Cómo fabricar un conmutador (que realmente funcione en un motor real)
Si te importa que el motor sobreviva más allá de una demostración de laboratorio, haz un conmutador se trata principalmente de controlar la geometría, el cobre, la mica y la variación del proceso lo suficientemente bien como para que los pinceles se comporten tal y como tus ecuaciones ya suponen que lo harán. Todo lo demás es decoración.
Índice
Lo que cubren la mayoría de las guías, y lo que omiten.
Si buscas, encontrarás principalmente dos tipos de material.
El primer tipo muestra un motor de nivel escolar en el que el “conmutador” es una lámina metálica colocada sobre un lápiz, o un par de semianillos de aluminio pegados con cinta adhesiva a una espuma. Gira brevemente y sirve para enseñar la idea. Apenas dice nada sobre la excentricidad, el paso de la barra o la interacción entre los cepillos.
El segundo tipo es industrial: notas sobre el paso de segmentos, grados de mica, relaciones de diámetro, socavación y mantenimiento. Son útiles, pero están redactadas como listas de comprobación y fórmulas, no como una historia de cómo se pasa realmente del diseño a una producción fiable.
Este artículo llena el vacío entre ambos: ya conoces la teoría y la documentación; ahora quieres las decisiones subjetivas que se encuentran en el espacio gris entre “diseñado” y “funciona realmente”.
Empieza con la máquina, no con el cobre.
Es tentador abrir CAD y dibujar un conmutador alrededor del tamaño de eje y cubo que hayas heredado. Un pedido mejor es más silencioso.
Piensa primero en el sistema de escobillas: material, número de brazos, presión del resorte y densidad de corriente admisible. El conmutador es simplemente la superficie que hace que esas escobillas funcionen correctamente.
Los textos de diseño indican que el diámetro del conmutador suele oscilar entre el sesenta y el ochenta por ciento del diámetro del inducido, con una velocidad periférica a la velocidad de trabajo mantenida por debajo de unos quince metros por segundo. El paso de los segmentos se mantiene por encima de unos pocos milímetros, de modo que se dispone de un ancho de barra utilizable más mica entre las barras.
Ya conoces las fórmulas; lo útil es partir de tu peor punto operativo y preguntarte: a esa velocidad, con esa corriente y con ese cepillo, ¿cuál es el diámetro y el paso de segmento más pequeños que aún proporcionan una huella tolerable y un margen de calentamiento aceptable? Esa respuesta, y no el dibujo más bonito, te da tu geometría de primera pasada.
Geometría que decide silenciosamente si los pinceles viven o mueren.
Un conmutador que “parece estar bien” puede seguir siendo hostil.
El número de segmentos está directamente relacionado con el número de bobinas del inducido y con la ondulación. Por lo general, no se dispone de total libertad en este aspecto, pero sí se suele tener libertad en cuanto al diámetro y la longitud axial. Un diámetro ligeramente mayor con un número de segmentos ligeramente menor puede relajar las restricciones del paso de los segmentos, pero entonces aumenta la velocidad superficial y la película del cepillo se comporta de forma diferente. Una longitud axial muy corta mantiene la máquina compacta, pero obliga a aumentar la densidad de corriente por pista de cepillo.
Visto desde el extremo, cada barra es una cuña, más gruesa en el radio exterior, separada por aislamiento. Esa forma de cuña no es solo una tradición; proporciona más cobre donde el cepillo realmente limpia, dejando espacio para la mica en la raíz.
La inclinación y el escalonamiento también son importantes. Pequeños trucos mecánicos, como escalonar los brazos de las escobillas entre segmentos o elegir una ligera inclinación en la pila de barras durante la fabricación, pueden suavizar la conmutación para cargas difíciles. Estos trucos rara vez aparecen en la documentación breve; surgen cuando alguien ha quemado varios juegos de escobillas y está cansado de ello.
Materiales: cobre, mica, plásticos y las verdaderas compensaciones.
Los conmutadores más serios siguen utilizando barras de cobre de alta conductividad y gran dureza separadas por mica. La mica aparece dos veces: en forma de finas “micas segmentadas” entre las barras y en forma de anillos o manguitos moldeados separados que aíslan la pila del cubo.
En los diseños semoplásticos más recientes, a menudo se ve una carcasa de plástico que soporta las barras, láminas de mica entre los segmentos y un casquillo metálico para el eje. Estas arquitecturas responden a una mayor velocidad, un bastidor más pequeño o unos objetivos de coste más agresivos.
El trabajo del ingeniero no es repetir “utiliza mica y cobre”, sino preguntarse: ¿qué grado de cobre se adapta a nuestras necesidades y al flujo de fabricación?; ¿qué grosor de mica mantiene el paso del segmento dentro de las especificaciones y aún así permite un corte limpio?; ¿qué material de la carcasa puede soportar el ajuste a presión, el curado y la temperatura de funcionamiento sin deslizarse?.
Incluso el grado del cepillo influye en esto. Un cepillo más abrasivo puede tolerar un cobre ligeramente más blando y ayudar a mantener el estado de la superficie, pero con el tiempo reducirá la longitud axial. Un cepillo blando sobre cobre duro puede producir un desgaste menor, pero no perdona el descentramiento.
Resumen de las decisiones clave sobre el conmutador
Aquí tienes una forma compacta de mantener los controles principales a la vista mientras diseñas o revisas una construcción.
| Área de decisión | Rango o patrón típico | Lo que realmente te aporta | Donde te duele |
|---|---|---|---|
| Diámetro frente a diámetro de la armadura | Aproximadamente entre 0,6 y 0,8 del diámetro del inducido, con una velocidad periférica mantenida por debajo de aproximadamente 15 m/s a la velocidad nominal. | Proporciona una huella razonable para los cepillos y una velocidad superficial manejable para la formación de la película y el calentamiento. | Si es demasiado pequeño, la huella del cepillo se reduce y se producen picos de calentamiento; si es demasiado grande, aumentan la velocidad superficial y la tensión mecánica, especialmente en caso de exceso de velocidad. |
| Paso del segmento y anchura de la barra | Paso del segmento de al menos unos 4 mm en muchos diseños industriales; anchura de la barra elegida para que coincida con la anchura del cepillo y el grosor de la mica. | Suficiente cobre bajo el cepillo para distribuir la corriente y tolerar una ligera desalineación; suficiente mica para mantener la robustez mecánica. | Un paso pequeño aumenta la dificultad de aislamiento y el riesgo de socavamiento; un paso excesivo limita el número de segmentos u obliga a utilizar un diámetro sobredimensionado. |
| Grado y espesor de la mica | Segmento de mica delgada entre barras, anillos de mica moldeados para aislamiento del suelo; espesor ajustado al proceso de conformado y socavado. | Aislamiento estable a temperatura y presión de funcionamiento; el socavado limpio proporciona un paso libre para las escobillas y ayuda a evitar el astillamiento de los bordes. | Si es demasiado grueso, se produce un bloqueo de la barra y un socavado; si es demasiado fino, se corre el riesgo de que se produzcan fugas entre el cobre y el cobre o la ruptura de la mica. |
| Diseño de la carcasa/el cubo | Cubo de acero con pila prensada o carcasa de plástico para diseños semoplásticos. | Define la rigidez mecánica y cómo se ubican los segmentos bajo carga; las carcasas plásticas ayudan con el peso y la integración. | Una elección inadecuada de la carcasa provoca crecimiento, grietas o movimiento de las barras durante el curado o el funcionamiento; la reparación se vuelve difícil. |
| Profundidad y acabado del socavado | Mica rebajada por debajo de la superficie de la barra en una fracción de milímetro, con paredes limpias y un ligero bisel en los bordes de la barra. | Garantiza que los cepillos se deslicen completamente sobre el cobre y se desgasten de manera uniforme, reduce la formación de arcos eléctricos y las astillas de mica dispersas. | Si es demasiado superficial, los cepillos se deslizan sobre la mica; si es demasiado profunda, se debilita el soporte de los bordes de la barra y se favorece el astillamiento o la acumulación de carbono. |
Puede considerar esta tabla casi como una comprobación mental previa al vuelo: si alguna columna le parece extrema para su diseño, espere pagar por ello más adelante en forma de desgaste de los cepillos o mantenimiento del conmutador.
Flujo de fabricación industrial, sin el tono del folleto.
A escala de producción, fabricar un conmutador no es una tarea única, sino una cadena de pequeñas operaciones en las que todas pueden salir ligeramente mal.
La tira de cobre se perfora o se mecaniza en segmentos en forma de L o V que formarán las barras y los elevadores. Las láminas aislantes se perforan para que coincidan, normalmente con una longitud adicional deliberada para que sobresalgan ligeramente por el lado del elevador, de modo que el aislamiento no quede al ras y sea vulnerable.
Esos segmentos y piezas de mica se apilan en una carcasa de acero o plástico, a menudo en una herramienta que garantiza el espaciado y la redondez de las barras. La pila se prensa, a veces se moldea con resina, y se cura para que todo se convierta en una unidad compacta alrededor del cubo.
Después del curado, la superficie exterior se gira hasta alcanzar el diámetro deseado en un torno o una máquina específica. Ahora tiene algo que se parece a un conmutador, pero aún no está terminado. La mica entre las barras se recorta a una profundidad controlada para que las escobillas solo rozan el cobre. Los documentos sobre mantenimiento describen varios métodos para este recorte: recortadores tipo sierra, herramientas de eje flexible y métodos manuales. Todos comparten el mismo objetivo: eliminar la mica entre las barras sin astillar el cobre y dejando ranuras limpias y rectas.
A continuación, se biselan ligeramente los bordes de las barras, se pule ligeramente la superficie con un abrasivo fino y se comprueba el descentramiento. Los operarios con experiencia le recordarán que debe limpiar cualquier resto de polvo de cobre entre las barras después del torneado y el socavado, ya que dejar puentes de polvo conductores frustra todo el propósito.
En todo esto, la habilidad sutil reside en los accesorios, el tratamiento térmico y la manipulación. Una pila teóricamente perfecta que se deforma durante el curado o se desforma con las abrazaderas nunca se puede corregir por completo; se perseguirá el descentramiento para siempre.
Construcción de un conmutador de banco único (cuando no se trata de una fábrica)
Si estás creando un prototipo de un pequeño motor de corriente continua en el banco de pruebas, obviamente no vas a instalar una línea completa de conmutadores. Aun así, puedes aprovechar su lógica.
Los motores sencillos para enseñanza suelen fabricar el conmutador pegando placas estrechas de cobre alrededor de una clavija de madera, cada placa doblada para seguir parte de la circunferencia. Siempre que las placas no entren en contacto eléctrico y la superficie sea razonablemente redonda, esto funciona para trabajos ligeros.
Otro método habitual consiste en utilizar un trozo corto de tubo o conector de cobre, cortarlo y dividirlo en dos o más piezas arqueadas que se deslizan sobre un núcleo aislado para formar múltiples segmentos. En algunas construcciones a nivel escolar se utilizan semianillos de papel de aluminio pegados con cinta adhesiva a espuma o a un lápiz como sustituto rápido.
Puedes tomar estas ideas y acercarlas un poco más a la práctica profesional sin complicarte demasiado la vida. Utiliza un material base bueno y estable en lugar de madera aleatoria. Asegúrate de que los segmentos se asienten contra un diámetro constante para que la excentricidad no sea excesiva. Mecaniza o lija los segmentos ensamblados en un torno o una plantilla hasta que la superficie sea concéntrica con el eje. Deja pequeños espacios aislantes que luego podrás limpiar con una hoja de sierra fina o una lima delgada para imitar el socavado.
La primera vez no quedará perfecto. No pasa nada. Lo importante es que trates la concentricidad, el aislamiento de segmentos y el estado de la superficie como aspectos innegociables, incluso en un prototipo “rápido”.
Control de procesos: donde fallan la mayoría de los conmutadores
Una vez que los motores están en servicio, las guías de mantenimiento hablan sin cesar sobre los mismos temas: condición de socavado, bruñido de la superficie y patrón de contacto del cepillo.
El socavado no es un proceso único; la mica es más dura que el cobre y no se desgasta tan rápidamente. Si nunca se restablece el hueco, las escobillas acabarán deslizándose sobre la mica, formando un arco y desgastándose considerablemente. Las directrices industriales recomiendan realizar inspecciones periódicas y, cuando sea necesario, volver a socavar con herramientas controladas y luego volver a biselar los bordes de la barra.
El estado de la superficie también dice mucho. Una superficie lisa, con un tono grafito y marcas de pincel uniformes, sugiere que la geometría, los materiales y el proceso están bien alineados. Las bandas, las rayas gruesas o el cobre que se desprende del borde posterior de las barras sugieren una película deficiente, un desgaste excesivo o una presión incorrecta del pincel. La conclusión es sencilla: si diseñas y fabricas bien el conmutador, pero nunca lo examinas en condiciones de funcionamiento, estás desperdiciando la mayor parte del esfuerzo.
Desde el punto de vista de la fabricación, controle los pasos que introducen variaciones de forma silenciosa. Realice un seguimiento del descentramiento en cada etapa crítica: después del prensado, después del torneado en bruto, después del mecanizado de acabado y después del montaje en la armadura. Controle la temperatura y el tiempo de curado para que la carcasa y las barras no se desplacen entre sí. Vigile la profundidad del socavado; no permita que los operarios lo calculen “a ojo” con un valor diferente en cada turno.
Un ciclo de pruebas pragmático
Cuando finalmente pongas el motor a prueba, piensa menos en los datos heroicos y más en los bucles de retroalimentación cortos en tu proceso de conmutador.
Primero, ejecute con una carga ligera e inspeccione el patrón de contacto. Si las marcas de las escobillas se extienden por todo el ancho previsto de la barra y no hay barras altas evidentes, es probable que la concentricidad sea lo suficientemente buena. Si observa contactos parciales, rayas o barras que requieren un contacto significativamente mayor que las adyacentes, vuelva a revisar la geometría y el mecanizado.
A continuación, realice comprobaciones térmicas en el peor punto de funcionamiento realista. Un aumento excesivo de la temperatura en el conmutador en comparación con el resto del inducido puede indicar resistencia de contacto, un grado de escobilla incorrecto o una sección de cobre inadecuada en las barras.
A largo plazo, inspeccione el estado de la mica, el filo del socavado y cualquier signo de arrastre de cobre en los bordes de la barra. Los documentos de mantenimiento muestran cómo incluso una fina lámina de mica que quede atrás puede causar problemas; esto no es teoría, es la práctica diaria en el taller.
Cada una de estas observaciones es un punto de partida para el diseño y la fabricación. Ajuste el grado o la presión del cepillo si la película superficial no se estabiliza. Revise el paso o el diámetro del segmento si persiste el arco eléctrico a velocidades específicas. Refuerce el proceso de socavado y limpieza si el carbono se acumula en las ranuras o sobresale la mica.
El resumen silencioso
Fabricar un conmutador no es cuestión de un solo truco ingenioso. Se elige una geometría que respete las escobillas que se van a utilizar. Se seleccionan materiales de cobre, mica y carcasa que se mantengan estables en las condiciones mecánicas y térmicas reales. Se crea un flujo de fabricación que proteja la redondez, el espaciado entre barras y el aislamiento. A continuación, se observa lo que realmente ocurre en el motor y se retroalimenta esa información.
Repita ese ciclo varias veces y sus conmutadores dejarán de ser material didáctico y empezarán a comportarse como piezas que pertenecen a máquinas serias.
