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Una escobilla o cepillo de carbón es un contacto eléctrico , generalmente fabricado con carbón especialmente preparado , que conduce corriente entre las partes fijas y giratorias (siendo estas últimas, con mayor frecuencia, un eje giratorio ) de una máquina eléctrica . [ 1 ] Entre las aplicaciones típicas se incluyen motores eléctricos , alternadores y generadores eléctricos . La vida útil de una escobilla de carbón depende de la frecuencia de uso del motor y de la potencia que se le suministra. [ 2 ]
Etimología
Para que ciertos tipos de motores o generadores eléctricos funcionen, las bobinas del rotor deben conectarse para completar un circuito eléctrico. Originalmente, esto se lograba fijando un conmutador o anillo colector de cobre o latón al eje , con resortes que presionaban cepillos de alambre de cobre trenzado sobre el anillo colector o conmutador, conduciendo así la corriente. Dichos cepillos producían arcos eléctricos e incluso se soldaban al girar el conmutador, debido a que cortocircuitaban los segmentos adyacentes.
La solución consistió en la introducción de escobillas de alta resistencia fabricadas con grafito (a veces con cobre añadido). Si bien su resistencia era del orden de decenas de miliohmios, era lo suficientemente alta como para proporcionar un cambio gradual de la corriente entre los segmentos del conmutador.
Las escobillas de carbón están disponibles en cuatro categorías principales: grafito de carbón, electrografito, grafito y grafito metálico. [ 3 ] El término escobilla se sigue utilizando. Dado que las escobillas se desgastan, pueden reemplazarse en productos diseñados para permitir el mantenimiento.
Durante la Segunda Guerra Mundial, los generadores de los aviones de gran altitud sufrían un desgaste muy rápido de las escobillas, lo que requería la reformulación de los compuestos de las escobillas para lograr una vida útil aceptable.
Actualmente se están desarrollando cepillos de fibra metálica. [ 4 ] Pueden tener ventajas sobre la tecnología de cepillos actual, pero aún no se han implementado ampliamente.
proceso de fabricación
Mezcla de componentes
La composición exacta de la escobilla depende de la aplicación. Se suele utilizar polvo de grafito/carbono. El cobre se utiliza para una mejor conductancia (poco común en aplicaciones de CA). Para maximizar la conductividad eléctrica y la resistencia en verde , se utiliza polvo de cobre altamente dendrítico (electrolítico). [ 5 ] Se mezclan aglutinantes , principalmente fenol u otras resinas o brea , para que el polvo mantenga su forma al compactarse. Otros aditivos incluyen polvos metálicos y lubricantes sólidos como MoS 2 , WS 2 . Se requiere mucho conocimiento e investigación para definir una mezcla de grado de escobilla para cada aplicación o motor.
Compactar la mezcla
El compuesto del cepillo se compacta en una herramienta que consta de un punzón superior e inferior y una matriz, en prensas mecánicas o hidráulicas. En este paso, según el procesamiento posterior, el alambre de cobre (llamado alambre de derivación) se puede insertar automáticamente a través de un orificio en el punzón superior y fijarse al bloque de cepillo prensado mediante el polvo prensado a su alrededor. Esta operación, llamada "compactación", generalmente se realiza con polvo de cobre electrolítico, posiblemente con recubrimiento de plata para algunas aplicaciones de alto rendimiento. [ 6 ] Después de este proceso, el cepillo aún es muy frágil y en la jerga profesional se le llama "cepillo verde".
Cocción de pinceles verdes
A continuación, se procede al tratamiento térmico de los cepillos en estado natural bajo atmósfera artificial (generalmente hidrógeno y nitrógeno ). Las temperaturas alcanzan hasta 1200 °C. Este proceso se denomina sinterización o horneado. Durante la sinterización, los aglutinantes se queman o se carbonizan, formando una estructura cristalina entre el carbono, el cobre y otros aditivos. [ 7 ] Tras el horneado, se procede a la grafitización (tratamiento térmico). El tratamiento térmico se realiza mediante una curva de temperatura definida con precisión para cada mezcla de materiales. Además de la composición de la mezcla, la curva de temperatura utilizada constituye el segundo gran secreto de cada fabricante de cepillos. Tras el tratamiento térmico, la estructura del cepillo se modifica de tal manera que resulta prácticamente imposible para las empresas competidoras copiarlo.
Operaciones secundarias
La sinterización provoca que los cepillos se encojan y se doblen. Deben ser rectificados para obtener la forma final. Algunas empresas utilizan tratamientos adicionales para aumentar la durabilidad del cepillo mediante métodos como la impregnación de la superficie de contacto con aceites, resinas y grasas especiales. [ 7 ]
La fabricación de escobillas de carbón requiere un conocimiento profundo de los materiales y experiencia en la composición de mezclas. Variaciones mínimas en la composición de las escobillas, de tan solo un pequeño porcentaje en peso, pueden alterar significativamente sus propiedades y aplicaciones. En el mundo existen pocas empresas fabricantes de escobillas, la mayoría especializadas en tipos específicos.
Las escobillas de carbón son uno de los componentes menos costosos de un motor eléctrico. Sin embargo, suelen ser la pieza clave que garantiza la durabilidad y el rendimiento del motor. Su producción exige un control de calidad riguroso y un control exhaustivo del proceso en todas sus etapas.
Cepillos de metal líquido
De vez en cuando se investiga el uso de metales líquidos para realizar contactos. Entre los inconvenientes de este método se incluyen la necesidad de contener el metal líquido (ya que suele ser tóxico o corrosivo) y las pérdidas de potencia debidas a la inducción y la turbulencia.
Véase también
Referencias
- ↑ Butterfield, Andrew J.; Szymanski, John, eds. (2018). Diccionario de electrónica e ingeniería eléctrica . Vol. 1. Oxford University Press. doi : 10.1093/acref/9780198725725.001.0001 . ISBN 978-0-19-872572-5.
- ↑ topdealsonline (17/09/2020). "¿Cuánto duran las escobillas de carbón en las herramientas eléctricas?" . Top Deals Online . Consultado el 06/10/2020 .
- ↑ "¿Qué es una escobilla de carbón? : Repco Inc. "
- ↑ "Escobillas de fibra metálica y anillos colectores" . Archivado del original el 10 de mayo de 2021.
- ↑ Zanon, Matteo; Rampin, Ilaria; Breda, Alessandro; Bortolotti, Francesco (2015-10-05). "El comportamiento de sinterización de polvos de cobre electrolíticos y atomizados con agua" .
{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere|journal=( ayuda ) - ↑ Zanon, Matteo; Nassuato, Mirko; Rampin, Ilaria; Echeberria, Jon; Martinez, Ane Maite (23-09-2014). "El comportamiento conductor de polvos de cobre y cobre recubiertos de plata" .
{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere|journal=( ayuda ) - 1 2 mrcarbonbrush (01/11/2019). "¿Cómo se fabrican los cepillos?" . Mrcarbonbrush . Consultado el 12/02/2020 .
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