¿Qué hacen las escobillas de carbón?

La función principal de una escobilla de carbón

A cepillo de carbón Transporta corriente eléctrica desde el cableado estacionario dentro de una herramienta eléctrica hasta el conmutador giratorio o anillo deslizante montado en el eje del motor, y lo hace mientras el eje gira a gran velocidad. Sin este contacto deslizante, la corriente no podría llegar a los devanados giratorios de la armadura, por lo que el motor simplemente no funcionaría. La escobilla se presiona contra el conmutador mediante un pequeño resorte y, a medida que el eje gira, la cara de la escobilla se desliza a través de una serie de segmentos de cobre, cada uno de los cuales hace contacto brevemente y luego se suelta cuando el siguiente segmento ocupa su lugar. Esta conmutación constante es lo que permite que el campo magnético dentro del motor se invierta en los momentos correctos, que es el principio básico que mantiene un motor de corriente continua girando en una dirección en lugar de bloquearse.

Cómo el contacto deslizante mantiene el circuito cerrado

Dentro de un motor universal, el conmutador está dividido en varios segmentos de cobre aislados y cada segmento se conecta a un conjunto diferente de devanados en la armadura. A medida que el cepillo se desliza de un segmento al siguiente, une momentáneamente dos segmentos a la vez, que es el punto en el que puede aparecer una pequeña chispa, conocida como arco de conmutación. Un resorte de cepillo generalmente aplica una fuerza de contacto en el rango de 150 a 300 gramos , suficiente para mantener una conexión estable sin presionar con tanta fuerza que la fricción desgaste la superficie del conmutador de manera desigual. Si la fuerza del resorte cae porque un resorte se ha debilitado o porque el cepillo se ha desgastado más de lo que permite su soporte, el contacto se vuelve intermitente y el motor puede funcionar de manera desigual o perder potencia bajo carga.

Por qué se utilizan dos escobillas en muchos motores pequeños

Muchas herramientas eléctricas portátiles utilizan un par de cepillos colocados uno frente al otro en el conmutador, uno que lleva corriente hacia adentro y el otro que la lleva hacia afuera. Esta disposición equilibra la presión mecánica sobre el eje y distribuye el desgaste de modo que un único punto de contacto no haga todo el trabajo. En herramientas que consumen mayor corriente, como amoladoras angulares o sierras circulares, los cepillos a menudo se hacen más anchos o se les da una cara de contacto más grande para manejar la carga adicional sin sobrecalentarse.

Materiales detrás de la construcción de escobillas de carbón

Las escobillas de carbón no están hechas de una única sustancia uniforme; El término cubre una variedad de composiciones a base de carbono diseñadas para diferentes combinaciones de conductividad, dureza y tolerancia al calor. Las escobillas de grafito puro son suaves y autolubricantes, lo que las hace suaves con la superficie del conmutador, pero transportan menos corriente que las mezclas que incluyen metal. Las escobillas de electrografito se producen calentando carbón amorfo a una temperatura alta, lo que cambia su estructura interna y mejora la conductividad mientras mantiene el material relativamente blando. Los cepillos de cobre y grafito mezclan cobre en polvo con la matriz de carbono, formando a menudo un punto intermedio entre 40 y 70 por ciento del cepillo por peso, y esta composición es común en herramientas que consumen una corriente sustancial, como motores de vacío y generadores portátiles, porque el contenido de cobre reduce la resistencia eléctrica.

Por qué la fricción y los arcos desgastan gradualmente el cepillo

Cada vez que la cara de la escobilla se desliza a través del conmutador, experimenta una pequeña cantidad de fricción mecánica y cada vez que cruza el espacio entre dos segmentos, experimenta una pequeña chispa eléctrica. Durante muchas horas de funcionamiento, estos dos efectos se combinan para erosionar gradualmente el bloque de carbón, acortando su longitud milímetro a milímetro. Un pincel que comenzaba en 12 milímetros en longitud podría desgastarse hasta algún punto cercano 4 o 5 milímetros después de un uso prolongado en una herramienta operada con frecuencia, momento en el cual el resorte ya no puede mantener la presión adecuada contra el conmutador. El calor también influye, ya que un consumo elevado y sostenido de corriente aumenta la temperatura en el punto de contacto, y los ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento pueden hacer que el material del cepillo se vuelva quebradizo y se astille en lugar de desgastarse de manera uniforme.

Reconocer cuándo es necesario reemplazar un cepillo

Un cepillo desgastado tiende a manifestarse a través de un puñado de síntomas notables en lugar de fallar silenciosamente. Chispas visibles alrededor de las rejillas de ventilación de la carcasa del motor, un olor a quemado cerca de la tapa trasera de la herramienta, un motor que pierde potencia de forma intermitente bajo carga y cantidades inusuales de polvo de carbón negro que se acumula dentro de la carcasa son indicadores comunes de que la superficie de contacto se ha adelgazado más allá de un punto viable. Muchos fabricantes marcan una longitud mínima utilizable directamente en el cepillo de repuesto o la especifican en la documentación de servicio de la herramienta, a menudo alrededor de 6 milímetros , por debajo del cual la presión del resorte y la superficie de contacto ya no son suficientes para una transferencia segura de corriente. Verificar la longitud de las escobillas durante el mantenimiento de rutina, particularmente en herramientas que se usan diariamente en un taller, puede detectar este desgaste antes de que provoque que el motor se detenga por completo.

Las matemáticas de reparación

Un juego de escobillas de carbón de repuesto generalmente cuesta una pequeña fracción de una herramienta eléctrica nueva, y cambiar un par de escobillas desgastadas suele ser la diferencia entre retirar una herramienta y obtener varios años más de uso. Cuando un costo modesto de piezas extiende la vida útil de un motor que de otro modo se desecharía, la carga de energía de fabricación, embalaje, envío y eventual eliminación asociada a la producción de una herramienta de reemplazo se evita por un desembolso comparativamente pequeño. Esto es parte de por qué el reemplazo de escobillas sigue siendo una reparación básica estándar que se enseña en muchos cursos de mantenimiento de electrodomésticos y herramientas, en lugar de una tarea especializada reservada para técnicos profesionales.

Herramientas cotidianas que dependen de las escobillas de carbón

Las escobillas de carbón aparecen en una amplia gama de equipos domésticos y de taller, además del obvio taladro inalámbrico. Las amoladoras angulares, las sierras circulares y las sierras alternativas dependen de motores universales con escobillas porque ese tipo de motor puede alcanzar las altas velocidades de rotación necesarias para cortar y esmerilar sin dejar de ser compacto y económico de producir. Las aspiradoras y las batidoras de cocina utilizan versiones más pequeñas de la misma tecnología, y los generadores portátiles, algunos ventiladores de techo y los motores de lavadoras más antiguos también dependen de una disposición de cepillo-conmutador para mantener el flujo de corriente hacia una armadura giratoria. Los motores de arranque de automóviles son otro ejemplo común, donde las escobillas manejan un breve pero intenso aumento de corriente cada vez que el motor gira.

Cómo combinar un cepillo universal con un motor específico

Seleccionar correctamente un cepillo de repuesto universal es importante tanto para restaurar el rendimiento de la herramienta como para evitar fallas prematuras que podrían dañar el conmutador. Las dimensiones físicas son importantes al principio del proceso de selección, ya que la longitud, el ancho y el grosor del bloque de carbón deben coincidir estrechamente con la cavidad del portaescobillas; un cepillo que quede flojo vibrará contra el conmutador en lugar de mantener un contacto constante. La tensión del resorte necesita suficiente fuerza para mantener el cepillo asentado firmemente sin presionar con tanta fuerza que acelere el desgaste de los segmentos de cobre, y los kits universales generalmente incluyen una variedad de opciones de resorte para adaptarse a diferentes categorías de herramientas. El terminal de cable y el estilo del conector deben coincidir con el cableado interno de la herramienta para que el cepillo pueda instalarse sin modificaciones, y los cepillos destinados a un mayor consumo de corriente, como los de las amoladoras angulares grandes, generalmente necesitan un mayor contenido de metal para una conductividad adecuada, mientras que los cepillos con una proporción de grafito más suave se eligen donde un funcionamiento más silencioso y suave importa más que la capacidad de corriente bruta. El material del conmutador también influye en la decisión, ya que algunas formulaciones de cepillos son más suaves con los conmutadores de cobre más blandos, mientras que otras están formuladas para superficies de conmutadores más duras y resistentes al desgaste que se encuentran en los motores de grado industrial. Un kit universal bien combinado tiene en cuenta estas variables al ofrecer una gama seleccionada de tamaños y configuraciones en lugar de depender de una única forma genérica para adaptarse a cada herramienta.