¿Cuál es la diferencia entre armadura y conmutador?
Si desmontas una máquina de corriente continua con escobillas hasta dejar solo las pocas piezas que realmente determinan si funciona o si solo echa humo, el inducido y el conmutador Se encuentra justo en el centro. La armadura es donde se produce la conversión de energía en el campo magnético. El conmutador es el rudimentario mecanismo mecánico que hace que las matemáticas sigan fingiendo que todo es corriente continua. El mismo eje, funciones muy diferentes.
Índice
Un modelo mental rápido
Piensa en la armadura como el región de la máquina que interactúa con el flujo y transporta conductores, mientras que el conmutador es solo el interfaz que intercambia periódicamente los conductores con los que se está comunicando. El inducido le proporciona una fuerza electromotriz inducida y un par motor. El conmutador le proporciona una tensión terminal unidireccional y corrientes de escobilla utilizables al cortar y reorganizar ese desorden.
La mayoría de las hojas de datos confunden esto al decir casualmente “armadura” cuando en realidad se refieren al conjunto del “rotor”: núcleo, ranuras, bobinados, eje y, sí, el conmutador situado en un extremo. En sentido estricto, el conmutador está unido geométricamente a la armadura, pero conceptualmente es independiente.
Dónde se encuentra cada uno en el camino energético
Si ya conoces la historia del libro de texto, sabes cómo va la cadena:
Potencia mecánica del eje → conductores del inducido que se mueven en el campo → fuerza electromotriz alterna inducida en las bobinas → conmutador y escobillas → corriente continua en los terminales o corriente continua en los devanados, dependiendo del generador o del motor.
El inducido se encuentra en el segundo paso de esa frase. Es la pila de hierro giratoria y sus conductores incrustados, que cortan el flujo y producen (o consumen) energía eléctrica. El conmutador se encuentra en el cuarto paso. No genera energía. Edita la forma en que los voltajes y corrientes de las bobinas individuales se conectan al mundo exterior para que el circuito externo vea una polaridad casi constante.
Por lo tanto, la diferencia no es que “uno sea mecánico y el otro eléctrico”. Ambos son electromecánicos. La diferencia es que el inducido participa directamente en la inducción electromagnética, mientras que el conmutador solo participa en el enrutamiento y la sincronización.
Construcción física: mismo eje, lógica diferente
En la mayoría de las máquinas de corriente continua, el inducido es toda la estructura magnética giratoria. Incluye un núcleo de hierro laminado fijado o sujeto al eje, ranuras en la periferia y el devanado del inducido colocado en esas ranuras. Las laminaciones son láminas delgadas y aisladas para limitar las pérdidas por corrientes parásitas.
El conmutador, por el contrario, es un cilindro de cobre segmentado situado en el mismo eje, normalmente en un extremo del inducido. Está formado por barras de cobre en forma de cuña, separadas entre sí y del eje por mica o un aislante similar, y cada segmento está conectado a un extremo (o par de extremos) de una bobina del inducido.
Se puede retirar el conmutador de un rotor y seguir reconociendo la pieza restante como “un núcleo de inducido con bobinados”. Si se retiran el núcleo y las bobinas, pero se conservan el conmutador y el eje, lo que queda es simplemente un tambor de conmutación sin nada que conmutar.
Armadura frente a conmutador de un vistazo
Aquí hay una comparación concisa, más práctica que de estilo examen:
| Aspecto | Armadura | Conmutador |
| Objetivo principal | Se encuentra en el campo magnético y transporta conductores, de modo que se producen campos electromagnéticos y pares de torsión. | Invierte o reconecta periódicamente las corrientes de la bobina para que el circuito externo o los devanados del inducido reciban principalmente una corriente unidireccional. |
| Ubicación | Ocupa el cuerpo principal del rotor, funcionando bajo los polos a través del entrehierro. | Se encuentra en el mismo eje, normalmente en un extremo del inducido, frente a las escobillas. |
| De qué está hecho | Normalmente se trata de una pila de laminaciones de acero al silicio con bobinados de cobre colocados en ranuras. | Normalmente es un anillo de segmentos de cobre aislados con mica o un material similar y sujetos al eje. |
| Papel directo en ecuaciones | Aparece directamente en E = kΦω y T = kΦIₐ a través del flujo magnético y la corriente en sus conductores. | Es invisible en esas ecuaciones; solo hace que las suposiciones subyacentes sobre la dirección actual y la conmutación sean válidas. |
| Tipo de cantidad que maneja | Maneja EMF distribuido y corriente en el espacio; los valores varían de bobina a bobina alrededor de la periferia. | Maneja corrientes y voltajes colectores a nivel de terminal en segmentos de cobre individuales. |
| Fallo típico | Suele fallar debido a la ruptura del aislamiento, puntos calientes, cortocircuitos entre espiras o bobinas abiertas en las ranuras. | Tiende a fallar debido al desgaste de la barra, los planos, el alto contenido de mica, el quemado, el rastreo o las chispas intensas del cepillo en determinadas posiciones de la barra. |
| Reemplazar vs rebobinar | Por lo general, se rebobina o se sustituye como un conjunto completo del rotor cuando está muy dañado. | A menudo se recorta, se repavimenta o, en máquinas grandes, incluso se reconstruye segmento por segmento. |
| Interacción con los pinceles | Los cepillos solo lo tocan indirectamente a través del conmutador; el flujo reacciona con la corriente del inducido para provocar la reacción del inducido. | Los cepillos presionan directamente sobre él y definen la zona de conmutación y la dirección de la corriente en cada bobina a medida que pasa. |
Esfuerzo de diseño: donde reside la verdadera ingeniería
Cuando diseñas o seleccionas una máquina de corriente continua, no tratas el inducido y el conmutador con la misma mentalidad.
El diseño del inducido tiene que ver con el rendimiento electromagnético. Hay que tener en cuenta la geometría de las ranuras, la densidad de flujo de los dientes, el material de laminación, la disposición del devanado, el paso de la bobina y el grado en que la reacción del inducido distorsionará el campo principal bajo carga. Estas decisiones influyen en las pérdidas de cobre, las pérdidas de hierro, la saturación, la respuesta transitoria y el ruido. También determinan el número de bobinas que hay que conectar al conmutador.
El diseño del conmutador se centra en la calidad de la conmutación en las peores condiciones posibles de corriente, velocidad y entorno. En este caso, hay que tener en cuenta el número de segmentos, la anchura de los segmentos en relación con la anchura de las escobillas, la profundidad del socavado de la mica, el acabado de la superficie, la excentricidad y el comportamiento del material de las escobillas y la presión del resorte a lo largo del tiempo. El objetivo es sencillo sobre el papel: mantener la transferencia de corriente entre los segmentos lo suficientemente suave como para que los arcos se mantengan controlados y las barras no se erosionen más rápido de lo que el modelo de negocio puede tolerar.
Por lo tanto, la diferencia, una vez más, es el enfoque. El tamaño del inducido se determina en función de los límites magnéticos y térmicos; el tamaño del conmutador se determina en función de la tensión de conmutación y el contacto deslizante.
Cómo se manifiesta la diferencia en matemáticas sin ser obvia
En el modelo estándar de máquina de corriente continua, el inducido aparece en todas partes. La fuerza electromotriz inducida se suele escribir como:
Eₐ = kΦω
y el par como:
T = kΦIₐ
donde Φ es el flujo del entrehierro, ω es la velocidad mecánica e Iₐ es la corriente del inducido. Cada término está relacionado con lo que hacen los conductores del inducido en el campo.
El conmutador no aparece explícitamente en esas ecuaciones. Se oculta en la suposición de que cada bobina del inducido tiene su corriente invertida justo en el punto donde el eje de la bobina cruza el plano neutro, de modo que el par neto permanece en una dirección y los terminales externos ven un voltaje unidireccional.
Si la conmutación es deficiente, se siguen escribiendo las mismas ecuaciones, pero ahora se añaden algunos elementos adicionales: reactancia de conmutación, inductancia parásita, chispas, aumento de la resistencia efectiva. Por lo tanto, la “diferencia” del conmutador es que se encuentra en los casos extremos del modelo, en lugar de en las ecuaciones básicas.
Modos de fallo: ¿quién falla primero, el inducido o el conmutador?
En una máquina desgastada, el conmutador suele ser el primero en dar señales de avería que los humanos pueden percibir. Arcos visibles, decoloración de las barras, marcas irregulares de las escobillas, olor fuerte. Por lo general, se trata de un problema del conmutador o de las escobillas, aunque la causa principal radique en el diseño del inducido o en una sobrecarga.
Las averías del inducido son menos visibles hasta que se hacen muy evidentes. Puntos calientes locales, tensiones desiguales en las barras en una prueba de growler, degradación del aislamiento en las ranuras o vibraciones extrañas porque una parte del rotor se ha calentado más que el resto. Cuando el cobre se ha fundido, el conmutador es inocente y culpable al mismo tiempo: solo ha conmutado las corrientes que el inducido y el usuario insistían en suministrar.
Aquí la diferencia es importante en la práctica. Si observa un desgaste progresivo de la barra, pero las resistencias de la bobina siguen coincidiendo, lo normal es tratar el conmutador y las escobillas. Si observa irregularidades de tensión entre segmentos o descargas repetidas en la misma posición mecánica, lo normal es sospechar de un grupo concreto de bobinas del inducido, y no solo del acabado superficial.
Puntos de vista sobre la fabricación y el mantenimiento
Desde el punto de vista de la fábrica, la construcción de un inducido consiste principalmente en un proceso de laminación, apilamiento, aislamiento de ranuras, bobinado e impregnación. La alineación con el eje y el equilibrio son fundamentales, pero los principales riesgos son los defectos de aislamiento, la colocación del cobre y la impregnación incompleta.
La fabricación de un conmutador es un proceso de mecanizado y montaje. Los segmentos deben sujetarse, aislarse, prensarse, tornearse hasta obtener un cilindro preciso, socavarse y, en ocasiones, comprobarse dinámicamente para detectar el movimiento de la barra bajo temperatura. Se trata de un conjunto de habilidades bastante diferente.
En el taller, durante el mantenimiento, se inspecciona el inducido teniendo en cuenta las pruebas eléctricas y el historial térmico. Se buscan cortocircuitos, circuitos abiertos, puentes a tierra y bobinas aflojadas. En primer lugar, se presta atención principalmente a los aspectos visuales y mecánicos del conmutador: comprobaciones de excentricidad, profundidad de la mica, rugosidad de la superficie, trayectoria de las escobillas y comportamiento de las chispas bajo carga.
Así que la diferencia en la vida cotidiana es sencilla: las armaduras se prueban, los conmutadores se “observan y se escuchan”, y ambos acaban siendo culpados dependiendo de quién sostenga el medidor.
Conceptos erróneos comunes, aclarados brevemente
Una confusión habitual es utilizar “inducido” y “rotor” como sinónimos perfectos. En muchos diseños de máquinas de corriente continua, el devanado del inducido se encuentra en el rotor y los términos coinciden accidentalmente. En otros, como algunas máquinas de corriente alterna y ciertas topologías especializadas de corriente continua, el inducido puede estar en el estator. El conmutador no se mueve en esos diseños porque no hay ningún conmutador; en su lugar, se utiliza la conmutación electrónica.
Otro malentendido es pensar que el conmutador “crea corriente continua”. No endereza nada por arte de magia, sino que simplemente reorganiza las conexiones de las bobinas para que lo que ya era una distribución alterna de tensiones de bobina alrededor de la periferia aparezca como una salida de polaridad aproximadamente constante en las escobillas. El inducido es donde se origina esa fuerza electromotriz alterna.
Un error menos común es pensar que un conmutador más grande siempre implica más potencia. A menudo solo implica más segmentos, lo que puede deberse al deseo de lograr una conmutación más suave a un nivel de potencia determinado, o a restricciones de voltaje y velocidad, no solo a la potencia nominal.
Breve resumen
Por lo tanto, la diferencia entre el inducido y el conmutador no es sutil una vez que se observa lo que cada uno “posee” realmente. El inducido posee la interacción del flujo, la fuerza electromotriz y el par motor. El conmutador posee la dirección de la corriente, la conmutación de segmentos y el contacto de las escobillas. Uno se encuentra dentro del campo y hace que la física funcione; el otro se encuentra en el extremo del eje y hace que la física sea utilizable como corriente continua. Todo lo demás son solo hábitos de nomenclatura y atajos de catálogo.
