Una escobilla o cepillo de carbón es un contacto eléctrico , a menudo hecho de carbón especialmente preparado , que conduce corriente entre partes estacionarias y giratorias (esta última es más comúnmente un eje giratorio ) de una máquina eléctrica . [1] Las aplicaciones típicas incluyen motores eléctricos , alternadores y generadores eléctricos . La vida útil de una escobilla de carbón depende de cuánto se use el motor y de cuánta energía se le aplique. [2]
Para que funcionen ciertos tipos de motores o generadores eléctricos, las bobinas del rotor deben estar conectadas 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 "escobillas" de alambre de cobre trenzado sobre los anillos colectores o el conmutador que conducen la corriente. Dichas escobillas formaban arcos eléctricos e incluso se soldaban cuando el conmutador giraba, porque la escobilla cortocircuitaba los segmentos adyacentes.
La solución fue la introducción de " escobillas de alta resistencia " hechas de grafito (a veces con cobre añadido). Aunque la resistencia era del orden de decenas de miliohmios, eran lo suficientemente resistentes como para proporcionar un cambio gradual de corriente de un segmento del conmutador al siguiente.
Las escobillas de carbón están disponibles en cuatro categorías principales: grafito de carbón, electrografito, grafito y grafito metálico. [3] El término "escobilla" sigue utilizándose. Dado que las escobillas se desgastan, se pueden sustituir en productos destinados a permitir el mantenimiento.
Durante la Segunda Guerra Mundial, los generadores de aeronaves de gran altitud tenían un desgaste muy rápido de las escobillas, lo que requería compuestos de escobillas reformulados 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.
La composición exacta de la escobilla depende de la aplicación. El polvo de grafito/carbono se utiliza comúnmente. El cobre se utiliza para una mejor conductancia (poco común para 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 cuando se compacta. Otros aditivos incluyen polvos metálicos y lubricantes sólidos como MoS 2 , WS 2 . Se necesita mucho conocimiento e investigación para definir una mezcla de grado de escobilla para cada aplicación o motor.
El compuesto del cepillo se compacta en una herramienta que consta de un punzón y una matriz superior e inferior, en prensas mecánicas o hidráulicas. En este paso, dependiendo del 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 en el bloque del cepillo prensado mediante el polvo prensado alrededor. Esta operación, llamada "apisonamiento", se realiza generalmente utilizando polvo de cobre electrolítico, posiblemente con un revestimiento de plata para algunas aplicaciones de alto rendimiento. [6] Después de este proceso, el cepillo todavía es muy frágil y en la jerga profesional se lo llama "cepillo verde".
A continuación se realiza un tratamiento térmico de los "cepillos verdes" en atmósfera artificial (normalmente hidrógeno y nitrógeno ). Las temperaturas pueden alcanzar los 1200 °C. Este proceso se denomina sinterización o cocción. Durante la sinterización, los aglutinantes se queman o carbonizan y forman una estructura cristalina entre el carbono, el cobre y otros aditivos. [7] Después de la cocción se realiza la grafitización (tratamiento térmico). El tratamiento térmico se transforma mediante una curva de temperatura exactamente definida para cada mezcla de materiales. Además de la composición de la mezcla, la curva de temperatura utilizada es el segundo gran "secreto" de cada fabricante de cepillos. Después del tratamiento térmico, la estructura del cepillo se modifica de tal manera que resulta casi imposible que las empresas de la competencia copien el cepillo.
La sinterización hace que las escobillas se encojan y se doblen, por lo que deben rectificarse hasta obtener la forma deseada. Algunas empresas utilizan tratamientos adicionales para aumentar la durabilidad de las escobillas, por ejemplo impregnando la superficie de rodadura con aceites, resinas y grasas especiales. [7]
La fabricación de escobillas de carbón requiere un profundo conocimiento de los materiales y experiencia en la composición de mezclas. Cambios muy pequeños en el contenido de las escobillas, de apenas un pequeño porcentaje de los componentes en peso, pueden cambiar significativamente las propiedades de las escobillas en sus aplicaciones. Hay solo un puñado de empresas de desarrollo de escobillas en el mundo, que en su mayoría están especializadas en ciertos tipos de escobillas.
Las escobillas de carbón son una de las piezas menos costosas de un motor eléctrico. Por otra parte, suelen ser la pieza clave que proporciona durabilidad (“vida útil”) y rendimiento al motor en el que se utilizan. Su producción requiere una gran atención al control de calidad y al control del proceso de producción a lo largo de todos los pasos del proceso de producción.
De vez en cuando se investiga el uso de metales líquidos para hacer contactos. Las desventajas de este enfoque incluyen la necesidad de contener el metal líquido (ya que suele ser tóxico o corrosivo) y las pérdidas de potencia por inducción y turbulencia.
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