直流電動(dòng)機(jī)的使用主要包括起動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)等。這里首先討論直流電動(dòng)機(jī)的電磁特性，然后以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例討論其起動(dòng)和調(diào)速情況。
1、直流電動(dòng)機(jī)的電磁特性
直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組電流ia與磁通φ相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩t的大小為：
t=kt×φ×ia
式中：kt－與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；φ－磁極磁通量，單位是韋伯（wb）；ia－電樞電流，單位是安（a）；t－電磁轉(zhuǎn)矩。
在這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩t作用下電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電樞因切割磁力線而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)e。
e=ke×φ×·n
式中：φ－磁極磁通量，單位韋伯（wb）；n－電樞轉(zhuǎn)速，單位是r/min；ke－與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；e－感生電動(dòng)勢(shì)，單位是伏特（v）。
顯然這個(gè)電動(dòng)勢(shì)e是一反電動(dòng)勢(shì)，故加在電樞繞組的端電壓分為兩部分：其一是用來平衡反電動(dòng)勢(shì)；其二為電樞繞組的電壓降，如圖1所示。
圖1 直流電動(dòng)機(jī)的電樞
因此直流電動(dòng)機(jī)電樞的電壓平衡方程式為：
u=e+iara
式中：u－電樞外加電源電壓；ra，ia－電樞繞組的電阻和電流。
電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩t必須與機(jī)械負(fù)載矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡。當(dāng)軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢(shì)、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。例如，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩便暫時(shí)小于阻轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)磁通φ不變時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)e必將減小，而電樞電流ia將增加，于是電磁轉(zhuǎn)矩也隨著增加。直到電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到新的平衡后轉(zhuǎn)速不再下降，而電動(dòng)機(jī)則以較原先更低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在電源電壓u和勵(lì)磁電路的電阻rf不變的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩t的關(guān)系n=f(t)稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。
由上面討論的電磁關(guān)系可知：
n=e/keφ=（u-iara）/keφ=u/keφ-ra/ktkeφ·t=n0-△n
在上式中，n0＝e/keφ，是t＝0時(shí)的轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是不存在的，因?yàn)榧词闺妱?dòng)機(jī)軸上沒有加機(jī)械負(fù)載，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也不可能為零，它還要平衡空載損耗轉(zhuǎn)矩。所以n0稱為理想空載轉(zhuǎn)速。
式中的△n＝ra/ktkeφ·t是轉(zhuǎn)速降。它表示：當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。轉(zhuǎn)速降是電樞電阻ra引起的。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，ia增大，iara增大，由于電源電壓u是一定的，這就使反電動(dòng)勢(shì)e減小，也就是轉(zhuǎn)速n降低了。
并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2所示。由于ra很小，在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化不大。因此并勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有硬的機(jī)械特性。
圖2 并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線
2、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)
電動(dòng)機(jī)接通電源，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。由靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)這段過程稱為起動(dòng)過程。
并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其電樞電流為：
ia＝（u－e）/ra
因?yàn)殡姌须娮鑢a很小，所以電源電壓u和反電動(dòng)勢(shì)e極為接近。
在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的初始瞬間，n=0，e=ke×φ·n=0。這時(shí)的電樞電流為：iast=u/ra
由于ra很小，起動(dòng)電流將達(dá)到額定電流的10－20倍，這是不允許的。因?yàn)椴?lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比電樞電流，所以它的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也太大，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械沖擊，使傳動(dòng)機(jī)械（例如齒輪）遭受損壞，因此，必須限制起動(dòng)電流。限制起動(dòng)電流的方法是起動(dòng)時(shí)在電樞電路中串接起動(dòng)電阻rst（圖3）。這時(shí)電樞中的起動(dòng)電流初始值為：
iast=u/（ra+rst）
而起動(dòng)電阻則可由上式確定，即：rst＝r/iast－ra
圖3 電樞電路串入電阻起動(dòng)
一般規(guī)定起動(dòng)電流不應(yīng)超過額定電流的1.5－2.5倍。起動(dòng)時(shí)，應(yīng)將起動(dòng)電阻放在最大值處，待起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，將它逐段切除。起動(dòng)電阻是按短期使用設(shè)計(jì)的，不能長(zhǎng)期接在電樞電路中。
例如1 z2－61型并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，pn=10kw,u=220v,in=53.8a,nn=1500r/min,ra=0.3ω,最大勵(lì)磁功率pfm=260w。試求（1）直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流為額定電樞電流的幾倍；（2）起動(dòng)電限制在額定電樞電流2倍時(shí)的起動(dòng)電阻值。
解：
起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁電流為最大值：
ifm=pfm/u=260/220=1.18(a)
電樞額定電流：
ian=in-ifm=53.8-1.18=52.6(a)
直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流為：
is=u/ra=220/0.3=733(a)
起動(dòng)電流為額定電樞電流的倍數(shù)＝is/ian=733/52.6=13.9
若將起動(dòng)電流限制為額定電樞電流的2倍，即：
u/（ra+rs）=2ian
則起動(dòng)電阻值為：
rs=u/2ian-ra=220/2×52.6-0.3=1.79(ω)
這種電阻起動(dòng)法廣泛應(yīng)用于小型直流電動(dòng)機(jī)，較大容量和經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)常采用降壓起動(dòng)去，依靠降低電動(dòng)機(jī)端電壓來限制起動(dòng)電流。降壓起動(dòng)需要一套調(diào)壓供電裝置作為電動(dòng)機(jī)電源，常用于他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，只降低電樞兩端電壓，勵(lì)磁電壓保持不變。
需注意的是，直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)或工作時(shí)，勵(lì)磁電路必須保持接通裝態(tài)，不能讓它斷開（起動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁）。否則，由于磁路中只有很小的剩磁，可能發(fā)生下述事故。
（1）如果電動(dòng)機(jī)是靜止的，因轉(zhuǎn)矩太小(t=ktφia)，不能起動(dòng)；由于反電動(dòng)勢(shì)為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險(xiǎn)。
（2）如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)斷開勵(lì)磁電路，電動(dòng)勢(shì)立即減小而使電樞電流增大；同時(shí)由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能滿足負(fù)載需要，電動(dòng)機(jī)必將減速而停車，更加促使電樞電流的增大，以致燒毀電樞和換向器。
（3）如果電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行，它的轉(zhuǎn)速可能上升到很高的值（這種事故叫“飛車”），使電機(jī)遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而且還會(huì)因電樞電流過大將繞組燒毀。
3、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速
并勵(lì)或他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)與交流異步電動(dòng)機(jī)相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維修也不方便，但是在調(diào)速性能上有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槭蠡\式電動(dòng)機(jī)在一般情況下是不能調(diào)速的，更不能無級(jí)調(diào)速，因此，對(duì)調(diào)速要求高的設(shè)備，均采用直流電動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)能無級(jí)調(diào)速，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。
由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：
n=（u-iara）/keφ
可知，ra、φ和u中的任意一個(gè)值，都可使轉(zhuǎn)速改變，改變電樞電路中外電阻的方法也可進(jìn)行調(diào)速。但其缺點(diǎn)是耗電多，電機(jī)機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，且只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，故這種方法目前已較少采用。現(xiàn)常用的對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有調(diào)磁法和調(diào)壓法。
（1）調(diào)磁法
即改變磁通量φ。當(dāng)保持電源電壓u為額定值時(shí)，調(diào)節(jié)rf，改變勵(lì)磁電流if以改變磁通量，如圖4所示。由于
n=u/keφ-ra/ktkeφ·t
可知磁通φ減少時(shí)，n0升高，轉(zhuǎn)速降△n增大，但后者與φ2成反比，所以磁通愈小，機(jī)械特性曲線愈陡，但仍具有一定硬度，如圖5所示。在一定負(fù)載下，φ愈小，則n愈高。由于電動(dòng)機(jī)在額狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，它的磁路已接近飽和，所以通常都是減小磁通（φ＜φn），將轉(zhuǎn)速往上調(diào)（n＞nn）。
圖4 改變電動(dòng)機(jī)磁通調(diào)速
圖5 改變磁通量φ時(shí)的機(jī)械特性曲線
調(diào)速的過程是：當(dāng)電壓u保持恒定時(shí)，減小磁通φ。由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速產(chǎn)立即發(fā)生變化，于是反電動(dòng)勢(shì)e=ke·φ·n就減小，ia隨之增加。由于ia增加的影響超過φ減小的影響，所以轉(zhuǎn)矩t=ktφia也就增加。如果阻轉(zhuǎn)矩tc未變，則t＞tc轉(zhuǎn)速n上升。隨著n的升高，反電動(dòng)勢(shì)e增大，ia和t也著減小，直到t=tc時(shí)為止。但這時(shí)轉(zhuǎn)速已比原來升高了。
必須指出，若電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行，則電樞電流ia為額定值，如果調(diào)速時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍舊保持不變（為額定值），由于t=ktφia，故減小磁通量φ后ia必然超過額定值，因此調(diào)速后負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。這種調(diào)速方法適用于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比而輸出功率基本不變（恒功率調(diào)速）的場(chǎng)合。
這種調(diào)速方法有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
調(diào)速平滑，可無級(jí)調(diào)速；
調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；
機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。
這種調(diào)速方法的局限是轉(zhuǎn)速只能升高，即調(diào)速后的轉(zhuǎn)速要超過額定轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡姍C(jī)不允許超速太多，因此限制了它的調(diào)速范圍。在實(shí)際工作中，這種方法常作為電壓調(diào)速的一種補(bǔ)充手段。
例如2 有一并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，已知u=110v，e=90v，ra=20ω，ia=1a，n=300r/min，為了提高轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電阻rf增加，使磁通φ減小10％，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，問轉(zhuǎn)速如何變化？
解：令φ減小10%，即φ′=0.9φ，所以電流必須增大到ia′，以維持轉(zhuǎn)矩不變，即：
kt·φ′·ia′=kt·φ·ia
ia′=φia/φ′=1/0.9=1.11(a)
磁通減小后的轉(zhuǎn)速n′對(duì)原來的轉(zhuǎn)速n之比為：
n′/n=(e′/keφ′)/(e/keφ)=e′φ/eφ′=(u-ia′ra)φ/(u-iara)φ′=(110-1.11×20)×1/(110-1×20)×0.9=1.08
即轉(zhuǎn)速增加了8%。
（2）調(diào)壓法
即改變電壓u。當(dāng)保持他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流if為額定值時(shí)，降低電樞電壓u，則由
n=u/kt·φ-ra/ke·kt·φ2·t
可見，n0變低了，但△n未改變。因此改變u可得出一組平行的機(jī)械特性曲線。在一定負(fù)載下，u愈低，則n愈低。由于改變電樞電壓只能向小于電動(dòng)機(jī)額定電壓的方向改變，所以轉(zhuǎn)速將下調(diào)(nn)。
調(diào)速的過程是：當(dāng)磁通φ保持不變時(shí)，減小電壓u由于轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，反電動(dòng)勢(shì)e便暫不變化，于是電流ia減小，轉(zhuǎn)矩t也減小。如果阻轉(zhuǎn)矩tc未變，則t＜tc，轉(zhuǎn)速n下降。隨著n的降低，反電動(dòng)勢(shì)e減小，ia和t增大，直到t=tc時(shí)為止。但這時(shí)轉(zhuǎn)速已比原來降低了。
由于調(diào)速時(shí)磁通不變，如在一定的額定電流下調(diào)速，則電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩便是一定的（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）。
這種調(diào)速方法有下列優(yōu)點(diǎn)：
機(jī)械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性較好；
調(diào)速幅度大；
可均勻調(diào)節(jié)電樞電壓；得到平滑的無級(jí)調(diào)速。
這種調(diào)速方法的缺點(diǎn)是調(diào)壓需用專門的設(shè)備，投資較高。近年來由于采用了可控硅整流電源對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)速，使這種方法得到了廣泛應(yīng)用。印刷設(shè)備中直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速多采用這種方法。
例如3 有一他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，已知：u=220v,i=53.8a，n=1500r/min，ra=0.7ω，今將電樞電壓降低一半，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，問轉(zhuǎn)速降低多少？設(shè)勵(lì)磁電流保持不變。
解：由t=kt·φ·ia可知，在保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流不變的條件下，電流也保持不變。電壓降低后的轉(zhuǎn)速n′對(duì)原來的轉(zhuǎn)速n之比
n′/n=(e′/ke·φ)/(e/ke·φ)=e′/e=(u-ia·ra)/u-ia·ra)=(110-53.8×0.7)/(220-53.8×0.7)=0.4
即在保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，轉(zhuǎn)速降低到原來的40%。