Un commutador és un component essencial en els motors elèctrics de corrent continu (CC) i en alguns generadors elèctrics. La seva funció principal és actuar com un rectificador mecànic i un interruptor giratori, permetent la inversió periòdica de la direcció del corrent a les debanades del rotor. Aquest procés es coneix com a commutació.
El commutador està compost per segments de coure electrolític dur, aïllats entre si mitjançant material dielèctric, com a mica. Aquests segments estan muntats sobre l'eix del rotor i connectats als debanats de l'armadura. Per garantir la transmissió de corrent, el commutador interactua amb escombretes de carbó, que es mantenen en contacte constant amb la superfície.
Com funciona el commutador dun motor elèctric?
El commutador consta d'un conjunt de barres de contacte fixades a l'eix giratori del motor i connectades a les debanades de l'armadura. El seu funcionament es basa en els principis següents:
- Quan el rotor gira, les escombretes de carbó llisquen sobre els segments del commutador, permetent la conducció del corrent elèctric cap als debanats de l'armadura.
- A mesura que el rotor completa mitja volta, la connexió del commutador amb les escombretes canvia, invertint la direcció del corrent al debanat.
- En un motor de corrent continu, aquesta inversió de corrent genera un camp magnètic a l'armadura que interactua amb el camp fix de l'estator, produint un parell motor constant que manté el gir del rotor en una sola direcció.
- En un generador, el moviment mecànic de l'eix genera un corrent altern als debanats de l'armadura, que després és rectificada pel commutador per obtenir corrent continu al circuit extern.
- La quantitat de segments al commutador influeix en la suavitat de la commutació: com més segments hi hagi, més uniforme serà la transició del corrent, reduint les espurnes i el desgast de les escombretes.
- El disseny del commutador i les escombretes ha de garantir un contacte eficient per minimitzar la resistència de contacte i la generació de calor excessiva, factors que poden afectar leficiència del motor.
- Un commutador ben dissenyat permet un rendiment estable del motor, reduint el soroll elèctric i optimitzant la transferència de corrent entre les parts mòbils i estacionàries del sistema.
- A l'àmbit automotriu, s'utilitzen variants especialitzades com el commutador automotriu i el commutador cotxe , que permeten la commutació eficient en sistemes d'arrencada i propulsió de vehicles elèctrics. Un cas específic és el commutador d'arrencada , utilitzat en els motors d'arrencada d'automòbils per garantir una activació fiable del motor de combustió interna.
Tipus de commutadors
Hi ha diversos tipus de commutadors, dissenyats per adaptar-se a diferents aplicacions i exigències operatives. A continuació, es descriuen els més rellevants:
Commutador de tambor
Comú en motors de més potència, aquest tipus de commutador està compost per segments de coure disposats en forma cilíndrica al voltant de l'eix del rotor. El seu disseny robust permet manejar corrents elevats i és habitual en motors industrials i sistemes de tracció elèctrica.
Commutador de disc
Encara menys freqüent, aquest tipus es caracteritza per tenir segments plans organitzats en un disc giratori. S'empra en aplicacions específiques on es requereix un disseny més compacte i lleuger, com en certs dispositius electrònics i motors de mida petita.
Commutador de segments múltiples
Dissenyat per a aplicacions que requereixen una commutació més suau i eficient, aquest tipus de commutador incorpora un nombre més gran de segments, reduint la formació d'espurnes i millorant l'estabilitat del motor. Sutilitza en motors de precisió, eines elèctriques dalta velocitat i sistemes de control avançat.
Desgast i manteniment del commutador
A causa de la fricció contínua amb les escombretes de carbó, el commutador està subjecte a desgast amb el temps. Alguns problemes comuns inclouen:
- Desgast irregular : Pot generar espurnes excessives i una commutació deficient.
- Brutícia i residus de carboni : Acumulacions a la superfície del commutador poden afectar el contacte elèctric.
- Desalineació d'escombretes : Pot generar un desgast accelerat i pèrdua d'eficiència.
El manteniment del commutador inclou la neteja regular, la inspecció del desgast de les escombretes i, en alguns casos, el rectificat de la superfície del commutador per restaurar-ne el bon funcionament.
Per què serveix el commutador en un motor elèctric?
El commutador compleix diverses funcions fonamentals en el funcionament dels motors i generadors elèctrics de corrent continu:
- Connexió elèctrica : Estableix una connexió entre les escombretes estacionàries i els debanats del rotor a l'eix giratori.
- Canvi de direcció de corrent : En girar, inverteix la polaritat del corrent a les debanades del rotor en el moment precís, assegurant un parell de gir constant en la mateixa direcció.
- Sensor de posició angular : El seu disseny permet detectar la posició del rotor en relació amb el camp magnètic.
- Conversió de corrent : En generadors de corrent continu, transforma el corrent altern induït en els debanats en un corrent de sortida continu.
En un alternador, el corrent altern generat pel moviment del rotor a través del camp magnètic fix es converteix en tensió de corrent continu mitjançant el commutador. En un motor elèctric, la inversió periòdica del corrent a les debanades del rotor permet que l'armadura segueixi girant de manera contínua.