通過對直流電機(jī)電樞繞組的分析知道，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，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。一條支路中的某個元件在經(jīng)過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，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)入另一條支路這個過程中，元件中的電流就要改變方向，這就是所謂直流電機(jī)的換向問題。
換向問題是換向器電機(jī)的一個專門問題，如果換向不良，將會在電刷與換向片之間產(chǎn)生有害的火花。當(dāng)火花超過一定程度，就會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電磁波的來源，對附近無線電通訊有干擾。國家對電機(jī)換向時產(chǎn)生的火花等級及相應(yīng)的允許運(yùn)行狀態(tài)有一定的規(guī)定。讀者可參閱我國有關(guān)國家技術(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，至今還沒有完全掌握其各種現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)，尚無完整的理論分析。
就電磁理論方面看，換向元件在換向過程中，電流的變化必然會在換向元件中產(chǎn)生自感電動勢。此外，因電刷寬度通常為2~3片換向片寬，同時換向的元件就不止一個，換向元件與換向元件之間會有互感電動勢產(chǎn)生。自感電動勢和互感電動勢的合成稱為電抗電動勢。根據(jù)楞次定律，電抗電動勢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)生一種切割電動勢，稱為電樞反應(yīng)電動勢。根據(jù)右手定則，電樞反應(yīng)電動勢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勢和電樞反應(yīng)電動勢。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勢和電樞反應(yīng)電動勢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)生的磁通勢的方向與電樞磁通勢的方向相反，大小比電樞磁通勢大。這樣換向極磁通勢除抵削電樞磁通勢在幾何中性線處的作用外，剩余的磁通勢在換向元件里產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個電動勢抵消換向元件中的電抗電動勢。只要換向極設(shè)計和調(diào)整得合適，就能保證換向元件中總電動勢接近于零，電機(jī)的換向就比較順利了，使負(fù)載運(yùn)行時電刷與換向器之間基本上沒有火花。圖1表示了一臺直流電機(jī)換向極繞組的聯(lián)接與換向極的極性布置。在直流電動機(jī)中，換向極極性應(yīng)和換向元件邊剛離開的那個主磁極極性一樣，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