Escobilla (electricidad)

Escobilla (electricidad)

Escobillas.

En electricidad, frecuentemente es necesario establecer una conexión eléctrica entre una parte fija y una parte rotatoria en un dispositivo. Es el caso de los motores o generadores eléctricos, donde hay que establecer una conexión de la parte fija de la máquina con las bobinas del rotor.

Para realizar esta conexión se fijan en el eje de giro dos anillos, generalmente de cobre, aislados eléctricamente de dicho eje y conectados a los terminales de la bobina rotatoria. Enfrente de dichos anillos se disponen unos bloques de carbón, que, mediante unos resortes, hacen presión sobre ellos estableciendo el contacto eléctrico necesario. Estos bloques de carbón se denominan escobillas y los anillos rotatorios reciben el nombre de colector.

En determinado tipo de máquinas electromagnéticas, como los motores o generadores de corriente continua, los anillos del colector están divididos en dos o más partes, aisladas unas de otras y conectadas a una o más bobinas. En este caso cada una de las partes en que está divido el colector se denomina delga.

Dado que, por el roce, al girar el dispositivo, se produce un desgaste por abrasión, las escobillas deben ser sustituidas periódicamente. Por este motivo se han inventado los motores eléctricos sin escobillas.

Historia

Conmutador con escobillas

Resulta curioso el hecho de que un elemento con estructura poliédrica se denomine escobilla, cuando para nosotros el término escobilla siempre está orientado hacia algo con filamentos, con pelos o con algo relacionado con lo que su término en español signifique.

En realidad, la escobilla, como tal, apareció como resultado a un estebitan que se presentó cuando las primeras máquinas eléctricas fueron desarrolladas. El problema a resolver era llevar una corriente eléctrica desde una masa giratoria a una masa estacionaria (lo que se conoce hoy en día como rotor y estátor).

El primer elemento que se utilizó para llevar corriente eléctrica de una masa giratoria a una masa estacionaria fue, precisamente, una escoba, una brocha. El inventor, tomando un cable con una serie de filamentos metálicos, como virutas de fundición, los agrupó con un anillo metálico, como una brocha de afeitar, y los puso en contacto con una superficie energizada, el anillo rozante de un generador de corriente alterna rudimentaria. De ahí que su nombre original en el idioma inglés fuera brush, nombre que respondía exactamente al elemento que se estaba inventando. Esta solución resultó ser relativamente práctica para máquinas pequeñas y máquinas lentas, pero en la medida en que las potencias de los generadores se fueron haciendo más importantes, la brochita de pelos metálicos se hizo insuficiente porque éstos se recalentaban, se fundían rápidamente y se quebraban.

Así, se vio la necesidad de pasar a un material sólido. Se llega, entonces, a lo que es una escobilla para máquinas eléctricas, que se define, en primera instancia, como un frotador-conductor de corriente. Es, pues, un órgano mecánico y eléctrico cuya misión es transferir corriente de intensidad muy variable entre la masa giratoria y su circuito exterior de alimentación o utilización.

Precisamente, la primera equivocación que se cometió fue pensar en utilizar un material conductor. De tal manera, se pensó en escobillas de cobre, hierro y bronce, las cuales realizaron muy bien su trabajo como conductores, pero pésimo como frotadores, debido al alto coeficiente de rozamiento que hay entre dos superficies metálicas.

Así, como desgastaban brutalmente los anillos, las simplemente llamadas "escobillas metálicas" fueron apartadas.

Entonces, el análisis se hizo a la inversa; fue preciso buscar primero un buen frotador que tuviera unas condiciones aceptables como conductor. Después de muchas evaluaciones se llegó a un material sólido, que es precisamente el carbón. En ese momento era un carbón amorfo, de características muy diferentes a las que se conocen hoy en día. Sin embargo, la idea persiste hasta nuestros días debido a que la estructura molecular del carbón es excelente para la fricción.

La composición molecular del carbón, en forma de grafito, es como un libro. Son moléculas hexagonales dispuestas en forma laminar, y es muy fácil retirar sus capas externas. Se puede comprobar si tomamos una escobilla y le pasamos el dedo; encontraremos que desprende muy fácilmente su última capa. Esa característica es lo que convierte a este material en un candidato excelente para la fricción.

El carbón es un material denominado auto-lubricado, que no ataca la superficie sobre la que está frotando, y no se desgasta aceleradamente. Ahora, hablar sobre su naturaleza conductora ya es otra cosa. El grafito o carbón no es un excelente conductor de la electricidad; sin embargo, se puede intervenir eléctrica y químicamente sobre él para convertirlo en un "regular" o "buen" conductor de la electricidad, condición que resulta de un valor incalculable cuando más adelante se llega a lo que es la máquina de corriente continua.

El desarrollo de las máquinas eléctricas, impuso rápidamente que se desarrollaran, también, los diversos materiales para la fabricación de escobillas. Es decir: si la primera máquina fue el generador de corriente alterna, más adelante aparecería el propio motor de corriente alterna; luego viene la aparición de la corriente continua con su generador, su motor y una serie de desarrollos como la Máquina Fraccionaria Universal y los motores de corriente alterna con velocidad variable; el mismo motor de inducción con rotor bobinado presenta una serie de retos para las escobillas, y obligaró a los fabricantes a desarrollar grados especiales e innovar cada día sobre este tema.

Los ferrocarriles, en la mayoría de los países, han adoptado motores de corriente continua con unidades convertidoras, bien sea en subestaciones o bien en el mismo tren. Las máquinas laminadoras y las de tracción eléctrica utilizadas en las minas de carbón, requieren frecuentemente la alimentación en corriente continua, que también ofrece ventajas en la propulsión marina y plantas auxiliares. En fin; el desarrollo en el diseño y el control de las máquinas de corriente continua las hace sumamente útiles para trabajos de toda naturaleza.

El carbón que se utiliza para escobillas eléctricas se descubrió alrededor de 1890. Así, podemos pensar que la escobilla de carbón para máquinas eléctricas celebró ya su primer centenario. Lo simpático es que, probablemente, la escobilla de carbón no cumpla 200 años. La verdad es que todos hemos visto cómo el generador de corriente continua ha desaparecido. Las máquinas ya presentan innovaciones técnicas, tales como variadores electrónicos de frecuencia, para aumentar o disminuir la velocidad. Sin embargo, hay aplicaciones donde todavía es absolutamente indispensable el uso de la corriente continua, como son los motores de tracción en locomotoras, metros, camiones, etc., y las máquinas universales como los motores fraccionarios que mueven los electrodomésticos y las máquinas herramienta.

El funcionamiento satisfactorio de las máquinas de corriente continua se ha debido en gran parte al uso de escobillas de carbón especiales, con grados de escobillas correctos, y de los polos de conmutación. El estudio de las escobillas de carbón y su aplicación correcta en las máquinas modernas es de gran importancia para todos los usuarios de maquinaria eléctrica.

La correcta aplicación y selección de las escobillas, conjuntamente con el adecuado cuidado, retorna en el mejoramiento del comportamiento de la máquina, menos dolores de cabeza debidos al mantenimiento, menos costosos tiempos de detección.

Véase también

  • Pátina
  • Colectores y anillos rozantes
  • Portaescobillas

Enlaces externos


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