Le premier travail de Charles Proteus Steinmetz après son arrivée en Amérique a été d’étudier les problèmes rencontrés dans la conception de la version à courant alternatif du moteur à collecteur brossé. La situation était si mauvaise que les moteurs ne pouvaient pas être conçus avant la construction réelle.

Le succès ou l’échec d’une conception de moteur n’est pas connu tant qu’il n’a pas été réellement construit et testé. Il a formulé les lois de l’hystérésis magnétique pour trouver une solution. L’hystérésis est un retard de l’intensité du champ magnétique par rapport à la force magnétisante. Cela produit une perte non présente dans le magnétisme CONTINU.

Les alliages à faible hystérésis et la rupture de l’alliage en minces tôles isolées ont permis de concevoir avec précision des moteurs de commutation CA avant la construction.

Les moteurs à commutation à courant alternatif, comme les moteurs à courant continu comparables, ont un couple de démarrage et une vitesse de démarrage plus élevés que les moteurs à induction à courant alternatif.

Le moteur de série fonctionne bien au-dessus de la vitesse synchrone d’un moteur à courant alternatif conventionnel. Les moteurs à commutation CA peuvent être monophasés ou polyphasés. La version CA monophasée subit une pulsation de couple à fréquence double ligne, non présente dans le moteur polyphasé.

Comme un moteur à collecteur peut fonctionner à une vitesse beaucoup plus élevée qu’un moteur à induction, il peut produire plus de puissance qu’un moteur à induction de taille similaire. Cependant, les moteurs à collecteur ne sont pas aussi exempts d’entretien que les moteurs à induction, en raison de l’usure des brosses et des commutateurs.

Moteur série monophasé

Si un moteur série DC équipé d’un champ laminé est connecté à AC, la réactance en retard de la bobine de champ réduira considérablement le courant de champ. Alors qu’un tel moteur tourne, le fonctionnement est marginal.

Au démarrage, les enroulements d’induit connectés aux segments de collecteur court-circuités par les brosses ressemblent à des tours de transformateur court-circuités vers le champ. Il en résulte des arcs électriques et des étincelles considérables au niveau des brosses lorsque l’armature commence à tourner.

Cela pose moins de problème à mesure que la vitesse augmente, ce qui partage l’arc et l’étincelle entre les segments de commutateur. La réactance en retard et les balais d’arc ne sont tolérables que dans de très petits moteurs à courant alternatif en série non compensés fonctionnant à grande vitesse. Les moteurs à courant alternatif de série plus petits que les perceuses à main et les mélangeurs de cuisine peuvent être non compensés. (Figure ci-dessous)

Moteur à courant alternatif série non compensé

Moteur série compensé

L’arc et les étincelles sont atténués en plaçant un enroulement compensateur du stator en série avec l’armature positionnée de telle sorte que sa force magnétomotrice (mmf) annule le armature AC mmf.

Un entrefer moteur plus petit et moins de tours de champ réduisent la réactance en retard en série, l’armature améliorant le facteur de puissance. Tous les moteurs à commutation CA, sauf les très petits, utilisent des enroulements compensateurs. Les moteurs aussi grands que ceux utilisés dans un mélangeur de cuisine, ou plus grands, utilisent des enroulements de stator compensés.

Moteur à courant alternatif série compensée

Moteur universel

Il est possible de concevoir de petits moteurs universels (moins de 300 watts) fonctionnant à courant continu ou alternatif. Les très petits moteurs universels peuvent être non compensés. Les moteurs universels à plus grande vitesse utilisent un enroulement compensateur.

Un moteur fonctionnera plus lentement en courant alternatif qu’en courant continu en raison de la réactance rencontrée avec le courant alternatif. Cependant, les pics des ondes sinusoïdales saturent le chemin magnétique en réduisant le flux total en dessous de la valeur CC, augmentant la vitesse du moteur « série”.

Ainsi, les effets de compensation se traduisent par une vitesse presque constante de DC à 60 Hz. Les petits appareils fonctionnant en ligne, tels que les perceuses, les aspirateurs et les mélangeurs, nécessitant 3 000 à 10 000 tr / min utilisent des moteurs universels.

Cependant, le développement de redresseurs à semi-conducteurs et d’aimants permanents peu coûteux fait du moteur à aimant permanent à courant continu une alternative viable.

Moteur à répulsion

Un moteur à répulsion se compose d’un champ directement connecté à la tension de ligne alternative et d’une paire de brosses court-circuitées décalées de 15° à 25° par rapport à l’axe du champ. Le champ induit un flux de courant dans l’armature court-circuitée dont le champ magnétique s’oppose à celui des bobines de champ.

La vitesse peut être contrôlée en tournant les brosses par rapport à l’axe du champ. Ce moteur a une commutation supérieure en dessous de la vitesse synchrone, une commutation inférieure au-dessus de la vitesse synchrone. Le faible courant de démarrage produit un couple de démarrage élevé.

Moteur à courant alternatif à répulsion

Moteur à induction à répulsion

Lorsqu’un moteur à induction entraîne une charge de démarrage dure comme un compresseur, le couple de démarrage élevé du moteur à répulsion peut être utilisé. Les enroulements du rotor du moteur à induction sont amenés sur des segments de collecteur pour le démarrage par une paire de balais court-circuités.

À une vitesse de fonctionnement proche, un interrupteur centrifuge coupe tous les segments du collecteur, donnant l’effet d’un rotor à cage d’écureuil. Les brosses peuvent également être soulevées pour prolonger la durée de vie des brosses. Le couple de démarrage est de 300% à 600% de la valeur de la pleine vitesse par rapport à moins de 200% pour un moteur à induction pur.

Résumé: Moteurs à commutation CA

• Le moteur série monophasé est une tentative de construction d’un moteur comme un moteur à commutation CC. Le moteur résultant n’est pratique que dans les plus petites tailles.
• L’ajout d’un enroulement de compensation permet d’obtenir le moteur série compensé, surmontant les étincelles excessives du collecteur. La plupart des moteurs à commutateur CA sont de ce type. À grande vitesse, ce moteur fournit plus de puissance qu’un moteur à induction de même taille mais ne nécessite pas d’entretien.
• Il est possible de produire des moteurs de petits appareils alimentés en courant alternatif ou continu. C’est ce qu’on appelle un moteur universel.
• La ligne CA est directement reliée au stator d’un moteur à répulsion, le collecteur étant court-circuité par les balais.
• Les brosses rétractables à court-circuit peuvent déclencher un moteur à induction à rotor enroulé. C’est ce qu’on appelle un moteur à induction à démarrage par répulsion.