Finalidad del conmutador de anillos partidos

En casi todos los diagramas escolares de un motor de corriente continua o un generador de corriente continua hay una pequeña etiqueta que dice discretamente: “conmutador de anillo partido”... y el libro de texto simplemente sigue adelante. Sin embargo, este pequeño anillo de cobre es la razón por la que un motor de corriente continua sigue girando en una dirección y un generador de corriente continua produce DC en lugar de CA. Sin anillo partido, no hay máquina de corriente continua tal y como la conoces. 

TL;DR – ¿Qué es realmente el conmutador de anillos partidos? ¿Hace?

• En un motor de corriente continua:
  • Invierte la corriente a través de la bobina giratoria cada media vuelta (cada 180°).
  • Mantiene el par en la misma dirección de rotación, de modo que el motor no “se balancee hacia adelante y hacia atrás”, sino que gire continuamente. 
• En un generador de corriente continua:
  • Invierte las conexiones de la bobina giratoria al circuito externo cada media vuelta.
  • Invierte cada semiciclo negativo de la CA inducida, de modo que el El voltaje de salida siempre tiene la misma polaridad. (corriente continua pulsante). 
• Mecánicamente:
  • Actúa como un interruptor giratorio compuesto por dos mitades de cobre.
  • Funciona junto con las escobillas de carbón para proporcionar una conexión eléctrica deslizante entre el inducido giratorio y el exterior. 

1. Conozca el conmutador de anillo partido

Imagina cortar un anillo de cobre en dos semicírculos y colocándolos en el eje del motor con un pequeño espacio y aislamiento entre ellos. Cada semianillo está soldado a un extremo de la bobina del inducido. Dos estáticos escobillas de carbón Presione suavemente sobre estos segmentos.

A medida que el eje gira, cada cepillo se desliza de una mitad de cobre a la otra. Esa simple acción —los cepillos cambiando de una mitad a la otra— es lo que silenciosamente invierte la corriente a través de la bobina en el momento justo y mantiene todo funcionando como “corriente continua adecuada”. El conjunto completo de anillo partido + escobillas es lo que llamamos el conmutador. 

De un vistazo: cómo se construye un conmutador de anillos partidos

• Forma: Un anillo dividido en dos (o más, en máquinas reales) segmentos de cobre aislados.
• Material: Segmentos de cobre, aislados entre sí y del eje con mica u otro aislante.
• Posición: Montado en el Eje del rotor/inducido, girando con la bobina.
• Conexiones:
  • Cada segmento se conecta a un extremo del devanado del inducido.
  • Las escobillas de carbón fijas presionan el exterior del anillo.
• Dato adicional: En los motores y generadores de corriente continua reales, a menudo se tiene docenas de segmentos estrechos y múltiples bobinas para suavizar el par y el voltaje de salida.

2. Por qué los motores de corriente continua necesitan un conmutador de anillo partido

Piensa en una sola bobina rectangular en un campo magnético entre un polo norte y un polo sur. Cuando la corriente fluye a través de la bobina:

• Un lado de la bobina se siente a forzar hacia arriba.
• El lado opuesto siente un forzar a bajar.

Esas dos fuerzas forman un par de giro, por lo que la bobina comienza a girar. Pero después de media vuelta, los lados han cambiado de lugar. Si el dirección actual en la bobina permaneciera igual, las fuerzas se invertirían y el par actuaría ahora en el opuesto dirección. El motor simplemente se balancearía entre dos posiciones en lugar de girar.

El conmutador de anillo partido salva la situación al Invertir la corriente exactamente cuando la bobina pasa por la posición vertical. (cada media revolución). Debido a que tanto el orientación de la bobina y el dirección actual al invertir juntos, la dirección del par motor permanece igual y el rotor sigue girando suavemente. 

¿Qué ocurre durante una vuelta completa? (Guión gráfico del motor)

• A 0° (posición inicial):
  • La bobina está en posición horizontal.
  • El lado A lleva la corriente “hacia la página”, mientras que el lado B la lleva “fuera de la página”.
  • Según la regla de la mano izquierda de Fleming, el lado A siente una fuerza ascendente y el lado B, una fuerza descendente; el par es, por ejemplo, en sentido horario.
• Acercándose a los 90°:
  • El par sigue siendo en la misma dirección, pero su magnitud disminuye (las fuerzas actúan más cerca del pivote).
  • La bobina pasa rápidamente por la posición en la que las fuerzas temporalmente no producen casi ningún efecto de giro.
• Exactamente a 90° (vertical):
  • El los cepillos pierden contacto con un par de segmentos y conectar al otro par.
  • Esto invierte la corriente en la bobina: el lado A ahora tiene una corriente opuesta a la que tenía antes.
• De 90° a 180°:
  • La bobina se ha invertido físicamente y la corriente también se ha invertido.
  • Resultado: el el par sigue siendo en sentido horario. El motor no invierte su sentido de giro, sino que continúa en la misma dirección.
• Después de 180°:
  • El mismo proceso se repite: cada media vuelta, el conmutador invierte la corriente de nuevo, manteniendo siempre la dirección del par constante.

Entonces, el Propósito en un motor de corriente continua es:

“Invierta la corriente de la bobina cada media vuelta para que el par motor nunca cambie de dirección”.”

3. Finalidad del conmutador de anillos partidos en generadores de corriente continua

Ahora invierte la historia: en lugar de suministrar electricidad para obtener movimiento, nosotros accionar el eje mecánicamente (con una turbina, un motor, una manivela, etc.) y obtener electricidad. A medida que la bobina del inducido atraviesa el campo magnético, se produce un campo electromagnético alterno se induce en la bobina (semiciclo positivo, luego semiciclo negativo).

Si conectáramos esta bobina directamente a un circuito externo con anillos colectores, obtendríamos una salida de CA estándar. Pero se supone que los generadores de CC suministran un voltaje que no invierte la dirección.

El conmutador de anillo partido resuelve este problema invirtiendo el extremo de la bobina que se conecta al terminales de salida positivos y negativos cada media vuelta. Eso significa que cada vez que el EMF en la bobina se vuelve negativo, las conexiones se intercambian para que el circuito externo siga viendo la misma polaridad. El resultado es corriente continua pulsante: el voltaje sube y baja, pero nunca baja de cero. 

Paso a paso: Vista del generador del anillo partido

• Entrada mecánica: El inducido gira a través de un campo magnético.
• Corriente alterna inducida en la bobina: Dentro de la bobina, el campo electromagnético alterna a medida que gira (una onda sinusoidal si la velocidad es constante).
• Interruptor conmutador: Cada 180°, el anillo partido invierte qué extremo de la bobina se conecta a qué cepillo.
• Salida externa: Los semiciclos negativos se invierten, la carga ve pulsos unidireccionales (DC).

Por lo tanto, en los generadores, el objetivo es básicamente: “Convierta la corriente alterna inducida en la bobina giratoria en corriente continua suministrada al circuito externo”.”

4. Anillo partido frente a anillo deslizante: aclarando la confusión

Los estudiantes (y muchos adultos) suelen confundir estos dos conceptos, pero son cosas muy diferentes.

• A anillo partido forma parte de un conmutador, diseñado para corriente inversa y producen un comportamiento similar al de la corriente continua en motores y generadores.
• A anillo colector está diseñado para transmitir energía o señales de forma continua a una parte giratoria, sin cambiar la polaridad, ideal para máquinas de CA. 

Tabla comparativa: Anillo partido frente a anillo deslizante

Ganchos de memoria rápida

• “DIVIDIR anillo” → DIVIDIR la polaridad → se utiliza donde se desee DC.
• “SLIP anillo” → SLIP potencia continua → se utiliza donde se desee CA o señales ininterrumpidas.
• Si el diagrama muestra un anillo con un brecha → pensar conmutador / CC.
• Si el anillo parece completo y fluido → pensar anillo colector / CA.

5. Notas de diseño del mundo real (más allá del diagrama del libro de texto)

En las máquinas reales, el conmutador de anillo partido no es solo un bonito anillo de dos partes. Los motores y generadores industriales de corriente continua utilizan muchos segmentos estrechos de cobre con múltiples bobinas. Este diseño multisegmento hace que el par sea más suave y que la salida de CC se acerque más a una línea plana. También distribuye la corriente entre varios segmentos para reducir el calentamiento y el desgaste.

Los ingenieros también se preocupan por chispeante, desgaste del cepillo, y ruido. Cada vez que una escobilla se desplaza de un segmento al siguiente, se produce una pequeña interrupción y reconexión de la corriente. La geometría del conmutador, el material de las escobillas e incluso la forma de los devanados de la bobina están ajustados para que la conmutación se produzca en el momento en que la fuerza electromotriz inducida en esa bobina es mínima, lo que reduce la formación de arcos eléctricos y la pérdida de energía.

Ventajas y desventajas del diseño del anillo dividido

• Ventajas
  • Permite una solución sencilla y robusta. control de velocidad para motores de corriente continua (cambiando la tensión de alimentación o la intensidad del campo).
  • Da salida directa de CC en generadores sin necesidad de componentes electrónicos.
  • Probado a lo largo del tiempo, ampliamente comprendido y relativamente barato para niveles de potencia moderados.
• Contras
  • Cepillos y segmentos del conmutador desgaste con el tiempo → Se necesita mantenimiento.
  • Las chispas pueden provocar ruido eléctrico y limitar su uso en atmósferas explosivas.
  • A velocidades muy altas o con corrientes muy elevadas, los conmutadores mecánicos se convierten en un eslabón débil, por lo que muchos sistemas ahora utilizan motores de corriente continua sin escobillas y conmutación electrónica en su lugar.

6. Cómo recordar el propósito del conmutador de anillo partido (para exámenes) y Vida real)

Si dejamos de lado toda la jerga, un conmutador de anillo partido es simplemente un Interruptor rotatorio con temporizador automático que invierte la dirección de la corriente en la bobina del rotor cada media vuelta. Esa inversión:

• Mantiene el motor girando en una dirección manteniendo constante la dirección del par.
• Mantiene el generador salida apuntando en una dirección al invertir las oscilaciones de voltaje negativo en posición vertical.