直流电机是一种广泛使用的电力机械，它能够将直流电能转换为机械能，或者将机械能转换为直流电能。而实现这一转换的关键部件之一就是换向器。换向器是直流电机的重要组成部分，它的主要功能是将电枢线圈中产生的交变电动势转换为直流电动势。为了深入理解换向器的工作原理，我们首先需要了解直流电机的基本工作原理。
直流电机主要由两个部分组成：固定部分的定子和旋转部分的转子。转子又称为电枢，由多个线圈绕组构成，当这些线圈通过直流电流时，会在磁场中产生力矩，从而使电机转动。定子则包括主磁极和换向器，换向器由多个与电枢线圈相连的金属片组成，通过电刷与外部电路相连。
换向器的工作原理在于它能够改变电枢线圈中电流的方向。当电枢线圈在磁场中旋转时，线圈两端的感应电动势是交变的。换向器的每个部分交替地与电刷接触，每当线圈转过一个定子磁极时，通过换向器的作用，线圈两端的电势极性就会逆转，使得电刷接收到的电动势方向保持不变，从而产生直流电动势。
换向器的换向作用依赖于电刷。电刷在换向过程中确保电流的连续性，并将交流电能转换为直流电能。具体来说，当电枢线圈处于一个极性磁场中时，电刷与对应极性的换向片接触，产生电动势，并通过电刷引出。当电枢线圈转到另一个极性磁场时，换向器使得电刷接触的换向片翻转，因而电动势的方向发生了改变，但电刷输出到外部电路的电动势方向保持不变。
在直流电机作为发电机运行时，其工作原理与电动机相反。原动机驱动电枢旋转，电枢线圈在磁场中切割磁力线，产生感应电动势。当电刷连接到外部电路时，可以从中获取直流电能，而电枢线圈中的感应电动势方向会因换向器的作用而保持一致，从而使得外部电路得到稳定的直流输出。
直流电机的可逆原理指的是同一台直流电机既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，主要取决于外部电路条件。当直流电机作为电动机运行时，直流电源通过电刷向电枢线圈供电，电枢产生旋转力矩，驱动负载；作为发电机运行时，原动机驱动电枢旋转，电枢线圈感应出电动势，通过电刷从电机两端输出电能。
此外，直流电机的效率与其电枢线圈的绕组数量有关。如果每个磁极下的线圈数量增多，线圈边交替切割磁力线的次数增加，交变电动势的脉振程度会降低，从而使得输出的直流电动势更加平稳。这说明了通过增加线圈数量可以改善直流电机的运行性能。
直流电机的换向器是其核心部件之一，换向器与电刷相互配合，使得电枢线圈中的交变电动势转换为直流电动势，从而驱动电机转动或者作为发电机输出直流电能。了解换向器的工作原理对于直流电机的设计、操作和维护都至关重要。
