¿Cómo funciona un conmutador en un motor de corriente continua? 

Si alguna vez te has quedado mirando un diagrama de un motor de corriente continua y has pensado:, “Vale, pero ¿qué hace realmente esa barra de cobre?” — Esto es para ti.

La mayoría de los artículos dicen: “A conmutador invierte la corriente cada media vuelta para que el motor siga girando”.” Es cierto... pero eso es como decir “Los pulmones te ayudan a respirar”.” y quedarse ahí. En esta guía, veremos paso a paso qué es el conmutador, qué problema resuelve y qué ocurre en las bobinas milisegundo a milisegundo. — de una manera que puedas visualizar.

También echaremos un vistazo a problemas reales de ingeniería, como las chispas, la reacción del inducido y cómo los diseñadores los solucionan.

• TL;DR — La respuesta en 10 segundos
  • Un motor de corriente continua tiene una bobina (inductor) en un campo magnético.
  • La corriente en la bobina crea fuerzas que intentan torcerla (par). 
  • Cada media vuelta, la bobina “contrarrestaría” naturalmente y revertiría el par, a menos que también se invirtiera la corriente.
  • El conmutador es un interruptor giratorio de cobre situado en el eje que, junto con el cepillos, cambia automáticamente qué lado de la bobina está conectado al + y al – cada media vuelta. 
  • Esto mantiene el par motor en el misma dirección, por lo que el rotor no se detiene ni vibra, sino que sigue girando.

1. Repaso rápido: ¿Qué hace realmente un motor de corriente continua?

En esencia, un motor de corriente continua es simplemente un Conductor que transporta corriente en un campo magnético.. Según la fuerza de Lorentz, un conductor con corriente (I) en un campo magnético (B) siente una fuerza lateral, y si ese conductor forma parte de un bucle, esas fuerzas se convierten en un par que intenta girar el bucle. 

Dentro de un motor de corriente continua cepillado típico, se encuentra:

• A estator que proporciona el campo magnético (imanes permanentes o bobinas de campo).
• A rotor/inducido que conduce la corriente y realmente gira.
• A conmutador + escobillas que actúan como un interruptor de inversión automático, sincronizado con la posición del rotor. 

La magia está en el rotor. nunca tiene la oportunidad para empujar hacia atrás: el conmutador “da la vuelta al guion” justo a tiempo.

• Las piezas clave del motor de un vistazo
  • Estator – Parte fija, sostiene los imanes/bobinados de campo que crean el campo magnético principal. 
  • Rotor (inducido) – Núcleo de hierro giratorio con bobinados de cobre; aquí es donde se produce el par motor.
  • Conmutador – Anillo de cobre segmentado en el eje del rotor; conecta las bobinas del inducido con el exterior e invierte la corriente en los momentos adecuados. 
  • Cepillos – Bloques conductores fijos (grafito/carbono o cobre) que presionan el conmutador, llevando la corriente hacia dentro y hacia fuera. 

2. Conozca el conmutador: el “interruptor giratorio” mecánico del motor.”

El conmutador es Literalmente, un interruptor mecánico envuelto alrededor del eje..

Está construido como un Anillo cilíndrico compuesto por muchos segmentos de cobre., cada segmento aislado de los demás (y del eje) por finas capas de mica. Cada segmento está conectado al extremo de una bobina del inducido. 

A medida que gira el rotor, cepillos fijos se colocan sobre este cilindro como zapatos en una cinta de correr. No se mueven alrededor del eje; el conmutador se desliza por debajo de ellos. Al elegir donde esos segmentos se dividen y cómo están conectados a las bobinas, nos aseguramos de que La bobina que está a punto de pasar por la “zona muerta” tiene sus conexiones intercambiadas. — El signo más y el signo menos cambian efectivamente de lado.

• ¿Qué hace que un conmutador sea... un conmutador?
  • Anillo de cobre segmentado: múltiples barras de cobre en forma de cuña que forman un cilindro en el eje. 
  • Aislamiento: mica o material similar entre los segmentos y entre el anillo y el eje, para que los segmentos no se cortocircuiten entre sí. 
  • Conexión a bobinas: cada segmento está conectado a un extremo de una bobina de inducido; el patrón de conexiones determina cómo fluye la corriente a través de los devanados. 
  • Contacto deslizante con escobillas: los cepillos se presionan con una fuerza elástica cuidadosamente ajustada para mantener el contacto, pero limitar el desgaste y las chispas. 

3. El verdadero problema que resuelve el conmutador

Imagina un motor sencillo de un solo bucle: una bobina rectangular situada entre dos polos magnéticos.

Cuando un lado de la bobina está bajo el polo norte y el otro bajo el polo sur, las fuerzas en los dos lados empujan en direcciones opuestas, creando un par que hace girar la bobina. Genial. Pero ahora imagina que la bobina ha girado. media vuelta (180°).

• Sin tocar las conexiones, la dirección de la corriente en la bobina con respecto al campo sigue siendo la misma.
• Pero la bobina orientación se invierte.
• Eso significa que las fuerzas de cada bando dirección inversa — tu “empuje” se convierte en un “tirón” y el motor intentaría avanzar hacia atrás o calarse.

Para evitar eso, queremos que el corriente en la bobina para girar exactamente cuando la bobina haya girado 180°. Si invertimos la corriente al mismo tiempo que la bobina cambia de posición, las fuerzas siguen apuntando en la misma dirección física, y el par motor sigue ayudando a la rotación en lugar de contrarrestarla. 

Esa es exactamente la función de sincronización que realizan el conmutador y las escobillas.

• Sin y con conmutador
  • Sin:
    • La bobina supera los 90°... el par motor disminuye.
    • A 180°, las fuerzas se invierten e intentan empujar el rotor hacia atrás.
    • Resultado: oscilación o bloqueo, no rotación continua. 
  • Con un conmutador:
    • Justo cuando el par motor se invierte, se intercambian las conexiones.
    • La corriente en la bobina se invierte; las direcciones de la fuerza magnética siguen siendo útiles.
    • Resultado: par suave y unidireccional y rotación continua. 

4. Una vuelta completa: qué hace el conmutador en cada ángulo

Veamos una revolución completa de un motor de corriente continua muy sencillo con un conmutador de anillo partido de dos segmentos.

Supondremos que:

• Dos cepillos: uno conectado al + y otro al –.
• Una bobina rectangular, cuyos extremos están conectados a las dos mitades de cobre del conmutador.

Posiciones del rotor frente a la acción del conmutador

En realidad, las máquinas de corriente continua utilizan muchos segmentos y muchas bobinas, por lo que el par motor es mucho más suave que lo que muestra esta imagen tan simplificada. 

• Cómo imaginarlo en tu cabeza (sin necesidad de diagramas)
  • Imagina la bobina como un rectángulo: lado izquierdo y lado derecho.
  • En 0°, El lado izquierdo está bajo el polo norte, el lado derecho bajo el polo sur. La corriente entra por el lado izquierdo y sale por el lado derecho:
    • Se empuja el lado izquierdo. abajo, se empuja el lado derecho arriba → par en sentido horario.
  • Cuando la bobina alcanza vertical (90°), está en el borde del campo, por lo que las fuerzas disminuyen; este es un punto natural de “par cero”.
  • En casi 180°, la bobina intentaría ahora producir un par en sentido contrario...
    • Pero Justo antes de eso, los segmentos del conmutador intercambian las escobillas: lo que antes estaba conectado a + ahora está en –, y viceversa. 
  • Ese cambio significa que la dirección de la corriente en la bobina se invierte, por lo que las fuerzas siguen actuando en la dirección de rotación original.

Prueba esto: dibuja un rectángulo, marca la dirección actual en los lados, luego gira el papel y voltea las flechas actuales cuando la bobina pase a la posición “vertical”. Eso es básicamente lo que hace mecánicamente el conmutador.

5. Ampliación: el intervalo de conmutación y la chispa

La acción realmente interesante ocurre durante el breve instante en que un cepillo está unir dos segmentos del conmutador a la vez.

En ese instante:

• La bobina conectada entre esos dos segmentos es efectivamente cortocircuitado por el cepillo.
• La corriente en esa bobina debe invertirse de +I a –I durante este breve “período de conmutación”. 
• Debido a que la bobina tiene inductancia, no le gusta cambios bruscos en la corriente, por lo que su propio campo electromagnético inducido puede contrarrestar la inversión.

Si la corriente no se invierte completamente en el momento en que el segmento abandona el cepillo, obtenemos subcomutación — la antigua dirección de la corriente sigue estando parcialmente presente. Esa discrepancia produce chispeante en la interfaz entre el cepillo y el conmutador, calienta el cobre y lo desgasta. 

Un buen diseño del conmutador y una buena colocación de las escobillas intentan garantizar que:

• La bobina conmuta cuando está cerca del Eje neutro magnético (donde el flujo neto es mínimo), por lo que la FEM inducida y el cambio de corriente requerido son menores. 
• El momento del contacto mecánico se alinea con la necesidad eléctrica de inversión.

• Factores que dificultan la conmutación (y provocan chispas)
  • Alta corriente e inductancia en la bobina → más energía para voltear, mayor campo electromagnético inducido que resiste el cambio. 
  • Plano neutro magnético desplazado debido a la reacción del inducido (el propio campo del inducido distorsiona el campo principal). 
  • Posición incorrecta del cepillo (no alineado con el eje neutro a la carga de funcionamiento).
  • Presión de contacto del cepillo insuficiente – Demasiado ligero: contacto inestable y chispas; demasiado pesado: desgaste y calentamiento excesivos. 
  • Superficie del conmutador sucia o rugosa, lo que hace que la transferencia de corriente sea irregular.

6. Cómo los diseñadores ayudan al conmutador a hacer su trabajo

A medida que las máquinas de corriente continua se hacían más grandes y soportaban cargas más pesadas, los ingenieros tuvieron que ingeniárselas para mantener la conmutación bajo control.

Utilizan varios trucos:

1. Interpolos (polos conmutadores) Pequeños polos auxiliares colocados entre los polos principales, energizados para crear un campo magnético local que ayuda a que la corriente en la bobina de conmutación se invierta más suavemente. 
2. Bobinados compensadores Bobinados adicionales incrustados en las caras de los polos, que transportan corriente proporcional a la corriente del inducido. Estos cancelan gran parte del propio campo del inducido (reacción del inducido), manteniendo estable el eje neutro en todas las condiciones de carga. 
3. Material del cepillo optimizado Las escobillas de carbón son populares porque:
   • Se desgasta más rápido que los segmentos de cobre (sacrificable, más fácil de reemplazar).
   • Tienen una mayor resistencia, lo que limita ligeramente los picos de corriente durante la conmutación. 
4. Muchos segmentos pequeños del conmutador Más segmentos significan más bobinas en serie alrededor de la circunferencia y cambios más pequeños en la corriente por bobina, lo que suaviza el par y hace que cada paso de conmutación sea menos violento. 

• Normas prácticas de diseño y mantenimiento que se utilizan habitualmente en este campo.
  • Conservar cepillos correctamente colocados en relación con el plano neutro para su carga operativa típica.
  • Monitor desgaste del cepillo, temperatura y color del conmutador; los patrones inusuales suelen indicar problemas de conmutación. 
  • Utilice el material adecuado para el cepillo para sus niveles de voltaje y corriente (por ejemplo, carbono frente a cobre). 
  • Para motores industriales de CC de alta potencia, considere interpolos y bobinados compensadores esencial, no opcional. 

7. Conmutador frente a sin escobillas: por qué esta antigua tecnología sigue siendo importante

Los sistemas modernos utilizan cada vez más corriente continua sin escobillas (BLDC) y otros motores conmutados electrónicamente. En ellos, los interruptores semiconductores desempeñan la función de conmutador, accionados por un controlador que conoce la posición del rotor (a través de sensores o fuerza contraelectromotriz). 

Sin embargo, los motores de corriente continua con escobillas y conmutadores siguen siendo muy relevantes porque:

• Fácil de controlar (solo hay que aplicar voltaje de CC).
• Barato de fabricar.
• Ideal para aplicaciones de potencia baja a media y sensibles al coste (juguetes, herramientas eléctricas, pequeños electrodomésticos).

En esos motores, el El conmutador mecánico es, literalmente, el “controlador de cobre y carbono”.” — Incorpora la lógica de conmutación en el hardware.

• Motor de corriente continua con conmutador vs motor CC sin escobillas: comparación rápida
  • Conmutador (CC con escobillas):
    • Conmutación mecánica (conmutador + escobillas).
    • Más mantenimiento: desgaste de las escobillas, limpieza del conmutador.
    • Electrónica de accionamiento muy sencilla (puede ser tan simple como una batería + interruptor). 
  • CC sin escobillas:
    • Conmutación electrónica (inversor + controlador).
    • Sin cepillos → menos mantenimiento, mayor vida útil, a menudo mayor eficiencia. 
    • Electrónica más compleja y costosa, pero con enormes ventajas en cuanto a rendimiento y fiabilidad.

8. Poniendo todo en común

Si dejamos de lado la jerga técnica, un conmutador en un motor de corriente continua es un inversor de polaridad automático y sincronizado con precisión.

• Se encuentra en el eje del rotor como un cilindro de cobre dividido en segmentos aislados.
• Los cepillos se desplazan sobre él, alimentando con corriente continua un rotor cuyas bobinas se mueven constantemente bajo los polos magnéticos.
• A medida que cada bobina pasa por la posición en la que el par se invertiría, el conmutador cambia silenciosamente qué segmento toca qué escobilla, de modo que La dirección de la corriente en esa bobina cambia exactamente cuando cambia su geometría.. 
• En lo más profundo de ese momento, la conmutación es una carrera entre la inductancia, el campo electromagnético inducido y el diseño inteligente del motor; cuando se hace bien, lo único que se ve es un eje que gira suavemente.