¿Afecta el número de segmentos del colector a la suavidad del motor?

Respuesta corta: sí.

Respuesta larga: sí, pero no en línea recta, y no por sí sola.

Si compra o diseña motores de corriente continua con escobillas, ya conoce el conmutador es donde residen la mayoría de los problemas y la mayor parte de los ajustes. El recuento de segmentos se sitúa justo en medio.

En este artículo se explican los aspectos básicos de forma sencilla y se centra en lo que realmente importa a la hora de tomar una decisión:

• ¿Cuántos segmentos de conmutador queremos realmente?
• ¿Qué efecto tiene esa elección en la ondulación del par, el ruido, la calidad del control, el coste y la fiabilidad?
• ¿Qué debe preguntar el comprador al proveedor del motor o del colector para que luego no se queje la ingeniería?

1. Qué entendemos aquí por “suavidad

Concretemos más el término “suave”. En este contexto suele significar:

• Bajo ondulación del par (variación del par en función del ángulo)
• Mínimo ondulación de la velocidad en el eje (especialmente a baja velocidad)
• Aceptable ruido acústico y vibraciones
• Ondulación de la corriente lo suficientemente bajo como para no molestar a su conductor o fuente de alimentación
• EMI y picos de conmutación bajo control

El recuento de segmentos afecta a todos ellos, pero no en la misma dirección.

2. Por qué más segmentos de conmutador puede par más suave

El lado de la teoría es bastante amable con “más segmentos”.

• Cuantas más bobinas y segmentos de conmutador tenga, más se acercará la distribución de la corriente del inducido a una distribución ideal. hoja actual en lugar de “paquetes” discretos. En el extremo (infinitas bobinas/segmentos) el par sería perfectamente suave.
• Los motores de corriente continua con escobillas con pocas bobinas y segmentos muestran rizado de corriente significativo; con muchas bobinas/segmentos, la corriente se convierte en CC casi pura.
• Con más ranuras del conmutador, el ángulo de par electromagnético se mantiene cerca del ideal de 90° entre el flujo del rotor y el del estator. Menos ranuras → el ángulo salta más → mayor ondulación del par.

Así que en una visión simplificada:

Más segmentos → “pasos” de par más pequeños → menor amplitud de ondulación de par → el movimiento parece más suave.

Al menos sobre el papel.

3. Pero “más segmentos” también empuja la ondulación a una frecuencia más alta

Hay un segundo efecto que a menudo se ignora en las explicaciones sencillas.

Cada vez que el cepillo cruza de un segmento al siguiente, obtienes:

• A acto de conmutación
• A pico de tensión / corriente que realmente se puede utilizar para medir la velocidad

La frecuencia de esta ondulación es aproximadamente:

f_ripple ∝ segment_count × mechanical_speed

Así que cuando aumentar el número de segmentos, ocurren dos cosas:

1. El tamaño del paso de par se reduce (bien)
2. Aumenta el número de pasos por revolución (la ondulación pasa a una frecuencia más alta)

La ondulación de alta frecuencia es más fácil para:

• El sistema mecánico filtrar (inercia, conformidad)
• El bucle de control ignorar (si el ancho de banda es inferior a la frecuencia de ondulación)

Desde el punto de vista del sistema, eso suele parecer más suave, aunque la energía total de ondulación sea similar.

Así que cuando la gente dice “más segmentos = motor más suave”, lo que suelen ver en la práctica es

• Comportamiento menos “dentado” de baja frecuencia
• Más contenido de alta frecuencia y baja amplitud que su mecánica y control filtran

4. Reglas prácticas de diseño que se esconden tras el recuento de segmentos

Cuando hable con un diseñador de motores o un proveedor de colectores, algunas relaciones son importantes:

• Segmentos ≈ número de bobinas de inducido activas en muchos diseños. El número de segmentos está directamente relacionado con el esquema de bobinado elegido.
• Para las máquinas de corriente continua de imanes permanentes, una regla de diseño tradicional da un mínimo número de segmento del orden de N_min ≈ (E × P) / 15 donde E es la tensión inducida y P es el número de polos.
• Las grandes máquinas industriales pueden tener cientos de segmentos, motores pequeños quizás 3-24.
• Más segmentos suele significar:
  • Más pequeño paso de segmento y anchura
  • Más estrecho contacto cepillo por segmento o más solapamiento
  • Tolerancias más estrictas en el mecanizado y el aislamiento

Por tanto, el recuento de segmentos no se elige de forma aislada. Viene junto con:

• Tensión nominal y velocidad
• Disposición del bobinado
• Diámetro y velocidad máxima de la superficie del colector
• Material y geometría del pincel

Esa es la verdadera caja de diseño en la que trabaja su proveedor.

5. Donde más los segmentos del colector ayudan realmente a la suavidad

Los ingenieros suelen notar más las ventajas en unas pocas situaciones:

5.1 Control y posicionamiento a baja velocidad

Para funcionamiento a baja velocidad o próximo a la parada (actuadores, robótica, accionamientos médicos):

• Pocos segmentos → “retenciones” perceptibles y ondulación de par dependiente del ángulo.
• Muchos segmentos → curva de par frente a ángulo parece más uniforme, más cercana a la sinusoide ideal

Eso te da:

• Mejor estabilidad de velocidad a bajas RPM
• Menor oscilación de la velocidad en el control de bucle cerrado
• Los integradores de sistemas se quejan menos de los movimientos “nerviosos”.

5.2 Ondulación de la corriente y comportamiento del conductor

Con más bobinas/segmentos, las corrientes de fase se suavizan; en el límite, sólo un componente de CC.

Eso puede:

• Reduzca rizado de corriente el conductor tiene que
• Baja ondulación de la alimentación en autobuses de CC compartidos
• Hacer que los pequeños conductores de bajo coste se comporten de forma más previsible

5.3 Medición a partir de picos de conmutación

Si estás usando picos de conmutación como un codificador de hombre pobre:

• Más segmentos → más impulsos por revolución → mejor resolución de velocidad

Pero hay una contrapartida: a altas RPM, demasiados segmentos elevan mucho la frecuencia de rizado, lo que puede sobrecargar el front-end analógico y el filtrado.

6. En más segmentos empiezan a hacerte daño

Hay un punto en el que añadir segmentos no es gratis en absoluto. El aprovisionamiento lo siente primero; el mantenimiento, después.

6.1 Anchura de segmento, resistencia y calentamiento

Segmentos estrechos:

• Aumentar resistencia del camino si la sección transversal del cobre se contrae demasiado
• Puede aumentar Pérdida I²R y calentamiento localizado en la superficie del conmutador
• Hacer el diseño más sensible a asientos de cepillo y patrón de desgaste

Con un paso de segmento muy pequeño, mantener el grosor del aislamiento entre barras, el grosor del cobre y la redondez dentro de las especificaciones es más difícil y más caro.

6.2 Desgaste de las escobillas, estabilidad de la película y arco eléctrico

Más segmentos significan más conmutaciones por revolución. Eso puede:

• Aumentar el número total de microarcas con el tiempo
• Visite formación de película de cepillo más delicado
• Apriete la ventana para un grado de cepillado y una presión de muelle aceptables

Si el cepillo no mantiene un buen contacto en estas barras más estrechas:

• Ya ves picaduras, quemaduras o estrías en los segmentos
• Aumento de la EMI y del ruido acústico
• Siguen las devoluciones de campo

6.3 Contaminación y mantenimiento

Barras muy finas y ranuras de mica:

• Son más fáciles puenteado por polvo conductor o aceite
• Puede ser más exigente rebajar o volver a rebajar durante el mantenimiento
• Necesidad de un mejor control del proceso de producción (limpieza, inspección)

Para entornos difíciles o productos de bajo coste con una protección mínima, la apuesta más segura podría ser un número ligeramente inferior de segmentos más robustos.

7. Recuento de segmentos vs suavidad del motor vs coste - tabla rápida

Se trata de una simplificación y supone un motor de CC con escobillas pequeño-mediano (no una máquina industrial enorme). Utilícelo para iniciar una conversación, no como una especificación de dibujo.

Tus límites reales cambiarán con:

• Diámetro del inducido
• Número de polos y tipo de bobinado
• Tensión nominal y velocidad

Pero el forma del compromiso estancias similares.

8. Lo que realmente se debe preguntar en las compras sobre el recuento de segmentos

En lugar de preguntar únicamente “¿Cuántos segmentos?”, una lista de comprobación mejor es:

1. Requisitos de la solicitud
   • ¿Necesitamos suavidad a baja velocidad o basta con un funcionamiento a velocidad constante?
   • ¿Precisión de posicionamiento? ¿Algún sistema de visión que vigile el movimiento?
2. Objetivos de ondulación y suavidad del par
   • ¿Existe una especificación numérica? ¿Se permite una ondulación de par % o una ondulación de velocidad % con una carga determinada?
3. Recuento de segmentos y concepto de bobinado
   • Pedir recuento de segmentos con descripción del bobinado (vuelta/onda, ranuras, polos).
   • Pregunte por el comportamiento típico de la ondulación del par en función del ángulo o la velocidad, si el proveedor lo tiene.
4. Sistema de cepillos
   • Material y tamaño del cepillo en función del paso del segmento.
   • Densidad de corriente recomendada y vida útil típica en su ciclo de trabajo.
5. Controles de calidad del colector
   • Método y límites de la prueba de resistencia barra a barra
   • Controles de tolerancia, redondez y acabado superficial
   • Criterios visuales de daños en los segmentos (picaduras, quemaduras, estrías) y niveles aceptables.

Si un proveedor sólo responde “utilizamos un conmutador de 12 segmentos” y nada más, no ha respondido realmente a la pregunta de la suavidad.

9. Reglas empíricas que los ingenieros utilizan en silencio

No se trata de normas, sino de patrones que verás una y otra vez:

• Si usted reducir a la mitad de segmentos en una aplicación de servo sensible, espere quejas sobre la fluctuación a baja velocidad.
• Doblar segmentos no no reducir automáticamente a la mitad la ondulación del par, porque:
  • El bobinado, el diseño del imán y la construcción mecánica también contribuyen.
• Si se eleva mucho el número de segmentos sin replantearse el diseño de las escobillas, se obtiene:
  • Mayor suavidad sobre el papel
  • Mayor riesgo de ruido, formación de arcos y desgaste prematuro sobre el terreno
• Para muchas unidades industriales, pasar de un segmento “barato” (por ejemplo, 7-9) a uno “medio” (11-15) proporciona la mayor parte de las ventajas de suavidad sin un gran aumento de precio.

Para los nuevos proyectos, una buena táctica:

Comience con el el más pequeño que cumpla los objetivos de ondulación de par/velocidad y, a continuación, ver si añadiendo unos cuantos más se obtiene una ganancia significativa del sistema.

Si el resto del sistema se traga la ondulación restante, no hace falta perseguir la perfección teórica.

10. Preguntas frecuentes: Número de segmentos del colector y suavidad del motor