有刷电机工作时，磁钢和碳刷不转，转子、线圈和换向器旋转。下面以有刷电机的物理模型图为例阐述有刷电机的工作原理。
其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极，此外，固定部分还有电刷。转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕组(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)。
一台最简单的两极直流电机模型，在它的固定部分(定子)上装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设了电枢铁芯。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁芯上放置了由两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间也互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
将线圈通电，通电导线周围会产生磁场，则两对磁极之间产生相互作用，从而使转子线圈产生转动，但当转至相吸位置时，转子则不能继续转动。
通过换向器反复切断转子电流和切换转子电流方向，可以实现转子的连续旋转。当定子磁场与转子磁场接近相吸位置时，切断转子线圈电流使转子磁场消失，则转子线圈在惯性作用下继续旋转，然后通入反向电流，使转子线圈的磁场极性与前次相反，转子线圈在磁场力的作用下继续旋转。
外加的电源电流是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
在这种电机中定子侧安装了固定主磁极和电刷，转子侧安装了电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载转动。
但是，电刷和换向器的存在，使有刷直流电机具有致命的弱点：①结构复杂，可靠性差，故障多，需要维护且维护困难，寿命短;②换向火花易形成电磁干扰。
实际中的直流电机转子上的绕组也不是由一个线圈构成的，而是由多个线圈连接而成，以减少电机电磁转矩的波动。
将直流电机的工作原理归纳如下：
①直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体内有电流流过。
②电机内部有磁场存在。
③载流的转子(即电枢)导体将受到电磁力f的作用.f=Blia(左手定则)。
④导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(r/min)的转速旋转，以便带动机械负载。
电动自行车用有刷电机的碳刷一般有2个或4个，换向片与线圈有很多组，这样电机旋转时才更平稳，效率更高。
