Режим возбуждения двигателя постоянного тока напрямую определяет источник его магнитного поля и рабочие характеристики. Уточнение классификации различных режимов возбуждения и их рабочих характеристик имеет решающее значение для понимания того, как двигатель адаптируется к различным условиям работы, а также служит важной основой для выбора в практических приложениях.
Режимы возбуждения двигателей постоянного тока классифицируются в основном по принципу соединения обмотки возбуждения и якоря. К распространённым типам относятся независимое, параллельное, последовательное и смешанное возбуждение, причём рабочие характеристики каждого типа существенно различаются:
Во-первых, двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Его обмотка возбуждения полностью независима от обмотки якоря. Ток возбуждения питается от внешнего независимого источника постоянного тока и не связан с напряжением или током якоря. С точки зрения эксплуатационных характеристик, основной магнитный поток двигателя с независимым возбуждением стабилен и не зависит от изменений тока якоря. Следовательно, обеспечивается высокая стабильность скорости, и даже при колебаниях нагрузки изменение скорости незначительно. При этом увеличение скорости в условиях слабого поля может быть достигнуто независимой регулировкой тока возбуждения, а плавное регулирование скорости ниже номинальной – регулировкой напряжения якоря, что обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости и высокую точность. Однако для этого типа двигателя требуется дополнительный источник независимого возбуждения, что приводит к относительно высокой стоимости оборудования. Он подходит для применений с высокими требованиями к стабильности и точности регулирования скорости, например, для привода шпинделей прецизионных станков и тахогенераторов постоянного тока.
Во-вторых, двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением. Обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря к тому же источнику постоянного тока. Ток возбуждения определяется напряжением питания и не связан с током якоря. Его характеристики аналогичны характеристикам двигателя с независимым возбуждением. Основной магнитный поток относительно стабилен, скорость вращения меньше подвержена влиянию нагрузки, а рабочие характеристики стабильны. Более того, он не требует независимого источника питания возбуждения, поэтому конструкция оборудования проще, а стоимость ниже, чем у двигателя с независимым возбуждением. Однако следует отметить, что при внезапном отключении обмотки возбуждения основной магнитный поток резко уменьшается, а скорость вращения якоря значительно увеличивается, что приводит к аварии типа «разгон». Поэтому на практике необходимо устанавливать устройство защиты цепи возбуждения. Двигатель с параллельным возбуждением подходит для случаев, когда изменение нагрузки невелико, а к стабильности скорости предъявляются определенные требования, например, для привода водяных насосов, вентиляторов и конвейеров.
В-третьих, двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря, поэтому ток возбуждения равен току якоря. Основной магнитный поток этого типа двигателя существенно изменяется в зависимости от тока якоря (нагрузки): при увеличении нагрузки ток якоря увеличивается, основной магнитный поток усиливается, и скорость резко падает; при уменьшении нагрузки ток якоря уменьшается, основной магнитный поток ослабевает, и скорость значительно увеличивается. Это характерно для «высокой скорости при малой нагрузке и низкой скорости при большой нагрузке». В то же время при запуске двигателя с последовательным возбуждением ток якоря велик, а основной магнитный поток велик, поэтому он обладает большим пусковым моментом и подходит для случаев, требующих пуска с большой нагрузкой. Однако из-за значительных колебаний скорости в зависимости от нагрузки и тенденции к «разгону» при малой нагрузке двигатель с последовательным возбуждением не подходит для случаев, где предъявляются высокие требования к стабильности скорости. В основном он используется в оборудовании, требующем большого пускового момента и допускающем колебания скорости, например, в тяговых двигателях электромобилей, подъемных механизмах кранов и электроинструментах.
В-четвертых, двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением. Этот тип двигателя имеет как шунтовую, так и последовательную обмотку. Основной магнитный поток регулируется суперпозицией магнитодвижущих сил двух обмоток. Он делится на два типа: кумулятивное смешанное возбуждение (магнитодвижущая сила последовательной обмотки имеет то же направление, что и шунтовая обмотка) и дифференциальное смешанное возбуждение (направления противоположны). Среди них двигатель со смешанным возбуждением получил более широкое применение. Его основной магнитный поток в основном определяется шунтовой обмоткой (для обеспечения базовой стабильности скорости), а последовательная обмотка может усиливать основной магнитный поток при увеличении нагрузки, тем самым увеличивая электромагнитный момент. Он сочетает в себе преимущества двигателя с параллельным возбуждением (стабильная скорость) и двигателя с последовательным возбуждением (большой пусковой момент). Диапазон изменения скорости в зависимости от нагрузки находится между таковыми у двигателя с параллельным и последовательным возбуждением. Он подходит для ситуаций, где нагрузка сильно меняется и требуются как стабильная скорость, так и большой пусковой момент, например, в судовых двигательных установках и приводах крупных компрессоров. В дифференциальном электродвигателе со смешанным возбуждением при увеличении нагрузки основной магнитный поток ослабевает, а скорость, наоборот, увеличивается, что приводит к снижению стабильности работы, поэтому он редко используется на практике.