¿Qué es un motor con conmutador? Una guía práctica y detallada

Si alguna vez has apretado el gatillo de un taladro, has oído el ruido de una batidora al encenderse o has visto una aspiradora desplazarse sobre la alfombra, probablemente hayas utilizado un motor con conmutador sin darte cuenta. Estos motores son pequeños, ruidosos, ligeramente propensos a producir chispas y se encuentran en todas partes, en herramientas y electrodomésticos de uso cotidiano.

Esta guía explica qué es un conmutador qué es realmente un motor, cómo funciona en lenguaje sencillo, dónde destaca, dónde tiene dificultades y cómo se compara con las tecnologías sin escobillas más recientes. El objetivo no es solo definir algunos términos, sino proporcionarle la intuición suficiente para que pueda observar un motor y comprender bien por qué se diseñó de esa manera.

Definición simple: ¿qué es un motor con conmutador?

Un motor con conmutador es cualquier motor eléctrico que utiliza un conmutador mecánico y escobillas para alimentar corriente a la parte giratoria de la máquina y para invertir esa corriente en los momentos adecuados, de modo que el eje siga girando en una sola dirección. El conmutador es un anillo de cobre segmentado montado en el rotor (inductor), y las escobillas de carbón presionan contra él para establecer un contacto eléctrico deslizante. A medida que el rotor gira, los diferentes segmentos se conectan al circuito externo, lo que invierte la dirección de la corriente en las bobinas cada media vuelta y mantiene un par continuo. 

En otras palabras, un motor con conmutador se define menos por su fuente de alimentación (CA o CC) y más por su método de conmutación de corriente: utiliza un interruptor físico giratorio, no electrónico. Los motores clásicos de CC, los motores universales de las herramientas eléctricas y algunos motores de CA especializados pertenecen a esta familia de “motores con conmutador”. 

Las piezas clave: estator, rotor, conmutador, escobillas.

Para comprender por qué los motores conmutadores se comportan como lo hacen, es útil imaginar sus partes principales trabajando juntas como una pequeña orquesta mecánica.

El estator es la parte fija del motor. Proporciona el campo magnético, ya sea con imanes permanentes o con bobinas de cable llamadas bobinados de campo.

El rotor, también llamado inducido, es la parte giratoria montada en el eje. El rotor lleva bobinas de alambre que atraviesan el campo magnético y producen par motor cuando la corriente fluye a través de ellas.

El conmutador es un cilindro de cobre dividido en segmentos aislados. Cada bobina del rotor se conecta a un par de estos segmentos.

Los cepillos son bloques de carbono o grafito presionados contra el conmutador por resortes. Transportan la corriente entre el mundo exterior y los segmentos giratorios del conmutador. 

Juntos, estos cuatro elementos crean un ingenioso truco: cambian constantemente qué bobina se activa y en qué dirección fluye la corriente, justo cuando el rotor necesita un “empujón” para seguir girando.

¿Cómo funciona realmente un motor con conmutador?

Imagina un motor muy sencillo: una sola bobina rectangular de alambre situada entre los polos norte y sur de un imán. Cuando la corriente fluye a través de la bobina, un lado del bucle experimenta una fuerza hacia arriba y el otro lado experimenta una fuerza hacia abajo. Ese par de fuerzas crea un par motor y la bobina comienza a girar.

Sin embargo, muy rápidamente, la bobina giraría hasta que su plano se alineara con el campo magnético, momento en el que las fuerzas desaparecerían. Peor aún, si la corriente siguiera fluyendo en la misma dirección, las fuerzas se invertirían a medida que la bobina pasara este punto y el par motor intentaría hacer girar el motor hacia atrás.

El conmutador y las escobillas resuelven esto de forma elegante. A medida que el rotor se acerca a esa posición “muerta” en la que el par se invertiría, las escobillas se deslizan de un par de segmentos del conmutador al siguiente. El cableado interno de las bobinas del rotor hace que, en ese momento, la corriente que atraviesa la bobina activa cambie de dirección. El campo magnético de la bobina cambia con ella, por lo que el par sigue empujando en la misma dirección de rotación en lugar de invertirse. 

Durante este cambio ocurren dos cosas importantes. En primer lugar, la bobina se cortocircuita brevemente entre dos barras adyacentes del conmutador situadas debajo de la escobilla. En segundo lugar, la corriente se invierte mientras que la tensión inducida en la bobina también cambia de signo. Un buen diseño del conmutador intenta sincronizar esto para minimizar las chispas y los arcos eléctricos y que el motor funcione con suavidad. 

Amplíe esta idea a muchas bobinas espaciadas alrededor del rotor y muchos segmentos del conmutador, y obtendrá un motor que produce un par casi continuo y funciona mucho más suavemente que la versión de juguete de una sola bobina.

Tipos de motores con conmutador

Los ingenieros utilizan la expresión “motor con conmutador” de varias formas ligeramente diferentes, pero en la práctica se encuentran tres familias principales.

Motores de corriente continua con conmutador

Se trata de los clásicos motores de corriente continua cepillados, en los que el suministro es de corriente continua, el campo puede ser proporcionado por imanes permanentes o bobinados de campo de corriente continua, y el conmutador se encarga de todas las conmutaciones en el rotor. Se presentan en configuraciones en derivación, en serie y compuestas, dependiendo de cómo se conecten los bobinados de campo, lo que permite a los diseñadores elegir entre la regulación de la velocidad y el par de arranque. 

Los motores de CC con imanes permanentes y escobillas son comunes en sistemas automotrices, juguetes, bombas pequeñas y accionamientos de baja potencia. Los motores de CC con campo bobinado se utilizan en tracción, elevadores y accionamientos industriales, donde el control preciso de la velocidad solía ser fundamental antes de que la electrónica moderna tomara el relevo.

Motores universales (motores de conmutador de CA)

Un motor universal es un motor con conmutador diseñado para funcionar tanto con corriente alterna como con corriente continua. Internamente, es muy similar a un motor de serie de corriente continua, pero con algunos ajustes, como núcleos laminados y, en ocasiones, bobinados de compensación para manejar la corriente alterna sin pérdidas excesivas ni una conmutación deficiente. 

Debido a que los devanados de campo y los devanados del inducido están en serie, cuando la CA invierte su dirección, ambos campos magnéticos se invierten juntos. Por lo tanto, el par motor se mantiene en la misma dirección y el motor continúa girando en lugar de “temblar” con la frecuencia de la red eléctrica. Estos motores pueden funcionar a velocidades extremadamente altas y tienen un par de arranque enorme en relación con su tamaño, que es exactamente lo que se necesita en herramientas como taladros, amoladoras, motores de licuadoras y aspiradoras. 

Motores especiales con conmutador de CA (tipos de repulsión)

Antes de que los condensadores y los componentes electrónicos modernos fueran baratos, los ingenieros desarrollaron ingeniosos motores de CA monofásicos que aún utilizaban conmutadores para obtener un alto par de arranque. Algunos ejemplos son los motores de repulsión y los motores de inducción de arranque por repulsión. En un motor de repulsión, el estator se parece a un motor de inducción de CA, pero el rotor está bobinado como un inducido de CC y conectado a un conmutador cuyas escobillas están cortocircuitadas entre sí en lugar de conectadas a la fuente de alimentación. La acción del transformador induce corrientes en el rotor, y la geometría de las escobillas crea un fuerte par de arranque por repulsión entre los campos del rotor y el estator. Una vez alcanzada la velocidad, algunos diseños levantan las escobillas y el motor funciona como un motor de inducción estándar. 

Estos motores especializados con conmutador de CA son menos comunes hoy en día, pero siguen siendo importantes desde el punto de vista histórico y en determinadas aplicaciones especializadas.

Comparación entre los motores con conmutador y los motores de inducción y sin escobillas

Para saber cuándo un motor con conmutador es la opción adecuada, resulta útil compararlo con dos alternativas importantes: los motores de inducción y los motores de CC sin escobillas.

Aquí hay una comparación concisa.

La tabla deja claro un tema importante: los motores con conmutador sacrifican la eficiencia y el mantenimiento a cambio de simplicidad, un par de arranque brutal y alta potencia en un paquete pequeño.

Dentro del propio conmutador

Si se amplía la imagen del conmutador, se observa que es más que un simple “tambor” de cobre. Cada segmento es una barra de cobre aislada de sus vecinas, tradicionalmente con mica y ahora también con diversos plásticos en máquinas más pequeñas. Cada bobina del inducido está soldada o unida a uno o varios de estos segmentos. 

A medida que aumentan el tamaño y el voltaje del motor, se utilizan más segmentos. Las grandes máquinas industriales de corriente continua pueden tener cientos de segmentos para mantener bajo el voltaje entre las barras adyacentes y hacer que la inversión de corriente sea más suave. Los segmentos se mantienen unidos mecánicamente como ladrillos en cola de milano, y todo el conjunto debe ser extremadamente redondo y equilibrado, o las escobillas rebotarán y producirán chispas. 

Las escobillas suelen estar fabricadas con mezclas de carbono o grafito. Su resistencia es pequeña, pero no nula, y esa resistencia deliberada ayuda a suavizar la inversión de corriente durante la conmutación y a reducir la formación de arcos eléctricos. Con el tiempo, las escobillas se desgastan como las gomas de borrar de los lápices y depositan una película oscura en el conmutador, lo que en realidad puede ayudar a la conducción si es uniforme y no está quemada. 

Los ingenieros también prestan atención al “plano de conmutación”, la posición angular exacta en la que las escobillas tocan el conmutador en relación con el campo magnético. Bajo carga, el propio campo magnético del rotor distorsiona el campo principal y el punto de conmutación ideal se desplaza. En máquinas más antiguas, los técnicos giraban literalmente el conjunto de escobillas mientras el motor estaba en funcionamiento para minimizar las chispas, un proceso conocido como “balanceo de las escobillas”.” 

¿Por qué los motores con conmutador son ruidosos y producen chispas?

Si alguna vez has mirado por las ranuras de ventilación de un taladro eléctrico mientras está en funcionamiento, es posible que hayas visto un espectáculo de fuegos artificiales en miniatura. Esas chispas están directamente relacionadas con lo que hace que los motores con conmutador funcionen.

Durante la conmutación, la escobilla conecta brevemente dos segmentos adyacentes del conmutador. La bobina conectada entre esos segmentos tiene corriente fluyendo a través de ella, y el proceso de conmutación intenta forzar que esa corriente se invierta rápidamente. La inductancia de la bobina se resiste a este cambio, creando picos de tensión y provocando pequeños arcos donde la escobilla rompe el contacto. 

Con un buen diseño, un material de escobillas adecuado y una superficie de conmutador lisa, los arcos son pequeños y regulares, y el motor emite un leve “brillo de escobillas”. Si la superficie es rugosa, las escobillas están desgastadas o el plano de conmutación es incorrecto, los arcos se vuelven mucho más grandes. Esto produce:

En primer lugar, el ruido eléctrico que puede interferir con las radios o los aparatos electrónicos sensibles cercanos.

En segundo lugar, un mayor desgaste de las escobillas y el conmutador, lo que provoca problemas de mantenimiento.

En tercer lugar, una posible fuente de ignición en atmósferas polvorientas o explosivas, por lo que los motores con conmutador suelen evitarse en esos entornos. 

El ruido audible que se oye en un motor universal se debe en parte a estas chispas, en parte a la fricción de las escobillas y en parte al zumbido de alta frecuencia del rotor, que gira a miles de revoluciones por minuto.

Donde los motores con conmutador siguen siendo la respuesta adecuada

A pesar de sus peculiaridades, los motores con conmutador siguen siendo la mejor opción en varios escenarios en los que un motor de inducción simple tendría dificultades y un sistema sin escobillas sería excesivo o demasiado caro.

Destacan cuando se necesita un par de arranque muy alto en un paquete compacto y económico. Un taladro o amoladora manual debe ser ligero y pequeño, pero también debe proporcionar un par considerable en el instante en que se acciona el gatillo. Un motor con conmutador universal puede hacerlo mientras funciona perfectamente con la red eléctrica de CA estándar. 

Son muy adecuados cuando se requiere una velocidad variable con un control sencillo y económico. El control de la velocidad de un motor universal mediante un circuito básico de tiristores o triacs es sencillo y se ha utilizado durante décadas en aparatos como batidoras y controles de motor con regulador de intensidad. 

Pueden resultar atractivos para equipos portátiles o alimentados por batería, en los que un sencillo motor de CC con escobillas ofrece un rendimiento suficiente sin el coste de un controlador sin escobillas. Por eso, muchos actuadores automovilísticos antiguos, pequeñas bombas y motores para aficiones siguen utilizando construcciones de CC con escobillas. 

La tendencia: del conmutador al sin escobillas

En muchas aplicaciones de gran tamaño o larga duración, los motores con conmutador están siendo sustituidos progresivamente por diseños de inducción sin escobillas de CC y CA. Hay varias razones que explican este cambio.

En primer lugar, el contacto deslizante entre el cepillo y el conmutador introduce fricción, calor, caída de tensión y desgaste. Limita la eficiencia y la vida útil del motor y dificulta o imposibilita los diseños sellados de alta fiabilidad. 

En segundo lugar, la electrónica de potencia moderna es barata y potente. En lugar de dejar que un conmutador mecánico cambie la corriente, los diseñadores utilizan dispositivos de estado sólido, como MOSFET o IGBT, junto con algoritmos de detección de la posición del rotor o sin sensores. El resultado es un motor de CC sin escobillas en el que el estator lleva todos los devanados y el rotor es solo un imán. La eficiencia mejora, el mantenimiento casi desaparece y el control de la velocidad y el par se vuelve extremadamente preciso. 

En tercer lugar, la presión regulatoria y de los clientes para obtener electrodomésticos más silenciosos, eficientes y duraderos favorece la tecnología sin escobillas. Esto se puede observar en la comercialización de lavadoras “inversoras”, compresores de frigoríficos “digitales” y herramientas inalámbricas de alta gama, casi todas las cuales esconden en su interior un motor sin escobillas y sus componentes electrónicos. 

Aun así, es probable que los motores con conmutador sigan utilizándose durante mucho tiempo en herramientas y máquinas pequeñas de uso intermitente y sensibles al coste, donde su simplicidad sigue siendo una ventaja.

Preguntas prácticas comunes

¿Un motor con conmutador es lo mismo que un motor de corriente continua?

Todos los motores clásicos de corriente continua con escobillas son motores con conmutador, pero no todos los motores con conmutador funcionan solo con corriente continua. Los motores universales y ciertos motores de repulsión de corriente alterna también son motores con conmutador, ya que utilizan el mismo principio de conmutación mecánica en el rotor. Por lo tanto, el término “motor con conmutador” es más amplio que el de “motor de corriente continua”.” 

¿Por qué los motores con conmutador se desgastan más rápido que otros tipos?

Incluyen componentes cuya única función es rozarse entre sí: las escobillas y el conmutador. Tras miles de horas, ese roce desgasta las escobillas, raspa la superficie del conmutador y, finalmente, puede dañar los segmentos de cobre si el motor está sobrecargado o sucio. Los motores de inducción y sin escobillas evitan este contacto eléctrico deslizante, por lo que su principal elemento de desgaste suele ser solo los cojinetes. 

¿Puedo sustituir directamente un motor con conmutador por un motor sin escobillas?

Desde el punto de vista eléctrico y mecánico, no se trata de un simple cambio. Un motor sin escobillas requiere un controlador electrónico específico en lugar de una simple conexión a la red eléctrica o a corriente continua, y la curva de velocidad-par puede ser muy diferente de la del motor universal o de corriente continua original. Sin embargo, muchos aparatos y herramientas eléctricas modernos se diseñan desde cero con sistemas sin escobillas para imitar o superar el comportamiento de los antiguos motores con conmutador, al tiempo que ganan en eficiencia y vida útil. 

Conclusión

El motor con conmutador es uno de esos inventos que son a la vez maravillosamente sencillos y ligeramente brutales. Utiliza un interruptor giratorio de cobre y unos bloques de carbono para manipular amperios y campos magnéticos a miles de revoluciones por minuto, convirtiendo la electricidad en trabajo mecánico duro y útil.

Comprender el estator, el rotor, el conmutador y las escobillas, junto con la lógica que hay detrás de la inversión de corriente, permite entender por qué estas máquinas son compactas, potentes y ruidosas, y por qué el mundo está avanzando lenta pero seguramente hacia diseños sin escobillas.