直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機）的旋轉電機。它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發電機運行時是直流發電機，將機械能轉換為電能。

　　直流電機的換向

　　旋轉著的電樞某元件從一個支路轉換到另外一個支路時，元件中的電流變化的過渡過程稱為換向過程。

　　換向過程分析

　　電刷是支路的分界線；我們研究電刷與1、2片換向片分別和同時接觸時的情況。

　　換向剛開始時，元件仍屬于右邊支路，其電流為+ia（右→左）；

　　處于換向過程中時，元件被電刷短路，電流大小和方向處于變化的過程中；

　　換向結束時，元件進入左邊支路，其電流已經由+ia變為-ia（左→右）。

　　一個元件的電流換向過程所需的時間就稱為換向周期Th，即一個換向片通過電刷所用的時間。換向元件的電流從+ia變到-ia所用的時間即為一個換向周期。Th=0.5～2ms

　　換向問題十分復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度時可能損壞換向器表面，從而使電機不能正常工作。

　　產生火花的原因除電磁原因外，還有電化學、工藝、電熱等因素，至今尚無很成熟的理論。

　　換向元件中的電勢

　　1．電抗電勢 ex

　　一般， 換向周期非常短暫，電流的變化會在繞組元件中產生自感和互感電勢，兩者的合成電勢稱為電抗電勢，用ex表示。

　　根據楞次定理，電抗電勢的性質總是阻礙線圈中電流的變化，亦即ex的方向企圖與換向前的電流方向相同?；蛘哒f電抗電勢是阻礙換向的。

　　電抗電勢大小反比于換向周期。

　　2．電樞反應電勢 ea

　　換向元件切割電樞反應磁場，從而產生了電樞反應電勢。其方向與ex相同，即其性質也是阻礙換向的。其大小為： Ea=2Wy Ba l va3．換向極電勢 eK

　　換向極電勢是由于換向元件切割換向磁極感應的電勢，換向磁極是為改善換向而設置的。其方向企圖與換向后的電流方向相同，或者說換向極電勢是幫助換向的。

　　影響換向的因素

　　電磁因素：電抗電勢和切割電勢阻礙換向。機械、化學、材料等原因

　　機械方面的原因如：換向器偏心、片間絕緣凸出、某個換向片凸出、電刷與換向器表面接觸不好等等；化學方面：高空缺氧、缺水、某些化工廠的電機，都可能破壞換向器表面的氧化亞銅薄膜而產生火花。

　　改善換向的方法

　　1.裝換向極：在換向元件處產生一個磁勢以抵消該處的電樞反應磁勢。再產生一個磁密，換向元件切割該磁密時產生一個能抵消電抗電勢的電勢。換向極繞組應與電樞繞組串聯。

　　換向磁極的極性判斷原則： 對直流發電機是：順轉向看與主極極性相同； 對直流電動機是：逆轉向看與主極極性相同。

　　2.裝補償繞組：裝置在磁極表面的槽內，產生抵消電樞反應的磁勢，與電樞繞組串聯。

　　3.移動電刷位置：對于未裝換向極的小型串勵直流電機，把電刷從幾何中性線（與處于幾何中性線處的導體接觸）移動一個適當的小角度，使得換向元件產生的感應電勢與換向后的電流方向相同。但是電刷移動后，會產生直軸去磁電樞反應，導致電壓有些降低、轉速稍有升高，可能引起運行不穩定，故此方法旨在小容量電機中采用。

　　判斷電刷移動的方向： 對直流發電機是順轉向移動一個小角度；

　　對直流電動機是逆轉向移動一個小角度。

　　空載時直流電機的磁場

　　直流電機的磁通路徑

　　磁路從主磁極1出發經氣隙1－電樞齒1－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛--主磁極1。

　　空載磁通密度波形

　　空載時電樞電流為0，氣隙磁場是由勵磁電流單獨決定。

　　磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強且均勻。

　　極面外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，幾何中性線處磁密為0。

　　空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數B0（x）表示；分析可知它是平頂波。

　　氣隙磁場

　　空載磁場是在無載情況下（即電樞電流為零），勵磁繞組中通入電流后由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。

　　空載時主磁場分布情況及計算方法已在第一節至第三節中介紹。

　　空載時主磁場的磁通分兩部分，即主磁通和漏磁通。

　　由于磁極極靴寬度總是小于極距，在極靴下氣隙較小，所以極靴下沿電樞表面主磁場較強，極靴以外，氣隙加大，主磁場明顯削弱，在兩極間的幾何中性線處磁密為零。氣隙磁場磁密分布波形為一禮帽形，如下圖：