通過(guò)對(duì)直流電機(jī)電樞繞組的分析知道，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，組成電樞繞組的每條支路里所含元件數(shù)目是不變的，但組成每條支路的元件都在依次循環(huán)地更換。一條支路中的某個(gè)元件在經(jīng)過(guò)電刷后就成為另一條支路的元件，并且在電刷的兩側(cè)，元件中的電流方向是相反的，因此直流電機(jī)在工作時(shí)，繞組元件連續(xù)不斷地從一條支路退出而進(jìn)入相鄰的支路。在元件從一條支路轉(zhuǎn)入另一條支路這個(gè)過(guò)程中，元件中的電流就要改變方向，這就是所謂直流電機(jī)的換向問(wèn)題。
換向問(wèn)題是換向器電機(jī)的一個(gè)專門問(wèn)題，如果換向不良，將會(huì)在電刷與換向片之間產(chǎn)生有害的火花。當(dāng)火花超過(guò)一定程度，就會(huì)燒壞電刷和換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。此外，電刷下的火花也是一個(gè)電磁波的來(lái)源，對(duì)附近無(wú)線電通訊有干擾。國(guó)家對(duì)電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生的火花等級(jí)及相應(yīng)的允許運(yùn)行狀態(tài)有一定的規(guī)定。讀者可參閱我國(guó)有關(guān)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
產(chǎn)生火花的原因是多方面的，除電磁原因外，還有機(jī)械的原因，換向過(guò)程中還伴隨有電化學(xué)、電熱等因素，它們互相交織在一起，所以相當(dāng)復(fù)雜，至今還沒(méi)有完全掌握其各種現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)，尚無(wú)完整的理論分析。
就電磁理論方面看，換向元件在換向過(guò)程中，電流的變化必然會(huì)在換向元件中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)。此外，因電刷寬度通常為2~3片換向片寬，同時(shí)換向的元件就不止一個(gè)，換向元件與換向元件之間會(huì)有互感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)的合成稱為電抗電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)楞次定律，電抗電動(dòng)勢(shì)的作用是阻止電流變化的，即阻礙換向的進(jìn)行。另外電樞磁場(chǎng)的存在，使得處在幾何中性線上的換向元件中產(chǎn)生一種切割電動(dòng)勢(shì)，稱為電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)右手定則，電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也起著阻礙換向的作用。因此，換向元件中出現(xiàn)延遲換向的現(xiàn)象，造成換向元件離開一個(gè)支路最后瞬間尚有較大的電磁能量，這部分能量以弧光放電的方式轉(zhuǎn)化為熱能，散失在空氣中，因而在電刷與換向片之間出現(xiàn)火花。
從產(chǎn)生火花的電磁原因出發(fā)，要有效地改善換向，就必須減小、甚至抵削換向元件中的電抗電動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。目前最主要的方法是在主磁極之間裝設(shè)換向極。由于換向元件中的電抗電動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均與電樞電流成正比，所以換向極繞組中應(yīng)通以電樞電流，即換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。換向極繞組一般用截面較大的矩形導(dǎo)線繞成，而且匝數(shù)較少。
換向極繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)的方向與電樞磁通勢(shì)的方向相反，大小比電樞磁通勢(shì)大。這樣換向極磁通勢(shì)除抵削電樞磁通勢(shì)在幾何中性線處的作用外，剩余的磁通勢(shì)在換向元件里產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)抵消換向元件中的電抗電動(dòng)勢(shì)。只要換向極設(shè)計(jì)和調(diào)整得合適，就能保證換向元件中總電動(dòng)勢(shì)接近于零，電機(jī)的換向就比較順利了，使負(fù)載運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間基本上沒(méi)有火花。圖1表示了一臺(tái)直流電機(jī)換向極繞組的聯(lián)接與換向極的極性布置。在直流電動(dòng)機(jī)中，換向極極性應(yīng)和換向元件邊剛離開的那個(gè)主磁極極性一樣，其排列順序?yàn)? 、 、 、 （ 、 為換向極極性），而在直流發(fā)電機(jī)中，應(yīng)與將進(jìn)入的那個(gè)主磁極極性相同，其排列順序?yàn)? 、 、 、 。
圖1 換向極繞組聯(lián)接與極性