Bobinado del inducido y conexión del conmutador

Una máquina de corriente continua solo se comporta como indica la hoja de diseño si el devanado del inducido y el conmutador Están de acuerdo entre sí. Si el acoplamiento es correcto, se obtiene un par limpio, escobillas tranquilas y un voltaje predecible; si es ligeramente incorrecto, la máquina se queja mediante calor, ruido y chispas aleatorias.

¿Por qué este tema sigue siendo un problema para los diseñadores experimentados?

La mayoría de las guías repiten las mismas definiciones: vuelta frente a onda, paso del conmutador, paso trasero y delantero, progresivo y retrógrado, etc. Están bien. Pero no explican por qué un motor que “sobre el papel es correcto” sigue quemando un par de barras después de seis meses en una planta llena de polvo.

La verdadera historia radica en cómo el devanado del inducido distribuye el potencial alrededor de la periferia, cómo ese patrón es muestreado por las barras del conmutador y cómo las escobillas cortocircuitan pequeños grupos de bobinas durante un intervalo muy breve y ligeramente caótico. La conmutación no es más que un daño controlado; todo el esquema de conexión existe para mantener ese daño pequeño, rápido y repartido de manera uniforme.

Así que, en lugar de volver a explicar qué son los devanados de vuelta y onda, este artículo da por sentado que ya conoces los términos formales y se centra en cómo las opciones de conexión se reflejan en el comportamiento.

Vuelta contra ola: pensar en trayectorias actuales, no solo en fórmulas

Ya conoces el titular: el bobinado en espiral ofrece tantos caminos paralelos como polos, mientras que el bobinado ondulado fija ese número en dos. Esa frase aparece en todos los libros de texto. La visión más útil es imaginar lo que “ven” el conmutador y las escobillas.”

En un devanado simplex en una máquina de 6 polos, el conmutador alimenta seis circuitos de inducido paralelos. Cada circuito recorre el inducido, alineado aproximadamente con un polo. Las discrepancias de tensión entre esas rutas son inevitables porque la distribución del flujo nunca es perfectamente uniforme, las ranuras no son perfectamente idénticas y los gradientes de temperatura son aburridos, pero muy reales. Las barras del conmutador unen todas esas rutas en las escobillas, por lo que cualquier desajuste se convierte en corrientes circulantes que no sirven para nada y se manifiestan como una pérdida adicional de cobre y un calentamiento de las escobillas.

El bobinado ondulado hace algo más implacable. Con solo dos trayectorias paralelas, cada trayectoria toma muestras de los conductores bajo todos los polos, por lo que la fuerza electromotriz que se observa en cada trayectoria ya es un promedio de las irregularidades del campo. El conmutador sigue uniendo las trayectorias en las escobillas, pero la diferencia entre ellas es menor y las corrientes circulantes disminuyen sin necesidad de añadir ningún componente externo.

Así que la regla mental rápida se vuelve sencilla:

Si se espera una corriente fuerte y un voltaje moderado, la armadura requiere muchas rutas (vueltas) y una ecualización muy cuidadosa. Si se espera un voltaje más alto y una corriente controlada, la armadura prefiere menos rutas (ondas) y deja que la geometría se encargue de la mayor parte del equilibrio.

Esto suena casi demasiado perfecto, y lo es, pero coincide con lo que los talleres de reparación ven realmente en el banco de trabajo.

Paso del conmutador: comenzando por la escobilla, no por la fórmula.

Las fórmulas para el paso del conmutador (Y_c) están por todas partes. Probablemente las tengas memorizadas: distancia en barras entre los dos segmentos que pertenecen a la misma bobina, con signo dependiendo de la disposición progresiva o regresiva.

Lo que suele ayudar más en la práctica es empezar por el pincel y recorrer mentalmente la periferia.

Imagina una escobilla positiva que abarca dos barras del conmutador. En cualquier momento, esa escobilla está provocando un cortocircuito en la bobina (o bobinas) conectada a esas barras. La disposición del devanado determina si ese grupo en cortocircuito se encuentra principalmente bajo un polo o se extiende a lo largo de varios.

Con una bobina enrollada, el grupo de bobinas “acortadas” tiende a situarse dentro de un paso polar. Eso hace que el problema de conmutación sea muy local: un polo, un grupo de conductores, un cambio fuerte en la corriente.

Con una bobina ondulada, las barras tocadas por un cepillo suelen recoger los lados de la bobina de varios polos, por lo que el grupo en cortocircuito está más distribuido y cada conductor conmuta una parte menor de su corriente nominal. El intervalo de conmutación es el mismo mecánicamente, pero la tensión por conductor puede parecer más suave.

Por lo tanto, cuando elija el paso del conmutador, no solo compruebe las condiciones de cierre y progresión; compruebe qué conjunto de lados físicos de la bobina se cortocircuita cuando una escobilla cubre dos barras. Si ese conjunto se encuentra completamente bajo una región de mala distorsión del flujo, se producirán chispas independientemente de lo que digan los cálculos.

Anillos ecualizadores, bobinas ficticias y silenciamiento de la máquina

Los devanados de vuelta en máquinas multipolares tienen una molesta costumbre: dado que cada ruta paralela está vinculada principalmente a un polo, cualquier variación en el flujo o la impedancia de la ranura provoca corrientes circulantes entre las rutas. Los anillos ecualizadores son una solución silenciosa. Conectan los segmentos del conmutador que deberían tener el mismo potencial si la máquina estuviera perfectamente equilibrada, lo que obliga a las rutas paralelas a equilibrarse entre sí.

Estas barras no transportan corriente a plena carga; solo disipan las corrientes diferenciales. Cuando faltan, están sueltas o mal soldadas, a menudo se observa un quemado localizado de las barras y un desgaste desigual de las escobillas que es difícil de explicar solo por la carga externa.

Los devanados ondulados conllevan un tipo diferente de carga: bobinas ficticias. Dado que el devanado debe cerrarse perfectamente alrededor del inducido con un patrón que cruce todos los polos, a veces el número de ranuras no se divide de la forma ordenada que requieren las ecuaciones. Los diseñadores insertan entonces “bobinas” no conectadas con el único fin de mantener el equilibrio mecánico y un relleno razonable de las ranuras.

Por lo tanto, durante el trabajo de rebobinado, tratar las bobinas ficticias como cobre desechable y los anillos ecualizadores como hardware opcional es una forma rápida de conseguir una máquina que tiene buen aspecto pero funciona mal. Forman parte del esquema de conexión, aunque soporten poca o ninguna carga.

La conmutación como prueba de diseño, no como último recurso para la resolución de problemas.

Desde el punto de vista teórico, la conmutación ideal significa que la inversión de corriente finaliza mientras la escobilla aún cubre ambas barras de la bobina en cortocircuito, por lo que no se producen chispas, pérdidas adicionales ni daños en las barras.

En la práctica, el diseño del devanado y del conmutador solo te da unas pocas palancas sobre esto:

Usted decide cuántos conductores hay en el grupo cortocircuitado en cada momento. Usted decide la resistencia y la inductancia de ese grupo. Usted decide en qué medida la fuerza electromotriz inducida a lo largo de la circunferencia del conmutador ayuda o dificulta la inversión.

Todo lo demás (grado del cepillo, presión del muelle del cepillo, interpoles, bobinados de compensación) se añade posteriormente como correcciones o mejoras.

Un hábito útil es pensar en la conmutación durante el propio diseño del devanado. Si su diseño coloca un gran grupo inductivo bajo un campo fuerte y distorsionado en el instante de la conmutación, está apostando por que el grado de las escobillas y los polos intermedios le salvarán. A menudo pueden hacerlo, pero no deberían tener que hacerlo.

¿Qué es lo que realmente falla? Los patrones de conexión detrás de las chispas.

La mayoría de las notas de mantenimiento enumeran las causas habituales de las chispas: posición incorrecta de las escobillas, espaciado incorrecto, superficie del conmutador contaminada, mica sin socavar, barras sueltas, etc. Son causas reales y comunes. Pero, en el fondo, a menudo hay una historia relacionada con la conexión que comenzó en la mesa de bobinado.

Cuando una máquina de rebobinado vuelve de la reparación con barras que se queman en un patrón repetitivo (por ejemplo, cada quinto segmento), es muy probable que la estructura de la trayectoria paralela haya cambiado. Quizás un supuesto anillo ecualizador esté mal colocado. Quizás la dirección de progresión haya cambiado con respecto a la original, moviendo los cepillos activos en relación con el plano neutro sin que nadie se haya dado cuenta.

Cuando un inducido enrollado en espiral que solía funcionar silenciosamente ahora produce chispas con una carga ligera, una causa sorprendentemente frecuente es el intento de “simplificar” las bobinas ficticias o reutilizar un conmutador antiguo con un nuevo número de ranuras. El devanado puede seguir cerrándose, pero el paso efectivo del conmutador que ven las bobinas está ligeramente desviado, por lo que los diferentes grupos experimentan diferentes tensiones inducidas durante la conmutación.

No se trata de fallos que se puedan solucionar completamente con un cepillo de piedra y una aspiradora. Son problemas de topología de conexión que requieren trazar el esquema y compararlo con el diseño original, barra por barra.

Progresista, retrógrado y por qué la dirección importa menos que la coherencia.

Ya conoces las definiciones: en los devanados progresivos, la trayectoria se mueve en la misma dirección que la rotación del inducido cuando sigues la conexión a través del conmutador; en los retrógrados, se mueve en sentido contrario. Ambos pueden satisfacer las condiciones de cierre para diseños de vuelta y onda.

Desde el punto de vista del rendimiento, la dirección afecta principalmente a la posición que deben ocupar las escobillas con respecto al punto neutro mecánico y a las ranuras que se encuentran en conmutación bajo un polo determinado. Si accidentalmente se cambia una máquina de progresiva a retrógrada durante el rebobinado sin mover el engranaje de las escobillas, la zona neutra se desplaza y la calidad de la conmutación cambia, aunque todos los pasos locales sigan siendo numéricamente correctos.

Por lo tanto, la nota de diseño es breve: elija un esquema, aplíquelo a toda la flota y regístrelo claramente. Al conmutador no le importa qué etiqueta elija, pero al equipo de mantenimiento sí le importa mucho.

Una comparación compacta de los esquemas de inducido-conmutador

A veces, una tabla es más rápida que la prosa. Los valores son indicativos, no reglas estrictas.

Puntos de control de diseño y rebobinado que suelen dar buenos resultados.

Hay algunos hábitos que suelen diferenciar a las máquinas estables de las que siempre acaban volviendo al taller. Ninguno de ellos es complicado, y la mayoría consisten simplemente en tomarse más tiempo para planificar las conexiones.

Trace una ruta completa desde un cepillo positivo, pasando por todas las bobinas de esa ruta, hasta el cepillo negativo, en su dibujo. Confirme que cada lado de la bobina en esa ruta experimente una distribución razonable de polos, y no solo una región sobrecargada.

Cuente cuántos conductores hay en el grupo cortocircuitado cuando una escobilla cubre dos barras. Si ese número es alto y esos conductores se encuentran en una parte del entrehierro con alta reacción del inducido, considere cambiar el ancho de la escobilla, añadir polos intermedios o volver a examinar el tipo de bobinado antes de construir la máquina.

Trate los anillos ecualizadores y las bobinas ficticias como elementos funcionales, no como adornos. Su ausencia o reubicación casual explica historias de chispas más misteriosas que cualquier teoría exótica.

Y, por último, anote la dirección de progresión, el paso del conmutador y las posiciones de las escobillas de manera que otra persona pueda reconstruirlo cinco años después. Los diagramas de bobinado se pierden; un registro claro de cómo se comunica el inducido con el conmutador ahorra fines de semana enteros de ingeniería inversa.