Conmutadores en motores de corriente continua para automóviles: elevalunas, ventiladores y bombas

Conmutadores en los coches rara vez fallan de la noche a la mañana; envejecen hasta convertirse en problemas. En elevalunas, ventiladores y bombas, el mismo cobre y carbono deciden la sensación de uso del vehículo, lo ruidoso que es y la frecuencia con que las piezas vuelven a entrar en garantía. Este artículo trata de esas decisiones, no de los diagramas de los libros de texto.

Por qué sigue habiendo conmutadores en los coches

Los coches modernos llevan un número sorprendente de motores de CC con escobillas y conmutadores: elevalunas, reguladores de asientos, sopladores, accionadores de retrovisores, pequeñas bombas. Algunos proveedores señalan abiertamente que un coche de gama media puede albergar decenas de conmutadores, cada uno vinculado a una función de confort o seguridad.

A pesar de la expansión de los motores sin escobillas, los motores con escobillas siguen siendo atractivos para las funciones de 12 voltios de baja potencia porque la electrónica es sencilla, el control es trivial y el motor es barato de montar. Los artículos técnicos sobre máquinas de CC siguen tratando el conmutador como la forma estándar de invertir la corriente del inducido en motores pequeños, a pesar de que los accionamientos de alta potencia han evolucionado.

Así que la verdadera pregunta para un ingeniero de automoción no es “¿conmutador o no conmutador?”. Es “¿qué tiene que hacer este pequeño anillo de cobre para sobrevivir en este papel?”

Los elevalunas, los ventiladores de calefacción, ventilación y aire acondicionado y las bombas pequeñas son buenos ejemplos porque comparten una alimentación de 12 voltios y una topología de motor básica, pero sus conmutadores están sometidos a esfuerzos mecánicos, térmicos y ambientales muy diferentes.

El mismo cobre, tres trabajos

La mayoría de los conmutadores de automoción destinados a estas funciones son diseños de segmentos de cobre moldeados: varias barras de cobre dispuestas sobre un cubo de plástico, aisladas con sistemas de mica o resina, sujetas a un eje de acero, atado a los devanados del inducido.

Las escobillas son casi siempre de carbono, a veces con contenido de cobre, cargadas por muelles para mantener el contacto en varios segmentos a la vez. En la interfaz de deslizamiento es donde ocurren todas las cosas desagradables: arcos, polvo de escobillas, calentamiento local, química con vapores y humedad. Las guías prácticas sobre la vida útil de las escobillas son contundentes al respecto: la mayoría de los fallos de los motores de CC se remontan a esta zona.

En lo que difieren las tres aplicaciones no es en el dibujo, sino en la vida que tiene que vivir el dibujo.

Los elevalunas funcionan en ráfagas cortas, a menudo casi parados, y a veces se abusa de ellos como “tiradores de puerta extra”. Los ventiladores funcionan durante largos periodos a carga parcial, rara vez parados, con un flujo de aire que refrigera pero también esparce polvo de carbón. Las bombas se sitúan en o cerca de fluidos y pueden sufrir largos periodos de ralentí, y luego arranques bruscos en una atmósfera húmeda y a veces químicamente agresiva.

El diseño del colector acaba reflejando estas vidas más que cualquier hoja de especificaciones de marketing.

Motores de elevalunas: ráfagas cortas, paradas brutales

Los conmutadores de elevalunas son compactos, a menudo con un diámetro exterior relativamente pequeño para caber dentro de módulos de puerta abarrotados. Los fabricantes especializados los describen como componentes a medida para sistemas de elevalunas, centrados en el movimiento controlado más que en el servicio continuo.

El ciclo de trabajo parece suave sobre el papel. Unos segundos arriba, unos segundos abajo, mucho tiempo libre. La realidad es otra. El motor sufre paradas mecánicas rutinarias, pellizcado por el hielo en invierno, arrastrado por las juntas de las ventanas que se endurecen con la edad. Los reguladores inteligentes limitan la corriente y detectan los pellizcos, pero lo hacen después de el conmutador ya ha visto ese evento de alta corriente.

Arcos voltaicos y NVH

Las investigaciones sobre los motorreductores para elevalunas demuestran que el contacto entre las escobillas de carbón y el colector genera un ruido de banda ancha que repercute directamente en la vibración del engranaje y en el tacto de la manivela.

Ese ruido tiene dos componentes. Uno es mecánico: vibración de las cerdas de las escobillas, bordes de los segmentos, holgura de los engranajes. El otro es eléctrico: rápidas transiciones de corriente en los segmentos de conmutación. Cada microarco mal sincronizado deja una marca en el cobre, y esas marcas modifican lentamente el sonido del mecanismo.

Esto puede verse en piezas de prueba de larga duración. Los colectores nuevos presentan un acabado liso, casi de espejo. Después de un largo periodo de prueba, un elevalunas que ha soportado muchas cargas elevadas presenta marcas oscuras, barras de alta energía cerca de la posición típica de parada y, a menudo, un ligero escalón donde las escobillas han desgastado una ranura. Todo ello repercute en el ruido y el desgaste de las escobillas.

Recuento de barras y compromiso de dirección

Los elevalunas deben funcionar silenciosamente en ambas direcciones. Suena rutinario, pero el ángulo de avance de la escobilla que proporciona una conmutación limpia en una dirección nunca es perfecto en la otra.

Un mayor número de barras puede reducir la ondulación del par y disminuir la tensión entre barras, lo que favorece la formación de arcos, pero también reduce el tamaño de cada segmento. Si es demasiado pequeño, habrá que luchar contra las tolerancias de fabricación, los problemas de asiento de las escobillas y los puentes de contaminación. Si es demasiado grande, la ventana resulta áspera y los topes duros. El punto óptimo es específico de la aplicación y a menudo se encuentra empíricamente, no por las ecuaciones ordenadas en el capítulo de teoría del motor.

Y lo que es más incómodo, las paradas repetidas tienden a producirse en posiciones similares de los rotores. Esto significa que las mismas barras sufren un desgaste desproporcionado. En el desmontaje, es habitual encontrar dos o tres barras quemadas en un colector por lo demás sano de un motor de ventana del que los clientes se quejan de que es “lento” o “ruidoso”, mucho antes de que las escobillas lleguen al final de su vida útil.

Humedad y vida útil de la puerta

Los entornos de las puertas son húmedos, sucios y mecánicamente brutales. Las vías de agua a través de la junta del cristal, la condensación en la cavidad de la puerta, las oscilaciones de temperatura entre el garaje y la carretera en invierno... todo ello afecta a la interfaz escobilla-conmutador. Las referencias generales sobre motores de CC destacan que la humedad, el polvo y el aceite aumentan el desgaste del colector y pueden desestabilizar las películas de las escobillas.

En la práctica, esto se traduce en motores que funcionan perfectamente en un banco a temperatura ambiente, pero que se comportan mal dentro de la puerta después de una noche fría. Se forma una fina capa de óxido o contaminación en el conmutador; el primer movimiento del día la raspa con más arco de lo normal. Si los muelles de las escobillas son marginales, se producen rebotes, micropitting y un poco más de polvo de cobre en la carcasa cada vez.

Ventiladores de calefacción, ventilación y aire acondicionado: muchas horas a un esfuerzo moderado

Los motores de los ventiladores tienen una vida diferente. Suelen girar libremente, rara vez se calan y a menudo funcionan durante largos periodos siempre que el sistema de climatización está activo. Su diseño se basa en el tiempo a temperatura, no en la corriente máxima.

Las guías sobre el desgaste de las escobillas hablan de tres grandes palancas: densidad de corriente, estado de la superficie y entorno. En un motor soplante, la densidad de corriente es moderada, la superficie se mantiene relativamente limpia y el aire que circula por la carcasa proporciona un poco de refrigeración gratuita. Esto hace que la atención se centre en garantizar una película de escobillas estable y evitar patrones que provoquen ruidos resonantes.

Vida térmica y geometría del colector

Dado que las soplantes pasan horas a carga parcial, el conmutador debe tolerar un flujo constante de calentamiento moderado en lugar de ráfagas cortas de calentamiento intenso. Los segmentos de cobre presentan menos puntos calientes extremos, pero más difusión y oxidación acumulativas. El cubo de plástico y el aislamiento de resina envejecen más por la temperatura que por los golpes mecánicos.

La geometría elegida es un reflejo de ello. El número de barras suele ser mayor que en los pequeños motores de ventana, para conseguir un par más suave a velocidades más altas y un menor ruido eléctrico. Los segmentos pueden estar sesgados o emparejados con ranuras de inducido sesgadas para evitar el engrane y reducir los picos de amplitud en el espectro acústico.

A altas velocidades del ventilador, la pista de las escobillas se somete a una prueba de desgaste por deslizamiento a varios miles de metros de superficie por minuto. Cualquier desajuste entre el grado de la escobilla y la dureza de la superficie del colector se manifiesta rápidamente en forma de rayas, estrías o una rápida pérdida de diámetro.

Prioridades en materia de ruido

Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado ya producen ruido de flujo de aire. Así que la propia contribución acústica del motor queda algo enmascarada. Por otra parte, los clientes oyen “tic-tac” y “quejidos” justo detrás del salpicadero, por lo que las características tonales siguen destacando.

El siseo de banda ancha del ruido de las escobillas suele ser aceptable si se mantiene dentro del fondo de la corriente de aire. Los tonos distintivos del paso de la ranura y las irregularidades de la conmutación son menos aceptables. Por ello, es necesario un control más estricto de la redondez del colector, la altura del segmento y la simetría del muelle de la escobilla. El objetivo de las soplantes en materia de NVH no es ser silenciosas, sino armonizar.

Bombas: fluido, contaminación y supervivencia del colector

Las pequeñas bombas de automoción cubren el líquido lavaparabrisas, algunos reforzadores de refrigerante, algunas funciones de suministro de combustible y multitud de dispositivos posventa. Muchas siguen utilizando motores de corriente continua con colectores, aunque la tendencia en el suministro de combustible se inclina hacia las unidades sin escobillas por su eficiencia, durabilidad y mejor compatibilidad con el combustible.

En este caso, el enemigo del conmutador no es sólo la corriente y el calor, sino también el fluido y la química.

Bombas de combustible y motores húmedos

Los debates técnicos sobre el diseño de bombas de combustible señalan una regla sencilla: hacer funcionar motores de CC con escobillas sumergidos en algunos combustibles, especialmente el gasóleo de baja lubricidad, puede acelerar el desgaste de escobillas y colectores.

El combustible puede arrastrar la delicada película de grafito que normalmente estabiliza el contacto, dejando el metal más expuesto. En algunos combustibles, la escasa lubricidad y los aditivos se combinan con la tensión eléctrica para erosionar los bordes de las escobillas y picar el cobre. Si el motor no está sumergido, las juntas son las que sufren el castigo; cuando tienen fugas, el combustible llega al conmutador de una forma que el diseño nunca previó.

El resultado es un intercambio de diseño. O bien se diseña el sistema colector-escobilla para que funcione en un entorno semihúmedo y se acepta que la química del combustible determina el desgaste, o bien se aísla el motor y se confía más en las juntas que el envejecimiento del combustible atacará lentamente.

Bombas de lavaparabrisas y refrigerante

Las bombas de lavaparabrisas y las pequeñas bombas de refrigerante suelen ser intermitentes, pero la mezcla de agua y glicol se cuela en las carcasas con el tiempo. Las reparaciones de bombas de achique en foros de aficionados ofrecen una imagen cruda pero honesta: ejes agarrotados por la corrosión, escobillas que aún tienen longitud pero han perdido calidad de contacto, conmutadores con un parche de óxido pesado o sales de cobre verde cerca de una grieta en la carcasa.

En estas funciones, el diseño del colector tiene que asumir la contaminación ocasional. Unas barras más anchas, unos rebajes de ranura robustos y unas escobillas que toleren un entorno sucio valen más que una reducción mínima del ruido eléctrico. La limpieza y el comportamiento de autopulido importan más que una eficiencia perfecta.

Los largos periodos de inactividad también son perjudiciales. Una bomba puede estar sin usar durante meses y luego funcionar a fondo durante unos segundos cuando hace mucho frío. La inestabilidad de la película, la corrosión o la condensación en el conmutador se castigan con un solo arranque de alta corriente. El primer arranque después de un largo almacenamiento es a menudo el contacto más duro de la vida del motor.

Una familia de motores, tres diseños diferentes

Puede ver las diferencias colocando las tres una al lado de la otra. Los números varían según el proveedor, pero las instrucciones de diseño son las mismas.

La física subyacente es la misma. El conmutador sólo responde a tres instrucciones diferentes.

Elección de materiales y geometrías que rara vez aparecen en las fichas técnicas

Los proveedores hablan de cobre y materiales aislantes en lenguaje comercial, pero sus notas internas de diseño son más prácticas. Los últimos estudios sobre la estructura de los colectores describen la combinación de segmentos de cobre, materiales aislantes y carcasas de plástico como un equilibrio entre seguridad, conducción de corriente, resistencia mecánica y peso.

Algunas decisiones son muy importantes para los actuadores de automoción, aunque no se expliquen con detalle.

Material del segmento y chapado. El cobre de gran pureza es estándar, pero los aditivos o tratamientos superficiales pueden cambiar la forma de la película de conducción con un cepillo y un entorno determinados. En los módulos de puerta, por ejemplo, una superficie que forma una película robusta a pesar de la humedad y los pequeños ciclos de tensión vale más que una diminuta ganancia de conductividad que sólo ayuda a plena carga.

Sistema de buje de plástico. El buje tiene que soportar la tensión de ajuste a presión del eje, las fuerzas centrífugas del funcionamiento a alta velocidad y los ciclos térmicos de la cabina al interior del vehículo empapado de calor. Los conmutadores de automoción también deben tolerar la exposición química de los plásticos desgasificados, los vapores de la cavidad de la puerta y, ocasionalmente, el combustible o el líquido de lavado. El cubo no es sólo un soporte; si se arrastra o se agrieta, la alineación de los segmentos y las holguras de aislamiento cambian con el tiempo.

Aislamiento entre segmentos. Los artículos sobre análisis de fallos de conmutadores mencionan a menudo la mica o resina degradada entre segmentos que se ha vuelto conductora o se ha roto físicamente. En el motor de una bomba, esto puede acelerarse por la humedad y los contaminantes; en las soplantes, por los ciclos térmicos. El resultado son fugas de barra a barra que aumentan el ruido y reducen el rendimiento mucho antes de que el motor deje de funcionar.

Disposición de las escobillas y sistema de muelles. El plano de conmutación es un concepto familiar; los ingenieros prácticos también se preocupan por cómo envejecen los muelles, si los portaescobillas se obstruyen con el polvo y si el movimiento de las escobillas bajo la vibración provoca una aceleración intermitente del desgaste. El mismo conmutador puede funcionar bien o mal dependiendo de si los muelles mantienen la escobilla en el segmento con una presión constante a lo largo del perfil de vida real del coche, no sólo en las pruebas de laboratorio.

Lo que los fallos en el banco revelan sobre la vida en el coche

Los técnicos de reparación experimentados y los ingenieros de motores tienden a considerar los colectores como libros de cuentos. Los artículos técnicos sobre escobillas de carbón describen las condiciones típicas de la superficie (película marrón uniforme, estrías, ranuras, quemado de barras) y las relacionan con problemas subyacentes específicos.

Los patrones se repiten en las tres aplicaciones.

Los motores de elevalunas suelen mostrar barras negras o azules localizadas correspondientes a las posiciones de calado, combinadas con una longitud de escobilla general aceptable. Puede haber un ligero patrón de desgaste excéntrico si el motor ha sufrido entrada de agua y corrosión en los cojinetes. Los clientes informan de ventanas lentas o ruidosas, no de un fallo completo.

Los motores de los sopladores presentan un cobre uniforme, ligeramente rugoso y con una película uniforme, pero las escobillas están desgastadas hasta casi el final de su recorrido. Las quejas por ruido suelen producirse justo antes del fallo eléctrico, ya que la escobilla desgastada se vuelve mecánicamente inestable y aumenta el castañeteo.

Las bombas son más variadas. Las bombas de lavado a veces llegan con colectores que tienen un desgaste normal, pero con ejes agarrotados o juntas con fugas. Las bombas de combustible pueden mostrar un desgaste sorprendente de las escobillas en relación con su edad si la calidad del combustible es mala. Los casos de segmentos de colectores con puntos de corrosión o depósitos verdes a menudo revelan que el agua se ha abierto camino en carcasas que nunca debieron verla, ya sea a través de plásticos agrietados o juntas envejecidas.

Observar estos patrones al principio del programa de un vehículo, en pruebas aceleradas en lugar de devoluciones de clientes, permite al equipo de diseño ajustar el grado de las escobillas, la fuerza del muelle o el acabado del colector antes de que el daño se incluya en las estadísticas de la garantía.

Hábitos de diseño que envejecen bien

Suponiendo que ya conozcas la tabla de escobillas, los límites de densidad de corriente y el modelado térmico básico, la mayoría de los hábitos útiles en torno a los conmutadores en estas pequeñas funciones de automoción tienen que ver con la observación y el pensamiento de límites.

En los elevalunas, trate los peores casos de atascos y arranques a baja temperatura como casos de diseño de primera clase, no como abusos raros. Si los bancos de pruebas muestran una quema constante de la barra en posiciones específicas, examine tanto el software (límites de corriente, algoritmos de pinzamiento) como la alineación mecánica que podría detener el cristal siempre en la misma orientación del rotor.

En soplantes y ventiladores, no sólo hay que controlar la potencia y el rendimiento, sino también cómo cambia el espectro acústico con el paso del tiempo. Un colector que empieza siendo silencioso pero desarrolla tonos a medida que se desgastan las escobillas indica redondez, variación de la altura de la barra y, posiblemente, un desajuste en la expansión térmica entre el cubo y el cobre.

En las bombas, especialmente en las que los fluidos pueden llegar al colector, las decisiones de diseño deben basarse en la química real del combustible y del fluido, no en muestras idealizadas. Los informes de campo sobre el desgaste de las escobillas o la corrosión en determinados combustibles suelen tener su origen en decisiones sobre sumergibilidad, sellado y compatibilidad de materiales que se tomaron al principio y luego se olvidaron.

Nada de esto es un trabajo glamuroso. Es tiempo de laboratorio, desmontaje de puertas y paciente comprobación cruzada de piezas de resistencia. Sin embargo, por unos pocos gramos de cobre y carbono por motor, se determina la fiabilidad, el silencio y la previsibilidad de las funciones cotidianas del automóvil durante una década.

Y en un coche lleno de electrónica, ese pequeño interruptor mecánico del rotor sigue teniendo mucha responsabilidad.