直流电机的工作原理从原理上说，直流电动机与直流发电机是一回事，因此，一台直流电机既可以作为电动机，也可以作为发电机。电动机与发电机也可以视为直流电机在不同工作状态下的表现形式，只是能量的传递方向和转换形式不同而已。下面对直流电机的工作原理予以介绍。
直流发电机的工作原理直流发电机最基本的工作原理是电磁感应定律，即导体做切割磁力线的机械运动，会在导体中产生感应电动势。直流发电机的工作模型如图2-1所示。图中N、S是在空间固定不动的磁极（它既可以是永久磁铁，也可以是在铁芯上绕上励磁线圈并通入直流电流而形成的电磁铁），由于其固定不动，所以一般称这部分为“定子”。定子铁芯上的线圈称为定子线圈，其作用是产生恒定磁场，故又称该线圈为励磁线圈。
图2-1中abcd是缠绕在能够转动的圆柱形铁芯上的线圈，由于这部分（铁芯与线圈）能够转动，亦称为“转子”。铁芯称为转子铁芯，线圈称为转子线圈。转子线圈是构成转子绕组的最基本元件，由于转子绕组的重要地位和作用，人们称其为电枢绕组。当线圈构成的导体框在原动机的带动下沿逆时针（从换向片端向里看）方向以转速n的速度时，线圈中的有效导体部分ab、cd在磁场中做切割磁力线运动，根据右手（发电机手）定则，磁场将分别在abcd线圈中产生感应电动势edc和eba。在N极下，导体ab中的电动势是从b指向a的，即a点电位高，b点电位低。而在S极下，导体cd中的电动势则是从d指向c的，即c点电位高，d点电位低。方向如图2-1（a）所示。线圈中总的电动势为eda＝edc＋eba，其方向是由d指向a。当线圈旋转过180°时，导体cd将处于N极之下，而导体ab则处于S极下。此时，根据右手（发电机手）定则，导体cd中的电动势是从c指向d，即d点电位高，c点电位低。而导体ab中的电动势则是从a指向b，即b点电位高，a点电位低。方向如图2-1（b）所示。线圈中的总的电动势为，其方向是由a指向d。

由此可见，随着转子的旋转，转子线圈或电枢绕组中的电动势的方向是在不断交替变化的。如果将导体中的感生电动势通过机械轴上的两个金属环（金属环与机械轴之间是绝缘的）经碳刷引出的话（如图2-1所示），其输出的电动势波形将是交变的，换句话说，发出的电是交流电。采用金属环的目的，一是保证线圈引出端在引出过程中不会与旋转轴发生扭麻花的现象；二是在转子高速旋转期间，能够与碳刷之间保持良好的接触。
怎样才能将这种交变的电动势转变为直流电动势呢？通过仔细观察，我们不难发现：在转子线圈转动的过程中，无论电枢绕组的有效导体部分是ab还是导体cd，每当它们旋转到N极下方或S极下方时，其电动势的方向都是固定不变的。如：当导体在N极下时，导体中的电动势方向都是从右指向左的；反之，在S极下方都是从左指向右的（见图2-1）。也就是说，对于导体而言，随着导体位于不同的磁极下，导体中的电动势的方向是在不断变化的，而对于旋转到某一磁极下的导体而言，导体中电动势的方向却是固定的。这一现象的发现使交变的电动势转变为直流电动势这一问题变得简单起来，只需将线圈首尾两端分别连接的两个金属环换成两个半圆环，并由这两个相互隔离或绝缘的半圆环重新组成一个环，如图2-2所示，使碳刷A只与到达顶部的或到达N极下方的半个环（也叫换向片）接触，碳刷B只与到达底部的或到达S极下方的半个环（换向片）接触，将线圈中的交变电动势通过碳刷A和B引出，在A、B两端得到的即为极性固定不变的直流电动势。

其换向过程如下：当有效导体ab旋转到N极下方时，如图2-2（a）所示，导体ab中的电动势是从b指向a的，即a点电位高，b点电位低。而导体cd中的电动势则是从d指向c的，即c点电位高，d点电位低。即：碳刷A输出的电动势极性为正，碳刷B输出的电动势极性为负，或上正、下负。当线圈旋转过180°后，导体cd将处于N极之下，而导体ab则处于S极下，与a端相连的换向片和与d端相连的换向片也同时转动，见图2-2（b）。导体cd中的电动势则是从c指向d的，即d点电位高，c点电位低。此时，碳刷A连接的不是原来上面的半个环，而是原来下面的半个环。由于导体ab转到了S极下方，导体ab中的电动势是从a指向b的，即b点电位高，a点电位低，所以仍然是上正下负。根据这一现象，通过碳刷引出两个电极，即可得到固定不变的输出电动势极性，即一个能够发出直流电动势的直流发电机。

在这一过程中，正是与线圈的两端a和d分别相连的两个铜环（片）与两个固定不动的碳刷之间的交替换接，改变了流出或通入转子线圈的电流方向，在两个碳刷的输出端得到了方向不变的电动势。所以，将两个铜环（片）与两个固定不动的碳刷（有时也称为电刷）统称为换向器，而两个铜环（片）称为换向片。说明转子绕组内部电势电流是交流，通过换向器机械整流作用使输出的外部电势电流为直流。