¿Por qué algunos motores de CC tienen un número impar de segmentos de colector?

Si te pasas el día leyendo hojas de datos de motores de CC con escobillas, empiezas a notar patrones.

Uno de los tranquilos: “Número de conmutador segmentos: 3”, “5 segmentos”, “7 segmentos”. A veces pares. Muy a menudo impares.

Para un comprador o un ingeniero de diseño, esa pequeña línea no es mera trivialidad. Dice mucho sobre la ondulación del par, el ruido, el coste, la estrategia de ensayo e incluso en qué proveedor se debe confiar para un trabajo de precisión.

Este artículo asume que ya sabes lo que hace un conmutador. Vayamos directamente a por qué la cuenta de segmentos - especialmente un extraño recuento de segmentos: sigue apareciendo en diseños serios de motores de CC.

1. Qué controla realmente el recuento de segmentos

Algunas relaciones básicas, sólo como recordatorio:

• El número de segmentos del conmutador suele ser igual al número de bobinas del inducido en una máquina de CC clásica.
• Más segmentos → más bobinas, más pequeñas → eventos de conmutación más frecuentes y par más suave, hasta el punto en que dominan el coste de fabricación y las tolerancias.
• Para los pequeños motores de escobillas de 2 polos, el inducido de 3 polos (3 segmentos) es el diseño mínimo más común; evita los puntos muertos y permite a las escobillas puentear dos segmentos sin que se produzca un cortocircuito.

Una vez que estén arreglados, par e impar El recuento de segmentos cambia la geometría del momento en que se produce la conmutación con respecto a los polos magnéticos.

Esa geometría es donde empieza el comportamiento interesante.

2. Segmentos impares: más puntos de conmutación por revolución

Tomemos un simple motor de corriente continua de imán permanente de 2 polos con dos escobillas separadas 180°.

• Con un incluso número de segmentos del conmutador, el patrón de las bobinas que se conmutan se repite cada media vuelta de forma muy regular.
• Con un extraño número de segmentos, se compensan los “instantes de conmutación”. En una revolución mecánica se obtiene el doble de posiciones de conmutación distintas en comparación con un diseño similar de segmento par.

Los especialistas en motores sin núcleo de maxon motor lo señalan directamente: un número impar de segmentos conmutadores. duplica el número de puntos de conmutación, y afirman que 5 segmentos conmutadores son mucho mejores que 6 para sus pequeños motores con escobillas.

¿Y eso qué importa?

• Cada evento de conmutación es una pequeña perturbación en el par y la corriente.
• Distribuye esos eventos de forma más densa a lo largo de la revolución → cada perturbación es menor en términos angulares.
• Resultado: menor ondulación del par y movimiento más suave a baja velocidad para el mismo tamaño básico de motor.

Así que cuando vea “5 segmentos - 1 par de polos” o algo similar en la ficha técnica de un motor sin núcleo, normalmente se trata de una elección deliberada para ondulación del par de empuje hacia abajo sin cambiar el circuito magnético.

No es magia. Sólo geometría y estadística.

3. Segmentos impares, ranuras y ondulación de par

El recuento de segmentos nunca vive solo. Se sienta encima de:

• Número de ranuras
• Número de postes
• Tipo de bobinado (vuelta, ondulado, reentrante, etc.)

Los recuentos impares de ranuras y segmentos aparecen una y otra vez en los documentos y notas de diseño sobre la ondulación del par:

• Para las máquinas de imán permanente, los diseñadores suelen elegir número impar de ranuras del estator (o ranura fraccional por polo) para romper los patrones regulares de par de arrastre y reducir la ondulación del par.
• En los devanados ondulados de CC con escobillas, tener una ranura de inducido o un número de segmentos impar puede ayudar a mantener el paso de conmutador deseado y evitar tramos de bobina incómodos.

Su motor de CC con escobillas no es un BLDC, por supuesto, pero la idea es similar:

Evite los factores comunes simples entre ranuras, polos y segmentos si desea que la ondulación del par sea pequeña.

El recuento de segmentos impares es una de las herramientas para ello. No es la única, pero es barata y robusta.

En el caso de motores de gran volumen (juguetes, ventiladores, bombas), seguirán apareciendo diseños de 3 ranuras y 3 segmentos porque son fáciles de fabricar y “suficientemente buenos”.

Una vez que se pasa a la instrumentación, las bombas médicas, las articulaciones robóticas o cualquier cosa que necesite una regulación de velocidad limpia, las combinaciones de 5 segmentos y otras combinaciones “no triviales” (a menudo con ranuras impares) empiezan a aparecer con mucha más frecuencia.

4. ¿Por qué no seguir añadiendo segmentos?

Si más segmentos (e impares) dan un par más suave, ¿por qué no 11, 13, 21...?

Dos razones que te importarán como comprador:

1. Complejidad de la fabricación
   • Aumentar el número de segmentos hace que cada segmento más estrecho.
   • Los ganchos o las almohadillas de soldadura se hacen pequeños; los extremos de los cables adyacentes quedan más juntos y es más fácil que se cortocircuiten o dañen.
   • La inspección y el reprocesado se ralentizan. El rendimiento disminuye.
2. Tolerancia y coste
   • El propio material de formación de Maxon señala que, a partir de cierto punto, los segmentos adicionales no aportan ninguna ganancia técnica significativa, pero sí aumentan el coste de producción e introducen variaciones de par a partir de las tolerancias de bobinado.

Así que, en la práctica, para los pequeños motores con escobillas se suele ver una simple escalera:

• Nivel inicial: 3 segmentos
• Mayor suavidad: 5 segmentos
• Máquinas especiales / de mayor tamaño: recuentos más altos sólo cuando esté absolutamente justificado

Raro, pero no excesivo.

5. Qué suele indicar un recuento de segmentos impar (para la compra)

Desde el punto de vista de la contratación, el recuento de segmentos es un indicio rápido de cómo se seleccionó el motor.

La tabla no es una regla rígida. Pero si ves que un motor “de precisión” sigue utilizando un conmutador de 3 segmentos sin una justificación clara, es una señal de alarma que vale la pena cuestionar.

6. Cómo se relaciona esto con los ingenieros y los compradores en el mismo equipo

Cuando sus equipos mecánicos, eléctricos y de compras analizan un motor de CC, suelen centrarse en:

• Tensión nominal, velocidad, par
• Eficacia, corriente continua
• Rodamientos, material de la escobilla, opciones del reductor

Es fácil pasar por alto el recuento de segmentos del colector. Pero no debería.

Algunos patrones prácticos:

1. Posicionamiento a baja velocidad o cargas muy ligeras
   • Piense en: bombas de jeringuilla, pequeños actuadores con reducción de engranajes, mecanismos ópticos.
   • En este caso, la ondulación del par se manifiesta directamente como ondulación de la velocidad o pequeños pasos de posición.
   • Pedir un motor sin núcleo de 5 segmentos en lugar de un diseño ranurado de 3 segmentos suele dar un salto de calidad visible sin cambiar mucho el resto del sistema.
2. Herramientas de alta velocidad y ventiladores
   • A altas RPM, los problemas dominantes son el equilibrio, la vida útil de las escobillas y la EMI.
   • Más segmentos desplazan el ruido de conmutación a una frecuencia más alta y reducen la energía por pico, que suele ser más fácil de filtrar.
   • Pero la presión de los costes suele ser alta, por lo que el número de segmentos será mínimo, a menos que los límites de ruido sean estrictos.
3. Motores personalizados o semipersonalizados
   • Cuando un proveedor ofrece “opciones personalizadas de bobinado y conmutador”, el número de segmentos suele ser negociable dentro de una misma familia.
   • Es su oportunidad de cambiar un pequeño aumento de coste por un par más suave o un mejor EMC.

7. Preguntas que debe hacer a su proveedor de motores sobre el recuento de segmentos

A la hora de evaluar presupuestos, añadir algunas preguntas específicas puede revelar la seriedad con la que un proveedor trata el diseño de su colector:

• “¿Por qué ha elegido este número concreto de segmentos para este tamaño de fotograma?”.” Una buena respuesta lo relaciona con el número de ranuras, el número de polos, la ondulación del par objetivo y el coste, no sólo con “esa es nuestra norma”.
• “¿Ofrecen el mismo motor con un número de segmentos diferente?” Útil si estás tratando de ajustar para un bajo ruido o un movimiento más suave sin cambiar la huella.
• “¿Cómo se controla la separación entre ganchos y el aislamiento cuando aumenta el número de segmentos?”.” Estás sondeando su control de procesos y el riesgo de cortocircuito en recuentos más altos.
• “¿Qué datos de ondulación de par o forma de onda de conmutación puede compartir?” Incluso un simple trazo de picos de conmutación en el osciloscopio indica si el diseño del segmento está bajo control.

No es necesario discutir a fondo el diseño del motor en cada ronda de contratación. Pero en los proyectos de larga duración, este nivel de cuestionamiento suele ser rentable.

FAQ: Segmentos impares del conmutador en motores de CC