Función del conmutador de anillos partidos en un motor eléctrico

Si alguna vez te has quedado mirando un sencillo diagrama de un motor de corriente continua y has pensado:, “Vale, pero ¿qué significa realmente ese extraño anillo de cobre roto?». hacer?” — Esto es para ti.

El conmutador de anillo partido es diminuto, pero decide silenciosamente si tu motor:

• sigue girando suavemente en una dirección, o
• solo se mueve torpemente hacia adelante y hacia atrás y se rinde.

Al final de este artículo, no solo sabrás la respuesta que aparece en los libros de texto, sino que también tendrás una imagen mental de lo que está sucediendo. cada media vuelta dentro del motor.

• En esta guía, aprenderás:
  • ¿Qué es físicamente un conmutador de anillo partido?
  • Cómo mantiene el par motor en el igual dirección a pesar de los reveses actuales
  • ¿Por qué un motor de corriente continua no funciona correctamente sin él?
  • En qué se diferencia de los anillos colectores en máquinas de CA

1. Breve repaso: cómo funciona un motor de corriente continua simple.

Antes de centrarnos en el anillo partido, pongamos en contexto la situación.

Un motor de corriente continua básico tiene:

• A bobina (armadura) de alambre que puede girar
• A campo magnético, normalmente de imanes permanentes
• A Fuente de alimentación de corriente continua (batería o fuente de alimentación de CC)
• Cepillos y un conmutador para hacer pasar la corriente por la bobina giratoria

Cuando la corriente fluye a través de la bobina en un campo magnético, cada lado de la bobina siente una fuerza en direcciones opuestas (gracias al efecto motor / regla de la mano izquierda de Fleming). Un lado es empujado hacia arriba y el otro hacia abajo, por lo que la bobina gira.

El problema: sin algún truco ingenioso, después de media vuelta las fuerzas Invertir la dirección y la bobina se balancearía hacia adelante y hacia atrás en lugar de girar continuamente.

Ese “ingenioso truco” es el conmutador de anillo partido.

• Un motor de corriente continua simple suele incluir:
  • Bobina (armadura) en un eje giratorio
  • Imán permanente (o electroimán de campo)
  • Alimentación de CC (batería o fuente de CC)
  • Conmutador de anillo partido
  • Cepillos de carbón presionando sobre el conmutador

2. ¿Qué exactamente? es ¿Un conmutador de anillo partido?

Físicamente, un conmutador de anillo partido es:

• A Anillo de cobre cortado en dos mitades., montado en el eje del motor
• Cada mitad está conectada a un extremo de la bobina
• Dos escobillas de carbón descansar sobre estas mitades, conectadas a la fuente de alimentación de CC externa

A medida que el eje (y la bobina) giran, las escobillas permanecen inmóviles, pero siempre tocan una u otra mitad del anillo.

Piénsalo como un interruptor giratorio o un “inversor de polaridad” mecánico sincronizado con la rotación de la bobina.

• Características físicas clave de un conmutador de anillo partido:
  • Fabricado con segmentos de cobre (dos segmentos en el motor más sencillo).
  • Los segmentos son aislado entre sí
  • Fijado al eje del rotor
  • Cada segmento se conecta a un Extremo de la bobina del inducido
  • Los cepillos presionan la superficie exterior para alimentar la corriente.

3. La función principal: invertir la corriente cada media vuelta.

Aquí está lo esencial:

La función del conmutador de anillos partidos en un motor de corriente continua es invertir la dirección de la corriente en la bobina cada media revolución, de modo que el par motor sobre la bobina actúe siempre en la misma dirección de rotación, lo que permite una rotación continua. 

Recorramos una vuelta completa a cámara lenta.

1. Posición inicial (0°):
   • El lado AB de la bobina transporta la corriente “hacia adelante”, mientras que el lado CD la transporta “hacia atrás”.
   • En el campo magnético, AB es empujado hacia abajo, CD es empujado hacia arriba → la bobina comienza a girar.
2. Acercándose a los 90°:
   • La bobina se mueve hacia la vertical.
   • El par es momentáneamente pequeño cuando la bobina está exactamente en posición vertical, pero la inercia la mantiene en movimiento.
3. A 90° (media vuelta):
   • La bobina está en posición vertical.
   • Los cepillos ahora cruzan los espacios entre los segmentos del conmutador y comienzan a tocar el mitades opuestas.
   • Esto claramente invierte la dirección actual en la bobina.
4. De 90° a 180°:
   • La corriente en AB y CD se ha invertido, pero también lo ha hecho la orientación de la bobina..
   • Resultado: Las fuerzas de cada lado siguen empujando en el mismo sentido rotacional general.. Se conserva la dirección del par.

Así que, aunque la corriente cambia, el conmutador se asegura de que el El par no. Por eso el motor gira en lugar de vibrar.

• En términos sencillos, como en un examen, el anillo partido:
  • Invierte la corriente en la bobina del inducido cada media vuelta.
  • Mantiene el par en la bobina en la misma dirección.
  • Garantiza rotación continua en una dirección
  • Mantiene una salida/entrada de CC en los terminales externos (para generadores/motores, respectivamente).

4. Con o sin anillo partido (y con o sin anillos deslizantes)

Es más fácil comprender su finalidad comparando diferentes escenarios.

Tabla comparativa

En resumen:

• Anillo partido → “Invertiré la corriente de la bobina en los momentos perfectos para que tu par motor siga siendo unidireccional”.”
• Anillo colector → “Solo transferiré la corriente que me des; no estoy aquí para invertir la polaridad”.”

• Resumen de la función del conmutador de anillo partido:
  • Actúa como un inversor mecánico para la corriente del inducido
  • Sincroniza la inversión actual con el ángulo del rotor (cada media vuelta).
  • Convierte el efecto natural de “ida y vuelta” en rotación constante
  • Hace que un motor de corriente continua se comporte como esperamos: suave y direccional.

5. Análisis en profundidad: ¿qué problema resuelve el anillo partido?

Imaginemos que eliminar el conmutador de anillo partido y conectar de alguna manera la bobina directamente a la fuente de alimentación de CC a través de anillos colectores.

Al principio, las fuerzas a los lados de la bobina hacen que gire. Pero después de dar media vuelta:

• El lado que antes estaba bajo el polo norte ahora está bajo el polo sur.
• La dirección actual en cada lado no ha se ha invertido (porque no hay conmutador).
• Las fuerzas magnéticas ahora actúan en el dirección opuesta → El par se invierte.

El motor actuaría como una persona que intenta empujar una puerta. primero hacia adelante, luego hacia atrás, luego hacia adelante, deteniéndose siempre en el medio. Por eso la bobina simplemente oscilaba o se detenía alrededor de la posición vertical en lugar de girar.

El conmutador de anillo partido interviene y dice:

“Cada vez que la bobina llegue a ese incómodo punto intermedio, cambiaré sus conexiones para que las fuerzas no cambien su dirección general”.”

Esa es la magia. No se necesitan matemáticas avanzadas, solo cambio de polaridad en el momento oportuno.

• Imagen conceptual para recordar:
  • Sin conmutador → la dirección del par se invierte cada media vuelta → movimiento oscilante
  • Con conmutador de anillo partido → la corriente cambia de sentido → el par motor permanece en un solo sentido → rotación completa
  • En los generadores, el mismo mecanismo actúa como un rectificador mecánico para proporcionar corriente continua a partir de una tensión inducida similar a la corriente alterna

6. Estructura + cepillado: cómo se produce realmente el contacto

En los motores reales, el conmutador no es solo dos feos trozos de cobre. Está diseñado:

• Múltiple segmentos de cobre están fijados alrededor del eje.
• Los segmentos están aislados entre sí mediante materiales como mica o plásticos.
• Cepillos de carbón con resorte Presione la superficie exterior y deslice sobre los segmentos mientras gira el eje.
• Cada segmento está conectado a una bobina de inducido concreta.

En un motor de corriente continua muy sencillo, del tipo que se utiliza en las escuelas:

• El “conmutador” es simplemente dos semianillos de cobre (el anillo partido)
• Cada semianillo se conecta a un extremo de una bobina simple.
• Dos escobillas alimentan corriente continua a estas mitades, lo que permite que la bobina gire mientras permanece conectada eléctricamente.

Eso es todo lo que necesita ser: una interfaz giratoria que cambia periódicamente qué extremo de la bobina está conectado a qué terminal de alimentación.

• ¿Por qué utilizar escobillas y un conmutador?
  • No se pueden retorcer los cables sin cesar mientras gira el rotor.
  • Necesitas un contacto deslizante entre el fijo mundo y el giratorio mundo.
  • El conmutador y las escobillas forman esa interfaz. y gestionar el trabajo de inversión actual.

7. Anillo partido frente a anillo deslizante: cómo explicar claramente la diferencia.

Esta es una trampa clásica en los exámenes y entrevistas, así que vamos a dejarlo muy claro.

• A anillo partido es:
  • Un anillo de cobre cortar en segmentos (normalmente dos en motores de corriente continua simples).
  • Utilizado como conmutador: invierte la dirección de la corriente en los devanados del rotor cada media vuelta.
  • Común en Motores y generadores de corriente continua.
• A anillo colector es:
  • A anillo continuo (sin dividir) utilizado únicamente para transferir potencia/señales a una pieza giratoria.
  • Sí, lo hace. no corriente inversa por sí misma.
  • Común en Generadores de CA, motores de inducción con anillos colectores y sistemas rotativos como turbinas eólicas.

En una línea:

Anillo partido = conmutador, invierte la corriente. Anillo deslizante = conector, transmite la corriente.

• Fáciles ganchos de memoria:
  • “División anillo” → divida las conexiones, invierta la corriente
  • “Resbalón anillo” → dejar pasar la corriente de forma continua
  • División → Motores de corriente continua; Deslizamiento → Máquinas de corriente alterna (en su mayoría)

8. Notas de ingeniería del mundo real: límites de la conmutación mecánica.

Los conmutadores mecánicos, incluidos los de tipo anillo partido, son excelentes, pero no perfectos:

• Sufren de fricción y desgaste donde los cepillos rozan los segmentos de cobre.
• Puede haber chispas y ruido eléctrico, especialmente a alta velocidad o alta corriente.
• Necesitan Mantenimiento periódico y sustitución de cepillos..

Esa es una de las razones por las que muchas unidades modernas ahora utilizan motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) o motores de inducción de CA:

• Los motores BLDC eliminan por completo el conmutador mecánico y lo sustituyen por conmutación electrónica de corrientes en el estator.

Pero en educación, motores básicos de laboratorio, juguetes y accionamientos sencillos de corriente continua, el conmutador de anillo partido sigue siendo la forma más clara y tangible de ver cómo Podemos convertir la electricidad en un movimiento giratorio unidireccional.

• Para recordar el panorama general:
  • Conmutador = “gestor de corriente” del rotor
  • Anillo partido = forma física más simple de ese conmutador en un motor de corriente continua.
  • Su función no es solo conectar, sino también Conectarse en la dirección correcta en el momento adecuado.

9. Resumen rápido

El Función del conmutador de anillo partido en un motor eléctrico (CC) es:

• Invierta la dirección de la corriente en la bobina del inducido cada media vuelta.
• Mantenga el par motor actuando sobre la bobina. una dirección de rotación constante
• Asegúrate de que el motor no solo se balancee hacia adelante y hacia atrás, sino que gire. continuamente
• Proporcionar la conexión eléctrica deslizante entre la fuente de alimentación fija y el inducido giratorio.

Si puedes visualizar ese pequeño anillo de cobre invirtiendo la polaridad de la bobina como un interruptor de luz perfectamente sincronizado, comprenderás más de lo que la mayoría de los párrafos de los libros de texto jamás podrán transmitir.