ESCOBILLAS DE CARBONES PARA MOTORES Y GENERADORES

Carbones Para Motores Eléctricos de CC, CA/CC, CA:

Escobillas de Carbón Para Alternadores y Generadores:

Tipos y Variedad, Material Constructivo, Capacidad Eléctrica y Aplicaciones Específicas:

Las escobillas de carbón (o simplemente carbones) son componentes electromecánicos esenciales diseñados para establecer una conexión eléctrica deslizante y continua entre una estructura fija (estator) y un elemento en rotación (rotor o armadura).

Su función varía según el tipo de máquina eléctrica:

En motores de Corriente Continua (CC) y Universales (CA/CC):

Las escobillas de carbón cumplen un rol crítico en los motores de Corriente Continua (CC) y en los motores Universales (CA/CC): actúan como un inversor o conmutador mecánico de polaridad en tiempo real.

Sin las escobillas y el colector de delgas, el rotor (armadura) de estos motores daría medio giro y se detendría alineado con el campo magnético del estator. La función del conjunto escobilla-delga es invertir la dirección de la corriente en cada bobina del rotor justo cuando cruza el eje magnético, garantizando un par motor unidireccional y continuo.

Funcionamiento en Motores de Corriente Continua (CC):

En un motor de CC, el campo magnético del estator (producido por imanes permanentes o por devanados de campo) es constante e inamovible en el espacio. Para mantener la rotación continua, la fuerza electromagnética de Lorentz sobre los conductores del rotor debe mantener siempre el mismo sentido de empuje.

El Ciclo de Conmutación Paso a Paso:

1. Inyección de corriente: La fuente de CC alimenta la escobilla positiva fija. Esta hace contacto deslizante sobre la delga A del colector, inyectando corriente a la bobina rotórica conectada a ella. 

2. Generación de torque: La corriente circula por la bobina inmersa en el campo magnético estatórico, creando un par electromagnético   que hace girar el rotor. 

3. Paso por la Zona Neutra (Cortocircuito temporal): Al girar, la escobilla toca simultáneamente la delga A y la delga B. Durante este instante (fracciones de milisegundo), la bobina conectada entre ambas delgas queda cortocircuitada por el cuerpo de la escobilla. 

4. Inversión de polaridad: Con la rotación continua, la escobilla deja la delga A y pasa completamente a la delga B. La corriente en la bobina ahora fluye en sentido exactamente opuesto, manteniendo el empuje en la misma dirección de giro. 

El Desafío de la Autoinductancia:

Cuando la corriente en la bobina pasa de +Ia - I en un tiempo de conmutación muy breve tc, la inductancia de la bobina opone resistencia generando una alta sobretensión inducida (eL). Si la resistencia del contacto del carbón no es adecuada, esta tensión rompe la rigidez dieléctrica del aire y produce el característico chispeo en la escobilla.

Reacción de Armadura y Tensión de Reactancia:

En los motores de corriente continua (CC), la reacción de armadura y la tensión de reactancia son los dos fenómenos electromagnéticos que deterioran la conmutación, provocando arcos eléctricos (chispeo) y desgaste acelerado en el colector.

Para comprender cómo los polos de conmutación (interpolos) y el calado de escobillas corrigen estos efectos, es necesario analizar primero la física del problema en la interfaz del colector.

El Problema: Reacción de Armadura y Tensión de Reactancia

Distorsión del Campo Magnético (Reacción de Armadura):

En vacío (Ia ≈ 0): El campo magnético principal (Bm) es creado exclusivamente por los polos inductores (eje directo o eje d). La Línea Neutra Magnética (LNM) —donde el campo magnético es cero y las bobinas no inducen tensión— coincide exactamente con la Línea Neutra Geométrica (LNG). 

Bajo carga (Ia > 0): La corriente de armadura crea su propio campo magnético (Ba), orientado a 90º eléctricos (eje en cuadratura o eje q). 

Resultado: El campo total resultante (Bres = Bm + Ba) se distorsiona. En un motor CC, la Línea Neutra Magnética se desplaza un ángulo α en sentido opuesto a la rotación. 

Tensión de Reactancia (eL):

Cuando una bobina pasa por debajo de una escobilla, se cortocircuita momentáneamente para invertir el sentido de su corriente (de +Ia a -Ia) en un tiempo de conmutación Tc. La autoinductancia L de la bobina opone resistencia a este cambio brusco, generando una tensión autoinducida:

Si la escobilla no conmuta la bobina en un punto de campo nulo, eL provoca una diferencia de potencial entre las delgas y la escobilla al separarse, liberando un arco voltaico destructivo en el borde de salida.

Método 1: Calado de Escobillas (Solución Mecánica)

El calado de escobillas consiste en girar mecánicamente el anillo porta escobillas para alinear la posición de contacto de las escobillas con la nueva posición de la Línea Neutra Magnética (LNM).

Regla de Calado en Motores CC:

• Para compensar el desplazamiento de la LNM en un motor CC, las escobillas se deben desplazar atrás (en sentido contrario al giro). 

• (En un generador CC se desplazan hacia adelante, en el sentido de giro). 

Limitaciones Industriales del Calado:

Dependencia de la carga: El ángulo de desplazamiento es directamente proporcional a la corriente: α σ Ia. Con cargas variables, habría que mover la porta escobillas continuamente.

Incapacidad de reversión: Si el motor invierte su sentido de giro, el calado queda orientado en la dirección opuesta, triplicando el chispeo. 

Efecto desmagnetizaste: Al desplazar las escobillas fuera de la LNG, una componente de la fuerza magnetomotriz de la armadura (Fad) se opone directamente al campo principal, debilitando el par motor.

Método 2: Polos de Conmutación o Interpolos (Solución Electromagnética)

Los interpolos son polos magnéticos auxiliares, más estrechos que los polos principales, ubicados en las zonas neutras intermedias (eje q).

Conexión y Auto-compensación: 

Los devanados de los interpolos se conectan estrictamente en serie con el circuito de la armadura. Por lo tanto, la corriente que circula por ellos es Ia.

Dado que tanto la reacción de armadura como la tensión de reactancia dependen de Ia, el campo corrector del interpolo se ajusta de forma automática e instantánea ante cualquier variación de carga.

Doble Función Técnica:

1. Anulación de la Reacción de Armadura en el Eje q: Producen un flujo ϕint de igual magnitud y sentido contrario al flujo de armadura Ba en la zona neutral. Esto mantiene la LNM fijada en la LNG en todo el rango de operacón. 

2. Inyección de Tensión de Conmutación (ec): Inducen en la bobina que está conmutando una fuerza electromotriz ec dinámicamente opuesta a la tensión de reactancia eL:

Al anular la tensión neta durante el paso de la delga, se logra la llamada "conmutación negra" (ausencia total de arcos voltaicos).

Regla de Polaridad de los Interpolos:

Para que la tensión inducida ec tenga el sentido correcto para neutralizar eL:

En un Motor CC: Un interpolo debe tener la misma polaridad magnética que el polo principal que le precede (el polo anterior en el sentido de rotación).

Cuadro Comparativo de Métodos de Compensación:

Criterio / Propiedad	Calado de Escobillas	Polos de Conmutación (Interpolos)	Devanados de Compensación*
Principio de Acción	Movimiento mecánico de escobillas	Polos auxiliares en zona neutra (eje q)	Devanados alojados en caras de polos principales
Respuesta a Carga Variable	Mala (requiere posición fija promedio)	Excelente (proporcional a Ia)	Excelente (proporcional a Ia)
Soporte para Motores Reversibles	No (falla al invertir giro)	Sí (la polaridad del interpolo invierte con Ia)	Sí
Corrección de Distorsión en Cara Polar	No compensa	No (solo actúa en la zona neutra)	Sí (elimina distorsión bajo la cara polar principal)
Uso Industrial Actual	Motores pequeños / carga constante	Estándar en motores CC industriales	Motores de gran potencia y severo régimen dinámico

*Los devanados de compensación son un complemento adicional en máquinas de gran tamaño (> 100 kW) sometidas a fuertes picos de carga para evitar el flameo (flashover) entre delgas.

Ver: MOTORES ELECTRICOS INDUSTRIALES

Funcionamiento en Motores Universales (CA/CC): 

El motor universal es estructuralmente un motor CC de excitación en serie, optimizado para funcionar tanto en Corriente Continua como en Corriente Alterna monofásica. Se utiliza masivamente en herramientas eléctricas (amoladoras, taladros) y electrodomésticos (licuadoras, aspiradoras).

Cómo se logra rotar con Corriente Alterna:

Cuando se alimenta con CA, la corriente cambia de dirección 50 o 60 veces por segundo (50 Hz / 60 Hz). Como el devanado del estator y el devanado del rotor están conectados en estricta serie a través de las escobillas:

1. Cuando el semiciclo de CA es positivo, la corriente fluye hacia adelante en el estator y en el rotor → Par en sentido horario. 

2. Cuando el semiciclo de CA cambia a negativo, la corriente se invierte simultáneamente tanto en el campo estatórico como en el rotor. 

3. Puesto que el par es proporcional al producto de ambas corrientes   ), el producto de dos valores negativos da un resultado positivo ((-1) x (-1) = +1). El par motor sigue siendo siempre en la misma dirección. 

Exigencias Específicas sobre el Carbón en CA:

Funcionando en CA, las escobillas enfrentan un estrés electromagnético significativamente superior al de CC pura:

Tensión de Transformador (Voltaje Reactivo): El campo magnético alternante del estator induce una tensión por acción transformadora en la bobina del rotor que está siendo cortocircuitada por la escobilla, sumándose a la tensión de conmutación y aumentando la tendencia al arco eléctrico. 

Velocidades extremas: Los motores universales suelen operar entre 8.000 y 30.000 RPM. A estas velocidades, la fricción mecánica y el impacto contra las imperfecciones del colector exigen carbones con baja masa, alta amortiguación y resistencia estructural. 

Uso de Resina-Grafito / Aglomerados: Para sofocar las corrientes circulatorias provocadas por la tensión de transformador, se utilizan carbones aglomerados con resina que poseen alta resistencia eléctrica en sentido transversal (de borde a borde de la escobilla).

Comparativa Electrodinámica: CC vs. Universal (CA)

Característica	Motor de Corriente Continua (CC)	Motor Universal operado en CA
Flujo Magnético Estatórico	Constante e invariable en el tiempo	Pulsante/Sinusoidal a la frecuencia de red (50/60 Hz).
Origen del Voltaje de Conmutación	Únicamente por autoinductancia de la bobina	Autoinductancia + Tensión inducida por efecto transformador.
Desplazamiento del Plano Neutro	Ocurre por reacción de armadura proporcional a la carga mecánica.	Complejo: el plano neutro oscila dinámicamente debido al desfase entre la corriente y el flujo.
Grado de Carbón Habitual	Electrografito (EG): Gran capacidad de corriente y lubricación.	Resina-Grafito (BG) / Carbón-Grafito: Alta resistencia de contacto transversal.
Nivel de Chispeo Típico	Muy bajo a nulo si la conmutación está ajustada.	Moderado (aceptable según norma clase N de interferencia RFI/EMI).
Régimen de Velocidad	Típicamente 500 - 3.600 RPM.	Muy elevado: 8.000 - 30.000 RPM.

Fenómenos Críticos en la Interfaz Escobilla-Colector:

Para asegurar un funcionamiento prolongado sin destruir el colector, se deben controlar tres aspectos fundamentales:

La Pátina Conductiva: 

Es una película microscópica (de 100 Å a 1.000 Å de espesor) compuesta de óxido cuproso (Cu2O), carbono depositado, humedad y grafito. Actúa como un lubricante sólido y un semiconductor controlado.

• Si la pátina es demasiado delgada (entornos muy secos o baja corriente), aumenta la fricción y el desgaste mecánico. 

• Si es demasiado gruesa (sobrecarga o ambiente con vapores orgánicos), se vuelve inestable y genera chispeo excesivo. 

Presión de Resorte y Amortiguamiento:

Los porta escobillas deben mantener una presión constante sobre el carbón:

• Poco apriete (<150 g/cm2): La escobilla "salta" por micro rugosidades, produciendo arcos eléctricos que queman las delgas. 

• Exceso de apriete (>300 g/cm2 en motores universales): Desgaste mecánico acelerado por fricción térmica y molienda del carbón.

Sistema de Auto-Corte ("Auto-Stop"):

Muchos carbones para motores universales de alta gama incorporan un pivote resorte con cabeza aislante de plástico o latón embebido en el centro del bloque de carbón. Cuando la escobilla se desgasta hasta su límite de seguridad, el pivote salta y despega el carbón del colector, interrumpiendo el circuito antes de que el muelle de acero o el cable de cobre (pigtail) destruyan el colector de delgas.

En motores de Corriente Alterna (Rotor bobinado) y Generadores/Alternadores: 

Rozan sobre anillos rozantes (slip rings) continuos para inyectar o extraer corriente del rotor sin conmutación segmentada.

A diferencia de los motores de Corriente Continua o Universales —donde los carbones conmutan la polaridad atravesando un colector segmentado por delgas—, en las máquinas de Corriente Alterna con rotor bobinado y en los generadores sincrónicos las escobillas rozan sobre anillos rozantes continuos y lisos.

Al no existir interrupción del circuito ni conmutación mecánica de delga a delga, el desafío de estas escobillas no es apagar el chispeo inductivo, sino transmitir elevadas corrientes con mínima pérdida por fricción y soportar velocidades periféricas extremas

Carbones en Motores Asincrónicos de Rotor Bobinado:

En un motor trifásico de inducción de rotor bobinado (también conocido como motor de anillos rozantes), el estator genera un campo magnético giratorio exactamente igual al de un motor de jaula de ardilla. Sin embargo, su rotor no está cortocircuitado internamente, sino que cuenta con un devanado trifásico conectado a tres anillos rozantes montados sobre el eje.

Funciones Principales de las Escobillas:

 

1. Arranque Reostático: En el momento del arranque, las tres escobillas conectan el rotor a un banco de resistencias externas. Esto incrementa la resistencia del rotor (Rr), reduciendo drásticamente la corriente de arranque e incrementando el par de arranque al máximo posible (T max a deslizamiento s=1). 

2. Control de Velocidad: Variando la resistencia conectada a través de las escobillas, se modifica la curva par-velocidad del motor 

3. Inyección en Aerogeneradores (DFIG): En los generadores inductivos doblemente alimentados de los aerogeneradores modernos, las escobillas introducen o extraen corriente del rotor a la frecuencia de deslizamiento (ʄ rotor = s · ʄ red) mediante un convertidor bidireccional de potencia, permitiendo generar energía a velocidad de viento variable.

Características de Operación:

• Corriente Alterna Trifásica: La corriente en el rotor y en las escobillas es puramente alterna (CA) y su frecuencia depende del deslizamiento s:

• Variación Térmica: Durante el arranque, la corriente en el rotor puede ser hasta 2.5 veces la nominal. Una vez que el motor alcanza la velocidad de régimen, las resistencias se cortocircuitan (en algunos motores grandes mediante un mecanismo mecánico que levanta las escobillas para evitar su desgaste innecesario). 

Ver:  Arrancadores Suaves Para Motor Asincrónico

Carbones en Generadores Sincrónicos y Alternadores: 

En los generadores y alternadores sincrónicos (desde un grupo electrógeno diéselhasta los turbogeneradores de centrales hidroeléctricas o térmicas), los roles se invierten: la potencia de salida CA se genera en el estator fijo, mientras que el rotor aloja el devanado de campo o excitación.

Funciones Principales de las Escobillas:

Inyección de Corriente Continua de Excitación (I exc): Las escobillas transmiten corriente continua desde un sistema estático de excitación hacia los dos anillos rozantes del rotor. 

Creación del Flujo Magnético Inductor    : La corriente CC que ingresa por el par de carbones crea los polos magnéticos del rotor. Al girar movido por una turbina o motor primario, este campo magnético induce la tensión alterna trifásica en las bobinas del estator. 

Desafíos Técnicos Específicos en Generadores y Alternadores:

A diferencia de los motores de rotor bobinado, las escobillas en generadores enfrentan problemas físicos muy particulares debido a la presencia de Corriente Continua pura y altas velocidades de rotación:

El Efecto de Polaridad Electroquímica:

Como la corriente de excitación es CC, un anillo es permanentemente positivo (+) y el otro negativo (-):

Anillo Positivo (+): Sufre migración iónica de carbono y cobre. Tiende a desarrollar una pátina gruesa de óxido cuproso (Cu2O), aumentando la resistencia de contacto. 

Anillo Negativo (-): La corriente fluye de la escobilla al metal, destruyendo la pátina por erosión eléctrica y causando un mayor desgaste mecánico directa en el carbón. 

Solución Industrial: En grandes generadores se instalan conmutadores de polaridad automáticos que invierten la polaridad de los anillos periódicamente (por ejemplo, cada 24 horas o en cada parada de mantenimiento) para nivelar el desgaste.

Altas Velocidades Lineales (v):

En turbogeneradores de 2 y 4 polos (1500 - 3600 RPM), el diámetro de los anillos rozantes hace que la velocidad periférica supere con facilidad los 50 - 80 m/s (180 - 288 km/h).

• A estas velocidades, el aire forma una película aerodinámica debajo de la escobilla que intenta "hacerla flotar". 

• Se requieren carbones de Grafito Natural (NG) o Electrografito blando con ranuras de escape de aire en la cara de contacto y resortes de presión helicoidal constante. 

Distribución Selectiva de Corriente (Efecto "Thermal Runaway"): 

En generadores de alta potencia, una sola escobilla por anillo no basta; se colocan múltiples carbones en paralelo en un mismo anillo.

• Si una escobilla se calienta ligeramente más que sus vecinas, la resistencia eléctrica del grafito disminuye debido a su coeficiente de temperatura negativo (α < 0). 

• Al bajar su resistencia, absorbe más corriente, lo que la calienta aún más, pudiendo llegar a destruirse por desbocamiento térmico si las escobillas no están adecuadamente igualadas en grado, presión y longitud de cable (pigtail).

Comparativa de Materiales y Parámetros:

Los requisitos del material del carbón cambian radicalmente según el tipo de máquina eléctrica:

Parámetro / Condición	Motor CC / Universal	Motor CA Rotor Bobinado	Generador Sincrónico / Alternador
Tipo de Contacto	Colector segmentado (Delgas)	Anillos rozantes continuos	Anillos rozantes continuos
Tipo de Corriente en Carbón	CA interna / Conmutación	CA trifásica a frec. de deslizamiento	Corriente Continua (CC) pura
Peligro Principal	Arco eléctrico por chispeo	Sobrecarga de corriente en arranque	Polarización de anillos y desbocamiento térmico
Superficie del Anillo/Colector	Cobre con aislante de mica	Bronce, Acero forjado o CuNi	Acero inoxidable, Bronce o Acero cementado
Velocidad Periférica Máxima	25 - 40 m/s	20 - 35 m/s	50 - 90 m/s
Material Típico de Escobilla	Resina-Grafito (BG) / Electrografito	Metal-Grafito (MG) (Alto % Cobre)	Electrografito (EG) / Grafito Natural (NG)
Caída de Tensión de Contacto (∆V)	Alta (1.5 - 2.5 V) para sofocar chispas	Muy Baja (0.2 - 0.8 V) para reducir pérdidas	Baja a Media (0.8 - 1.5 V)

Mantenimiento Crítico en Sistemas de Anillos Rozantes:

1. Monitoreo de Pátina: En anillos de acero o bronce, la pátina ideal debe ser de un color pardo o chocolate uniforme. Manchas negras o estrías indican presión insuficiente o ambiente químicamente agresivo. 

2. Helicoidales de Presión Constante: La presión ejercida sobre el carbón debe ser homogénea (180 - 220 g/cm2). En sistemas con múltiples carbones en paralelo, diferencias de presión mayores al 10% provocan reparto desigual de corriente. 

3. Limpieza del Polvo de Carbón: Al no haber delgas para acumular residuos, el polvo de carbón desgastado puede alojarse en el aislamiento entre anillos rozantes adyacentes, generando arcos o fallas de aislamiento a masa. Se requiere aspiración periódica de polvo seco.

Materiales Constructivos y Clases de Carbones:

Las propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de las escobillas dependen de la composición química y del proceso de sinterizado o grafitización a altas temperaturas.

Las escobillas de carbón son componentes cerámico-metálicos de alta ingeniería. Sus propiedades finales (eléctricas, mecánicas, térmicas y tribológicas) dependen directamente de la interacción entre tres pilares:

1.   Selección de materias primas, (fase sólida dispersa).

2.   Ligante o aglomerante, (fase matriz).

3.   Cinética del tratamiento térmico, (temperatura, tiempo y atmósfera de sinterizado o grafitización).

 Materias Primas y Formulación Química:

La respuesta macroscópica de una escobilla comienza en la escala atómica y molecular de sus ingredientes base:

Precursores de Carbono:

Coque de Petróleo y Brea: Ricos en estructuras de carbono aromático policíclico. Durante el tratamiento térmico a altas temperaturas (>2500º C), son altamente "grafitizables" (carbono blanco o graphitizable carbon), permitiendo un reordenamiento de sus planos basales.

Negro de Humo (Carbon Black): Carbono amorfo no grafitizable de grano ultrafino. Aporta alta dureza, resistencia al desgaste mecánico y alta resistividad eléctrica.

Grafito Natural y Sintético: El grafito natural (laminar/flake) aporta autolubricación por sus planos de deslizamiento unidos por fuerzas de Van der Waals débiles, pero añade anisotropía dimensional al bloque.

Matriz Aglomerante (Ligantes):

Brea de Alquitrán de Hulla (Coal Tar Pitch): Termoplástica. Al pirolizarse deja un alto rendimiento de carbono fijo (50-60%), uniendo fuertemente los granos durante el horneado inicial.

Resinas Sintéticas (Fenólicas / Baquelita): Termoestables. No sufren la fase fluida de grafitización; dejan una estructura tridimensional de carbono vítreo o amorfo extremadamente dura y de alta resistencia eléctrica transversal.

Fase Metálica y Aditivos Tribológicos:

Cobre, Bronce y Plata: En polvo sinterizado. Eliminan la alta resistividad del carbón puramente orgánico, incrementando la densidad de corriente de 10 A/cm2 hasta 35 A/cm2.

Bisulfuro de Molibdeno (MoS2) y Ceras: Actúan como lubricantes secos complementarios para ambientes de muy baja humedad relativa (aplicaciones aeronáuticas o de gran altitud donde el vapor de agua no forma la película de óxido natural).

Diagrama y Etapas del Tratamiento Térmico:

El procesamiento térmico dicta la microestructura final y el nivel de porosidad del bloque.

Etapa I: Mezclado y Conformado

Las materias primas molidas se mezclan con la brea o resina fundida a 150-200º C. Posteriormente, se moldean mediante:

• Prensado Isodireccional (Uniaxial): Genera orientación preferencial de las láminas de grafito perpendicular a la dirección de compresión (alta anisotropía).
• Prensado Isostático: Produce un material isotrópico de densidad homogénea y sin direcciones preferenciales de falla.

Etapa II: Carbonización / Horneado Inicial (800º C – 1200º C)

Se realiza en atmósfera reductora o neutra (protegida por lecho de coque seco).

• La brea pierde volátiles ($\text{H}_2, \text{CH}_4, \text{CO}$) y se coquifica (pirólisis), transformándose en carbono amorfo aglomerante.
• El volumen experimenta una contracción controlada. El producto resultante se denomina Carbón Duro o Carbón-Grafito.

Etapa III: Grafitización Electrotérmica (2500º C – 3000º C)

Llevada a cabo en hornos Acheson o de inducción continua.

• Transformación Cristalina: El carbono amorfo y turbostático con enlaces desordenados reorganiza su red en un cristal hexagonal tridimensional de grafito perfecto (sp2).

• La distancia interplanar (d002) se reduce desde ≈ 0.344 nm (carbono turbostático) hasta ≈ 0.3354 nm (grafito perfecto).

• Los bordes de cristal irregular se evaporan o se relajan, eliminando impurezas volátiles (purificación térmica hasta <100 ppm de cenizas).

Impacto en las Propiedades Eléctricas:

La transición de fase amorfa a cristalina altera el transporte de carga electrónica en la matriz:

Resistividad Eléctrica (ρ):

Sin Grafitizar (Carbón Amorfo): La alta densidad de fronteras de grano y defectos de red incrementa la dispersión de electrones. La resistividad es elevada (ρ = 3000 – 6000 µΩ · cm).

Grafitizado (Electrográfico): Al formarse planos cristalinos extendidos, la banda de conducción pz deslocalizada permite el libre flujo de electrones a lo largo de los planos basales. La resistividad se reduce drásticamente (ρ = 800 – 1800 µΩ cm).

Metal-Grafito (Sinterizado a 600-950º C): La adición de metales genera redes de percolación metálica que desplazan la resistividad a valores mínimos ( ρ = 2 – 100 µΩ cm).

Caída de Tensión de Contacto (∆ V) y Conmutación:

La caída de tensión en la interfaz escobilla-delga depende de la función de trabajo del material y de su resistencia transversal:

• Materiales no grafitizados o aglomerados con resina mantienen una elevada ∆ V, sofocando las corrientes de cortocircuito en delgas adyacentes durante la conmutación.

• Materiales electrografitizados presentan una caída suave y simétrica, ideal para conmutación limpia a altas velocidades lineales.

Impacto en las Propiedades Mecánicas y Tribológicas:

Existe un compromiso directo entre la dureza mecánica del bloque y su capacidad autolubricante.

Dureza y Resistencia Mecánica

Dureza Shore: El carbono amorfo procesado a baja temperatura alcanza altos valores de dureza Shore (70 - 105 HSB). Al someterse a grafitización (>2500º C), la estructura se vuelve más blanda y deformable plásticamente (20 - 50 HSB).

Resistencia a la Flexión (σʄ): Los enlaces covalentes del carbono amorfo y la matriz de resina curada le otorgan a la clase BG (Resina-Grafito) una altísima resistencia a la flexión (σʄ > 40 MPa}$), permitiéndole soportar las vibraciones mecánicas de herramientas portátiles operando a 30.000 RPM.

Coeficiente de Fricción (µ) y Desgaste:

• Formación de Pátina: El grafito procesado a alta temperatura libera partículas microscópicas de orientación basal paralela que, combinadas con la humedad ambiente (>2 g/m3), forman una película semiconductora de baja fricción (µ = 0.08 - 0.15).

• Si el material carece de grafitización adecuada, el coeficiente de fricción sube (µ > 0.30), causando micro-soldaduras con el cobre del colector, rayado de las delgas (grooving) y desgaste abrasivo acelerado.

Impacto en las Propiedades Térmicas:

El comportamiento térmico determina la estabilidad dimensional y la resistencia a la destrucción por sobrecargas eléctricas o arcos fortuitos.

Conductividad Térmica :

La conducción de calor en materiales carbonosos ocurre principalmente por vibraciones de red (fonones).

• En el carbono amorfo, la dispersión de fonones es masiva → ꟛ ≈ 10 - 20 W(m · K).

• En el electrografito, la red cristalina ordenada incrementa la trayectoria libre media de los fonones → ꟛ ≈ 50 - 90 W (m · K). Esto disipa rápidamente el calor generado en el punto de contacto.

Coeficiente de Expansión Térmica (α) y Choque Térmico:

El bajo coeficiente de expansión térmica junto a la alta conductividad térmica le otorga al electrográfico un índice de resistencia al choque térmico (Rs) excepcional:

(Donde E es el módulo de Young). Esto previene que la escobilla se agriete o fracture durante picos de corriente momentáneos.

Cuadro Matriz: Proceso Térmico vs. Propiedades Resultantes:

Resumen:

La Grafitización (>2500º C) es la transformación estructural que convierte un material cerámico frágil y resistivo en un conductor blando, autolubricante y de alta conductividad térmica (Electrográfico).

El Carbono Amorfo y los Ligantes Sintéticos (Sinterizados/Curados a <1200º C) sacrifican la conductividad y la lubricación a cambio de una alta dureza, resistencia a la flexión y elevada resistencia de conmutación.

Las Soluciones Metálicas Sinterizadas desvinculan la conducción de carga de los planos cristalinos del grafito, confiando en puentes metálicos para aplicaciones de ultra-baja tensión y corrientes masivas.

Guia Para Selección de Carbones de Acuerdo al Material y Principales Propiedades:

Clase de Material	Composición Base	Proceso de Fabricación	Propiedades Destacadas
Electrografito (EG)	Grafito de coque o brea	Grafitización en horno eléctrico a >2500º C	Alta capacidad térmica, excelente poder de conmutación, autolubricante y bajo desgaste del colector.
Metal-Grafito (MG)	Grafito mezclado con polvo de Cobre, Bronce o Plata	Prensado en frío y sinterizado (600-900º C)	Resistencia eléctrica extremadamente baja, muy alta densidad de corriente y baja caída de tensión.
Grafito Aglomerado / Resina (BG)	Grafito natural o artificial con aglomerante sintético	Prensado y curado térmico con resinas baquelizadas	Alta resistencia eléctrica transversal, limita corrientes de cortocircuito durante la conmutación.
Carbón-Grafito (CG)	Carbón amorfo (antracita/negro de humo) + grafito	Horneado térmico estándar	Alta dureza y acción limpiadora/pulidora. Ideal para colectores con mica rebarbada o desgaste irregular.
Grafito Natural (NG)	Copos de grafito natural purificado	Prensado con aglomerantes orgánicos	Estructura laminar, excelente lubricación y muy baja fricción a altas velocidades periféricas.

Capacidad Eléctrica y Parámetros Operativos:

Para seleccionar una escobilla adecuada no basta con dimensionar su volumen (t \times a \times r: grosor, ancho, largo); es crítico evaluar sus límites electromecánicos:

• Densidad de Corriente (J): Corriente máxima permitida por unidad de área de contacto.

• Electrográfico: 8 – 13 A/cm2

 

• Metal-Grafito: 15 – 30 A/cm2 (pudiendo llegar a 35 A/cm2 en aleaciones ricas en plata). 

• Caída de Tensión en el Contacto (∆ V): Tensión entre la escobilla y el conmutador (0.3 V en metal-grafito hasta 2.5 V en carbón aglomerado). Una caída alta ayuda a suprimir chispas, pero genera más calor por pérdidas P = ∆ V · I. 

• Velocidad Periférica Lineal (v): Velocidad máxima relativa de la superficie del colector o anillo.

(donde D es el diámetro en metros y n la velocidad en RPM).

 

• Presión Específica del Resorte: Rango típico de 180 – 250 g/cm2 en motores industriales estándar, y hasta 400 – 600 g/cm2 en tracción ferroviaria o entornos de alta vibración. 

El dimensionamiento de una escobilla de carbón abarca aspectos que van más allá de su geometría tridimensional —definida por sus dimensiones tangencial (t), axial (a) y radial (r). Mientras que las dimensiones mecánicas garantizan la compatibilidad física con el portaescobillas y la cobertura de las delgas, son los parámetros electromecánicos y térmicos los que determinan la vida útil del componente, la integridad del colector/anillo y la eficiencia global de la máquina.

Geometría Nominal vs. Superficie Efectiva de Contacto:

El volumen físico (V = t x a x r) define la masa disponible para desgaste antes del reemplazo. Sin embargo, la corriente eléctrica no fluye uniformemente a través de toda la sección transversal geométrica, sino a través de micro-puntos de contacto (puntos a-spot de Holm) formados por la rugosidad superficial.

Si la cara de contacto tiene un ángulo de bisel (α), la superficie de contacto se amplía:

Densidad de Corriente (J):

La densidad de corriente es la cantidad de intensidad eléctrica que atraviesa cada unidad de área de contacto de la escobilla. Es el indicador directo de la carga térmica por efecto Joule en la interfaz.

(donde I total es la corriente de armadura o excitación que pasa por la rama y Nb es el número de escobillas en paralelo).

Límites de Densidad de Corriente según la Clase de Material:

Clase de Material	Rango Típico (J)	Densidad Máxima Pico	Aplicación Característica
Carbón Duro / Aglomerado	6 – 10 A/cm2	12 A/cm2	Motores de fracción de HP, pequeños electrodomésticos.
Resina-Grafito (BG)	8 – 12 A/cm2	14 A/cm2	Herramientas eléctricas, motores universales de alta velocidad.
Electrografito (EG)	8 - 13 A/cm2	16 A/cm2	Tracción eléctrica, laminación, motores CC industriales.
Metal-Grafito (Cobre/Bronce)	15 - 30 A/cm2	32 A/cm2	Anillos rozantes, motores de arranque, baja tensión.
Metal-Grafito (Plata)	Hasta 35 A/cm2	40 A/cm2	Tacogeneradores, transmisión de señales, micro-voltaje.

Caída de Tensión en el Contacto (α V):

La interfaz escobilla-colector no actúa como un conductor de Ohm puro, sino como un contacto semiconductor no lineal condicionado por la capa de pátina (Cu2O + carbón depositado + humedad).

La caída de tensión total de la interfaz incluye la transición en la escobilla positiva y la negativa (∆ Vtotal = 2 · ∆ V).

Compromiso Operativo de ∆ V:

Velocidad Periférica Lineal (v):

Es la velocidad relativa entre la superficie en rotación (colector de delgas o anillo rozante) y la cara estática de la escobilla.

(donde D es el diámetro del colector o anillo en metros y n es la velocidad de rotación en RPM).

Dinámica a Altas Velocidades Lineales:

Cuando v incrementa, entran en juego fenómenos aerodinámicos y vibratorios:

1. Efecto Colchón de Aire: El aire arrastrado por la superficie en rotación ingresa bajo la escobilla, creando una fuerza de sustentación que reduce la presión de contacto real.

2. Impacto por Inestabilidad: Imperfecciones microscópicas en el colector (>10 µm) hacen que la escobilla pierda contacto intermitentemente a v > 40 m/s. 

3. Límites Dinámicos por Grado:

• Metal-Grafito (Alta densidad de masa): Máximo 25 - 35 m/s (debido a su inercia mecánica).

• Electrográfico (Baja masa / Alta lubricación): Hasta 50 - 60 m/s. 

• Grafito Natural Laminar: Hasta 80 - 90 m/s (usado en turbo-alternadores).

Presión Específica del Resorte (p):

La presión ejercida por el resorte del porta escobillas mantiene el contacto mecánico continuo frente a las vibraciones y la excentricidad del colector.

La Curva de Desgaste de Holm (Efecto de la Presión):

El desgaste total de una escobilla es la suma del desgaste mecánico por fricción y el desgaste eléctrico por erosión de arcos:

1. Presión Insuficiente (p < 150 g/cm2): La escobilla vibra y rebota. Se generan micro-arcos eléctricos, quemado de delgas, picado del material (pitting) y desgaste acelerado de origen eléctrico.

2. Presión Excesiva (p > 350 g/cm2 en máquinas industriales): Aumenta la fricción, se destruye la pátina por abrasión, se genera sobrecalentamiento mecánico y desgaste por molienda. 

Rangos de Presión Específica por Aplicación:

• Motores Industriales Estándar y Generadores: 180 - 250 g/cm2 (18 - 25 kPa). 

• Motores de Alta Velocidad / Herramientas Portátiles: 250 - 350 g/cm2 (25 - 35 kPa). 

• Tracción Ferroviaria / Motores de Minería (Alta vibración): 400 - 600 g/cm2$ (40 - 60 kPa). 

Balance de Pérdidas Totales y Disipación Térmica:

La temperatura final de la interfaz escobilla-colector es el resultado del balance térmico entre la suma de pérdidas y la capacidad de ventilación del motor:

Pérdidas Eléctricas (Pe):

Pérdidas Mecánicas por Fricción (Pm):

(donde µ es el coeficiente de fricción de la pátina [0.08 - 0.25], p es la presión en cm2, A total la suma de áreas en cm2 y v la velocidad periférica en m/s).

Matriz de Selección Operativa

Requisito del Sistema	Parámetro Dominante	Ajuste Recomendado	Grado de Material Preferente
Alta corriente / Baja tensión	Densidad $J$ (>20 A/cm2)	Minimizar $\Delta V$ (<0.8 V)	Metal-Grafito (MG)
Alta velocidad lineal (>40 m/s)	Velocidad v	Minimizar masa / Presión ajustada	Grafito Natural (NG) / Electrografito (EG)
Conmutación difícil (Chispeo)	Caída ∆ V	Maximizar ∆ V (>1.8 V)	Resina-Grafito (BG) / Electrografito duro
Entornos con alta vibración	Presión p	Incrementar p (400-600 g/cm2)	Electrografito de alta tenacidad

Calculador e Indicador de Materiales de Escobilla:

Ecuaciones de Evaluación Utilizadas por el Calculador:

Densidad de Corriente (J):

Velocidad Periférica Lineal (v):

Pérdidas Totales de Energía (Ptotal):

Superficie de Contacto Individual (A):

(donde t es el grosor y a es el ancho de la escobilla en mm). 

Criterios de Diagnóstico:

Densidad de Corriente (J): Si el valor supera los 15 A/cm2 en materiales de Electrográfico o 30A/cm2 en Metal-Grafito, el diagnostico marcará una alerta de Desbocamiento Térmico (riesgo de ablación y chispeo destructivo).

Velocidad Periférica (v): Velocidades superiores a 40 m/s requieren materiales de muy baja masa o alta lubricación laminar (Grafito Natural / Electrográfico blando) para evitar pérdidas de contacto por elevación aerodinámica.

Presión de Resorte (p): Si la presión está por debajo de 180 g/cm2, la escobilla sufre micro rebotes que generan erosión por arco eléctrico. Si supera los 300 g/cm2 (fuera de aplicaciones de tracción o alta vibración), provocará rayado del colector y sobrecalentamiento por fricción.

Aplicaciones Específicas según el Modelo de Escobilla:

Electrográfico (Clase EG):

• Aplicaciones: Motores de tracción eléctrica (subtes, locomotoras), motores de laminación siderúrgica, trituradoras, prensas y motores CC de potencia constante.

• Geometría común: Escobillas bipartidas (split brushes) unidas por una plaqueta común para mejorar el contacto en delgas adyacentes y reducir la inductancia de conmutación. 

Ver: RELÉSDE ESTADO SÓLIDO

Metal-Grafito (Clase MG):

• Aplicaciones: Motores de arranque automotriz (12V/24V), motores de elevacargas accionado por batería, anillos rozantes de aerogeneradores y alternadores industriales. 

• Propiedad: Su bajo contenido de resistencia previene caídas térmicas excesivas en sistemas operados a muy bajo voltaje.

Aglomerados con Resina (Clase BG):

• Aplicaciones: Herramientas eléctricas portátiles (amoladoras, taladros), electrodomésticos y motores universales de alta velocidad (>15.000 RPM). 

• Variantes de seguridad: Incluyen pivotes o fusibles mecano-eléctricos ("corte automático") que saltan cuando la escobilla alcanza el límite de desgaste para evitar que el resorte dañe las delgas del colector.

Diferencias: Carbones para Motores vs. Generadores Eléctricos

Aunque físicamente puedan parecer similares, los requisitos funcionales de una escobilla para un motor y para un generador difieren sustancialmente:

Parámetro / Requisito	Escobillas para Motores Eléctricos	Escobillas para Generadores Eléctricos
Superficie de Contacto	Colector segmentado (Delgas): Sometido a impactos mecánicos e interrupciones inductivas (	Anillo rozante continuo (Liso): Superficie uniforme de bronce, acero o cobre sinterizado.
Desafío Principal	Conmutación: Revertir la corriente en las bobinas rotóricas sin generar arco eléctrico o chispeo.	Disipación y Desgaste Desigual: Prevenir la polarización electroquímica y la "fricción preferencial" por corriente continua.
Pátina Requerida	Pátina pulida de óxido cuproso (Cu2O) con grafito, moderadamente dura para absorber el chispeo.	Pátina muy uniforme y fina. Cualquier irregularidad genera vibración y desgaste acelerado.
Resistencia Eléctrica del Material	Media a Alta: Necesaria para limitar las corrientes de cortocircuito entre delgas adyacentes durante la conmutación.	Baja a Muy Baja: Se busca maximizar la eficiencia en la transferencia de gran cantidad de amperios.
Grado de Material Típico	Electrografito o Aglomerado con resina.	Metal-grafito o Electrografito blando / Grafito natural.

Guía técnica de diagnóstico visual para escobillas de carbón según el color, tono y patrones de quemado en la pátina del colector:

La pátina (película electroquímica formada en la interfaz entre la escobilla de carbón y el colector de delgas o anillo rozante) es la "piel" indicadora de la salud operativa de una máquina eléctrica. Está compuesta por una capa fina (100 – 1000 Aº) de óxido cuproso (Cu2O), partículas de grafito depositadas, humedad absorbida y micro impurezas

Un análisis visual sistemático de la coloración, la textura y los patrones de quemado permite diagnosticar problemas electromecánicos antes de que ocurra una falla catastrófica:

Clasificación por Color y Tono de la Pátina:

La tonalidad de la pátina revela directamente la densidad de corriente (J), la temperatura de trabajo y el equilibrio químico en la superficie.

Pátina Normal (Marrón Claro a Marrón Chocolate):

Aspecto: Color uniforme desde bronce claro hasta avellana u castaño oscuro, con satinado semibrillante sin rayas prominentes. 

Diagnóstico: Operación Óptima. Existe un balance correcto entre la densidad de corriente (8 - 12 A/cm2), la presión del resorte (180 - 220 g/cm2) y la humedad relativa del aire (5 - 15 g H2O/m3). 

Pátina Pálida o Inexistente (Cobre Brillante / "Cobre Desnudo"):

Aspecto: La superficie del cobre se mantiene metálica, brillante o extremadamente clara, sin capa protectora. 

Causas Probables:

• Subcarga eléctrica constante: Densidad de corriente muy baja (J < 4 A/cm2). El grafito no logra transferirse eléctricamente a la superficie. 

• Baja humedad ambiental (< 2 g/m3): Típico de ambientes climatizados, de gran altitud o secos. Sin humedad, la pátina se destruye por abrasión. 

• Grado de carbón demasiado abrasivo: Escobillas con alto contenido de carbón duro o aglomerados con resina que "pulen" el colector constantemente. 

Pátina Oscura o Negra Mate:

Aspecto: Capa negra, opaca y de textura gruesa o terrosa acumulada sobre el colector. 

Causas Probables:

• Sobrecarga térmica / Eléctrica (J > 15 A/cm2): Exceso de deposición de carbón por pirolización superficial.

• Contaminación por Hidrocarburos: Vapores de aceite, grasa de rodamientos o solventes volátiles en el aire que reaccionan con el arco de conmutación. 

• Fuerza de resorte insuficiente: Genera micro arcos que carbonizan la pátina. 

Patrones Visuales de Quemado y Desgaste Focalizado:

Cuando los tonos no son homogéneos a lo largo de la circunferencia del colector, los patrones geométricos indican fallas específicas en el circuito eléctrico o en la conmutación.

Quemado por Paso de Ranura (Slot Pitch Burning):

Patrón: Marcas de quemado o decoloración oscura que se repiten periódicamente cada 2, 3 o 4 delgas a lo largo de todo el colector 

Causa: Conmutación incompleta o retrasada en las bobinas que ocupan la misma ranura en la armadura. La inductancia de conmutación    es excesiva en la última bobina de la ranura, generando un arco concentrado siempre en esa delga. 

Quemado en Borde de Salida de las Delgas (Trailing Edge Burning):

Patrón: El borde posterior de cada delga (en el sentido opuesto a la rotación) presenta un biselado negro, picado o erosión. 

Causa: Neutralización incorrecta del plano neutro eléctrico, polos de conmutación (interpolos) mal ajustados o débiles, o escobillas asentadas fuera del eje electromagnético. 

Quemado Alternado / Banderas Oscuras e Iluminadas (Bar Pitch Burning):

Patrón: Delgas quemadas de manera salteada o agrupaciones de delgas oscuras intercaladas con delgas limpias. 

Causas:

• Mica Alta (High Mica): El aislante de mica entre delgas no fue rebarbado correctamente y sobresale del cobre, haciendo saltar la escobilla. 

• Cortocircuito entre delgas o bobina abierta en el rotor: Desequilibrio electromagnético severo. 

• Deformación mecánica del colector: Colector ovalado o delgas "flojas" que sobresalen radialmente. 

Fenómenos Abrasivos y Transferencia de Material:

Además del color, las marcas físicas en el cobre y en la cara de contacto de la escobilla revelan la calidad del contacto mecánico.

Estrías Fines o Ranurado (Grooving / Striations): Canales paralelos continuos alrededor de toda la circunferencia del colector. Se producen cuando partículas abrasivas quedan atrapadas bajo la escobilla o cuando el grado del material no tiene suficiente capacidad autolubricante.

Arrastre de Cobre (Copper Picking / Copper Transfer): Pequeñas partículas de cobre arrancadas del colector se incrustan fusionadas en la cara de contacto de la escobilla de carbón. Funciona como un "esmeril", rayando el colector rápidamente. Típico de densidades de corriente excesivas o arcos voltaicos constantes.

Matriz Completa de Diagnóstico Visual:

Patrón / Síntoma Visual	Apariencia del Colector / Escobilla	Causa Raíz Probable	Acción Correctiva Recomendada
Pátina Marrón Claro a Chocolate	Lisa, uniforme, brillo satinado	Operación normal y balanceada	Ninguna (Mantener régimen operativo).
Colector Cobre Desnudo (Brillante)	Sin capa, cobre expuesto	Subcarga (J < 5 A/cm2) o ambiente seco	Seleccionar grado con menor abrasión o reducir área de escobillas.
Pátina Negra Gruesa y Opaca	Depósito terroso / Trazas grasas	Sobrecarga térmica o vapores de aceite	Filtrar aire de ventilación, verificar densidad J y rectificar la pátina.
Quemado en Paso de Ranura	Delgas quemadas periódicamente	Error de conmutación / Interpolos mal calados	Ajustar shunt de interpolos o cambiar a grado con mayor ∆ V.
Delgas Alternadas Quemadas	Salteado de delgas negras/limpias	Mica alta, excentricidad o delga floja	Rebarbar mica (biselar 45º) y tornear/rectificar colector.
Incrustaciones de Cobre en Carbón	Puntos brillantes metálicos en el carbón	Electro-erosión / Chispeo / Presión baja	Aumentar presión de resorte (180 - 250 g/cm2) y limpiar cara del carbón.
Bordes Mutilados o Astillados	Bordes de la escobilla rotos o picados	Vibración, choque contra mica o huelgo excesivo	Verificar tolerancia del portaescobillas (0.1-0.2 mm) y estabilidad mecánica.

Procedimiento de Corrección e Intervención:

Si la pátina es inestable pero no hay daño mecánico:

No lije el colector innecesariamente. Limpie la superficie con aire comprimido seco (< 2 bar) y un paño de lino libre de pelusa impuro. 

Si hay mica alta o delgas erosionadas:

 

• Tornear el colector con herramienta de diamante o carburo de tungsteno. 

• Rebajar la mica entre 1.0 mm y 1.5 mm por debajo del nivel del cobre.

• Biselar los bordes de cada delga a 45º (aprox. 0.2 - 0.5 mm) para eliminar rebarbas cortantes que destruyan el carbón. 

Asentamiento de Escobillas Nuevas:

Utilice piedra pómez o papel de lija de grano fino de carburo de silicio (nunca tela esmeril de óxido de aluminio) adaptado al contorno del colector para asegurar más del 80% de área de contacto antes de poner en marcha bajo carga.

Cómo calcular y ajustar la presión del resorte en la porta escobillas y su impacto en la fricción y el desgaste eléctrico.

La presión específica (p) ejercida por el resorte del portaescobillas sobre la escobilla de carbón es la variable física determinante para equilibrar dos mecanismos de desgaste opuestos: la fricción mecánica y la erosión eléctrica por arco.

Cálculo Matemático de la Presión Específica:

La presión específica se define como la fuerza radial ejercida por el resorte dividida por el área de la sección transversal de la escobilla en contacto con el colector.

Unidades comunes: 1 g/cm2 ≈ 0.0981 kPa ≈ 0.0142 psi.

Impacto en el Desgaste: La Curva de Holm

El desgaste total de la escobilla es la suma del desgaste mecánico (Wm) y el desgaste eléctrico (We). La relación entre ambos se rige por la Curva de Holm de desgaste:

Sub-presión (p < p óptimo) → Dominio Eléctrico:

• Mecanismo: La fuerza es insuficiente para mantener un contacto físico continuo frente a las micro-imperfecciones y la excentricidad del colector giratorio.

• Consecuencias: La escobilla "salta" o vibra imperceptiblemente. Esto genera arcos voltaicos continuos  que vaporizan el material carbonoso y funden puntos microscópicos de cobre en el colector (picado/pitting). 

• Efecto: Tasa de desgaste extremadamente alta, sobrecalentamiento eléctrico y destrucción de la pátina. 

Sobre-presión (p > p óptimo) → Dominio Mecánico:

• Mecanismo: La fuerza normal es excesiva, incrementando directamente la fuerza de fricción (Ff = µ · FN).

• Consecuencias: Se genera fricción abrasiva severa y elevado calor mecánico (Pm = Ff · v). La película protectora de la pátina se rompe o se raspa constantemente. 

• Efecto: Desgaste prematuro por abrasión, aumento de temperatura en el colector y desgaste acelerado del propio cobre 

Procedimiento de Medición y Ajuste Paso a Paso:

Para medir la fuerza real del resorte se requiere un dinamómetro (de resorte o digital) y una tira de prueba de papel de calibración o papel común (80 g/m2).

1.Preparar la interfaz de prueba: Posicionamiento del papel indicador. Desconecta la alimentación del motor. Desliza una tira de papel fino entre la cara inferior de la escobilla de carbón y la superficie del colector o anillo rozante.

2.Acoplar el dinamómetro: Dirección de tiro estrictamente radial. Engancha la garra del dinamómetro directamente sobre el brazo del resorte o palanca de presión, justo en el punto de apoyo sobre la cabeza del carbón.

3.Ejecutar la lectura del punto de separación: Identificación precisa de la fuerza F.

Tira del dinamómetro estrictamente a lo largo del eje central de la porta escobillas (dirección radial). Al mismo tiempo, tira suavemente del papel con la otra mano. La lectura en el dinamómetro en el preciso instante en que el papel se libera es la fuerza real Fresorte.

4.Calcular la presión y calibrar: Evaluación y corrección de la tensión.

Divide la fuerza medida por el área de la escobilla (p = F / A). Si la presión difiere de la especificación técnica:

• Resortes de palanca con muescas: Cambia la posición del extremo del resorte en el trinquete de ajuste.
  
  
• Resortes helicoidales / tracción: Ajusta el tornillo de tensión o reemplaza el resorte gastado.
  
  
• Resortes de fuerza constante (reloj): Reemplaza el resorte si perdió templado o tensión, ya que no son ajustables.

Valores de Presión Específica Recomendados:

Las especificaciones varían según el entorno dinámico y el nivel de vibración de la máquina:

Tipo de Aplicación / Máquina	Presión Recomendada (g/cm2)	Presión en kPa	Justificación Técnica
Motores CC Industriales / Generadores	180 - 250 g/cm2	18 - 25 kPa	Equilibrio estándar entre vida útil del carbón y formación de pátina.
Anillos Rozantes (Alternadores / CA)	180 - 220 g/cm2	18 – 22  kPa	Superficie continua sin interrupciones de delgas; requiere menor fuerza.
Herramientas Eléctricas / Motores Universales	250 - 350 g/cm2	25 - 35 kPa	Compensación por altas RPM (> 10,000 RPM) y constante choque mecánico.
Tracción Eléctrica / Minería / Ferroviario	400 - 600 g/cm2	40 - 60 kPa	Presión elevada requerida para contrarrestar severas vibraciones e impactos externos.

Picos de Conmutación y Ruido RFI Generados por las Escobillas en Motores Universales (Capacitores X/Y e Inductores):

Los motores universales (monofásicos de excitación en serie) son una de las fuentes más intensas de interferencia por radiofrecuencia (RFI/EMI) y picos de sobretensión transitori

A medida que el colector gira a miles de RPM, las escobillas de carbón abren y cierran mecánicamente el circuito de cada bobina de la armadura. Esta conmutación interrumpe abruptamente corrientes inductivas elevadas, generando micro arcos eléctricos cuyo colapso magnético produce tensiones inducidas de reactancia:

Estas sobretensiones transitorias abarcan un espectro de ruido conducido (150 kHz a 30 MHz) y radiado (30 MHz a 300 MHz) que se propaga por la red eléctrica y el aire. Para cumplir con la normativa de compatibilidad electromagnética (EMC, como CISPR 14 / EN 55014), se utiliza una red de filtrado LC combinada.

 

Arquitectura Topológica del Filtro Antiparasitario (Red en II / ∆):

El filtro RFI se coloca lo más cerca posible de las escobillas y de la entrada de alimentación. Su topología combina dos tipos de desacoplamiento: modo diferencial (ruido entre fase y neutro) y modo común (ruido entre líneas de alimentación y la carcasa/tierra).

Capacitores Clase X (CX): Filtrado de Modo Diferencial

El ruido de modo diferencial circula en sentidos opuestos por los conductores de Fase (L) y Neutro (N). Es causado directamente por los arcos de conmutación de las escobillas sobre las delgas.

• Conexión: Directamente entre Fase y Neutro (L - N). 

• Mecanismo de acción: Presenta una reactancia capacitiva  extremadamente baja para las altas frecuencias del ruido (> 150 kHz), cortocircuitando las RF de vuelta al origen y evitando que ingresen a la red eléctrica. Para la frecuencia industrial (50 / 60 Hz), el capacitor actúa como un circuito abierto.

• Seguridad de Clase X: Diseñados para conectarse a la línea comercial. En caso de falla por sobretensión, el material dieléctrico (polipropileno metalizado) se evapora localmente (propiedad autosecatrizante / self-healing), fallando siempre en circuito abierto para no causar un cortocircuito directo entre fase y neutro. 

• Valores típicos: 0.1µF a 0.47 µF (Clase X2 para electrodomésticos y herramientas). 

Capacitores Clase Y (CY): Filtrado de Modo Común

El ruido de modo común viaja en la misma dirección a través de L y N, y busca retornar a través del chasis metálico, la tierra de protección (PE) o capacitancias parásitas hacia masa:

• Conexión: Entre Fase-Tierra (L - PE) y Neutro-Tierra (N - PE).

• Mecanismo de acción: Deriva las corrientes de ruido de alta frecuencia acopladas capacitivamente en la carcasa del motor hacia el conductor de tierra de seguridad antes de que se radien al ambiente.

• Seguridad de Clase Y y Límite de Corriente de Fuga: Una falla en un capacitor Clase Y conectaría la fase a la carcasa metálica accesible al usuario. Por ello, deben cumplir con pruebas de rigidez dieléctrica severas (impulsos de 2.5 - 5 kV) y fallar únicamente en circuito abierto. 

• Restricción de capacidad: Su valor capacitivo está estrictamente limitado por la norma de seguridad eléctrica (IEC 60335) para limitar la corriente de fuga a 50/60 Hz hacia tierra a niveles seguros para el ser humano (Ifuga < 0.25 - 0.75 mA):

• Valores típicos: 1.5 nF a 4.7 nF (Clase Y2).

Ver:  MODULOS DE POTENCIA SUS VARIABLES 

Inductores y Choques en Serie (Lfiltro):

Mientras que los capacitores desvían la alta frecuencia en paralelo, las bobinas de choque (chokes) bloquean el paso de la señal en serie aprovechando la reactancia inductiva (

Inductores Individuales de Núcleo de Ferrita:

• Uso: Insertados en serie con los cables que alimentan directamente a los porta escobillas. 

• Función: Atenúan las corrientes de alta frecuencia (1 MHz - 100 MHz) generadas en la chispa del carbón antes de que alcancen los devanados estatóricos. 

• Valores típicos: 10 µH a 100 µH por rama.

Choque de Modo Común (Common Mode Choke):

Estructura: Un único núcleo toroidal de ferrita con dos devanados bobinados en sentidos opuestos por los que pasan L y N. 

Funcionamiento:

• Corriente de potencia (50/60 Hz): Fluye en sentidos opuestos por L y N. Los flujos magnéticos generados en la ferrita se cancelan mutuamente    . El núcleo no se satura y no opone impedancia al motor. 

• Corriente de ruido de modo común: Fluye en el mismo sentido por ambas líneas. Los flujos se suman   presentando una impedancia inductiva alta    (1 mH - 10 mH) que bloquea eficazmente el ruido.

Elementos Complementarios: Snubbers y Varistores (MOV)

Componente	Conexión / Ubicación	Función Técnica	Beneficio Directo
Red Snubber RC	En paralelo a la escobilla o al devanado de armadura.		Reduce físicamente el volumen del arco voltaico en la pátina, alargando la vida del carbón.
Varistor (MOV)	Entre Fase y Neutro (L - N).	Resistencia no lineal que pasa a conducción súbita si la tensión supera el umbral (Vvaristor).	Recorta picos de sobretensión severos (> 1 kV) que destruirían el módulo electrónico de control (ej. TRIACs de velocidad).
Núcleos de Ferrita en Clic	Abrazando el cable de alimentación principal.	Disipación por pérdidas magnéticas de altas frecuencias radiadas (> 30 MHz).	Evita que el cable de red funcione como una antena transmisora de RFI.

Mantenimiento y Diagnóstico de Filtros Defectuosos:

1. Filtro con CX abierto: El motor funciona normalmente, pero genera interferencia severa en redes Wi-Fi, radio AM/FM o distorsiona tiristores/TRIACs en circuitos cercanos. 

2. Filtro con CY cortocircuitado o degradado: Dispara de forma intempestiva el interruptor diferencial (RCD) de la instalación debido al aumento de la corriente de fuga hacia masa. 

3. Bobinas de choque sobrecalentadas: Si las escobillas chispean excesivamente por desgaste o mica alta, los inductores absorben corriente RF constante fuera de diseño, quemando el esmalte del alambre y produciendo cortocircuitos entre espiras.

Cálculos de cantidad de escobillas en paralelo necesarias por anillo rozante en un generador sincrónico:

El cálculo del número de escobillas de carbón en paralelo por cada anillo rozante en un generador sincrónico se basa en la corriente máxima de excitación continua del rotor (Ie) y la densidad de corriente máxima admisible (J) del grado del material de la escobilla.

Dado que las escobillas en paralelo no comparten la corriente de manera perfectamente simétrica (debido al coeficiente de temperatura negativo del carbón y pequeñas variaciones de presión), el cálculo debe incorporar factores de desclasificación y seguridad.

Fórmulas Fundamentales:

El número de escobillas por anillo (N) se determina mediante la siguiente expresión:

Donde:

• N: Número de escobillas en paralelo por anillo (redondeado hacia el entero superior más cercano).

• Ie,máx: Corriente continua máxima de excitación a plena carga (A). 

• Ib,nom: Capacidad de corriente nominal por escobilla (A). 

• J: Densidad de corriente máxima recomendada para el grado de carbón (A/cm}2). 

• Ab: Área de la sección transversal de contacto de una escobilla (cm2), donde Ab = t x a (t: espesor, a: ancho).

• Kseg: Factor global de seguridad y desclasificación (usualmente entre 1.25 y 1.50). 

Desglose de Factores de Desclasificación (Kseg): 

El factor global Kseg es el producto de varios subfactores técnicos:

1. Desigualdad de Reparto (Kdesig = 1.15 - 1.25): Compensación por el reparto desigual de corriente entre ramas en paralelo. La resistencia de contacto escobilla-anillo disminuye a medida que aumenta la temperatura local, haciendo que la escobilla más caliente absorba mayor corriente. 

2. Forzamiento de Campo (Kforz = 1.10 - 1.20): Capacidad del sistema de excitación (field forcing) para inyectar sobrecorrientes transitorias durante fallas en la red o requerimientos de potencia reactiva. 

3. Condiciones Ambientales / Temperatura (Kamb = 1.05 - 1.15): Factor de reducción por temperatura ambiente alta en la cámara de anillos (> 40º C) o ventilación limitada. 

Rangos Típicos de Densidad de Corriente (J) según el Grado:

La densidad de corriente J depende directamente de la composición química del material:

Tipo de Material / Grado	Densidad de Corriente J (A/cm2)	Aplicación Típica en Generadores Sincrónicos
Electrografito	8 - 12 A/cm2	Anillos rozantes de acero con velocidades periféricas elevadas (v > 40 m/s).
Baquelizados / Aglomerados con Resina	6 - 9 A/cm2	Anillos con presencia de gases agresivos o alta humedad relativa.
Metal-Grafito (Bronce / Cobre - Grafito)	12 - 25 A/cm2	Generadores de baja velocidad, excitación estática de muy alta corriente y anillos de bronce.

Ejemplo Práctico de Cálculo:

Datos del Generador:

• Corriente de excitación máxima (Ie,máx): 850 A (a plena carga nominal). 

• Dimensiones de la escobilla seleccionada: t = 2.5 cm (25 mm), a = 3.2 cm (32 mm). 

• Grado seleccionado: Electrográfico con J = 10 A/cm2. 

• Factor global de seguridad estimado: Kseg = 1.30. 

Paso 1: Cálculo del área de contacto por escobilla (Ab).

Paso 2: Capacidad nominal por escobilla (Ib,nom).

Paso 3: Determinación del número total de escobillas en paralelo (N).

Redondeando al número superior: N = 14 escobillas por anillo rozante.

Criterios Mecánicos y de Distribución Física: 

Una vez calculado el número teórico N, se deben aplicar reglas de diseño mecánico:

Simetría y Pares: Es deseable distribuir las escobillas en números pares para montar porta escobillas dobles (brazos opuestos 180º o múltiples brazos distribuidos simétricamente en los 360º del anillo). Si N = 14, se pueden colocar 2 brazos con 7 escobillas o 4 brazos (2 de 4 y 2 de 3). 

Escalonamiento Axial (Staggering): En anillos anchos, las escobillas deben alinearse con un ligero desplazamiento axial para cubrir toda la pista de contacto del anillo, evitando la formación de surcos o canales (grooving).

Homogeneidad de Resortes: Todas las escobillas en paralelo deben pertenecer al mismo lote de fabricación y usar resortes calibrados con la misma presión (+/- 5%). Una diferencia de presión de resorte desequilibra la resistencia de contacto e invalida el cálculo en paralelo.

Tolerancias mecánicas, juegos laterales y fallas más comunes en la caja de la porta escobillas:

El correcto dimensionamiento y mantenimiento de la caja de la porta escobillas es fundamental para garantizar que la escobilla de carbón se desplace libremente en sentido radial, manteniendo un contacto estable sin sufrir oscilaciones mecánicas ni atascamientos.

Las tolerancias geométricas y las holguras mecánicas están estandarizadas por la norma IEC 60136 (y su equivalente DIN 43000 / ANSI C50.4):

Tolerancias Mecánicas y Juego Lateral (Clearance)

Para que la escobilla funcione correctamente, debe existir un equilibrio en la holgura entre las paredes internas de la caja y las caras exteriores de la escobilla:

• Holgura insuficiente (< 0.08 mm): Provoca el atascamiento de la escobilla debido a la dilatación térmica del material durante la operación 

• Holgura excesiva (> 0.35 mm): Causa el "cabeceo" o inclinación (tilting) de la escobilla, alterando la superficie de contacto, generando astillado de bordes y chispeo destructivo.

Juego Lateral Nominal según Dimensiones (IEC 60136):

El juego total (tcaja - tescobilla) varía según la dimensión nominal del espesor (t) y del ancho (a) de la escobilla:

Dimensión Nominal de la Escobilla	Holgura Tolerable en Espesor (t)	Holgura Tolerable en Ancho (a)	Ajuste Normalizado (Caja / Escobilla)
Hasta 8 mm	0.05 - 0.16 mm	0.08 - 0.22 mm	H8 / f8
De 10 mm a 25 mm	0.08 - 0.25 mm	0.12 - 0.30 mm	H8 / f8 o H9 / d11
Mayor a 25 mm	0.12 - 0.35 mm	0.15 - 0.40 mm	H9 / d11

Distancia de la Caja a la Superficie del Colector (Air Gap):

• Valor Recomendado: 2.0 mm a 3.0 mm (1/16'' a 1/8'').

• Riesgo si es > 3.5 mm: Aumenta el brazo de palanca de las fuerzas tangenciales del colector, incrementando el torque de vuelco sobre la escobilla y acelerando el desgaste en forma de cuña.

• Riesgo si es < 1.5 mm: Alta probabilidad de contacto físico destructivo entre la caja metálica y el cobre si el colector presenta dilatación térmica o excentricidad. 

Fallas Más Comunes en la Caja del Porta Escobillas:

Atascamiento de la Escobilla (Sticking / Binding):

• Manifestación Visual: La escobilla no desciende a medida que se desgasta; se observa una luz física entre la cara del carbón y el colector, acompañada de chispeo severo por arco continuo.

• Causas Raíz

• Acumulación de polvo de carbón mezclado con aceite o humedad en el interior del cajetín. 

• Deformación térmica de las paredes interiores por sobrecalentamiento. 

• Presencia de rebarbas o salpicaduras de soldadura/fusión por un arco previo. 

Cabeceo e Inclinación (Tilting / Rocking):

• Manifestación Visual: Desgaste irregular en bisel (en forma de cuña) en la cara de contacto de la escobilla y astillado de los bordes laterales (chipping).

• Causas Raíz:

• Desgaste y ovalización de las paredes interiores de la caja por fricción prolongada. 

• Holgura inicial seleccionada fuera de tolerancia (> 0.35 mm). 

• Montaje de la caja demasiado elevado respecto al colector (> 4.0 mm). 

Deformación u Ovalización Interna de la Caja (Box Wear):

• Manifestación Visual: La sección interior del cajetín pierde la forma rectangular perfecta, tomando una geometría cónica o abombada (en forma de barril).

• Causas Raíz:

• Vibración dinámica continua en la máquina o balanceo deficiente del rotor. 

• Inversiones frecuentes del sentido de marcha (motores reversibles) sin el grado de carbón adecuado. 

• Uso de escobillas de dureza excesiva respecto al material de la caja (generalmente latón o bronce). 

Erosión por Arco y Mutilación de Bordes (Arcing / Burn Marks):

• Manifestación Visual: Marcas de picado, depósitos de cobre fundido o cráteres en el borde inferior interno de la caja de latón. 

• Causas Raíz:
  
  
• Ruptura del cable flexible de la escobilla (shunt), obligando a la corriente a circular directamente desde el cuerpo de la escobilla a la caja metálica. 

• Salto de arco entre delgas y la porta escobillas por acumulación de suciedad conductiva o mica alta.

Métodos y Herramientas de Inspección:

Para el mantenimiento preventivo de las cajas porta escobillas se recomienda el siguiente protocolo dimensional:

Inspección de Holguras con Galgas de Espesor (Feeler Gauge):

 

• Insertar una galga plana entre la cara de la escobilla nueva y la pared interior de la caja. Si una galga de 0.35 mm entra libremente en escobillas de tamaño mediano/grande, la caja debe reemplazarse.

Calibres de Control "Pasa / No Pasa" (Go / No-Go Gauges):

 

• Utilizar bloques patrón rectificados para verificar que el interior de la caja no haya superado el límite dimensional superior de la norma H8/H9. 

Verificación de Perpendicularidad y Alineación Axial:

• Utilizar una escuadra de precisión sobre la superficie del colector para asegurar que la caja mantenga un ángulo exacto de 90º (en portaescobillas radiales) o el ángulo nominal de bisel especificado por diseño (10º - 30º).

Impregnación al Vacío con Sales Metálicas, Ceras o Resinas Para Modificar la Porosidad y las Propiedades Tribológicas de las Escobillas:

El bloque base de electrográfico u origen sintético obtenido tras los procesos de horneado y grafitización a altas temperaturas (> 2500º C) posee una estructura microporos abierta interconectada que abarca típicamente entre el 10% y el 25% del volumen total del material.

El proceso de Impregnación al Vacío y Presión (VPI) permite rellenar esta red capilar con agentes químicos seleccionados (resinas, ceras o sales metálicas), modificando la densidad aparente, la resistencia mecánica y, fundamentalmente, las propiedades tribológicas (coeficiente de fricción, tasa de desgaste y comportamiento de la pátina).

Etapas del Proceso de Impregnación al Vacío (VPI):

Para lograr que el impregnante penetre en los microporos de sub-micra de la matriz de carbono, el proceso se ejecuta en autoclaves industriales herméticas mediante ciclos térmicos y de presión controlados:

1.Secado térmico y precalentamiento: Desgasificación de la red microporosa.

Los bloques de carbón se calientan en horno a temperaturas entre 120º C y 200º C para desorber la humedad residual y volátiles atrapados en la porosidad interna.

2.Aplicación de vacío profundo: Extracción del aire capilar (p < 1-10 mbar).

Se cargan los bloques en la autoclave y se genera un vacío profundo durante 30 a 120 minutos. Esta evacuación elimina el aire encerrado en los poros ciegos e interconectados de la escobilla

3.Inyección del agente impregnante:Inundación controlada sin romper vacío.

Sin romper el vacío, se transfiere el impregnante líquido (resina en solución, cera fundida o sal metálica disuelta) desde un tanque de mezcla hacia la cámara principal hasta sumergir completamente las piezas.

4.Fase de sobrepresión con nitrógeno/aire: Fuerza hidráulica asistida (6 a 15 bar).

Se rompe el vacío inyectando nitrógeno o aire seco a alta presión (6 - 15 bar). La diferencia de presión fuerza al líquido a penetrar en las cavidades microscópicas más profundas.

5.Drenaje y tratamiento térmico final:Fijación física o química del compuesto.

Se retira el exceso de líquido y se somete el lote a un tratamiento térmico específico según el agente:

• Resinas: Curado y polimerización (150º C – 250º C).

• Ceras: Enfriamiento programado para solidificación.

• Sales Metálicas: Calcinación y pirolisis reductora para fijar el metal elemental o haluro dentro de los poros.

Clasificación de Agentes Impregnantes y Efecto Tribológico:

La elección del impregnante altera radicalmente la interfaz de contacto entre la escobilla y el colector:

Resinas Sintéticas (Fenólicas, Epóxicas, Furánicas):

• Mecanismo: La resina polimeriza en el interior de los poros, reticulando la estructura de carbón. 

• Propiedades Físicas: Incrementa la densidad aparente (ρ), la dureza Shore (+20 - 40%) y la resistencia a la flexión/compresión. Reduce la porosidad abierta a valores inferiores al 3%. 

• Impacto Tribológico:
  
  
• Resistencia al choque mecánico: Evita el descamamiento (spalling) y la mutilación de bordes en aplicaciones con alta vibración o impacto (ej. tracción ferroviaria o motores de minería). 

• Aislamiento ambiental: Bloquea los poros impidiendo la absorción de aceites, humedad e hidrocarburos del aire que ablandarían el carbón. 

• Conmutación: Aumenta ligeramente la resistividad eléctrica global, ayudando a limitar la corriente de cortocircuito durante el paso por la zona neutra.

Ceras y Lubricantes Sólidos (Parafinas, PTFE, Disulfuro de Molibdeno MoS2):

• Mecanismo: Introducción de cadenas orgánicas de baja energía superficial o sólidos laminares en los poros.

• Propiedades Físicas: Prácticamente no altera la resistencia mecánica ni la conductividad eléctrica del bloque. 

• Impacto Tribológico:

• Acción autolubricante en humedad baja ("Tratamiento de Altura"): En aplicaciones donde la humedad absoluta cae por debajo de 2 g H2 O/m3 (aviación, aerogeneradores en montaña, ambientes desérticos), el agua ya no puede lubricar la interfaz. La cera migra paulatinamente por capilaridad debido al calor de fricción, liberando un film lubricante sólido que evita el desgaste abrasivo catastrófico. 

• Reducción del coeficiente de fricción (µ): Estabiliza la fricción en rangos de µ = 0.12 - 0.18, suprimiendo el despegue dinámico (chatter) y el rascado de cobre (copper picking).

Sales Metálicas y Haluros (BaF2, LiI, Sales de Cobre / Plata):

• Mecanismo: Infiltración con soluciones de haluros o nitratos metálicos seguida de un proceso de reducción / descomposición térmica. Se depositan cristalitos sub-micrónicos de sales o metal elemental en la pared interna de los poros.

• Propiedades Físicas: Mantiene la flexibilidad de la matriz gráfica pero reduce sustancialmente la resistividad eléctrica (ρe) y aumenta la conductividad térmica (k). 

• Impacto Tribológico:

• Catálisis de Pátina: Haluros como el fluoruro de bario (BaF2) catalizan la formación rápida de la película de Cu2O en la superficie del colector, incluso en presencia de arcos voltaicos o altas densidades de corriente (J > 18 A/cm2).

• Baja Resistencia de Contacto: Las micro inclusiones metálicas distribuyen la corriente de forma más uniforme en la micro superficie de contacto real, reduciendo los puntos de calor local (hotspots).

Matriz Comparativa de Propiedades Antes y Después de la Impregnación:

Propiedad del Material	Electrografito Base (Sin Impregnar)	Impregnado con Resina	Impregnado con Cera / Lubricante	Impregnado con Sales Metálicas
Porosidad Abierta	15 - 22%	1 - 4%	3 - 6%	8 - 12%
Densidad Aparente (ρ)	1.55 - 1.65 g/cm3	1.75 - 1.85 g/cm3	1.68 - 1.75 g/cm3	> 1.90 g/cm3
Dureza Shore	30 - 45 HSc	60 - 85 HSc	32 - 48 HSc	40 – 55 HSc
Resistividad Electrica (ρe)	25 - 40 µΩ ·m	30 - 50 µΩ · m	25 – 40 µΩ · m	10 – 20 · µΩ · m
Coeficiente de Fricción ($\mu$) en Aire Seco	0.35 - 0.50 (Inestable)	0.25 - 0.35	0.12 - 0.18 (Muy Estable)	0.18 - 0.25
Temperatura Máx. Continua	500º C (Aire)	180 – 220º C (Límite por resina)	120 – 160º C (Límite por fusión)	450 – 600º C

Selección del Tratamiento Según la Aplicación Industrial:

Métodos de Ensayo Según Normas IEC e IEEE Para Medir Dureza Shore, Resistividad Eléctrica y Tasa de Desgaste en Escobillas de Carbón:

La caracterización física, eléctrica y tribológica de las escobillas de carbón para máquinas eléctricas está estandarizada bajo dos marcos normativos principales: IEC 60413 (Test procedures for determining physical properties of carbon brushes) y la norma americana IEEE 116 (IEEE Standard Test Code for Carbon Brushes), complementadas por normas de ensayos de materiales como ASTM C886 y ASTM C611.

Estas normas definen los procedimientos para garantizar la repetibilidad de los resultados entre fabricantes y laboratorios de ensayo.

Ensayo de Dureza Shore (IEC 60413 / ASTM C886):

En materiales carbonosos y grafíticos no se utilizan los métodos de indentación permanente para metales (como Brinell o Rockwell), sino la dureza por escleroscopio dinámico (Shore C / HSc).

Principio Físico:

Consiste en dejar caer libremente desde una altura fija (h0) un martillo o percusor estandarizado con punta de diamante esférica sobre la superficie de prueba. La altura del rebote (h1) mide la restitución de energía elástica de la matriz de carbono:

Procedimiento Operativo:

1. Acondicionamiento de la muestra: La superficie debe estar rectificada con planitud impecable y rugosidad Ra ≤ 1.6 µm. El espesor mínimo del bloque debe ser de al menos 6 mm para evitar que la yunque inferior absorba la energía del impacto.

2. Calibración: Se ajusta el tubo graduado mediante bloques patrón certificados de electrografito de dureza conocida (40 HSc y 75 HSc). 

3. Ejecución del impacto:
   
   
• Se posiciona el tubo en posición estrictamente vertical (90º +/- 1º) sobre la cara de la escobilla. 

• Se realizan entre 5 y 10 impactos distribuidos homogéneamente en la superficie. 

• La distancia entre el centro de dos puntos de impacto adyacentes debe ser de al menos 5 mm, y no estar a menos de 3 mm de los bordes. 

4. Cálculo: Se calcula la media aritmética. Se descartan las lecturas que se desvíen más de +/- 3 HSc del promedio preliminar por posible presencia de un macroporo local.

Medición de Resistividad Eléctrica Específica (ρe) (IEC 60413 / IEEE 116 / ASTM C611):

La resistividad específica (ρe) del material determina la caída de tensión en el cuerpo del carbón y la corriente de cortocircuito durante la conmutación.

Principio: Método de 4 Puntas de Kelvin (4-Wire Kelvin Method)

El método de dos puntas convencional es inválido debido a que la resistencia de contacto entre los electrodos y el carbón enmascara la medida real (µΩ · m). Se utiliza un circuito de 4 terminales independientes: dos para inyección de corriente (I) y dos para lectura de potencial (V).

Expresión Matemática:

La resistividad específica (ρe) se calcula mediante la ley de Pouillet adaptada:

Donde:

• ρe: Resistividad eléctrica específica (µΩ · m).

• V: Caída de tensión medida entre las sondas de potencial interiores (mV).

• I: Corriente continua constante aplicada en los electrodos exteriores (A).

 A: Área de la sección transversal de la muestra (A = t x a) en mm2.

 

• L: Distancia exacta entre las dos sondas de lectura de potencial en mm. 

Protocolo de Ensayo:

1. Control de Corriente: Se aplica una fuente de corriente continua regulada (1 - 10 A) para garantizar una densidad de corriente baja que no caliente la muestra. 

2. Eliminación de la Fuerza Electromotriz Termoeléctrica (Efecto Seebeck): Se efectúa la lectura en polaridad directa (V+) y luego se invierte la polaridad de la corriente (V-). El voltaje efectivo es el promedio absoluto.

3. Compensación Térmica: Los resultados se normalizan a 20º C utilizando el coeficiente de temperatura del carbón (α):

Ensayo de Tasa de Desgaste (IEEE 116 / IEC 60413):

El ensayo de wear rate cuantifica la pérdida de volumen o longitud del carbón por unidad de tiempo o distancia recorrida bajo condiciones dinámicas controladas.

Arquitectura del Banco de Ensayos (Test Rig):

El banco de prueba estandarizado según IEEE 116 consiste en:

• Anillo rozante o colector patrón: Cilindro de cobre electrolítico o acero (rugosidad Ra = 0.8 - 1.2m).

• Accionamiento: Motor con control de velocidad para mantener la velocidad periférica constante (v = 20 - 40 m/s). 

• Sistema de carga: Porta escobillas con resorte de precisión para aplicar la presión nominal (p = 20 - 25 kPa).

• Cámara climatizada: Control estricto de humedad (8 - 12 g H2O/m3) y temperatura (20 +/- 5º C).

Tipos de Ensayo:

La norma distingue dos modalidades de desgaste:

1. Desgaste Mecánico Puro (Wm): Se realiza con corriente nula (I = 0 A). Evalúa exclusivamente la fricción abrasiva y la capacidad autolubricante de la matriz.

2. Desgaste Electromecánico Total (Wt): Se aplica la densidad de corriente nominal (J = 8 - 12 A/cm2) con polaridad continua o alterna. Incorpora los efectos de la electro-erosión por micro arcos. 

Fórmulas de Expresión de la Tasa de Desgaste:

El ensayo requiere una fase previa de asentamiento (bedding-in) de 24 horas hasta lograr > 90% de contacto de área. Posterior al rodaje, se registra la prueba durante 100 a 500 horas continuas.

• Tasa de Desgaste Horaria (Wh):

• Tasa de Desgaste Periférica / Específica (Ws):

Donde ∆ L es la reducción de longitud medida con sensor LVDT o micrómetro (mm), t es el tiempo de prueba horas, v es la velocidad periférica (m/s) y S es la distancia recorrida en kilómetros (km).

Ver:  Generación y Eficiencia Energética (III)

Cuadro Resumen de Normas, Tolerancias y Rango de Aceptación:

Propiedad Medida	Norma Principal	Instrumental / Método	Unidad Estándar	Rango Típico (Electrografito Estándar)
Dureza Shore	IEC 60413 / ASTM C886	Escleroscopio Shore C (HSc)	HSc}	40 - 65 HSc (+/-5 HSc tolerado)
Resistividad Específica (ρe)	IEC 60413 / ASTM C611 / IEEE 116	Puente Kelvin 4 puntas DC	µΩ · m	25 – 45 µΩ · m (+/- 10% por lote)
Tasa de Desgaste Total ($W_h$)	IEEE 116 / IEC 60413	Banco dinámico LVDT	mm/100 h	1.5 - 4.0 mm/100 h (A velocidad nominal)
Resistencia a la Flexión	IEC 60413 / DIN 51902	Flexión en 3 o 4 puntos	MPa	15 - 35 MPa
Contenido de Cenizas (Puros)	IEC 60413 / ISO 1171	Calcinación en mufa (850º C)	% peso	< 0.1 - 0.5%

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