¿Cómo invierte la corriente un conmutador de anillos partidos?

A conmutador de anillo partido invierte la corriente actuando como un interruptor giratorio temporizado: cada media vuelta (180°), cada extremo de la bobina del inducido cambia el cepillo que toca, por lo que la polaridad de alimentación que ve la bobina se invierte, mientras que la polaridad que ve el circuito externo permanece constante. Ese es todo el truco.

La idea central: un cambio mecánico de polaridad.

Olvídate por un momento de la línea de examen y considéralo como un dispositivo muy sencillo: dos semianillos de cobre en el eje, separados por un espacio aislante, con cepillos fijos que presionan sobre ellos. Los semianillos giran con la bobina. Los cepillos no.

Cada semianillo está conectado de forma permanente a un extremo de la bobina. Las escobillas están conectadas de forma permanente a la fuente de alimentación de CC. A medida que gira el rotor, las escobillas se deslizan de un semianillo al otro. En un ángulo determinado, cada escobilla cruza el espacio y cambia el semianillo (y, por lo tanto, el extremo de la bobina) al que está conectada. Ese intercambio es la inversión de corriente en la bobina. Los libros de texto resumen esto en una sola frase: “El conmutador de anillo partido invierte la corriente cada media vuelta para mantener el par en la misma dirección”.”

En otras palabras, el conmutador no genera nada inteligente. Simplemente sigue reconectando los mismos dos extremos de la bobina a las mismas dos escobillas en ángulos muy específicos.

Dos puntos de vista: cepillos frente a bobinas

Lo confuso es que la “dirección de la corriente” depende de quién pretendas ser.

Desde el punto de vista de las escobillas y la fuente de alimentación de CC, no ocurre nada especial. Una escobilla es “siempre” positiva y la otra “siempre” negativa. Permanecen inmóviles. La corriente sale del terminal positivo, pasa por la bobina por alguna ruta y vuelve al terminal negativo. Aquí no hay alternancia; el circuito externo siempre ve una polaridad fija.

Desde el punto de vista de los conductores de la bobina (AB y CD en los diagramas estándar), la vida es diferente. A medida que gira el conmutador, el conductor que antes estaba en el lado “positivo” de la bobina se conecta al cepillo negativo, y el que antes estaba en el lado “negativo” se conecta al cepillo positivo. Por lo tanto, dentro del marco giratorio, la corriente que pasa por AB y CD cambia de dirección cada media vuelta.

El mismo hardware. Dos descripciones. Esa discrepancia en la descripción es la causa de gran parte de la confusión en los exámenes.

Sincronización: por qué el giro se produce a 90° o 180° en los diagramas.

En el diagrama escolar estándar, la bobina está en posición horizontal cuando el par es máximo y en posición vertical cuando el par cambiaría naturalmente de signo. Si se dejara sola, la fuerza magnética a cada lado de la bobina se invertiría al pasar por esta posición vertical, y el motor vacilaría o incluso se detendría.

El conmutador está construido de manera que las escobillas crucen los espacios justo alrededor de esta posición “peligrosa”. Durante ese breve instante, el contacto es deficiente o casi nulo; la bobina queda efectivamente en circuito abierto. Cuando la bobina se desplaza ligeramente más allá de la posición vertical, cada escobilla aterriza en el semianillo opuesto. Ahora la corriente que atraviesa la bobina se ha invertido, por lo que la fuerza en cada lado de la bobina también se invierte. En lugar de arrastrar la bobina hacia atrás, la empuja en la misma dirección de rotación.

Por lo tanto, la secuencia durante media vuelta es aproximadamente:

La bobina se aproxima a la vertical, la corriente sigue fluyendo en su dirección original y el par motor disminuye. Cerca de la vertical, el contacto casi se rompe; el par motor es mínimo de todos modos, por lo que esa breve pérdida no importa. Justo después de la vertical, la corriente reaparece, invertida en la bobina. El par motor vuelve a aumentar, empujando ahora la bobina en el sentido de rotación original.

En sentido estricto, los motores reales suelen tener muchos segmentos y bobinas, por lo que la transición es más suave que en esta caricatura. Pero el principio es el mismo.

Un mapa compacto de lo que está cambiando

Ayuda a determinar qué cambia de signo y qué no. Trate AB y CD como los dos lados activos de la bobina y suponga un campo simple de dos polos.

Las etiquetas de dirección (A → B, etc.) son solo una elección contable. La clave es que:

El cepillo que es “positivo” en el circuito mantiene su signo. El lado de la bobina que “sube” siempre transporta corriente en la dirección necesaria para crear una fuerza ascendente, aunque la corriente en esa pieza concreta de cobre se haya invertido en comparación con media vuelta antes.

Ese es todo el juego: reasignar qué conductor físico está conectado a cada escobilla, de modo que las fuerzas se mantengan constantes aunque el rotor haya girado media vuelta.

¿Por qué esto mantiene el par motor unilateral?

Si se escribe la fuerza magnética en un conductor recto como F = I L × B, el signo del par depende del signo de I en cada lado activo. Sin un conmutador, tras media revolución, la geometría se invierte, por lo que la misma corriente produciría ahora un par en la dirección opuesta.

Al invertir la corriente en cada conductor exactamente cuando cambia la geometría, el producto “signo de la geometría × signo de la corriente” permanece igual. En las notas didácticas básicas, esto suele expresarse como “El conmutador de anillo dividido invierte la corriente cada media vuelta para que la bobina siga girando en la misma dirección”.”

Por lo tanto, el conmutador no aumenta el par motor. Simplemente evita que el par motor cambie de signo. Muy común, muy útil.

Conexión a generadores de corriente continua: el mismo mecanismo, pero a la inversa.

En un motor de corriente continua, se alimenta con corriente continua y se obtiene rotación mecánica; el conmutador invierte la corriente interna para mantener fija la dirección del par.

En un generador de corriente continua, la física se invierte. La bobina giratoria en el campo crea una fuerza electromotriz inducida que alterna de forma natural. Si se deja tal cual, con anillos colectores, se obtendría una salida de corriente alterna. Si se sustituyen los anillos colectores por un conmutador de anillos divididos, ahora, justo cuando la fuerza electromotriz inducida en la bobina cambia de signo, las conexiones a las escobillas externas también se intercambian, por lo que el circuito externo sigue viendo una salida unidireccional.

Dentro de la bobina, la fuerza electromotriz inducida es CA. En los cepillos, tras la conmutación mecánica, la salida es una forma de onda rectificada, siempre del mismo signo. Por lo tanto, en un generador, el conmutador no “invierte la corriente en la bobina” por motivos de par, sino que “invierte qué extremo de la bobina está conectado a qué cepillo” para ordenar la salida.

El mismo hardware, pero con una función diferente. Esto no suele destacarse, pero ayuda a que la idea parezca menos arbitraria.

Anillo deslizante frente a anillo partido: ¿por qué molestarse en partirlo?

Un anillo colector continuo es un contacto giratorio sencillo que se utiliza cuando no se desea que cambie la polaridad tal y como se ve desde la parte giratoria: por ejemplo, para transferir energía o señales a una antena giratoria, un rotor de CA o un plato giratorio. Es simplemente un anillo.

Un anillo partido es un anillo cortado en dos mitades aisladas, cada una de las cuales está conectada a un extremo diferente del inducido. Al estar cortado, cada escobilla puede deslizarse de una mitad a otra a medida que gira el eje. Ese deslizamiento provoca el intercambio periódico de conexiones y, por lo tanto, la inversión efectiva de la corriente en el inducido, que es lo que necesitan los motores y generadores de corriente continua.

Por lo tanto, la “división” no es estética. Incrusta la sincronización en metal sólido.

Puntos comunes de confusión

Muchos estudiantes confunden cuatro afirmaciones ligeramente diferentes. Trátalas como si fueran independientes:

“La corriente en el circuito externo es continua”. Esto es cierto para un motor de corriente continua o un generador de corriente continua con un anillo dividido; las escobillas ven una polaridad fija, aunque la forma de onda puede ondularse.

“La corriente en cada conductor del inducido se invierte cada media vuelta”. Es cierto como descripción en el bastidor del rotor; cambia qué conductor está conectado a qué escobilla.

“El conmutador invierte la dirección de la corriente en la bobina cada media revolución”. Un eslogan didáctico conciso, que suele referirse al rotor.

“El conmutador invierte la dirección del par cada media revolución”. No es correcto; evita que el par se invierta cambiando la polaridad de la bobina en el momento adecuado.

Mezclar ambos conceptos da lugar a frases vagas como “mantiene el motor en marcha”, sin un mecanismo claro detrás. Una vez que se separan ambos puntos de vista, la lógica se vuelve menos misteriosa.

Las peculiaridades del mundo real que oculta el sencillo diagrama.

Los motores reales rara vez utilizan un solo bucle y dos segmentos de conmutador. Utilizan muchas bobinas espaciadas alrededor del inducido, con muchas barras de conmutador. Eso distribuye el ángulo de conmutación, haciendo que la corriente y el par sean más uniformes. En cualquier instante, algunas bobinas están entrando en la región activa, otras están en el par máximo y otras están siendo conmutadas. Se aplica la misma regla básica de conmutación cada 180° por bobina, pero el efecto se promedia.

Los cepillos suelen ser de carbono y presentan resistencia de contacto, formación de arcos eléctricos y desgaste. La imagen idealizada de los libros de texto, en la que el contacto es nulo exactamente en la vertical, es en realidad una transición gradual en un ángulo pequeño. A los ingenieros les preocupa esto, pero las preguntas de los exámenes no suelen hacerlo.

Los diseñadores también pueden desplazar ligeramente la posición del cepillo alejándolo del plano neutro geométrico ideal para compensar la reacción del inducido en máquinas más grandes. Esto cambia el ángulo exacto en el que se produce la inversión, pero mantiene la misma regla subyacente: cambiar cuando los conductores se encuentran en una región donde la fuerza electromotriz inducida es pequeña, de modo que la conmutación sea más limpia.

Un breve resumen

Un conmutador de anillo partido es simplemente un anillo deslizante con un corte cuidadosamente colocado y dos escobillas en contacto. A medida que gira el rotor, ese corte hace que cada escobilla cambie el extremo de la bobina que toca cada media vuelta. Visto desde fuera, la polaridad en los terminales permanece fija. Visto desde dentro del rotor, la corriente en los conductores sigue cambiando para adaptarse a su posición cambiante en el campo, por lo que el par motor en el eje sigue empujando en la misma dirección.