Un motor elèctric de corrent continu amb escombretes és un motor elèctric de commutació interna dissenyat per funcionar des d'una font d'alimentació de corrent continu i que utilitza unes escombretes elèctriques per al contacte.
Els generadors de CC existents utilitzen un commutador per aconseguir una sortida de CC en lloc d'una sortida de CA, sense commutació de voltatge o corrent. Tanmateix, com que el rotor gira, la corba voltatge-temps existent s'assembla a y = a |sin(t)|, cosa que fa que el voltatge no sempre estigui al seu voltatge de sortida màxim. Si el moviment del rotor canviés de rotació a oscil·lar repetidament i tallar les línies de camp magnètic perpendiculars a elles, l'eficiència de la sortida de voltatge podria augmentar, fent-la més propera a una línia recta, és a dir, y = a. Com més alta sigui la freqüència d'oscil·lació, més propera hauria d'estar a una línia recta.
Els motors amb escombretes van ser la primera aplicació comercialment important de l'energia elèctrica per impulsar energia mecànica, i els sistemes de distribució de corrent continu es van utilitzar durant més de 100 anys per fer funcionar motors en edificis comercials i industrials. La velocitat dels motors de corrent continu amb escombretes es pot variar canviant la tensió de funcionament o la intensitat del camp magnètic. Depenent de les connexions del camp a la font d'alimentació, les característiques de velocitat i parell d'un motor amb escombretes es poden alterar per proporcionar una velocitat constant o una velocitat inversament proporcional a la càrrega mecànica. Els motors amb escombretes es continuen utilitzant per a propulsió elèctrica, grues, màquines de paper i laminadors d'acer. Com que les escombretes es desgasten i cal substituir-les, els motors de corrent continu sense escombretes que utilitzen dispositius electrònics de potència han desplaçat els motors amb escombretes de moltes aplicacions.
Motor de corrent continu bipolar simple Els gràfics següents il·lustren un motor de corrent continu simple, bipolar, amb escombretes.
class=mw-file-element|245x245px
Quan un corrent passa a través de la bobina enrotllada al voltant d'un nucli de ferro tou situat dins d'un camp magnètic extern, el costat del pol positiu pateix una força cap amunt, mentre que l'altre costat pateix una força cap avall. Segons la regla de la mà esquerra de Fleming, les forces provoquen un efecte de gir a la bobina, fent-la girar. Per fer que el motor giri en una direcció constant, els commutadors de corrent continu fan que el corrent inverteixi la direcció cada mig cicle (en un motor bipolar), fent que el motor continuï girant en la mateixa direcció.
Un problema amb el motor que es mostra a dalt és que quan el pla de la bobina és paral·lel al camp magnètic, és a dir, quan els pols del rotor estan a 90 graus dels pols de l'estator, el parell és zero. A les imatges de dalt, això passa quan el nucli de la bobina és horitzontal, la posició que està a punt d'assolir a la penúltima imatge de la dreta. El motor no podria arrencar en aquesta posició. Tanmateix, un cop arrencat, continuaria girant a través d'aquesta posició per impuls.
Hi ha un segon problema amb aquest disseny de pol simple. A la posició de parell zero, les dues escombretes del commutador toquen (ponten) ambdues plaques del commutador, cosa que provoca un curtcircuit. Els cables d'alimentació estan curtcircuitats a través de les plaques del commutador i la bobina també està curtcircuitada a través de les dues escombretes (la bobina està curtcircuitada dues vegades, una vegada a través de cada escombreta independentment). Cal tenir en compte que aquest problema és independent del problema de no arrencada anterior; fins i tot si hi hagués un corrent elevat a la bobina en aquesta posició, encara hi hauria parell zero. El problema aquí és que aquest curtcircuit consumeix energia inútilment sense produir cap moviment (ni tan sols cap corrent de bobina). En una demostració de baix corrent alimentada per bateria, aquest curtcircuit generalment no es considera perjudicial. Tanmateix, si un motor bipolar estigués dissenyat per fer un treball real amb diversos centenars de watts de potència de sortida, aquest curtcircuit podria provocar un sobreescalfament greu del commutador, danys a les escombretes i una possible soldadura de les escombretes, si fossin metàl·liques, al commutador. Les escombretes de carbó, que s'utilitzen sovint, no es soldarien. En qualsevol cas, un curtcircuit com aquest és molt malgastador, esgota les bateries ràpidament i, com a mínim, requereix que els components de la font d'alimentació estiguin dissenyats amb estàndards molt més alts dels que caldrien només per fer funcionar el motor sense el curtcircuit. esquerra|miniatura|L'interior d'un motor de corrent continu molt petit, com el que es trobaria en una joguina
Una solució senzilla és posar un espai entre les plaques del commutador que sigui més ample que els extrems de les escombretes. Això augmenta el rang de parell zero de posicions angulars però elimina el problema del curtcircuit; si el motor s'engega per una força externa, continuarà girant. Amb aquesta modificació, també es pot apagar eficaçment simplement aturant-lo en una posició en el rang d'angle de parell zero (és a dir, sense contacte amb el commutador). Aquest disseny es veu de vegades en motors d'afició casolans, per exemple, per a fires de ciències, i aquests dissenys es poden trobar en alguns llibres de projectes científics publicats. Un clar inconvenient d'aquesta senzilla solució és que el motor ara gira per inercia a través d'un arc de rotació substancial dues vegades per revolució i el parell es pulsa. Això pot funcionar per a ventiladors elèctrics o per mantenir un volant d'inèrcia girant, però hi ha moltes aplicacions, fins i tot on l'arrencada i l'aturada no són necessaris, per a les quals és completament inadequat, com ara accionar el cabrestant d'un transport de cinta, o qualsevol cas similar on accelerar i frenar sovint i ràpidament sigui un requisit. Un altre desavantatge és que, com que les bobines tenen una certa autoinductància, el corrent que hi flueix no es pot aturar sobtadament. El corrent intenta saltar l'espai obert entre el segment del commutador i la raspall, provocant un arc.
Fins i tot per a ventiladors i volants d'inèrcia, les clares debilitats que persisteixen en aquest disseny, especialment que no s'arrenca automàticament des de totes les posicions, el fan poc pràctic per al seu ús en funcionament, sobretot tenint en compte les millors alternatives que existeixen. A diferència del motor de demostració anterior, els motors de corrent continu es dissenyen habitualment amb més de dos pols, poden arrencar des de qualsevol posició i no tenen cap posició on el corrent pugui fluir sense produir energia electromotriu passant per alguna bobina. Molts motors de corrent continu petits amb escombretes comuns que s'utilitzen en joguines i petits electrodomèstics de consum, els motors de corrent continu produïts en massa més senzills que es poden trobar, tenen armadures tripolars. Les escombretes ara poden connectar dos segments de commutador adjacents sense causar un curtcircuit. Aquestes armadures tripolars també tenen l'avantatge que el corrent de les escombretes flueix a través de dues bobines en sèrie o a través d'una sola bobina. Començant amb el corrent en una bobina individual a la meitat del seu valor nominal (com a resultat de fluir a través de dues bobines en sèrie), puja fins al seu valor nominal i després baixa fins a la meitat d'aquest valor. La seqüència continua amb el corrent en la direcció inversa. Això resulta en una aproximació gradual més propera al corrent de bobina sinusoidal ideal, produint un parell més uniforme que el motor bipolar on el corrent a cada bobina és més proper a una ona quadrada. Com que els canvis de corrent són la meitat dels d'un motor bipolar comparable, l'arc a les escombretes és, en conseqüència, menor.
Si l'eix d'un motor de corrent continu gira per una força externa, el motor actuarà com un generador i produirà una força electromotriu (FEM). Durant el funcionament normal, la rotació del motor produeix un voltatge, conegut com a contra-FEM (FEM) o FEM inversa, perquè s'oposa al voltatge aplicat al motor. La FEM inversa és la raó per la qual el motor, quan funciona lliurement, no sembla tenir la mateixa baixa resistència elèctrica que el cable contingut al seu debanament. Aquesta és la mateixa FEM que es produeix quan el motor s'utilitza com a generador (per exemple, quan una càrrega elèctrica, com ara una bombeta, es col·loca entre els terminals del motor i l'eix del motor s'acciona amb un parell extern). Per tant, la caiguda de voltatge total a través d'un motor consisteix en la caiguda de voltatge de la FEM i la caiguda de voltatge paràsita resultant de la resistència interna dels debanaments de l'armadura. El corrent a través d'un motor ve donat per la següent equació:
La potència mecànica produïda pel motor ve donada per:
A mesura que un motor de corrent continu sense càrrega gira, genera una força electromotriu de flux invers que resisteix el corrent que s'aplica al motor. El corrent que passa pel motor disminueix a mesura que augmenta la velocitat de rotació, i un motor de gir lliure té molt poc corrent. Només quan s'aplica una càrrega al motor que frena el rotor, augmenta el consum de corrent que passa pel motor.
El pla de commutació En una dinamo, un pla que passa pels centres de les àrees de contacte on un parell de raspalls toquen el commutador i és paral·lel a l'eix de rotació de l'armadura s'anomena pla de commutació. En aquest diagrama, el pla de commutació es mostra per a només una de les raspalls, suposant que l'altra raspall va fer contacte a l'altre costat del commutador amb simetria radial, a 180 graus de la raspall que es mostra. 418x418px
Compensació per la distorsió del camp de l'estator En una dinamo real, el camp mai és perfectament uniforme. En canvi, a mesura que el rotor gira, indueix efectes de camp que arrosseguen i distorsionen les línies magnètiques de l'estator exterior no giratori. miniatura|Exemple exagerat de com el camp és distorsionat pel rotor.miniatura|Les llimadures de ferro mostren el camp distorsionat a través del rotor. Com més ràpid giri el rotor, més gran serà el grau de distorsió del camp. Com que la dinamo funciona de manera més eficient amb el camp del rotor en angle recte amb el camp de l'estator, cal retardar o avançar la posició de les escombretes per posar el camp del rotor a la posició correcta perquè estigui en angle recte amb el camp distorsionat. miniatura|Posició centrada del pla de commutació si no hi hagués efectes de distorsió del camp.miniatura|Posició real del pla de commutació per compensar la distorsió del camp. Aquests efectes de camp s'inverteixen quan s'inverteix la direcció de gir. Per tant, és difícil construir una dinamo commutada reversible eficient, ja que per obtenir la intensitat de camp més alta cal moure les escombretes al costat oposat del pla neutre normal.
L'efecte es pot considerar una mica similar a l'avanç de sincronització en un motor de combustió interna. Generalment, una dinamo que ha estat dissenyada per funcionar a una determinada velocitat fixa tindrà les escombretes fixades permanentment per alinear el camp per obtenir la màxima eficiència a aquesta velocitat.Hawkins Electrical Guide
Les màquines de corrent continu amb estators bobinats compensen la distorsió amb debanats de camp de commutació i debanats de compensació.
Variacions de disseny de motors Motors de corrent continu Els motors de corrent continu amb raspalls es construeixen amb rotors bobinats i estators bobinats o amb imants permanents.
Estators enrotllats miniatura|240x240px