¿Por qué solo se retira la mitad del aislamiento de un conmutador?
En el clásico motor de corriente continua “de cable y batería” que se utiliza en las aulas, solo se retira la mitad del aislamiento, de modo que la bobina solo recibe corriente durante la media vuelta en la que el par magnético la ayuda, y queda en circuito abierto cuando el par contrarresta el movimiento. Si se retira todo, el motor se cala o simplemente vibra. Si no se retira nada, nunca arranca. Las vueltas medio desnudas y medio aisladas convierten ese pequeño y barato bucle de cable en un motor rudimentario pero eficaz. conmutador.
Índice
A qué se refiere realmente “la mitad del aislamiento retirado”
Vamos a concretar el hardware, porque cada persona entiende algo diferente por “conmutador”.
En el motor de laboratorio escolar o de primer año, el “conmutador” es, literalmente, los extremos de alambre de cobre esmaltado de la bobina giratoria que descansan en dos soportes (clavijas, clips, ganchos). Se raspa el esmalte:
- un extremo: completamente desnudo donde toca el soporte
- el otro extremo: solo desnudo en aproximadamente la mitad de la circunferencia, con la otra mitad aún aislada
Visto desde el lateral, cada extremo parece un círculo de cobre, pero en uno de ellos el cobre solo queda expuesto en un semicírculo. Ese extremo medio desnudo es el segmento del conmutador. Cuando el semicírculo desnudo queda frente al soporte, la corriente fluye. Cuando el semicírculo aislado queda frente al soporte, el circuito se abre. Es sencillo, pero no aleatorio. Los tutoriales, las notas de laboratorio y los hilos de preguntas y respuestas describen este patrón de 180 grados desnudo/180 grados aislado como la clave para conseguir una rotación continua.
Por lo tanto, “solo se ha eliminado la mitad del aislamiento” significa que solo se ha raspado aproximadamente 180° de la circunferencia de un extremo de la bobina, donde se apoya sobre el soporte.
¿Qué pasa si se quita todo el aislamiento?
Imagina que ignoras las instrucciones y raspa ambos extremos hasta dejarlos completamente limpios.
Ahora la bobina es un electroimán mientras la batería esté conectada. La dirección de la corriente nunca cambia con respecto a la bobina, por lo que la dirección del momento magnético tampoco cambia nunca. El par sobre la bobina en un campo uniforme es proporcional al seno del ángulo entre el momento magnético de la bobina y el campo.
Eso significa:
- desde un ángulo inicial, el par acelera la bobina hacia la alineación con el campo;
- Una vez que pasa la alineación, el par se invierte naturalmente e intenta tirar de la bobina hacia atrás.
Con corriente continua, la bobina simplemente busca la posición de menor energía y se queda allí, pegada magnéticamente a la orientación preferida. Varias notas de clase dicen exactamente esto: si ambos lados están completamente pelados, la bobina es “siempre un imán” y tiende a quedarse pegada apuntando al imán permanente en lugar de girar.
Es posible que veas un movimiento momentáneo cuando conectes la alimentación por primera vez, pero no una rotación sostenida. Si la fricción es baja y todo es perfectamente simétrico, es posible que incluso se produzca un ligero balanceo hacia adelante y hacia atrás. No es lo que nadie llamaría un motor.
Por lo tanto, al eliminar todo el aislamiento, el conmutador deja de ser un conmutador. Se pierde por completo la función de “conmutación”.
Medio desnudo = 180° encendido, 180° apagado
El cable medio desnudo resuelve eso creando un patrón temporal sencillo:
- aproximadamente 180° de rotación con corriente encendida;
- aproximadamente 180° con la corriente apagada.
La idea, tal y como se explica en varios manuales y explicaciones de laboratorio, es que el motor utiliza la corriente para acelerarse a través de la mitad “buena” de la vuelta y, a continuación, se desplaza por la mitad “mala” gracias al impulso, mientras el circuito está abierto.
Durante la media vuelta impulsada, las fuerzas a ambos lados de la bobina la empujan en el mismo sentido de rotación. Una vez que la bobina ha girado hasta el punto en que esas fuerzas invierten su dirección y comienzan a frenar, la zona sin aislamiento gira alejándose del soporte, la zona aislada queda debajo del soporte y la corriente se detiene. Sin corriente, no hay par motor, por lo que no hay nada que tire de la bobina hacia atrás. Simplemente sigue moviéndose porque ya está en movimiento.
Cuando ha dado otra media vuelta, la zona desnuda vuelve a quedar bajo el soporte, la corriente se restablece y el ciclo se repite.
Por lo tanto, “solo se ha eliminado la mitad del aislamiento” significa en realidad “encender el soplete durante media vuelta y apagarlo durante la otra mitad”.
¿Por qué tiene que ser el? correcto mitad
No bastaría con retirar cualquier 180° aleatorio de aislamiento. La mitad desnuda debe alinearse con la orientación de la bobina donde se desea que exista la corriente.
En la construcción habitual, se marca la bobina en un plano vertical entre las caras norte y sur del polo. A continuación, se raspa la mitad superior de uno de los extremos del cable, dejando la mitad inferior aislada, y asegurándose de que ambos extremos expongan el mismo lado del cable en relación con la orientación vertical de la bobina. Las instrucciones de clase y las hojas de laboratorio son muy explícitas sobre esta orientación, precisamente porque si se hace mal, el motor falla de formas confusas.
Si se raspa la mitad equivocada, se termina energizando la bobina principalmente cuando el par motor oponerse la dirección en la que intentas girar. El resultado es una fuerte tendencia a quedarse parado o a funcionar solo cuando lo mueves en una dirección “afortunada”.
Por lo tanto, el conmutador semi-aislado no se refiere solo a la cantidad de aislamiento eliminado. Se trata de la fase: alinear la ventana de conducción con la región angular donde el par tiene el signo que se desea.
Comparación de diferentes patrones de decapado
A continuación se muestra un resumen de lo que realmente ocurre con las diferentes opciones de “¿cuánto aislamiento hemos eliminado?” en este tipo de motor:
| Patrón de rayas en los extremos de la bobina | Corriente en una vuelta | Patrón de par | Comportamiento probable |
|---|---|---|---|
| Ambos extremos completamente pelados | La corriente fluye para todos los ángulos; la bobina es siempre un electroimán. | El par motor alinea la bobina, luego invierte el sentido y la frena una vez que ha pasado la alineación. | La bobina se fija en un ángulo estable y permanece allí; tal vez se mueva ligeramente, pero no gira de forma sostenida. |
| Un extremo completamente pelado, el otro extremo pelado más allá de los 180° correctos. | La corriente solo fluye durante la mitad de la vuelta, sincronizada de manera que el par siempre ayuda al movimiento durante esa mitad. | La mitad alimentada empuja; la mitad sin alimentar deja que la bobina se deslice sin frenar. | Motor fiable de “media onda”; gira en la dirección deseada una vez que se le da un pequeño empujón. |
| Un extremo completamente pelado, el otro extremo pelado en 180° incorrectos. | La corriente fluye a lo largo de la mitad de la vuelta, pero principalmente en la zona de frenado. | El par motor dificulta el movimiento más de lo que lo facilita. | El motor se cala o funciona solo de forma intermitente; a menudo solo vibra cerca de una posición. |
| Pequeña zona desnuda, mucho menos de 180°. | Los pulsos de corriente se activan brevemente una vez por turno. | Impulsos cortos de par, zona muerta grande | Muy irregular, es posible que nunca alcance la velocidad suficiente para atravesar la zona fuera de región; tiende a ser poco fiable en la práctica. |
Por eso, las buenas hojas de laboratorio no solo hablan de “la mitad del aislamiento”, sino también de la extensión angular y la orientación de esa sección pelada.
¿Por qué media vuelta es el punto óptimo?
Suponiendo que el lector esté familiarizado con las curvas de par frente a ángulo, hay una buena manera de visualizar por qué “aproximadamente la mitad” resulta atractivo.
Tomemos una bobina rectangular simple, una vuelta, N = 1, área A, en un campo uniforme B. La magnitud del par electromagnético instantáneo es proporcional a IAB sin θ, donde θ es el ángulo entre la normal de la bobina y el campo. Si se permite que la corriente fluya todo el tiempo en una dirección fija, el par medio durante una revolución es cero, como era de esperar; la parte positiva cancela la parte negativa.
Ahora recorte la forma de onda actual para que solo exista durante 180° centrados en los ángulos donde sin θ tiene el signo que desea, y sea cero en el resto. El par medio por vuelta deja de ser cero y se elimina la región de par negativo. Ese “enmarcado” del par es exactamente lo que hace el conmutador semiaislado, solo que con una sincronización muy rudimentaria.
Si se hace la ventana mucho más larga que 180°, se vuelve a dejar que la corriente fluya en parte de la región donde el par se opondría al movimiento. Si se hace mucho más corta, se reduce el par medio y se obliga al rotor a depender en gran medida de la inercia y la baja fricción. Alrededor de 180° es un compromiso práctico para un motor construido a partir de una batería, un imán y cualquier cable y clip que haya en el cajón. Las notas de laboratorio que tratan este tema con detenimiento suelen citar “conducción impedida en más de 180° de rotación” como objetivo de diseño.
La construcción semi-aislada proporciona ese ciclo de trabajo eléctrico 50% sin necesidad de piezas adicionales más allá de una cuchilla o papel de lija.
La media vuelta “muerta” no se desperdicia.
A veces, a la gente le preocupa que la mitad del ciclo sin alimentación se desperdicie. En un motor de laboratorio no se busca la eficiencia, sino una demostración clara de la dirección del par y de la conmutación.
Durante la media vuelta fuera:
- la energía cinética almacenada de la bobina giratoria la lleva a través de la región donde el par magnético habría opuesto al movimiento;
- la ausencia de corriente significa que no se produce un calentamiento adicional de la bobina o los contactos durante ese intervalo;
- mecánicamente, los cepillos (soportes de alambre) registran una corriente de contacto media menor, lo que limita la combustión y la corrosión en una construcción que ya es muy marginal.
Varios recursos didácticos describen explícitamente esa fase como un intervalo de inercia “una vez por revolución” en el que la bobina no atrae al imán y simplemente continúa en la misma dirección general.
Por lo tanto, el motor intercambia un par continuo por una dirección estable y simplicidad.
Conexión a conmutadores de CC reales y eliminación parcial del aislamiento
El truco del cable semi-aislado es un eco a escala de juguete de lo que hacen las grandes máquinas de corriente continua con conmutadores de segmentos de cobre adecuados.
En un motor o generador de corriente continua real:
- El conmutador está construido a partir de numerosas barras de cobre, separadas por una fina capa de mica o un aislante similar.;
- La mica se mecaniza o se “rebaja” ligeramente por debajo del nivel de los segmentos de cobre, de modo que las escobillas solo rozan el cobre, y no el material aislante.;
- La geometría y el ancho del pincel se eligen de manera que, mientras un segmento se encuentra bajo el pincel, la bobina de armadura asociada cambia de una polaridad a la opuesta.
Las guías de mantenimiento hacen hincapié en que no se debe eliminar toda la mica entre los segmentos. Solo hay que rebajarla aproximadamente un milímetro (se citan valores típicos como 1/32″ a 1/16″), lo suficiente para evitar que raspe las escobillas de carbón y para impedir que las “crestas” de mica levanten las escobillas y provoquen arcos eléctricos. La mica restante sigue manteniendo la estructura unida y evita que las barras adyacentes se cortocircuiten.
Por lo tanto, en el mundo industrial, “eliminación del aislamiento” suele significar:
- hundir ligeramente el aislante por debajo del cobre para controlar el contacto mecánico y las chispas;
- sin eliminar nunca por completo la barrera aislante entre los segmentos.
En el motor de banco, “solo se ha eliminado la mitad del aislamiento” significa:
- mantener el aislamiento en la mitad de la circunferencia de un extremo de la bobina para controlar el momento en que se cierra el circuito.
En ambos casos, el tema se repite: se elimina solo el aislamiento necesario para dar forma a la corriente en el tiempo o el espacio, conservando el suficiente para mantener la separación eléctrica y la integridad mecánica.
¿Por qué sigue siendo importante este sencillo truco cuando “conoces la teoría”?”
Si ya conoces la teoría de las máquinas de corriente continua, es tentador considerar el conmutador semiaislado del aula como un juguete. Sin embargo, contiene discretamente varias ideas que se pueden aplicar directamente al trabajo de diseño serio.
En primer lugar, demuestra que en realidad no se necesita una corriente continua para obtener una rotación continua. Se necesita una corriente que esté correctamente sincronizada con respecto al ángulo mecánico. Todo lo demás son detalles de suavidad y eficiencia.
En segundo lugar, te obliga a pensar en lo que hace el motor cuando el par motor llega a cero. ¿Tu sistema tiene suficiente inercia y una fricción lo suficientemente baja como para atravesar la banda muerta? Si no es así, necesitas más polos, una conmutación multisegmento adecuada o algún tipo de control de retroalimentación.
En tercer lugar, nos recuerda que cualquier conmutador, por muy elaborado que sea, no es más que una disposición repetitiva de tres funciones: conectar, desconectar y volver a conectar con polaridad inversa. El motor escolar reduce todo eso a una simple pieza de cobre raspado.
Una vez que ves el cable medio aislado de esa manera, la pregunta original casi se responde por sí sola. Solo se retira la mitad del aislamiento porque esa es la intervención mínima que permite que el conmutador siga haciendo su trabajo: suministrar corriente a la bobina exactamente cuando su par magnético empuja en la dirección deseada y mantenerse al margen durante el resto de la vuelta.
