Cómo fabricar un motor de corriente continua con un conmutador real

Al final de este montaje, tendrás un pequeño motor de CC con escobillas que arranca de forma fiable, funciona con una fuente de alimentación de bajo voltaje y utiliza un conmutador de anillo partido en lugar de trucos con esmalte raspado o trucos con papel de aluminio de un solo uso.

Lo que realmente estás construyendo

No se trata de la típica demostración con un clip y una pila. El objetivo aquí es crear una pequeña máquina repetible: un inducido con núcleo de hierro y dos bobinas, un conmutador de cobre de dos segmentos en el eje, escobillas sencillas y un estator de imán permanente. En otras palabras, la misma arquitectura básica que se utiliza en los motores de corriente continua comerciales reales, solo que ampliada para que se pueda ver todo.

La física se da por sentada. Ya sabes que la corriente del inducido, el campo magnético y el par motor están relacionados entre sí, y que el conmutador redirige la corriente cada media vuelta para que el par motor mantenga el mismo signo.

Aquí nos preocupamos por las decisiones de construcción, no por la teoría.

Resumen de las principales decisiones de diseño

Esta es la especificación objetivo utilizada a lo largo de la guía. Puedes desviarte un poco; el motor te lo perdonará en la mayoría de los casos.

Puedes copiar estos números directamente en una primera compilación. Después, puedes empezar a abusar de ellos.

Materiales y herramientas, en lenguaje sencillo

Necesitarás una varilla corta de acero o un clavo grande para el eje y el núcleo del inducido, un trozo de cable de cobre esmaltado, un poco de chatarra de cobre o un pequeño tubo de cobre para el conmutador, dos imanes pequeños y potentes, un trozo de madera contrachapada o acrílico como base y algo que pueda servir como escobillas: tiras de cobre, contactos de relés viejos o incluso alambre de cobre grueso doblado. Una fuente de corriente continua de bajo voltaje, un multímetro, epoxi o cianoacrilato, papel de lija fino, una sierra para metales, una lima y un taladro completan la lista. Un pequeño tornillo de banco facilita el trabajo, pero no es imprescindible.

Si ya tienes un motor de corriente continua averiado, puedes robarle el eje y los cojinetes y fingir que los has mecanizado a la perfección a propósito.

Paso 1: dibuja la geometría antes de cortar el metal.

Tómate dos minutos con lápiz y papel. Dibuja el eje, marca dónde irán las bobinas, dónde irá el conmutador y dónde irán los imanes. Escribe números realistas junto a cada longitud en el boceto.

Aquí es donde se deciden discretamente las holguras. Deje al menos 3-4 mm de espacio radial entre el inducido y los imanes para permitir la oscilación. Deje suficiente eje más allá de los cojinetes para poder agarrar el rotor con los dedos. En caso de duda, exagere las distancias; el motor se lo agradecerá con menos roces accidentales y menos paradas misteriosas.

El boceto no tiene por qué ser bonito. Solo tiene que existir.

Paso 2: Construir el núcleo y el eje del inducido.

Corta la varilla de acero o el clavo a la longitud deseada y lima los extremos hasta que queden planos. Intenta conseguir una longitud útil de unos 50 mm. Desbarba los bordes; los bordes afilados cortan el aislamiento y luego culparás al conmutador.

Lija ligeramente la sección central donde se colocarán las bobinas con papel de lija. No hagas ranuras profundas, solo lo suficiente para que el cable no se deslice y se forme pequeños resortes. Si quieres ser minucioso, envuelve una sola capa ajustada de papel fino o cinta Kapton sobre esa área como aislamiento y pégala con pegamento.

En este punto, gira el eje entre tus dedos. Si ya se nota que está doblado, es que lo está. Endereza ahora con suaves golpes sobre una superficie dura o vuelve a empezar con una pieza de acero mejor. Un eje ligeramente torcido seguirá funcionando, solo que con más vibraciones de las que habías previsto.

Paso 3: Fabrica un conmutador de anillo partido real.

La mayoría de los motores de los estudiantes simulan el conmutador con alambre parcialmente raspado o papel de aluminio envuelto alrededor de un lápiz. Funciona, pero solo a duras penas.

Aquí harás un anillo real de dos segmentos.

Corta un trozo corto de tubo de cobre de pared delgada, de unos 12-15 mm de largo, con un diámetro interior ligeramente mayor que el eje. Corta con cuidado a lo largo del tubo para obtener dos semicilindros. Limpia las caras interior y exterior con papel de lija hasta que queden brillantes.

Deslice un manguito aislante fino sobre el eje donde se colocará el conmutador: dos capas de papel recubiertas con pegamento instantáneo o un trozo ajustado de tubo termorretráctil. Deje que el adhesivo se seque correctamente. A continuación, coloque las dos mitades de cobre alrededor de este manguito con un espacio estrecho entre ellas, de menos de un milímetro, y péguelas con epoxi. Intente mantenerlas alineadas para que sus superficies exteriores formen un anillo casi circular.

Es importante que el espacio entre los segmentos discurra exactamente a lo largo del eje, y no en un ángulo aleatorio. No hay que obsesionarse, pero tampoco hay que ignorarlo: este espacio define cuándo cambia la corriente en relación con la posición del inducido.

Deja las conexiones de la bobina para más tarde; por ahora solo necesitas un anillo segmentado resistente que gire con el eje.

Paso 4: Enrolle las bobinas del inducido y conéctelas al conmutador.

Ahora viene la parte repetitiva. Pero solo hay que hacerlo dos veces.

Mida una longitud considerable de cable de cobre esmaltado. Si utiliza cable de 0,25-0,3 mm y apunta cerca de la mesa de diseño, unos 10-12 metros serán suficientes para dos bobinas de 90-110 vueltas cada una. Puede hacerlo de forma más inteligente observando la resistencia en el multímetro mientras enrolla; una vez que la resistencia total de extremo a extremo se sitúe en el rango de 5-10 Ω, estará en la zona de suministro de 3-6 V.

Pegue temporalmente un extremo del cable al eje, un poco alejado del conmutador. Comience a enrollar la primera bobina cerca de un lado de la sección del inducido. Mantenga las vueltas apretadas y razonablemente ordenadas, moviéndose hacia adelante y hacia atrás a lo largo del núcleo para que la bobina forme un cilindro corto en lugar de una bola. Cuando llegue al número de vueltas deseado, fije la bobina con una tira de cinta adhesiva o una capa de epoxi.

Sin cortar el cable, camine a lo largo del eje y enrolle la segunda bobina en el lado opuesto, a 180° alrededor del núcleo desde la primera. El mismo número de vueltas, la misma forma general.

Ahora corte el cable, dejando suficiente holgura en ambos extremos para alcanzar cómodamente el conmutador. Debería tener dos extremos libres y una conexión interna entre las bobinas.

Raspe o lije el esmalte de los dos extremos exteriores donde se soldarán. Estañe con soldadura. Haga lo mismo con los pequeños puntos de cada segmento del conmutador donde se conectará el cable. Suelde un extremo de la bobina a un segmento y el otro extremo de la bobina al otro segmento.

La unión oculta entre las bobinas puede permanecer aislada; las bobinas funcionan eficazmente en serie entre segmentos. Esta es la disposición estándar de un inducido de dos polos: el conmutador inyecta corriente en los lados de las bobinas que no se encuentran cerca de la zona neutra en ese momento.

Cuando la soldadura se enfríe, comprueba la continuidad: una posición del cepillo debería mostrar la resistencia completa de la bobina de un segmento a otro. Si el medidor muestra un circuito abierto, hay al menos una rotura o un trozo de esmalte que falta.

Paso 5: monte los cojinetes y construya un bastidor en el que pueda colocarse el motor.

Un motor que solo funciona mientras lo mantienes en el aire es ligeramente interesante. Es mejor darle un armazón.

Taladra dos agujeros en la base para colocar bloques de cojinetes sencillos. Pueden ser piezas de madera dura o plástico con un agujero de holgura ajustado, o cojinetes de bolas recuperados, si los tienes. Muchas construcciones didácticas utilizan soportes angulares y un lápiz como eje; eso también funciona, pero tu conmutador y tus bobinas ya son más sofisticados que eso.

Alinee los soportes de modo que el eje quede nivelado y gire libremente sin rozar la base. El conmutador debe sobresalir por un extremo, con suficiente espacio a su alrededor para las escobillas y los dedos.

Ahora añade los imanes del estator. Fija un imán a cada lado del inducido, con los polos opuestos enfrentados entre sí, de modo que las líneas de campo discurran aproximadamente a lo largo del eje. Pégalos a soportes angulares de acero o directamente a la base, asegurándote de que los espacios sean uniformes y de que el inducido nunca los toque.

Si miras el motor de lado, los imanes deberían alinearse aproximadamente en una línea horizontal a lo largo del inducido. El espacio del conmutador debería quedar casi vertical cuando las caras de las bobinas se alineen con los imanes. Lo perfeccionarás más adelante.

Paso 6: Fabrique cepillos que no se desgasten hasta romperse.

Los cepillos son simplemente conductores resistentes que se presionan contra los segmentos del conmutador. Los motores comerciales suelen utilizar carbono o grafito; para una construcción visible, las tiras de cobre elásticas funcionan bien y son más fáciles de conseguir.

Corte dos tiras finas de cobre o bronce fosforoso y doble cada una de ellas en forma de S poco profunda o de hoja, de modo que el extremo libre empuje naturalmente contra el conmutador cuando se monte. Atornille o fije con tornillos los extremos fijos a la base o a pequeños bloques aislantes, colocándolos en lados opuestos del conmutador.

Ajuste la geometría de modo que las puntas de los cepillos queden aproximadamente a 90° entre sí alrededor del anillo. De este modo, cuando un cepillo esté centrado en un segmento, el otro quedará en el segmento opuesto. El ángulo exacto no es sagrado; lo irá ajustando poco a poco mientras realiza los ajustes.

Conecte cables flexibles desde la fuente de alimentación hasta los extremos fijos de las escobillas. Los propios brazos de las escobillas conducirán la corriente a los segmentos. Mantenga estos cables flojos para que no retuerzan las escobillas cuando el motor vibre.

Paso 7: primer encendido y ajuste manual

Antes de aplicar potencia, gire el eje lentamente con la mano e inspeccione. No debe haber ningún roce. Las bobinas deben estar separadas de los imanes. Las escobillas deben mantener el contacto en todo momento, pero sin dañar el cobre.

Utiliza un multímetro para comprobar que, con las escobillas presionadas, se observa una resistencia finita entre los cables de alimentación que varía ligeramente al girar el eje, pero que nunca salta a infinito. Esto indica que cada escobilla está realmente en contacto con un segmento y que las bobinas siguen formando un circuito.

Ahora conecte una fuente de alimentación de 3-6 V CC. Un par de pilas AA en serie o una fuente de alimentación de banco con una corriente limitada a aproximadamente 1 A es suficiente. Nunca conecte esta configuración directamente a la red eléctrica, ni siquiera a través de un pequeño cargador de teléfono; estos contactos de cepillo pueden provocar arcos eléctricos y enviar ruido a la línea.

Con la alimentación conectada, dé un ligero golpecito al rotor. Es normal que primero se mueva, quizá balanceándose hacia adelante y atrás una o dos veces. Si la sincronización del conmutador es adecuada, debería empezar a girar de forma continua. No es necesario que gire a gran velocidad; basta con un ligero empujón una vez que todo esté alineado.

Si se niega a girar en cualquier dirección, corte la alimentación y pase a la depuración en lugar de utilizar la fuerza bruta.

Ajustar la sincronización del conmutador sin matemáticas avanzadas

Coloque el motor de manera que pueda ver el inducido de frente. Elija una referencia: por ejemplo, llame “horizontal” a la línea que une los centros de los dos imanes.

Tu objetivo es sencillo. Los lados de la bobina deben experimentar el par máximo cuando se alinean con ese campo horizontal, y la corriente en cada lado debe invertir su signo justo después de que el par, de otro modo, llegaría a cero.

En la práctica, esto significa:

Cuando una bobina está en posición horizontal, las escobillas deben estar completamente sobre cada segmento, sin sobrepasar el espacio aislante. Cuando la bobina pasa por la posición vertical, las escobillas deben sobrepasar brevemente el espacio e interrumpir la corriente.

Si observa que el motor funciona mejor cuando gira manualmente el conmutador con respecto a las bobinas, simplemente está descubriendo esta sincronización por las malas. Afloje el conmutador del eje si es posible, gírelo unos grados y vuelva a pegarlo una vez que vea en qué dirección mejora el par de arranque. Si el conmutador ya está fijo, mueva ligeramente los portacepillos alrededor del perímetro. Los pequeños ajustes son más importantes que los grandes.

Observe el color y el estado de los segmentos tras unos minutos de funcionamiento. Las chispas intensas y el oscurecimiento rápido suelen indicar una sincronización deficiente o una presión excesiva del cepillo. Las rayas claras son normales.

Modos de fallo comunes y comprobaciones rápidas

La mayoría de los motores caseros que no funcionan mueren de las mismas maneras. Puede pasar rápidamente por estas comprobaciones.

Si el eje se atasca o se arrastra en cualquier posición, solucione primero los problemas mecánicos. Por mucho que se vuelva a cablear, el rotor no girará si hay una colisión física. Compruebe que las bobinas no se hinchen y rocen los imanes, y que el conmutador no raspe los soportes de las escobillas.

Si el rotor está libre pero no se produce ningún movimiento, ni siquiera con un ligero empujón, compruebe el recorrido eléctrico desde un cable de alimentación, a través de su escobilla, hasta un segmento del conmutador, a través de las bobinas, hasta el otro segmento y, finalmente, a través de la otra escobilla y el otro cable. Por lo general, es más rápido realizar una prueba de continuidad en cada interfaz que quedarse mirando fijamente.

Si se mueve pero se detiene en la misma orientación, es probable que el espacio del conmutador esté desalineado. La bobina se activa cuando ya está alineada con el campo, por lo que no acelera ni desacelera de manera útil. Desplace las escobillas para que el espacio pase por ellas cuando la bobina esté cerca de la posición horizontal, no vertical.

Si funciona, pero solo a un voltaje muy alto, es posible que la resistencia del devanado sea demasiado alta, lo que produce un campo débil. Para solucionarlo, reduzca el número de vueltas o utilice un cable más grueso. Si funciona, pero la corriente es excesiva y todo se calienta rápidamente, ha hecho lo contrario: ha utilizado muy pocas vueltas o un cable demasiado grueso. Eso es lo que la tabla de diseño intentaba evitar discretamente.

Si funciona una vez y luego deja de hacerlo, sospeche que hay juntas de soldadura sueltas en el conmutador o que las escobillas han perdido contacto porque la base se ha deformado ligeramente. El cobre se endurece y los resortes se relajan; por lo general, una pequeña doblez restaura la presión.

Haciéndolo menos burdo: mejoras una vez que gira

Una vez que se ejecuta la primera versión, las imperfecciones dejan de ser un problema y comienzan a ser sugerencias útiles. Tienes espacio para perfeccionar.

Puedes añadir laminaciones al inducido en lugar de una barra de acero macizo. Muchos motores de CC comerciales apilan discos de hierro aislados delgados para reducir las pérdidas por corrientes parásitas dentro del núcleo. Para un motor de demostración esto no es esencial, pero si quieres bobinados más fríos y un funcionamiento ligeramente más eficiente, cortar el núcleo en láminas aisladas te acercará a ese diseño.

Se puede pasar de dos polos a tres o más. Eso significa tres juegos de bobinas separadas 120° entre sí y un conmutador con seis segmentos, donde cada bobina se conecta a través de dos segmentos opuestos. Esto suaviza el par y mejora el comportamiento de arranque, ya que siempre hay al menos una bobina en una posición útil.

Puede sustituir los cepillos de tira de cobre por varillas de grafito o cepillos de motor comerciales. Esto reduce el desgaste del conmutador y proporciona un funcionamiento más silencioso, aunque complica un poco más los portacepillos.

También puede hacer lo contrario: desmontar un motor de juguete barato y comparar su pequeño conmutador oculto y su inducido de bobinado oblicuo con su versión expuesta. Esta comparación suele explicar por qué sus bobinas anchas y enrolladas a mano se comportan como lo hacen a mayor velocidad.

Cada cambio modifica ligeramente la trayectoria actual, los ángulos de conmutación y la curva de par. No hay nada “correcto” o “incorrecto” en ello; se trata principalmente de adaptar el motor al siguiente experimento.

Notas sobre seguridad y cordura

Manténgase por debajo de los 12 V y mantenga la corriente moderada. Las cifras anteriores suponen que se mantiene alrededor de un amperio o menos en funcionamiento constante. Lo ideal es una fuente de alimentación de banco con límite de corriente. Las baterías están bien siempre y cuando se tenga en cuenta que las escobillas cortocircuitadas pueden descargar mucha corriente momentáneamente. Evite los cables que puedan ser agarrados accidentalmente cuando estén pelados; incluso los arcos de baja tensión pueden dar un susto.

No haga funcionar el motor en calado durante mucho tiempo. Cuando no gira, la fuerza contraelectromotriz desaparece y la corriente que entra en las bobinas aumenta; estas se calientan, el aislamiento se ablanda y se producen cortocircuitos silenciosos.

Por último, mantenga la ropa holgada y el cabello alejados del eje giratorio. Este diseño deja todo expuesto a propósito, lo que incluye todas las formas en que puede atrapar objetos.

Comprobaciones finales y próxima compilación

Si ha seguido todos los pasos, ahora tiene un motor de corriente continua con escobillas y un conmutador real cuya geometría comprende porque ha colocado cada pieza usted mismo. Probablemente funcionará de forma un poco irregular, emitirá un ligero zumbido y producirá más chispas que una unidad comercial. Eso es aceptable.

El valor de este diseño reside en que nada queda oculto. Se puede cambiar el ángulo de los cepillos y observar literalmente cómo cambia el par. Se puede rebobinar el inducido con más vueltas o con un calibre de cable diferente y ver cómo varían la corriente de arranque y la velocidad. Se puede construir un segundo motor con un conmutador de tres segmentos y comparar ambos.

Una vez que eso te resulte habitual, ya habrás superado el nivel de las guías motoras habituales de los proyectos escolares. La siguiente iteración es tuya, no del libro de texto.