¿Cómo funciona un conmutador?

Si alguna vez has mirado el diagrama de un motor o generador de corriente continua y has pensado:, “Vale, veo este cilindro de cobre llamado conmutador... pero, ¿qué hace realmente?”.” — estás en el lugar adecuado.

En esencia, un conmutador es un inteligente interruptor mecánico que mantiene alineadas las fuerzas eléctricas y magnéticas para que un motor siga girando en una dirección o un generador suministre energía de corriente continua utilizable. Es un pequeño dispositivo desconocido que convierte ida y vuelta física en unidireccional movimiento o corriente útil. 

• En una frase: Un conmutador es un “interruptor” giratorio de cobre situado en el rotor que invierte la dirección de la corriente en cada bobina en el momento justo para que el par (en los motores) o la corriente de salida (en los generadores) se mantenga en una única dirección útil.
  

1. ¿Qué? es ¿Un conmutador, en serio?

Imagina que estás empujando a alguien en un columpio. Si cambiaras de dirección al azar, el columpio se movería de forma errática. Pero si tú tiempo tus empujones Así siempre avanzas en el momento adecuado y el swing sube cada vez más alto.

El conmutador es el genio de la sincronización dentro de una máquina de corriente continua. Se encuentra en el eje giratorio (inducido) y está fabricado con muchos segmentos de cobre aislados entre sí. A medida que el eje gira, Cepillos fijos de carbono o cobre descansan sobre el conmutador y se conectan naturalmente a diferentes segmentos con el paso del tiempo. Ese simple contacto deslizante es lo que “recablea” silenciosamente el motor o el generador en cada fracción de vuelta. 

• Puedes pensar en el conmutador como:
  
  • A interruptor eléctrico giratorio montado en el rotor.
    
  • Fabricado en múltiples segmentos de cobre, separadas por material aislante (a menudo mica).
    
  • Conectado internamente al bobinados del inducido (cada bobina termina en un par de segmentos).
    
  • Conmovido por cepillos con resorte que transportan corriente entre el inducido giratorio y el mundo estacionario.
    

2. ¿Por qué necesitamos un conmutador en un motor de corriente continua?

Cuando la corriente fluye a través de un conductor colocado en un campo magnético, experimenta una fuerza (hola, regla de la mano izquierda de Fleming). Dentro de un motor de corriente continua:

• El inducido tiene bobinas enrolladas sobre un núcleo de hierro.
  
• Esas bobinas se encuentran en el campo magnético del estator (imanes permanentes o bobinados de campo).
  
• La corriente fluye en direcciones opuestas en lados opuestos de la bobina, generando fuerzas que crean par motor.
  

Aquí está el problema: a medida que gira el rotor, los lados de la bobina se mueven hacia los polos magnéticos opuestos. Si la dirección de la corriente se mantuviera igual en relación con la bobina, el par motor sería cambiar la dirección cada media vuelta, y el rotor simplemente se balancearía hacia adelante y hacia atrás en lugar de girar continuamente. Eso es inútil para un motor.

El conmutador resuelve esto mediante Invertir la corriente en cada bobina del inducido exactamente cuando pasa por la posición neutra., manteniendo el par siempre empujando en la misma dirección de rotación. 

• En un motor de corriente continua, la función del conmutador es:
  
  • Alimentación de corriente continua desde el circuito externo al inducido giratorio a través de las escobillas.
    
  • Invertir la corriente en cada bobina. cada media vuelta (o en el intervalo angular correcto para máquinas multipolares).
    
  • Mantenga el Par electromagnético unidireccional, por lo que el rotor gira suavemente en lugar de oscilar.
    
  • Actuar como Inversor mecánico de corrientes de bobina, sincronizado naturalmente con la posición del rotor.
    

3. Paso a paso: un motor sencillo de dos polos con conmutador.

Imagina el motor de corriente continua más simple posible:

• Una bobina rectangular.
  
• Un conmutador de anillo partido de dos segmentos.
  
• Dos cepillos conectados a una fuente de alimentación de corriente continua.
  
• Un polo estator norte y otro sur.
  

A medida que gira la bobina, el conmutador sigue cambiando qué lado de la bobina se conecta a qué escobilla. Esa es la magia.

• Flujo simplificado de los acontecimientos en una revolución:
  
  • Posición inicial: Un lado de la bobina está bajo el polo norte, el otro bajo el polo sur. Las fuerzas actúan para iniciar la rotación.
    
  • Acercándose a los 90°: El par es máximo; la bobina está en posición horizontal y sigue siendo empujada en la misma dirección de rotación.
    
  • A 90° (plano neutro): Los lados de la bobina no cortan momentáneamente ningún flujo; la EMF inducida es casi cero. En este instante tan conveniente, cada pincel se desplaza al siguiente segmento, lo que efectivamente invierte la corriente en la bobina.
    
  • Más allá de 90°: Los polos de los lados de la bobina se han invertido, pero como la corriente se ha invertido, las fuerzas siguen empujando hacia dentro. misma dirección de rotación como antes.
    
  • Repita: Cada media vuelta, el conmutador repite este truco, manteniendo el motor girando suavemente.
    

4. En un generador de corriente continua: el conmutador como “rectificador mecánico”.”

Da la vuelta a la historia: en lugar de introducir energía eléctrica y obtener rotación, tú empujar el eje mecánicamente y quiero energía eléctrica (generador).

• A medida que las bobinas del inducido giran en el campo magnético, generan un campo electromagnético alterno en cada bobina (primero positiva, luego negativa a medida que la bobina se mueve a través del campo).
  
• Sin un conmutador, los terminales suministrarían corriente alterna.
  
• El conmutador invierte las conexiones de cada bobina con el circuito externo cada media vuelta, por lo que los terminales externos siempre ven la corriente en la misma dirección, convirtiendo eficazmente la CA generada internamente en CC externa.
  

A menudo lo verás descrito como un rectificador mecánico — realiza la misma función conceptual que un puente de diodos, pero con cobre y carbono deslizantes en lugar de silicio. 

• Funciones principales del conmutador en un generador de corriente continua:
  
  • Recoge la corriente desde las bobinas giratorias del inducido a través de las escobillas.
    
  • Inverte las conexiones de la bobina. al circuito externo cada media vuelta.
    
  • Gira el tensión inducida alterna en cada bobina en corriente continua pulsante en las terminales.
    
  • Simplifica el circuito externo: no se necesitan componentes electrónicos en los diseños clásicos, solo cobre y carbono.
    

5. Motor frente a generador: ¿qué cambia para el conmutador?

El hardware es prácticamente idéntico en un motor de corriente continua y en un generador de corriente continua, pero la “dirección de la historia” es inversa.

• Así que, conceptualmente:
  
  • Motor: El conmutador funciona en corriente dentro de las bobinas, lo que hace que el par sea constante.
    
  • Generador: El conmutador funciona en conexiones a la carga, lo que hace que la corriente de salida sea estable en su dirección.
    
  • Los mismos segmentos de cobre, dirección narrativa diferente, mismo truco de inversión subyacente.
    

6. ¿Qué ocurre realmente durante la “conmutación” (la parte sutil)?

En máquinas reales, la conmutación no es un movimiento instantáneo, sino un intervalo corto mientras un cepillo está tocando dos segmentos adyacentes a la vez. Durante ese breve lapso:

• La bobina conectada entre esos dos segmentos es momentáneamente cortocircuitado a través del cepillo.
  
• La corriente en esa bobina tiene que dirección inversa mientras la bobina está en cortocircuito.
  
• Debido a que las bobinas tienen inductancia, resisten los cambios bruscos de corriente, lo que puede provocar chispas y calentamiento si la conmutación es deficiente.
  

Los ingenieros dedican una cantidad sorprendente de esfuerzo a conseguir que esta pequeña parte de la rotación sea perfecta.

• Para mejorar la conmutación, los diseñadores de máquinas utilizan:
  
  • Posición correcta del cepillo: Los cepillos se colocan en el plano neutro magnético, donde el campo electromagnético inducido es mínimo, por lo que la corriente puede invertirse con menos resistencia a la inducción.
    
  • Interpolos (polos conmutadores): Pequeños polos auxiliares colocados entre los polos principales, conectados en serie con el inducido, que producen un campo local que ayuda a invertir la corriente en la bobina en cortocircuito.
    
  • Material adecuado para el cepillo: Los cepillos de carbono/grafito tienen suficientes propiedades de resistencia y fricción para suavizar la conmutación y limitar las chispas.
    
  • Ranuras/armaduras conformadas o sesgadas: Reduce los cambios repentinos en el flujo, suavizando el proceso de conmutación.
    

7. Las desventajas: por qué los conmutadores ya no están en todas partes

Las máquinas clásicas de corriente continua con conmutadores alimentaban trenes, fábricas, los primeros vehículos eléctricos y mucho más. Sin embargo, los sistemas modernos las evitan cada vez más debido a los inconvenientes que conllevan.

Conmutadores:

• Necesidad contacto deslizante, lo que significa desgaste mecánico.
  
• Tenga un caída de tensión a través del contacto del cepillo-conmutador (denominado caída del cepillo), lo que desperdicia energía, algo perjudicial para las máquinas de bajo voltaje y alta corriente.
  
• Chispa si la conmutación no es perfecta o si se acumula polvo/aceite.
  
• Generar ruido electromagnético y puede ser peligroso en atmósferas explosivas debido a las chispas.
  
• Son difíciles de escalar de manera eficiente a potencia nominal muy elevada; las máquinas grandes de corriente continua suelen sustituirse por máquinas de corriente alterna.
  

• Debido a estas limitaciones, a menudo verás:
  
  • Motores de inducción y síncronos de CA en grandes accionamientos industriales en lugar de motores gigantes de corriente continua con conmutador.
    
  • Motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) En ventiladores, drones, vehículos eléctricos y discos duros, utilizan interruptores electrónicos (transistores) para hacer lo que antes hacía mecánicamente el conmutador.
    
  • Mayor vida útil y menos mantenimiento, ya que el “conmutador” ahora es electrónica de estado sólido, no segmentos de cobre rozando bajo los resortes.
    

8. En un último suspiro...

Un conmutador no es solo un cilindro de cobre que los ingenieros colocan en un motor porque así lo dicen los libros de texto. Es un dispositivo perfectamente sincronizado. interruptor giratorio que:

• En motores, mantiene el par motor empujando en la misma dirección invirtiendo las corrientes de la bobina en el ángulo preciso.
  
• En generadores, endereza una salida de armadura que alterna naturalmente en corriente continua para el mundo exterior.
  
• Todo esto con nada más que cobre, carbono, resortes y geometría.
  

Una vez que lo veas como un Coreografía sincronizada entre bobinas, imanes y contactos deslizantes., cada corte transversal de motor o generador de corriente continua cobra sentido de repente, y ese misterioso tambor de cobre deja de ser misterioso por completo.