¿Qué es un conmutador de anillo deslizante?

A anillo colector El conmutador es una interfaz eléctrica giratoria que combina dos ideas en un solo eje: anillos continuos que simplemente transmiten energía o señales a través de una junta móvil, y barras de cobre segmentadas que deliberadamente conmutan o invierten la corriente. Hay controversia sobre el término, pero en las máquinas reales suele significar “el conjunto de escobillas que me proporciona tanto alimentación continua como conmutación controlada en un miembro giratorio, en una sola pieza de cobre y aislamiento”.”

Por qué el término es tan confuso

Si lees los libros de texto y los blogs de los proveedores al mismo tiempo, notarás la diferencia en la terminología.

Los anillos colectores se describen como dispositivos electromecánicos que transfieren energía, datos o señales de una estructura fija a otra giratoria, sin retorcer los cables y permitiendo una rotación ilimitada. Funcionan mediante anillos conductores continuos y cepillos deslizantes, y no intentan remodelar la forma de onda, sino que simplemente la transmiten. 

Los conmutadores, por otro lado, aparecen en los motores y generadores de corriente continua como cilindros de cobre segmentados. Su función es invertir la corriente en los devanados del rotor cada media vuelta (en el caso de los motores) o rectificar mecánicamente la tensión alterna interna en una salida unidireccional (en el caso de los generadores). 

A continuación, abres la página de un fabricante y ves “conjuntos de conmutadores de anillos colectores” o “anillos conmutadores”, o incluso una entrada de blog titulada literalmente “Conmutador de anillos colectores” que trata todo el conjunto giratorio de cobre como un único concepto. 

Por lo tanto, la frase suele acabar significando una de tres cosas, dependiendo de quién la diga.

En primer lugar, algunas personas utilizan el término “conmutador de anillos colectores” de forma imprecisa para referirse a cualquier conector eléctrico giratorio de tipo cepillo, independientemente de si realmente conmuta la corriente. En segundo lugar, en las máquinas de corriente continua, pueden utilizarlo para referirse al propio conmutador, ya que está formado por anillos cortados en barras y se desliza bajo los cepillos. En tercer lugar, en máquinas más complejas y equipos industriales, la expresión puede referirse a un conjunto híbrido que contiene literalmente tanto anillos colectores continuos como una sección de conmutador en el mismo eje.

La única forma de saber qué significado está activo es fijarse en la función eléctrica que desempeña en el circuito, no solo en las palabras.

Breve descripción funcional

Si ignoras por un momento los nombres y piensas solo en términos de función, el patrón resulta más claro.

Un conjunto de anillos colectores puros proporciona al rotor cualquier forma de onda que ya se tenga en el exterior. Entrada de CA, salida de CA. Entradas de señales digitales, salidas de las mismas señales digitales. No rectifica, modula ni corta la corriente. Se trata simplemente de un bloque de terminales giratorio con física de contacto detrás. 

Un conmutador puro actúa como una matriz de interruptores mecánicos. En un motor de corriente continua, mantiene el par motor principalmente en una dirección invirtiendo la corriente en cada bobina del inducido cuando dicha bobina pasa por la zona neutra del campo del estator. En un generador de corriente continua, convierte la tensión interna alterna en algo que se asemeja a la corriente continua en los terminales. 

Un conmutador de anillo deslizante, en el sentido más estricto, es un conjunto que realiza al menos una de estas funciones y además proporciona una conexión directa para otros circuitos. Se pueden ver anillos continuos que alimentan la excitación o las señales, y barras segmentadas que accionan o muestrean bobinas de inducido, todo ello en un solo módulo mecánico. Las escobillas se sitúan sobre ambas regiones, algunas simplemente “lo dejan pasar” y otras “lo conmutan en el ángulo adecuado”.”

Mismo eje. Mismo juego de cojinetes. Comportamiento mixto.

Comparación rápida en una tabla

El contraste es más fácil de entender cuando se comparan ambos elementos uno al lado del otro. Esta tabla utiliza el término “conmutador de anillos deslizantes” en sentido híbrido: un conjunto que incluye tanto anillos continuos como barras de conmutador segmentadas.

Esto no es universal. Pero coincide con lo que verás en las notas técnicas y en las páginas de productos modernos. 

Anatomía, una vez, sin enseñarla en exceso.

Ya conoces las partes básicas: rotor, estator, anillos o segmentos, escobillas, aislamiento, campanas finales. No es necesario repasar todo eso lentamente.

Lo interesante es cómo se corta y agrupa el cobre. En un anillo colector, cada anillo es un circuito. Puede haber un anillo de alimentación, un anillo de retorno, un par de buses CAN, una ruta de canal de fibra asistida por una junta rotativa óptica cercana. Las escobillas se asignan claramente a ellos, con una o más escobillas por anillo, a menudo duplicadas para redundancia o capacidad de corriente.

En un conmutador, el cobre se corta en muchos segmentos, cada uno de los cuales se conecta a un grupo de bobinas. La anchura de la escobilla abarca más de un segmento, de modo que nunca pierde el contacto, y la geometría garantiza que la corriente de una bobina determinada cambie de dirección en el momento en que cruza el eje magnético neutro. Las ranuras físicas no son decorativas, sino que codifican el propio esquema de bobinado. 

En un conjunto de conmutador de anillo deslizante, simplemente se obtienen ambas geometrías en un solo lugar. Es posible que tenga un conjunto de anillos continuos cerca del cojinete y una pila de conmutadores más cerca de la parte activa del rotor. O al revés, dependiendo de la facilidad de mantenimiento y las preocupaciones sobre el campo disperso. Las escobillas y los soportes deben coexistir, con diferentes presiones de contacto, materiales y estilos de cableado que ocupan la misma carcasa estrecha.

Mecánicamente, sigue siendo solo cobre, aislamiento, acero y carbono girando. Eléctricamente, son dos comportamientos diferentes ocultos en una sola pieza.

Donde realmente los ves

Rara vez se ve la frase “conmutador de anillo deslizante” estampada en una hoja de datos de un equipo destinado al mercado masivo. Lo que se ve en su lugar es el resultado de la decisión de diseño.

En las turbinas eólicas, el debate sobre los “anillos colectores” se centra principalmente en cómo llevar la energía y las señales a los actuadores y sensores del paso de las palas mientras la góndola y el buje giran libremente. La tecnología de contacto, la corrosión, los cambios de temperatura y los largos intervalos de mantenimiento dominan esa conversación. 

En los antiguos accionamientos de tracción de CC o en las grúas pesadas de CC, el debate sobre el “conmutador” gira en torno a la densidad de corriente, los arcos eléctricos, el polvo de las escobillas y el programa de mantenimiento. El conjunto es grande, ruidoso y muy visible.

Los conjuntos híbridos de anillos colectores y conmutadores se utilizan en aplicaciones más específicas. Piensa, por ejemplo, en máquinas de ensayo en las que se necesita excitación de CC de un rotor, circuitos de inducido de alta corriente y, al mismo tiempo, varios canales de señal de alta velocidad en el mismo elemento giratorio. O en ejes de generadores en los que los diseñadores optaron por hacer funcionar tanto las salidas rectificadas como los servicios auxiliares a través de una unidad integrada, en lugar de dividirlos en dos interfaces separadas.

Desde fuera, los técnicos de planta suelen llamar al conjunto final “anillo colector” o “conmutador”, independientemente de su nombre. La disciplina en la nomenclatura se desvanece bajo la presión del tiempo en el mundo real, pero la física subyacente no.

Lo que realmente importa en el diseño, más allá de la etiqueta

La diferencia entre un conjunto de conmutador de anillo deslizante decente y uno malo casi nunca tiene que ver con la definición que aparece en los libros de texto. Tiene que ver con todas las concesiones silenciosas y poco glamurosas que hizo el diseñador.

En primer lugar, la elección de los materiales de contacto. Los sistemas de plata-grafito, cobre-grafito, grafito puro o metales preciosos se inclinan cada uno hacia determinadas densidades de corriente, velocidades y calidades de señal. Un conjunto híbrido podría incluso mezclar distintos tipos de escobillas: escobillas relativamente blandas y silenciosas para los anillos de señal, y escobillas más robustas y de mayor fricción para la parte del conmutador que tiene que transportar la corriente del inducido y tolerar la conmutación.

En segundo lugar, la presión de contacto y la velocidad superficial. Si la presión es demasiado baja, se produce un contacto esporádico, microarcos y ruidos molestos en los sensores. Si es demasiado alta, se desgastan rápidamente los anillos, se genera calor y se sobrecargan los cojinetes. La velocidad superficial aumenta el desgaste y afecta a la formación o al fallo de las películas lubricantes. Una unidad híbrida suele tener la misma velocidad de eje en ambas regiones, pero el margen de presión aceptable no es el mismo para todos los circuitos que comparten ese eje.

En tercer lugar, el entorno. La humedad, el polvo, las vibraciones y los vapores químicos reescriben todas las tablas de materiales. Los artículos sobre el diseño de aerogeneradores están repletos de notas muy prácticas sobre sellado, sistemas de purga y elección de la tecnología de contacto específica para hacer frente a la niebla salina, el hielo y los largos periodos de inactividad. 

Cuarto, filosofía de mantenimiento. Algunos conjuntos están dimensionados y montados de manera que un técnico pueda cambiar las escobillas en una hora con herramientas básicas. Otros están ocultos en el interior de una máquina, lo que los convierte en hardware “de por vida”, por lo que los diseñadores sobredimensionan todo y se inclinan por densidades de corriente conservadoras y una química de contacto benigna.

A ninguno de ellos les importa mucho si insistes en llamarlo “anillo colector”, “conmutador” o “conmutador de anillo colector”. Pero todos ellos determinan si tu máquina permanece en línea.

Patrones de fallo y lo que sugieren

Cuando un conjunto de conmutador de anillo deslizante envejece, deja pistas. Los ingenieros que pasan años trabajando con estas máquinas interpretan esas pistas del mismo modo que los especialistas en electrónica de potencia interpretan los trazos de un osciloscopio.

Una banda oscura y uniforme de desgaste en los anillos colectores, con caras de cepillo relativamente limpias y poco polvo, suele indicar que la presión de contacto, la alineación y el emparejamiento de materiales están en la zona correcta. Las rayas repentinas, el sobrecalentamiento localizado y los depósitos irregulares sugieren vibración, desalineación o contaminación. Si solo algunos anillos muestran esto, puede relacionar el problema con circuitos o cargas específicos.

En la parte del conmutador, se observan bandas, ranuras y “quemaduras” en las barras, donde los segmentos individuales se sobrecalientan debido a un reparto desigual de la corriente o a una sincronización deficiente de la conmutación. El patrón de la superficie de la escobilla refleja esto, con puntos astillados o vidriosos en lugar de superficies de contacto lisas y mates. Los patrones de respuesta habituales en estos casos son ajustar la posición de la escobilla con respecto al plano neutro, cambiar el grado de la escobilla o modificar los detalles del devanado del inducido. 

En un conjunto híbrido, las dos regiones se comunican entre sí de forma indirecta. El exceso de calor debido a una conmutación deficiente puede elevar la temperatura de los anillos y acelerar el desgaste de los circuitos de los anillos colectores “simples”. Por otro lado, un compartimento de anillos colectores sucio o con fugas puede introducir polvo conductivo o humedad en el conmutador, lo que aumenta el riesgo de trazas y descargas eléctricas. Por lo tanto, cuando se observa un mal funcionamiento en un lado, también es necesario inspeccionar el otro lado, incluso si sus propias mediciones siguen pareciendo correctas.

Seleccionar o especificar uno sin perderse en la redacción.

Si tienes que elegir o especificar un conmutador de anillo colector para un proyecto, lo más seguro es olvidarte por un momento de la etiqueta y anotar dos cosas por separado.

En primer lugar, especifique todos los circuitos que deben atravesar la interfaz giratoria. Para cada uno de ellos, registre el rango de tensión, la corriente, el tipo de forma de onda, la frecuencia o la velocidad de datos, las necesidades de aislamiento y cualquier restricción especial en materia de blindaje o ruido. Alimentación de un devanado de motor, Ethernet, señales de resolver, líneas de termopares, excitación de CC, detección analógica de bajo nivel: cada uno de estos elementos requiere un tratamiento diferente en cuanto al cobre y el carbono.

En segundo lugar, especifique lo que la interfaz debe hacer realmente con esos circuitos. Algunos circuitos solo necesitan continuidad de trayectoria continua. Otros deben conmutarse o rectificarse de forma muy controlada, sincronizados con el ángulo del rotor o la posición del campo magnético. En ese segundo grupo es donde el comportamiento del conmutador aparece por diseño, no por accidente.

Una vez que entregue esta descripción a un proveedor, normalmente la asociarán a una de estas tres respuestas. Podrían resolverlo con un anillo colector estándar más componentes electrónicos externos y sin ningún conmutador mecánico. Podrían resolverlo con una máquina clásica de corriente continua conmutada en la que no se necesitan circuitos giratorios adicionales. O podrían proponer el conjunto híbrido de “anillo colector conmutador” que usted preguntaba, integrando ambos comportamientos en una sola unidad mecánica.

La última opción suele aparecer cuando el número de ejes, el espacio o la complejidad mecánica descartan interfaces separadas.

Breve resumen

Entonces, ¿qué es realmente un conmutador de anillo deslizante? No se trata de una tercera categoría mística de hardware. Es un nombre genérico para cualquier conector giratorio de tipo cepillo o, más concretamente, un conjunto híbrido que proporciona conexiones continuas de tipo anillo deslizante y conmutación en la misma estructura giratoria.

Los anillos colectores transfieren energía e información a través de un límite giratorio sin cambiar su forma. Los conmutadores remodelan intencionadamente la corriente con cobre segmentado y contacto temporizado. Un conmutador de anillo colectora es simplemente el lugar donde esas dos necesidades chocan en la misma máquina, y el diseñador decide resolverlas con un solo conjunto giratorio en lugar de dos.

La terminología puede variar, pero si te fijas en lo que ve el circuito externo, la imagen se mantiene estable.