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直流モーターは、直流電流（DC）を用いて機械的な力を発生させる電気モーターです。最も一般的なタイプは、コイルに流れる電流によって生じる磁力を利用しています。ほぼすべてのタイプの直流モーターには、モーター内部の一部で電流の方向を周期的に変化させるための、電気機械式または電子式の内部機構が備わっています。
直流モーターは、既存の直流照明配電システムから電力を供給できるため、広く普及した最初のモーターです。直流モーターの速度は、可変電源電圧を使用するか、界磁巻線の電流強度を変更することで、広範囲にわたって制御できます。小型の直流モーターは、工具、玩具、家電製品などに使用されています。ユニバーサルモーターは、携帯用電動工具や家電製品に使用される軽量ブラシ付きモーターで、直流と交流の両方で動作します。大型の直流モーターは現在、電気自動車、エレベーター、ホイストの推進、製鉄所の圧延機の駆動などに使用されています。パワーエレクトロニクスの登場により、多くの用途で直流モーターを交流モーターに置き換えることが可能になりました。
電流が流れるコイルは、コイルの中心に沿った電磁場を発生させる。コイルによって発生する磁場の方向と大きさは、コイルを流れる電流の方向と大きさによって変化させることができる。
単純な直流モーターは、固定子に一連の磁石があり、電機子には、磁場を集中させる軟鉄芯の周りに絶縁電線が1本または複数巻かれています。電機子は通常、芯の周りに複数回巻かれており、大型モーターでは複数の並列電流経路が存在する場合があります。電線巻線の両端は整流子に接続されています。整流子によって各電機子コイルが順番に励磁され、回転するコイルはブラシを介して外部電源に接続されます。（ブラシレス直流モーターは、各コイルへの直流電流をオン/オフする電子回路を備えており、ブラシはありません。）
コイルに送られる電流の総量、コイルのサイズ、そしてコイルが何に巻き付けられているかによって、発生する電磁場の強さが決まります。
特定のコイルのオン/オフの順序によって、有効な電磁場の方向が決まります。コイルを順番にオン/オフすることで、回転磁場を生成できます。これらの回転磁場は、モーターの固定部（ステータ）にある磁石（永久磁石または電磁石）の磁場と相互作用し、電機子にトルクを発生させて回転させます。一部の直流モーター設計では、ステータ磁場を生成するために電磁石を使用しており、これによりモーターをより細かく制御できます。
高出力レベルの直流モーターは、ほぼ例外なく強制空冷によって冷却される。
固定子界磁と電機子界磁の数、およびそれらの接続方法の違いにより、固有の速度およびトルク制御特性が異なります。DCモータの速度は、電機子に印加する電圧を変更することで制御できます。電機子回路または界磁回路の可変抵抗により、速度制御が可能になります。現代のDCモータは、多くの場合、パワーエレクトロニクスシステムによって制御されます。このシステムは、DC電流をオン/オフサイクルに「チョッピング」することで電圧を調整し、実効電圧を低くします。
直巻直流モーターは低速で最大のトルクを発生するため、電気機関車や路面電車などの牽引用途によく使用されます。 1870年代から機械を動かすための直流モーターと電力網システムの導入により、新たな第二次産業革命が始まりました。直流モーターは充電式バッテリーから直接動作し、最初の電気自動車や今日のハイブリッド車や電気自動車の動力源となり、多くのコードレス工具の駆動にも使用されています。今日でも直流モーターは、おもちゃやディスクドライブのような小型のものから、製鉄所や製紙機械を動かす大型のものまで、さまざまな用途で使用されています。鉱山用巻き上げ機の巻き上げ機駆動には、一般的に別励磁界を持つ大型直流モーターが使用され、高トルクとサイリスタ駆動によるスムーズな速度制御を実現していました。これらは現在、可変周波数駆動を備えた大型交流モーターに置き換えられています。
直流モーターに外部から機械的な動力を加えると、直流発電機（ダイナモ）として機能します。この機能は、ハイブリッド車や電気自動車の減速とバッテリーの充電、あるいは路面電車や電気鉄道の減速時に電力網に電力を回生するために利用されます。ハイブリッド車や電気自動車では、このプロセスは回生ブレーキと呼ばれています。ディーゼル電気機関車でも、直流モーターを発電機として使用して減速しますが、そのエネルギーは抵抗器スタックで消費されます。最新の設計では、このエネルギーの一部を回収するために大型バッテリーパックが追加されています。
ブラシ付き直流電動機は、内部整流、固定磁石（永久磁石または電磁石）、および回転電磁石を使用することで、電動機に供給される直流電力から直接トルクを発生させます。
ブラシ付きDCモーターの利点としては、初期費用が低いこと、信頼性が高いこと、モーター速度の制御が容易なことが挙げられます。一方、欠点としては、メンテナンスの手間がかかることと、高負荷使用時の寿命が短いことが挙げられます。メンテナンスには、電流を流すカーボンブラシとスプリングの定期的な交換、および整流子の清掃または交換が含まれます。これらの部品は、モーター外部からモーター内部の回転するローターの巻線に電力を伝達するために不可欠です。
ブラシは通常、グラファイトまたはカーボンでできており、導電性を向上させるために分散銅が添加される場合もあります。使用中、柔らかいブラシ材は整流子の直径に合わせて摩耗し、さらに摩耗が続きます。ブラシホルダーには、ブラシが短くなるにつれて圧力を維持するためのバネが付いています。1～2アンペア以上の電流を流すブラシの場合、リード線がブラシに成形され、モーターの端子に接続されます。非常に小さなブラシは、金属製のブラシホルダーとの摺動接触によってブラシに電流を流すか、ブラシの端に接触バネを押し付けることで電流を流します。おもちゃなどに使われるような、非常に小型で寿命の短いモーターのブラシは、整流子に接触する折り畳まれた金属片でできている場合があります。
一般的なブラシレスDCモーターは、ローターに1つ以上の永久磁石を使用し、ステーターにはモーターハウジング上の電磁石を使用します。モーターコントローラーはDCをACに変換します。この設計は、モーター外部から回転するローターに電力を伝達するという複雑さを排除するため、ブラシ付きモーターよりも機械的にシンプルです。モーターコントローラーは、ホール効果センサーまたは同様のデバイスを介してローターの位置を検出し、ローターコイルの電流のタイミング、位相などを正確に制御して、トルクを最適化し、電力を節約し、速度を調整し、さらにはブレーキをかけることもできます。ブラシレスモーターの利点には、長寿命、メンテナンスがほとんどまたはまったくないこと、高効率などがあります。欠点には、初期費用が高いこと、モーター速度コントローラーがより複雑になることなどがあります。このようなブラシレスモーターの中には、「同期モーター」と呼ばれるものもありますが、通常のAC同期モーターのように同期させる外部電源はありません。
他のタイプの直流モーターは整流を必要としない。
永久磁石（PM）モータは、ステータフレームに界磁巻線がなく、代わりにPMが回転子の磁界と相互作用してトルクを発生させる磁界を提供します。大型モータでは、負荷時の整流を改善するために、電機子と直列に補償巻線が使用されることがあります。この磁界は固定されているため、速度制御のために調整することはできません。PMの磁界（ステータ）は、界磁巻線の電力消費をなくすために、小型モータで便利です。ほとんどの大型DCモータは、ステータ巻線を持つ「ダイナモ」型です。歴史的に、PMは分解すると高い磁束を維持することができなかったため、必要な量の磁束を得るには界磁巻線の方が実用的でした。しかし、大型PMは高価であるだけでなく、危険で組み立てが難しいため、大型機械では巻線磁界が好まれます。
全体の重量とサイズを最小限に抑えるため、小型永久磁石モータには、ネオジムやその他の戦略的元素で作られた高エネルギー磁石が使用されることがあります。そのほとんどはネオジム鉄ホウ素合金です。高エネルギー永久磁石を使用した電気機械は、磁束密度が高いため、最適に設計されたすべての単給電同期機および誘導機と少なくとも同等の性能を発揮します。小型モータの構造は図に似ていますが、少なくとも3つの回転子極（回転子の位置に関係なく始動を保証するため）を持ち、外側のハウジングは湾曲した界磁磁石の外側を磁気的に連結する鋼管になっています。
直流電動機では、ステータとロータ間の電気接続には、直結、並列/分結、複合（直結と並列/分結のさまざまな組み合わせ）の 3 種類があり、それぞれ異なる負荷トルクプロファイル/特性に適した独自の速度/トルク特性を持っています。[ 1 ]
直巻DCモータは、電機子巻線と界磁巻線を共通のDC電源に直列に接続します。モータ速度は、負荷トルクと電機子電流の非線形関数として変化します。電流は固定子と回転子の両方に共通であるため、電流の二乗（I^2）特性を示します。直巻モータは始動トルクが非常に高く、列車、エレベーター、ホイストなどの高慣性負荷の始動によく使用されます。[ 2 ]この速度/トルク特性は、ドラグライン掘削機などの用途で役立ちます。ドラグライン掘削機では、掘削ツールは無負荷時には高速で動きますが、重い負荷を運ぶときは低速で動きます。
直巻電動機は無負荷状態で始動してはなりません。直巻電動機に機械的な負荷がかかっていない状態では、電流が低く、界磁巻線によって発生する逆起電力も弱いため、電源電圧と平衡させるのに十分な逆起電力を発生させるには、電機子をより速く回転させる必要があります。過回転によって電動機が損傷する可能性があります。これは暴走状態と呼ばれます。
ユニバーサルモーターと呼ばれる直巻モーターは交流で使用できます。電機子電圧と磁界方向が同時に反転するため、トルクは同じ方向に発生し続けます。ただし、交流電源では直流電源に比べて低速で低トルクで動作します。これは、直流には存在しない交流のリアクタンス電圧降下によるものです。 [ 3 ]速度は線路周波数に関係しないため、ユニバーサルモーターは同期速度よりも高速で動作することができ、同じ定格機械出力の誘導モーターよりも軽量になります。これは、手持ちの電動工具にとって貴重な特性です。商用ユーティリティ用のユニバーサルモーターは通常、出力が約1kW以下の小型です。しかし、電気機関車には、重負荷や変動負荷での整流の問題を回避するために、特殊な低周波牽引電力ネットワーク から給電される、はるかに大型のユニバーサルモーターが使用されていました。
分巻DCモータは、電機子巻線と界磁巻線を並列または分巻で共通のDC電源に接続します。このタイプのモータは、負荷が変動しても速度制御が良好ですが、直巻DCモータのような始動トルクはありません。[ 4 ]一般的には、工作機械、巻取り/巻き戻し機、張力調整機などの産業用可変速度アプリケーションに使用されます。
複式DCモータは、電機子巻線と界磁巻線を分路と直路の組み合わせで接続し、分路DCモータと直路DCモータの両方の特性を持たせます。[ 5 ]このモータは、高い始動トルクと良好な速度制御の両方が必要な場合に使用されます。モータは、累積接続と差動接続の2つの構成で接続できます。累積複式モータは、直列界磁を接続して分路界磁を補助し、より高い始動トルクを提供しますが、速度制御は劣ります。差動複式DCモータは、速度制御が優れており、通常は一定速度で運転されます。