直流电机的工作原理是基于电磁感应定律和电磁定律。 直流电机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作。 直流发电机是根据切割磁场的导体产生感应电动势这一基本原理工作。
一、 直流电动机工作原理分析
图1－28所示是一台最简单的直流电动机的模型。 定子是两个在空间上固定的主磁极N和S。 在主磁极之间， 有一个可以转动的线圈， 就是转子， 有效边为ab和cd， 接到换向片上。 为了使线圈与外电路接通， 换向器与空间固定的电刷A、 B相接触。
图1－28 直流电动机的原理模型
当电刷A接直流电源的正极， 电刷B接直流电源的负极时， 电流将从电刷A通过换向片流入线圈abcd，并从电刷B流出。N极下线圈有效边的电流方向是a→b，S极下线圈有效边的电流方向是c→d。根据电磁力定律，线圈ab边和cd边将分别受到电磁力的作用，电磁力的方向可按左手定则确定。 在图示瞬时， 线圈ab边的受力方向为自右向左， cd边的受力方向自左向右， 两个电磁力对转轴形成逆时针方向作用的力矩， 即电磁转矩。 在电磁转矩的作用下， 转子将按照逆时针方向转动， 当转子转了180°后， 导体cd转到N极下， 导体ab转到S极下时， 由于直流电源供给的电流方向不变， 仍从电刷A流入， 经导体cd、 ab后， 从电刷B流出。 这时导体cd的受力方向变为从右向左， 导体ab的受力方向是从左向右， 产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此， 电枢一经转动， 由于换向器配合电刷对电流的换向作用， 直流电流交替地由导体ab和cd流入， 使线圈边只要处于N极下， 其中通过电流的方向便是由电刷A流入的方向， 而在S极下时， 总是从电刷B流出的方向。 这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向， 从而形成一种方向不变的转矩， 使电动机能连续地旋转。 这就是直流电动机的工作原理。
二、 直流发电机工作原理分析
直流发电机的简化模型如图1－29所示。
当原动机拖动电枢以恒速n逆时针方向转动时， 根据电磁感应定律可知， 在线圈边ab和cd中有感应电动势产生， 感应电动势的方向可以用右手定则确定。 如图瞬时， 线圈ab处于N极下，其电动势的方向为b→a，并通过换向片引到电刷A， 因此A刷的极性为正， 线圈cd边处于S极下，电动势的方向为由d→c，所以电刷B的极性为负。 当转子逆时针转过180°后，线圈cd边电动势的方向变为c→d，ab边的电动势方向变为a→b。虽然两个线圈边的电动势方向都发生了改变， 但由于cd边通过换向片变为与电刷A接触， 电刷A仍为正极性。 同理， 可分析出电刷B仍为负极性。 随着转子连续旋转， 线圈的每个有效边交替切割N极和S极磁力线而感应出交变电动势， 但由于进入到N极下的线圈边总是和电刷A相接触，进入到S极下的线圈边总是和电刷B相接触， 因此电刷A始终是正极性， 电刷B始终是负极性， 所以在电刷A、 B之间引出的是方向不变的直流电动势。
图1－29 直流发电机的原理模型
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