toujours dans une bobine, provoquant des étincelles, du bruit et l'érosion des surfaces des balais et des lames. Le rebondissement des balais, où les vibrations ou les collecteurs usés permettent aux balais de se soulever momentanément, génère les mêmes dommages d'amorçage. Le cogging, une ondulation de couple inégale ressentie lorsque le rotor tourne, résulte d'un décalage de la synchronisation de la commutation avec le champ magnétique, généralement dû à l'usure des balais ou à une surface de collecteur usée qui a perdu sa forme circulaire. Les moteurs industriels fonctionnant à grande vitesse ou sous forte charge montrent des problèmes de commutation plus rapidement.

Maintenance et variantes

L'entretien du collecteur est un travail préventif. Une inspection régulière recherche une surface lisse, polie, gris foncé ou marron; un collecteur piqué, rayé ou avec des plats tombera en panne. Le remplacement des balais est routinier: les balais usés perdent leur pression de contact et permettent à l'amorçage de commencer. Certaines machines utilisent une qualité de carbone compacté pour un service à grande vitesse; d'autres utilisent des balais plus souples pour des vitesses plus faibles afin de réduire le frottement et l'usure. Les porte-balais de type à pression avec réglages individuels de la tension des ressorts permettent un réglage fin sur les équipements de précision.

Le terme vient du latin commutare, échanger ou changer. Dans les machines à courant alternatif et les variateurs à semi-conducteurs, la commutation électronique via des semi-conducteurs de puissance a entièrement remplacé les collecteurs mécaniques, éliminant l'usure des balais et l'amorçage, mais nécessitant des circuits de commande. Cependant, la commutation mécanique reste standard dans les moteurs universels, les moteurs à courant continu de loisir et de nombreuses machines de démarrage et auxiliaires industrielles où la simplicité et le coût importent plus que la charge de maintenance.