Se una spira, imperniata su un asse girevole e percorsa da corrente, è immersa in un campo magnetico, viene sottoposta all’azione di una coppia di rotazione. Consideriamo adesso la nostra spira alloggiata sul rotore di una macchina a corrente continua e alimentiamola con corrente continua.
Funzionamento della spira e ruolo del commutatore
La coppia di rotazione agente porterà la spira in posizione simmetrica tra i poli magnetici dello statore; in altre parole essa si disporrà, come sappiamo, in modo da essere attraversata dal massimo flusso.
In questa posizione, detta zona neutra, la spira si ferma: viene a trovarsi in un punto morto; anche se la spira oltrepassa leggermente questa posizione, è risospinta indietro dalle forze applicatele ai lati.
Se invece il senso della corrente viene invertito nel momento in cui la spira raggiunge il punto morto, si invertono le direzioni delle forze agenti: allora il movimento di rotazione continua sino a che, dopo mezzo giro, si rinnova una posizione con un nuovo punto morto, che nuovamente può essere vinto invertendo la direzione della corrente.
Poiché la commutazione del senso della corrente deve avvenire in funzione della posizione della spira, questo compito è affidato a un dispositivo rotante con l’asse, il cosiddetto commutatore. L’inizio e la fine delle spire vengono fissate ad un anello di contatto diviso in due metà, isolate una dall’altra, dette segmenti di commutazione. Su ognuno di questi appoggia una spazzola che, nel momento in cui la spira raggiunge il punto morto (zona neutra) si sposta sull’altro segmento di commutazione, provocando così l’inversione della corrente, e con ciò un proseguimento della rotazione nello stesso senso. Ovviamente con questo ragionamento le spazzole sono poste nella zona neutra.
Analogamente a quanto visto per i generatori, una sola spira genera forze di spostamento molto piccole, perciò in pratica si utilizzano un gran numero di spire raccolte in una matassa, inserita sul perimetro della parte rotante, nelle cave ricavate nel pacco di lamierini che formano l’indotto. (Con il numero di matasse è necessario aumentare il numero di segmenti di commutazione).
Reazione d’indotto e poli ausiliari
I concetti precedenti vanno rivisti considerando la macchina dal punto di vista elettromagnetico.
Il circuito induttore genera un campo magnetico principale (figura 1a).
L’avvolgimento di indotto percorso da corrente produce un campo trasversale (figura 1b).
La composizione dei due campi ruota la zona neutra di un angolo α in senso opposto alla rotazione (figura 2).
Dalla composizione dei due campi nasce un campo risultante totale che ruota la zona neutra di un angolo α in senso contrario alla rotazione (vedi figura 2).
Questo fenomeno, chiamato reazione d’indotto, causa scintillio delle spazzole durante la commutazione. Nei moderni motori a corrente continua si utilizzano poli ausiliari, disposti nella zona neutra, i cui avvolgimenti sono in serie con l’indotto. Essi producono un campo opposto a quello trasversale, annullandolo e stabilizzando la commutazione.
Gli avvolgimenti d’eccitazione dei poli ausiliari vengono inseriti in serie con quelli dell’indotto e sono perciò percorsi dalla stessa corrente. Il campo nei poli ausiliari dipende quindi dall’intensità della corrente nell’avvolgimento d’indotto, così come ne dipende il campo trasversale d’indotto, con senso però inverso. Così il polo ausiliario annulla il campo trasversale d’indotto nella zona neutra, spostando quest’ultima in senso inverso e rendendo inutile lo spostamento delle spazzole.
Coppia motrice
Abbiamo dunque visto che invertendo il senso della corrente si riesce ad avere una rotazione costante dell’indotto.
Se indichiamo con Φ il flusso induttore e con I la corrente che circola nell’indotto, la coppia motrice è data dall’espressione:
dove 
è il flusso induttore, 
la corrente di indotto e 
una costante costruttiva della macchina.
Il senso di rotazione dell’indotto si può ricavare, come sappiamo, applicando la regola delle tre dita della mano sinistra. Osserviamo che essendo Φ generato dalla corrente dell’avvolgimento induttore e I la corrente nell’indotto, per invertire il senso di rotazione di un motore a corrente continua è necessario invertire il senso della corrente o soltanto nell’induttore o soltanto nell’indotto. Se si invertisse in entrambi i circuiti il senso di rotazione rimarrebbe invariato.
f.c.e.m. e velocità
A causa della rotazione del rotore entro il campo magnetico induttore, si genera negli avvolgimenti rotorici una f.e.m. indotta che, per la legge di Lenz, si oppone alla causa che l’ha generata: è diretta in senso contrario alla corrente (ed anche alla tensione applicata alla macchina).
Durante il funzionamento si genera una f.e.m. indotta opposta alla tensione applicata (legge di Lenz), detta forza contro-elettromotrice (f.c.e.m.):
Da cui si ricava la velocità:
La velocità è quindi inversamente proporzionale al flusso induttore e direttamente proporzionale alla tensione applicata.
Per variare la velocità di un motore a corrente continua si può quindi agire in due modi: variare il flusso magnetico oppure variare la tensione di alimentazione. Poiché la velocità aumenta con il diminuire del flusso magnetico, non si deve mai fare funzionare un motore a corrente continua senza eccitazione, altrimenti la velocità assumerebbe valori pericolosi.
Corrente di indotto e avviamento
La corrente nell’indotto è data da:
In tale espressione, Ri è la resistenza ohmica dell’indotto. All’avviamento il motore è fermo e 
:
poiché Ri è molto piccola, la corrente di indotto risulterebbe elevatissima.
Per limitare la corrente si inserisce un reostato di avviamento in serie all’indotto, che si disinserisce gradualmente con l’aumentare della velocità.
Curve caratteristiche e rendimento
I motori a corrente continua sono caratterizzati da:
- Caratteristiche elettromeccaniche: coppia e velocità in funzione della corrente assorbita.
- Caratteristica meccanica: coppia in funzione della velocità, diversa a seconda del tipo di eccitazione.
Quest’ultima, particolarmente adatta per stabilire il campo d’impiego dei vari motori, varia sostanzialmente a seconda del sistema di eccitazione della macchina.
Osserviamo che i sistemi di eccitazione sono quelli visti per i generatori in corrente continua.
Una macchina si distingue per la potenza che può sviluppare: definiamo potenza nominale P di un motore in corrente continua, la potenza meccanica ricavata all’asse della macchina, quando viene alimentata dalla tensione nominale e ruota alla sua velocità nominale.
Definiamo invece potenza assorbita Pa, la potenza elettrica che si deve fornire ai morsetti della macchina, affinché questa trasmetta all’albero la sua potenza nominale; è data dal prodotto della tensione ai morsetti V per la corrente I assorbita dalla linea:
La potenza assorbita ai morsetti è:
Il rendimento è il rapporto tra la potenza resa e la potenza assorbita:
Le perdite comprendono: meccaniche (attrito e ventilazione), nel ferro (isteresi e correnti parassite), nel rame (avvolgimenti di induttore e indotto) e per contatto delle spazzole.
Applicazioni
I motori a corrente continua, grazie alla possibilità di regolazione della velocità, trovano impiego in tram, treni, nastri trasportatori, impianti industriali e in apparecchi di precisione come robot e azionamenti speciali.