Commutator Pitch: la guía profunda e intuitiva (con información real sobre diseño)

La mayoría de las explicaciones de paso del conmutador Son solo definiciones de una línea y una fórmula. ¿Útiles? Más o menos. ¿Fáciles de recordar? La verdad es que no.

Aquí trataremos conmutador presentar la forma en que un buen diseñador o examinador realmente piensa sobre ello: como el enlace entre las ranuras, las bobinas, los segmentos del conmutador y la tensión/intensidad nominal de una máquina de corriente continua. El objetivo es que, al final, puedas sentir cuando un valor de (Yc) es correcto o incorrecto, sin tener que mirar fijamente la fórmula durante cinco minutos.

En un minuto: qué es realmente el “paso del conmutador”

• Definición (idea central): Paso del conmutador (Yc) es el número de segmentos del conmutador entre los dos segmentos a los que el extremos de una bobina de inducido simple están conectados. Se mide en “segmentos”, no en milímetros.
  
• Imagen física: Tome cualquier bobina del inducido. Siga un extremo hasta un segmento del conmutador. Recorra el conmutador hasta el segmento del otro extremo. El “paso” que acaba de dar, contado en segmentos, es el paso del conmutador.
  
• Por qué es importante: Ese tamaño de paso decide si el enrollamiento es regazo o onda, establece cuántas rutas paralelas obtienes y, por lo tanto, si tu máquina es naturalmente una alta corriente/bajo voltaje bestia o un baja corriente/alto voltaje uno.
  
• Regla general:
  
  • Simplex regazo serpenteante → (Yc=±1) (los extremos de la bobina terminan en adyacente segmentos)
    
  • Simplex onda serpenteante → (Yc) es aproximadamente dos pasos polares en términos de segmentos del conmutador (un gran salto alrededor del conmutador).
    

Alejándonos: armadura, ranuras, bobinas y dónde encaja el paso

Dentro de una máquina de corriente continua, el inducido no es mágico, solo es un conjunto de cobre cuidadosamente organizado. Hay ranuras en el hierro, bobinas situadas en esas ranuras y un conmutador que “muestrea” esas bobinas. Para obtener un bobinado adecuado, todos los diferentes “pasos” deben cooperar: las ranuras deben alinearse con los polos y los segmentos del conmutador deben alinearse con las conexiones de las bobinas de manera que se cierren perfectamente sobre sí mismos.

Para un típico bobinado de doble capa, hay dos lados de bobina por ranura; uno es “superior” y otro es “inferior”. La distancia entre los lados de una bobina determinada, el longitud de la bobina—normalmente se elige para que sea aproximadamente igual a la paso del poste, es decir, el número de ranuras por polo, de modo que cada lado de la bobina se sitúe bajo polos magnéticos opuestos y las fuerzas electromagnéticas inducidas se sumen en lugar de cancelarse. 

Todos los términos de lanzamiento en un solo lugar (sin la complejidad de la jerga)

• Paso de polo
  Distancia entre dos polos adyacentes, expresada en ranuras o conductores. En ranuras,
  Paso del polo≈S/P
  donde (S) = número de ranuras, (P) = número de polos.
  
• Paso de bobina / extensión de bobina (Ys)
  Distancia entre los dos lados de una bobina. A bobina de paso completo tiene un paso de espira ≈ paso de polo; a bobina de paso fraccionado tiene una envergadura menor para ayudar a reducir ciertos armónicos.
  
• Inclinación trasera (Yb)
  Distancia (en conductores o ranuras) entre el primer y el último conductor de una bobina, medida en el atrás del inducido (el extremo sin conmutador). Es esencialmente lo mismo que la longitud de la bobina.
  
• Inclinación frontal (Yf)
  Distancia entre el segundo conductor de una bobina y el primer conductor de la siguiente bobina, medida en el extremo del conmutador del inducido (la “parte delantera”). Estos dos lados de la bobina están conectados al mismo segmento del conmutador.
  
• Tono resultante (Yr)
  Distancia entre el inicio de una bobina y el inicio de la siguiente bobina a la que está conectada. Se trata más bien de una cantidad contable cuando se dibujan diagramas de bobinado.
  
• Paso del conmutador (Yc)
  • Medido en segmentos del conmutador, no tragaperras.
    
  • Para bobinado en espiral: (Yc = Yb – Yf).
    
  • Para bobinado ondulado: (Yc = Yb + Yf).
    

La definición formal (con fórmulas, pero amigable)

A nivel puramente teórico, paso del conmutador es:

“El número de segmentos del conmutador entre los segmentos a los que están conectados los dos extremos de una bobina”.” 

En un armadura de doble capa con ranuras (S) y polos (P):

• Extensión de la bobina suele ser
  Ys≈P/S
  Garantizar una separación eléctrica de aproximadamente 180° entre los dos lados de una bobina.
  
• Cada ranura alberga dos lados de dos bobinas diferentes, por lo que el El número de bobinas es igual al número de ranuras.; el número de segmentos del conmutador también es igual al número de bobinas.
  

Teniendo esto en cuenta:

• Bobinado simplex en espiral
  
  • Los extremos de una bobina van a segmentos consecutivos del conmutador.
    
  • Matemáticamente:
    Yc = +1 (Vuelta progresiva) Yc = −1 (Vuelta retrógrada)
    
  • No se trata de una aproximación; para una vuelta simple, (Yc=±1) siempre.
    
• Bobinado de onda simple (doble capa)
  
  • Los extremos de la bobina aterrizan en segmentos aproximadamente dos polos separados en términos de segmentos.
    
  • En forma de fórmula:
    Yc =2S/P±1
    donde (S) = ranuras (≈ segmentos del conmutador).
    
  • El signo exacto (+/-) indica un enrollamiento progresivo o retrógrado de la onda.
    
• En muchas notas de diseño también verás fórmulas de bobinado ondulado escritas como
  Yc=P/2C±1
  que es la misma idea expresada utilizando directamente barras conmutadoras.
  

La gran conclusión: regazo = paso pequeño del conmutador (±1), onda = gran paso (≈ dos pasos entre polos) que hace que los conductores “ondeen” bajo pares sucesivos de polos.

Ejemplo práctico: cálculo de (Yc) paso a paso

• Paso 1: elige una máquina sencilla.
  Digamos que tenemos un Máquina de corriente continua de 4 polos con 24 ranuras, bobinado de doble capa. Por lo tanto:
  
  • (P = 4), (S = 24)
    
  • Número de bobinas = 24
    
  • Número de segmentos del conmutador = 24 (uno por bobina).
    
• Paso 2: Espaciado entre espiras / paso entre polos
  Paso de polo en ranuras:
  Paso de polo = S/P = 24/4 = 6 ranuras
  Para una bobina de paso completo, (Ys = 6) ranuras. Por lo tanto, si un lado está en la ranura 1 (parte superior), el otro está en la ranura 7 (parte inferior).
  
• Paso 3: bobinado simple: encontrar (Yc)
  
  • Por definición de vuelta simplex,
    Yc = +1 (progresivo)
    
  • La bobina (1-7') puede conectarse a las barras del conmutador 1 y 2.
    
  • La siguiente bobina en secuencia conecta 2-3, luego 3-4, y así sucesivamente: el devanado. vueltas atrás debajo de cada polo, lo que proporciona múltiples trayectorias paralelas.
    
• Paso 4: bobinado de onda simple: encontrar (Yc)
  
  • Utiliza la fórmula:
    Yc = 2S/P +/- 1 = (2 * 24)/4 +/- 1 = 12 +/- 1
    
  • Por lo tanto, (Yc = 11) (progresivo) o (13) (retrocesivo). Ambos son números enteros, por lo que ambos son candidatos válidos.
    
  • Si elegimos (Yc = 11), significa que el segundo extremo de cada bobina está a 11 segmentos del primero, alrededor del conmutador. Al trazar la conexión alrededor del inducido, verás que el devanado “ondea” a través de todos los pares de polos antes de cerrarse.
    
• Paso 5: Comprobaciones de coherencia
  
  • (Yc) es un entero — siempre necesario, ya que no se puede conectar a “medio segmento”.
    
  • El devanado se cierra sobre sí mismo después de visitar todas las bobinas exactamente una vez (sin bucles separados). Si no es así, el elegido (Yc) es incorrecto o incompatible con (S) y (P).
    

Cómo el paso del conmutador da forma a los devanados de vuelta frente a los devanados de onda

La razón por la que los profesores se obsesionan con el paso del conmutador es que controla silenciosamente el personalidad eléctrica de la máquina. Un paso pequeño (vuelta) produce muchas trayectorias paralelas; un paso grande (onda) solo crea dos trayectorias que serpentean a través de todos los polos. Esto afecta directamente a la capacidad de tensión y corriente y, por lo tanto, al lugar donde se utiliza cada tipo de bobinado. 

Aquí tienes una comparación compacta que puedes tener a mano:

Una vez que vea esta tabla, (Yc) deja de ser un número aleatorio y se convierte en un elemento de diseño: cambio (Yc), y cambias todo el carácter de la armadura..

Reglas generales para elegir o comprobar el paso del conmutador

• Mantenga las bobinas completamente llenas a menos que deliberadamente quiero paso fraccionado
  Los pasos traseros y delanteros suelen elegirse cerca del paso del polo para que la bobina reciba el máximo flujo; los pasos fraccionarios se utilizan principalmente para el control armónico.
  
• Para la vuelta simple, no “invente” valores Yc.
  Si un problema o diseño indica “bobinado simplex”, la respuesta correcta para el paso del conmutador es siempre (+1) o (-1). Cualquier otra cosa significa que ya no se trata de un bobinado simplex.
  
• Para una onda simplex, piense en “dos pasos polares” y luego corrija la aritmética.
  Comience con (Yc ≈ 2S/P). Ajuste con ±1 hasta obtener un número entero que realmente funcione en su diagrama de bobinado.
  
• Asegúrate de que (Yc) es un número entero y da un devanado cerrado.
  Porque (Yc) cuenta segmentos, los valores fraccionarios son imposibles en la práctica; si el álgebra simple te da 11,5, es una señal de que el número de ranuras o polos que has elegido es incompatible con ese tipo de bobinado ondulado.
  
• Recuerda el plex
  En bobinados múltiples en espiral, (Yc) es igual al “plex” (1 para simplex, 2 para dúplex, etc.), por lo que cuanto mayor sea (Yc) significa también más trayectorias paralelas en los devanados de vuelta.
  

Cómo se manifiesta el paso del conmutador en el rendimiento y las pruebas

Cuando se observan máquinas de corriente continua reales, el paso del conmutador aparece en lugares que no indican explícitamente “paso” en la hoja de especificaciones. El número de trayectorias paralelas (A) en el inducido, que depende del tipo de bobinado (y, por lo tanto, (Yc)), aparece directamente en la ecuación clásica del EMF:

E = (PZ / 2A) φ ω_m

donde (P) = polos, (Z) = conductores totales, (φ) = flujo por polo, (ω_m) = velocidad mecánica.

Una máquina bobinadora (con (A = P)) produce naturalmente menor voltaje pero mayor capacidad de corriente que una máquina de bobinado por ondas con el mismo (P, Z, φ, ω_m) pero (A = 2). No es una coincidencia, sino la consecuencia directa de que el paso del conmutador elige cómo se agrupan los conductores en las rutas. 

Por lo tanto, cuando trabajas en un laboratorio y ves un generador de corriente continua grande y voluminoso con cables de inducido gruesos y un voltaje terminal relativamente bajo, es muy probable que su (Yc) le dijo en voz baja al diseñador: “Hazme una herida en el regazo”.”

Solución de problemas y “intuición” para detectar un paso de conmutador defectuoso

• El enrollado no se cierra correctamente.
  Si se parte de una bobina y, siguiendo la regla de conexión implícita en su (Yc), omita algunas bobinas o vuelva antes al inicio, el paso del conmutador que ha elegido es incompatible con (S) y (P).
  
• Corrientes desiguales en los cepillos de una máquina que, por lo demás, es simétrica.
  En una máquina que debería ser perfectamente simétrica, las corrientes extrañas en las escobillas pueden ser un indicio de conexiones incorrectas, a menudo atribuibles a un recuento erróneo de saltos en el conmutador (es decir, incorrecto (Yc)).
  
• Chispas persistentes incluso después de asentar y limpiar las escobillas.
  Si los cepillos están correctamente colocados en el plano de conmutación y la superficie del conmutador está en buen estado, pero siguen produciéndose chispas, es posible que haya bobinas mal conectadas o conexiones del ecualizador rotas (de nuevo, relacionadas con la forma en que las bobinas se colocan en los segmentos).
  
• “Puntos muertos” en un inducido reconstruido o rebobinado
  Si alguien ha rebobinado un motor y ha elegido un paso incorrecto alrededor del conmutador, el rotor puede quedar en posiciones en las que no se produce un par efectivo, lo que es un síntoma práctico de un patrón de paso del conmutador incorrecto.
  

Conclusión: cómo propio paso del conmutador

Si solo recuerdas tres cosas de esto:

1. Concepto – Paso del conmutador (Yc) es simplemente “cuántos segmentos del conmutador separan los dos extremos de una bobina”.”
   
2. Vuelta contra ola – Vuelta: (Yc = ± 1), muchas trayectorias paralelas. Onda: (Yc ≈ 2S/P), siempre dos caminos paralelos.
   
3. Mentalidad de diseño – Una vez que elijas tipo de máquina → tipo de bobinado → (Yc), te has comprometido con una determinada personalidad de voltaje/corriente. Todo lo demás (ranuras, barras, correcciones de tono) consiste en hacer que esa elección sea físicamente coherente.