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通电导线在磁场中会受到磁场力的作用，由左手定则，把左手放入磁场中，让磁力线垂直穿入手心，磁力线从N极出发进入S极，四指指向电流所指方向，则大拇指的方向就是导体受力的方向。
电源的直流电加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流：在导体ab中，电流由a指向b；在导体cd中，电流由c指向d。用左手定则可知导体ab所受到的磁场力从右向左，导体cd所受到的磁场力从左向右，这样形成的转矩 M 为逆时针方向。在该转矩作用下电枢将逆时针方向旋转，如图2-6a所示。
当电枢转过了180°，直流电仍由电刷A流入、从电刷B流出，电流在电枢内的流向改变为d到c、b到a，由左手定则可知导体cd所受到的磁场力从右向左，ab所受磁场力从左向右，转矩 M 方向仍为逆时针，则可保持电枢持续逆时针转动，如图2-6b所示。
图2-6 直流电机工作原理
直流电机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分）两大部分组成，定子和转子之间的间隙称为空气隙。图2-7所示为直流电机的结构图。直流电机是基于载流导体与磁场之间的相互作用而制成的。电机的磁极和电枢之间必须有相对运动。下面就一些主要的部件分别予以介绍。
图2-7 直流电机的基本结构图与剖面图
a）基本结构图 b）剖面图
（1）定子 定子的作用是产生磁场和作为电机机械支承部件。它由主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖等组成。
1）主磁极。主磁极的作用是产生主磁场，主磁极的结构如图2-8所示。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁，而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场的。主磁极装在机座的内壁，它由主磁极铁心和励磁绕组组成。主磁极铁心包括极芯和极掌两部分。极芯上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。改变励磁电流的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。
主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N、S极交替出现的规律进行。汽车起动机一般采用4个磁极，功率较大的也有采用6个磁极的。
2）换向磁极。在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极，它的构造与主磁极相似，由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向磁极的励磁绕组与电枢串联。
图2-8 主磁极结构图
主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值，于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。
用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。
换向磁极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向磁极的。
3）电刷装置。电刷装置是把外电路的电动势、电流引入电枢绕组或把电枢绕组中的电动势、电流引到外电路。电刷装置主要由用石墨和铜混合制成导电块的电刷、压力弹簧和刷盒、电刷架等组成。
固定在机座上（小容量电动机装在端盖上）不动的电刷架上电刷盒中的电刷，借助于压力弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。
各同极性的电刷经软线汇集在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。
4）机座。机座用铸钢或铸铁制成，用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。
5）端盖。端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定、转子连为一体，同时端盖对电机内部还起防护作用。
（2）转子 直流电机的转动部分称为转子，也称为电枢。它主要由电枢铁心、换向器及电枢绕组等组成，如图2-9所示。
图2-9 直流电机的电枢
1—风扇 2—绕组 3—电枢铁心 4—绑带 5—换向器 6—轴
1）电枢铁心。电枢铁心由硅钢片冲制叠压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁心也作为电机磁路的一部分。
2）换向器。换向器装在电枢转轴的一端，它是由许多互相绝缘的铜质换向片叠成的圆环。电枢绕组每个线圈的两端分别接至两个换向片上。在直流电动机中，换向器将电源的直流电转换为线圈中的交流电，以获得方向不变的电磁转矩。如图2-10所示，换向器由许多梯形铜片组成，片间用云母片绝缘，外表呈圆柱形。换向片和云母片组成的圆筒两端用V形云母套筒和V形金属压圈压紧，以使其成为一个整体并保证其绝缘性能，这样就构成了一个换向器。
3）电枢绕组。电枢绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用玻璃钢无纬带或镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。
图2-10 直流电机的换向器
由直流电机的工作原理和结构可知，由主磁极的励磁磁动势单独建立的磁场是电机的主磁场，有时也称之为励磁磁场。励磁方式是指励磁绕组的供电、产生励磁磁动势而建立主磁场的方式。根据励磁方式的不同，直流电机可以分为他励和自励两类。
他励电机的励磁绕组与转子电枢的电源分开。能够通过分别控制励磁电流 I f 和电枢电流 I a ，来实现对他励直流电机的控制。他励直流电机具有线性特性和稳定输出特性，可以扩大其调速范围，能够实现在减速和制动时的再生制动，回收一部分能量。他励直流电机的励磁电路如图2-11a所示。
自励直流电机的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组与电枢绕组的连接关系，又可以分为并励、串励和复励三种。
（1）并励 并励直流电机的电路如图2-11b所示，励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组与转子电枢的端电压相同，为 U ，励磁电流为 I f 。
（2）串励 串励直流电机的电路如图2-11c所示，励磁绕组与电枢绕组串联，串励直流电机的励磁电流和电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩，具有起动转矩大、有较好的起动特性以及较宽的恒功率调速范围等特点，这种励磁方式采用较少。
（3）复励 复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一个与电枢绕组串联，称为串励绕组。这两个励磁绕组产生的磁动势若方向相同，称为积复励，否则称为差复励，两种连接方式如图2-11d、e所示。励磁绕组所消耗的功率虽然仅占直流电机额定功率的1%～3%，但是直流电机的性能随着励磁方式的不同将产生很大差别。
图2-11 各种励磁方式的直流电机电路原理图
a）他励 b）并励 c）串励 d）积复励 e）差复励
直流电机的优点是具有优良的电磁转矩控制特性，起动转矩、制动转矩大，易于快速起动、停车；调速比较方便，调速范围宽，易于平滑调节；控制装置简单、价廉。直流电机的磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比较容易，而且控制性能较好。直流电机的容量范围很广，可以根据所需的转矩和最高转速来选用所需要的容量。市场上有各种不同结构的直流电机供选用，直流电机的制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统价格较便宜。
直流电机的缺点是效率较低、质量大、结构较复杂、体积大且价格贵。直流电机上有电刷、换向器等接触零件，它们容易磨损，在高速旋转时电刷与换向器之间会产生火花，严重时形成“环火”，限制了直流电机转速的提高。
在早期开发的电动汽车上多采用直流电机，但在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电机了。
根据国家标准，直流电机的额定数据有额定容量 P e （kW）、额定电压 U e （V）、额定电流 I e （A）、额定转速 n e （r/min）、励磁方式、额定励磁电流 I fe （A）及额定励磁电压 U fe （V）等。额定容量是指其轴上输出的机械功率，等于额定电压与额定电流之积再乘以机械效率。直流电机的额定效率 η e ，是直流电机在额定状态下运行时输出机械功率与输入电功率之比。
电动汽车所用电机的机械特性（指电机的电磁转矩和转速间的关系）是非常重要的，电机的种类不同，其机械特性也不同。此处仅以常见的他励电机和自励中的串励电机为例说明。
在表示转速 n 和转矩 T 的关系时，通常以 n 为纵坐标， T 为横坐标。考虑到汽车发动机表示 n 和 T 关系的习惯，在本书中以 T 为纵坐标、 n 为横坐标表示 n 和 T 的关系。
由他励电机的基本原理可以得到转速 n 和转矩 T 的关系（图2-12）。图2-12中 T e 和 n e 分别为额定电磁转矩和转速。 n 0 为理想空载转速（即 T =0时的转速，实际工作时，由于有空载损耗，电机的 T 不会为0）。在电机运行时，电磁转矩（驱动转矩）、外加负载转矩和空载损耗转矩之间必须平衡。当负载转矩发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡，当 T 偏离 T N 时，转速将增大或减少。但由于电机的电枢电阻很小，所以在负载变化时，转速 n 的变化不大，即他励电机的特性属硬机械特性。
串励电机的转速 n 和转矩 T 的关系如图2-13所示。串励电机的特点是励磁绕组的电流和电枢绕组的电流相同。在理想情况下， n =∞时， T =0，但实际上负载转矩不会工作在 T =0的状态（因为电机有空载损耗转矩存在），但空载时 T 很小， n 很高，因此串励电机不允许空载。随转矩的增大，串励电机 n 下降很快，这种特性属软机械特性。
由图2-12和图2-13可知，普通直流电机的机械特性无法满足汽车对驱动动力的要求。因此，车用电机多具有复杂的控制系统。一般而言，直流电机的控制可以通过两种方法实现，即电枢控制和励磁控制。当直流电机电枢电压减小时，电枢电流和电机转矩就会降低，由此引起电机转速降低。反之，当电枢电压增加时，电机转矩就会增加，由此也会引起电机转速增加。由于电枢的最大允许电流不变，且磁场是固定的，所以通过电枢电压的控制可在任何转速下保持最大转矩不变。然而，由于电枢电压不能超过其额定值，这种控制方法只适于直流电机的工作转速低于额定转速（基速）的场合。另外，当电枢电压值恒定，直流电机的励磁电压减弱时，电机的感应电动势就会降低。由于电枢电阻很小，电枢电流增大的程度比磁场减弱的程度要大，因此，电机转矩增加，电机转速也随之增大。由于电枢的最大允许电流是常数，当电枢电压保持不变时，无论转速多大，感应电动势都是恒定的。因此，电机所允许的最大功率恒定，允许的最大转矩随电机转速的变化而逆向变化。
图2-12 他励直流电机的转速 n 和转矩 T 的关系
图2-13 串励直流电机的转速 n 和转矩 T 的关系
为使电动汽车的直流电机有较宽的转速控制范围，电枢控制必须和励磁控制相结合。当电机转速在零与额定转速之间时，励磁电流保持在额定值，采用电枢控制。当电机转速超过额定转速时，电枢电压保持在额定值，采用励磁控制。采用电枢控制和励磁控制后电机的转矩和功率随转速的变化如图2-14所示。但对于不同的汽车驱动系统而言，实际电机的机械特性曲线形状可以是不同的，如图2-15所示为他励和串励直流电机机械特性实例。串励直流电机几乎没有等功率部分，他励直流电机的等功率部分也非常相近。
汽车运行工况与电机的转矩和转速有关，汽车运行工况不同时电机效率不同。从汽车的运行经济性考虑，应尽量使电机运行在最高效率区域。随着电机种类的不同，电机高效率运行工况区是变化的。如图2-16所示为一个他励直流电机的等效率特性曲线，在较小转矩和中、高转速工况区域内经济性较高。可见，对于汽车这种运行工况多变的交通工具，从提高经济性的角度考虑，应尽量把驱动电机控制在高效率范围之内运转。
图2-14 直流电机的电枢与励磁绕组的混合控制
图2-15 他励和串励直流电机的转矩、功率与转速的关系
P —功率 T —转矩 n —转速 T max —最大转矩 P max —最大功率
将静止不动的电机的电路与电源接通，使电机的转动部分旋转起来，最后达到正常运转，叫做电机的起动。若不用任何起动设备而是将电机直接往电源上连接，这种起动方法叫做直接起动，其起动电流很大。当电机刚与电源接通时电枢还没有旋转，反电动势等于零，这时通过电枢的电流（即起动电流）应为
式中 U ——电动机端电压；
E f ——电源电动势；
R s ——电动机内电阻；
I q ——电动机起动电流。
图2-16 他励直流电机的等效率特性曲线
因为电枢内电阻很小，外加电压又是额定值，所以电动机在直接起动时的电枢电流将比额定电流大十几倍，甚至几百倍。这样大的电流会使得换向器上产生强烈的火花，可能把换向器烧坏。所以，起动时必须在电枢电路中串联一个起动变阻器来减小起动电流，如图2-17所示。为了获得较大的起动转矩而又不至于使换向器受到损伤，一般把起动电流限制为电枢额定电流的1.5～2.5倍，即
利用式（2-2），可计算出所需起动电阻 R q 的数值。在起动过程中，随着电动机转速的增加，电枢电流逐渐减小，起动电阻也应慢慢减小。待电动机转速达到额定值时，起动电阻应减小到零。
另外，在起动时，还应把励磁电路中的磁场变阻器 R s 放在电阻最小的位置，以使磁通最大，这样，就可使电动机产生足够大的起动转矩，并使得反电动势增加较快，以缩短起动过程。
由并励直流电机的转速公式可知，电机的转速包括以下三种调节方法。
（1）改变供电线路的电压 U 这种方法的调速范围很广泛，但必须具有专用的直流电源。采用发电机—电动机组以及可控硅整流电路均能得到可调节的电压。
（2）改变电枢线路的电压降 在电枢电路中串联一个调速变阻器 R q 可减小加在电枢上的电压，如图2-18所示。如果把 R q 增大，则电阻电压降增大，转速 n 下降。这种方法因电枢电流较大，使得调速变阻器本身要消耗大量的功率，因此不经济。
图2-17 串联起动变阻器的起动原理
图2-18 串联调速变阻器调节转速的原理
（3）改变磁极磁通 在励磁电路中串接一个磁场变阻器可以调节电机转速，如图2-19所示。如果把磁场变阻器的阻值增加，则励磁电流减小，磁通也随之而减小，电机的转速便升高。一般励磁电路中的电流很小，在调速过程中磁场变阻器的能量损失也较小，比较经济，因此这种调速方法在电力拖动中应用甚广。
若串励电机也采用改变磁通的方法来调节转速，则磁场变阻器必须和串励绕组并联，如图2-20所示。当把磁场变阻器的阻值减小时，通过变阻器的电流增大，而通过串励绕组的电流减小，其所产生的磁通也随之减少，转速 n 升高，见式（2-1）。
电机的旋转方向是由电枢绕组的导体在磁场中的受力方向决定的。改变电枢电流的方向或改变磁场电流的方向，即可使直流电机反转。具体方法是将连接在电源上的电枢两端反接，或者将励磁绕组两端反接。如图2-21所示，若同时改变两电流的方向，则旋转方向仍旧不变。
图2-19 串联磁场变阻器调节转速的原理
图2-20 并联磁场变阻器调节转速的原理
图2-21 直流电机的反转原理
直流电机体积和质量大，存在换向火花、电刷磨损以及电机本身结构复杂等问题，随着交流变频调速技术的发展，交流调速电机在电动汽车上的应用发展迅速。但是直流电机的控制方法和结构简单、起动和加速转矩大、电磁转矩控制特性良好、调速比较方便、不需检测磁极位置、技术成熟、成本低，现在仍在很多场合使用，如城市中的无轨电车和电动叉车较多地采用直流驱动系统，很多电动观光车和电动巡逻车上也使用直流电机。