Le moteur universel est un type de moteur électrique qui peut fonctionner à la fois avec du courant continu et du courant alternatif monophasé, c'est pourquoi ils sont appelés universels.
Ces dispositifs électromécaniques sont utilisés dans une variété d’applications, des appareils électroménagers aux outils électriques. Leur polyvalence et leur efficacité en font un choix populaire dans de nombreux secteurs.
En général, ce sont des moteurs très simples et économiques qui offrent un excellent couple de démarrage et peuvent atteindre des vitesses de rotation très élevées.
Qu'est-ce qu'un moteur universel ?
Un moteur universel est un type de moteur électrique conçu pour fonctionner à la fois en courant continu (CC) et en courant alternatif (CA). Sa construction et son principe de fonctionnement sont similaires à ceux d'un moteur à courant continu excité en série, ce qui lui permet de s'adapter aux deux types de courant sans nécessiter de modifications.
Le moteur universel se compose d'un stator avec des enroulements de champ et d'un rotor avec un collecteur et des balais. Lorsqu'un courant est appliqué, un champ magnétique est généré dans le stator qui interagit avec le rotor, produisant le mouvement de rotation.
Sa conception lui permet d'atteindre des vitesses élevées, voire supérieures à d'autres types de moteurs électriques de taille similaire.
Pièces d'un moteur universel
- Rotor : Le rotor est la partie rotative du moteur et est également connu sous le nom d'armature. Il est composé d'un axe et d'un ensemble de bobines ou d'enroulements de fils enroulés autour de l'axe. Le rotor est la partie mobile du moteur qui tourne lorsque l'énergie électrique est appliquée.
- Stator : Le stator (ou inducteur) est la partie fixe du moteur et entoure le rotor. Il contient des aimants permanents ou des enroulements de fils qui génèrent un champ magnétique lorsque l'énergie électrique est appliquée. Ce champ magnétique interagit avec le champ magnétique du rotor, provoquant la rotation de celui-ci.
- Commutateur : Le commutateur est un interrupteur rotatif monté sur le rotor qui inverse le sens du courant électrique dans les bobines du rotor pendant sa rotation. Cela garantit que le rotor est toujours orienté dans la bonne direction et continue de tourner.
- Balais : Les balais sont de petits morceaux de matériau conducteur, généralement du carbone, qui sont en contact avec le collecteur. Les balais permettent au courant de circuler de l'alimentation électrique vers le rotor via le commutateur, qui génère le mouvement rotatif.
- Boîtier : Le boîtier sert à maintenir les pièces qui composent le stator. On utilise généralement de l'aluminium ou de l'acier pour sa fabrication.
Fonctionnement basique d'un moteur universel
Lorsqu'une alimentation électrique est appliquée, le courant circule à travers les balais, qui entrent en contact avec le commutateur. De là, le courant est distribué aux bobines du rotor, générant un champ magnétique autour d’elles.
Ce champ magnétique interagit avec le champ magnétique du stator, provoquant une force sur le rotor, selon la loi de Lorentz, qui décrit comment un conducteur transportant du courant dans un champ magnétique subit une force qui le pousse à se déplacer.
Pour maintenir la rotation, le commutateur inverse constamment le sens du courant dans les bobines du rotor pendant sa rotation. Cela garantit que l’attraction et la répulsion magnétiques entre le rotor et le stator restent dans la même direction, permettant un mouvement continu.
Grâce à ce mécanisme, le moteur universel peut fonctionner en courant alternatif ou continu sans nécessiter de modifications de sa structure, atteignant des vitesses de fonctionnement élevées et des performances polyvalentes dans diverses applications.
Schéma moteur universel
Le schéma moteur universel est le suivant :
Caractéristiques principales
Les moteurs universels présentent plusieurs caractéristiques qui les distinguent dans diverses applications :
Grande vitesse
Les moteurs universels sont connus pour leur vitesse de rotation élevée, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant des vitesses rapides, telles que les outils électriques et les appareils électroménagers.
La vitesse est directement proportionnelle au courant, si le sens du courant est inversé, le sens de rotation est inversé.
Contrairement aux moteurs asynchrones, le rotor du moteur universel tourne à la même vitesse que le champ magnétique du stator.
Couple élevé
Ces moteurs peuvent également générer un couple de démarrage très élevé, ce qui les rend idéaux pour démarrer des charges lourdes, telles que celles que l'on trouve dans les aspirateurs ou les perceuses.
Efficacité variable
L'efficacité d'un moteur universel peut varier en fonction de la charge et de la vitesse. À faibles charges, ils peuvent être assez efficaces, mais leur efficacité peut diminuer à fortes charges.
Ce type de moteur n'est pas conçu pour être utilisé sur de longues périodes.
Compatibilité avec le courant alternatif (AC) et le courant continu (DC)
La capacité de fonctionner sur les deux types de courant électrique les rend polyvalents et adaptés à une variété d'applications et d'environnements.
En courant alternatif, il se comporte de manière similaire à un moteur série à courant continu et la puissance est inférieure à celle d'un moteur série à courant continu.
Simplicité
Le circuit électrique est très simple, il n'a qu'un seul chemin pour le passage du courant, car le circuit est connecté en série.
Types de moteurs universels
Bien que tous les moteurs universels partagent des caractéristiques fondamentales, il existe différents types en fonction de leur conception et de leurs applications spécifiques.
Certains des types les plus courants incluent :
Série de moteurs universels
Ces moteurs ont une conception en série dans laquelle le rotor et le stator sont connectés en série. Ils conviennent aux applications nécessitant un couple élevé et des vitesses variables, comme les outils électriques.
Moteurs composés universels
Les moteurs composés combinent des éléments de moteurs série et de moteurs shunt. Ils présentent un bon équilibre entre vitesse et couple et sont utilisés dans des applications telles que les ventilateurs et les machines à coudre.
Moteurs shunt universels
Ces moteurs ont le rotor et le stator connectés en parallèle (en shunt). Ils sont idéaux pour les applications qui nécessitent des vitesses constantes, telles que les ventilateurs de plafond et les mélangeurs.
Moteurs à commutateur électronique universel
Certains moteurs universels modernes utilisent des interrupteurs électroniques plutôt que mécaniques pour inverser le sens du courant. Cela améliore l’efficacité et réduit l’usure des pièces mécaniques.
Exemples d'application
L'utilisation de ces moteurs à courant alternatif est très répandue en raison du couple de démarrage plus élevé par rapport aux moteurs à induction et de leur vitesse de rotation élevée, ce qui permet de réduire leur taille et leur prix.
Le moteur universel est sans aucun doute le moteur électrique le plus utilisé dans l’industrie des appareils électroménagers et des outils portables. Il est également utilisé dans d’autres applications où une vitesse de rotation élevée est requise avec de faibles charges ou de petites forces de résistance.
Exemples de la vie quotidienne
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Appareils électroménagers : Ils sont utilisés dans les aspirateurs, les mixeurs, les sèche-cheveux et les ventilateurs de plafond en raison de leur capacité à fournir des vitesses variables et un couple élevé.
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Outils électriques : les perceuses, les scies circulaires et les meuleuses d’angle sont des exemples d’outils qui intègrent souvent des moteurs universels en raison de leur capacité à gérer des charges variables.
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Appareils de cuisine : les batteurs à main et les mixeurs utilisent des moteurs universels pour mélanger et mixer les aliments en toute simplicité.
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Ventilateurs de plafond : les moteurs shunt universels sont idéaux pour ces appareils car ils peuvent maintenir une vitesse constante.
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Machines à coudre : les machines à coudre électriques utilisent souvent des moteurs universels en raison de leur capacité à fournir une vitesse et un contrôle précis.
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Outils portables : Certains outils portables tels que les scies sabres et les ponceuses utilisent également des moteurs universels.