世界上功率消耗量的近一半是由電機(jī)消耗,，因此在解決世界能源問題上，電機(jī)的高效率化被稱為是有效的措施,。

PART 01

電機(jī)種類

一般情況下指將磁場內(nèi)電流流通產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)動作,，在廣義范圍內(nèi)還包括直線動作。

按電機(jī)驅(qū)動的電源種類,，可分為DC電機(jī)和AC電機(jī),。而 根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理,，大致可分為以下幾種,。（特殊電機(jī)除外）

關(guān)于電流、磁場和力

首先,，為了便于后續(xù)電機(jī)原理說明,，我們來回顧一下有關(guān)電流、磁場和力的基本定律/法則,。雖然有一種懷舊的感覺,，但如果平時(shí)不常使用磁性元器件，就很容易忘記這些知識,。

我們結(jié)合圖片和公式來說明,。

當(dāng)導(dǎo)線框?yàn)榫匦螘r(shí)，要考慮到作用在電流上的力,。

作用于邊a,、c部分的力F為

產(chǎn)生以中心軸為心軸的轉(zhuǎn)矩。

例如,，當(dāng)考慮到旋轉(zhuǎn)角度僅為θ的狀態(tài)時(shí),，與b和d成直角作用的力為sinθ，因此a部分的轉(zhuǎn)矩Ta由以下公式表示:

以相同的方式考慮c部分,，則轉(zhuǎn)矩加倍,，并生成由以下公式計(jì)算出來的轉(zhuǎn)矩：

由于矩形的面積為S＝h?l，因此將其代入上述公式可得出以下結(jié)果：

該公式不僅適用于矩形，也適用于圓形等其他常見形狀,。電機(jī)就是利用了該原理,。

PART 02

電機(jī)如何旋轉(zhuǎn)?

1) 電機(jī)旋轉(zhuǎn)借助磁鐵、磁力

在帶旋轉(zhuǎn)軸的磁鐵周圍,，①旋轉(zhuǎn)磁鐵（使產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場）,，②則根據(jù) N極與S極異極相吸、同級相斥原理,，③帶旋轉(zhuǎn)軸的磁鐵將旋轉(zhuǎn),。

這就是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理。

導(dǎo)線中流過電流使其周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場（磁力）從而磁鐵旋轉(zhuǎn),，實(shí)際上與此是一樣的動作狀態(tài),。

另外，將導(dǎo)線繞成線圈狀,，則磁力被合成,，形成大的磁場通量（磁通量），產(chǎn)生N極和S極,。

在線圈狀導(dǎo)線中插入鐵芯,，磁力線變得容易通過，能產(chǎn)生更強(qiáng)的磁力,。

2）實(shí)際旋轉(zhuǎn)電機(jī)

在此,，作為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的實(shí)際方法，介紹利用三相交流和線圈制造旋轉(zhuǎn)磁場的方法,。

（三相交流是間隔120°相位的交流信號）

• 上述①狀態(tài)下的合成磁場對應(yīng)下圖①,。

• 上述②狀態(tài)下的合成磁場對應(yīng)下圖②。

• 上述③狀態(tài)下的合成磁場對應(yīng)下圖③,。

如上所述,，纏繞鐵芯的線圈分三相，間隔120°配置U相線圈,、V相線圈,、W相線圈，電壓高的線圈產(chǎn)生N極,，電壓低的線圈產(chǎn)生S極,。

各相位按正弦波變化，因此各線圈產(chǎn)生的極性（N極,、S極）和其磁場（磁力）將發(fā)生變化,。

此時(shí)，單看產(chǎn)生N極的線圈,，按U相線圈→V相線圈→W相線圈→U相線圈依次變化,，從而發(fā)生旋轉(zhuǎn),。

PART 03

小型電機(jī)的結(jié)構(gòu)

下圖中給出了步進(jìn)電機(jī)、有刷直流（DC）電機(jī),、無刷直流（DC）電機(jī)這三種電機(jī)的大概構(gòu)造和對比,。這些電機(jī)的基本組成部件主要為線圈、磁鐵和轉(zhuǎn)子,，另外由于種類不同,，又分線圈固定型和磁鐵固定型。

以下為與示例圖相關(guān)的結(jié)構(gòu)說明,。由于更細(xì)致地劃分的話,，還可能存在其他結(jié)構(gòu)，因此請理解本文中介紹的是大框架下的結(jié)構(gòu),。

這里的步進(jìn)電機(jī)的線圈在外側(cè)固定,，磁鐵在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。

這里的有刷直流電機(jī)的磁鐵在外側(cè)固定,，線圈在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn),。由電刷和換向器（commutator）負(fù)責(zé)向線圈供電和改變電流方向。

這里的無刷電機(jī)的線圈在外側(cè)固定,，磁鐵在內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn),。

由于馬達(dá)電機(jī)種類不同，即使基本組成部件相同其結(jié)構(gòu)也有不同,。具體將在各部分進(jìn)行詳細(xì)說明,。

PART 05

有刷電機(jī)

有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

下面是經(jīng)常在模型中使用的有刷直流電機(jī)的外觀，以及普通的兩極（2個(gè)磁體）三槽（3個(gè)線圈）型電機(jī)的分解示意圖,。也許很多人都有拆卸電機(jī),、拿出磁鐵的經(jīng)驗(yàn)。

可以看到有刷直流電機(jī)的永磁體是固定的,，有刷直流電機(jī)的線圈可以繞內(nèi)部中心旋轉(zhuǎn)。固定側(cè)稱為“定子",，旋轉(zhuǎn)側(cè)稱為“轉(zhuǎn)子",。

以下是表示結(jié)構(gòu)概念的結(jié)構(gòu)簡圖。

旋轉(zhuǎn)中心軸的外圍有三個(gè)換向器（用于電流切換的彎曲金屬片）,。為了避免彼此接觸,，換向器之間間隔120°（360°÷3枚）配置。換向器隨著軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn),。

一個(gè)換向器連接有一個(gè)線圈端和另一個(gè)線圈端,，并且三個(gè)換向器和三個(gè)線圈作為電路網(wǎng)形成一個(gè)整體（環(huán)形）。

兩個(gè)電刷被固定在0°和180°處,，以便與換向器接觸,。外部直流電源與電刷相連接，電流按電刷→換向器→線圈→電刷的路徑流動。

有刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理

① 從初始狀態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

線圈A在最上方,，將電源連接到電刷,，設(shè)左側(cè)為（+），右側(cè)為（-）,。大電流從左電刷通過換向器流到線圈A,。這是線圈A的上部（外側(cè)）變?yōu)镾極的結(jié)構(gòu)。

而由于線圈A的電流的1/2從左電刷流向線圈B和線圈C的方向與線圈A相反,，因此線圈B和線圈C的外側(cè)變?yōu)槿鮊極（在圖中用略小字母表示）,。

這些線圈中產(chǎn)生的磁場以及磁體的排斥和吸引作用使線圈受到逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力。

② 進(jìn)一步逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

接下來,，假設(shè)在線圈A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°的狀態(tài)下,，右電刷與兩個(gè)換向器接觸。

線圈A的電流持續(xù)從左電刷流過右電刷,，并且線圈的外側(cè)保持S極,。

與線圈A相同的電流流經(jīng)線圈B，并且線圈B的外側(cè)變?yōu)檩^強(qiáng)的N極,。

由于線圈C的兩端被電刷短路,，所以沒有電流流動，也沒有磁場產(chǎn)生,。

即使在這種情況下,，也會受到逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力。

從③到④上側(cè)的線圈持續(xù)受到向左動的力,，下部的線圈持續(xù)受到向右動的力,，并繼續(xù)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)

在線圈每30°旋轉(zhuǎn)到③和④狀態(tài)下，當(dāng)線圈位于中心水平軸上方時(shí),，線圈的外側(cè)變?yōu)镾極,；當(dāng)線圈位于下方時(shí)變?yōu)镹極，并且反復(fù)該運(yùn)動,。

換句話說,，上側(cè)線圈反復(fù)受到向左動的力，下側(cè)線圈反復(fù)受到向右動的力（均為逆時(shí)針方向）,。這使轉(zhuǎn)子始終逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),。

如果將電源連接到相對的左電刷（-）和右電刷（+），則線圈中會產(chǎn)生方向相反的磁場,，因此施加到線圈上的力的方向也相反,，變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)。

此外,，當(dāng)斷開電源時(shí),，有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子會因沒有了使之繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場而停止旋轉(zhuǎn),。

PART 06

三相全波無刷電機(jī)

三相全波無刷電機(jī)的外觀和結(jié)構(gòu)

下圖為無刷電機(jī)的外觀和結(jié)構(gòu)示例。

左側(cè)是用來旋轉(zhuǎn)光盤播放設(shè)備中的光盤的主軸電機(jī)示例,。共有三相×3共9個(gè)線圈,。右側(cè)是FDD設(shè)備的主軸電機(jī)示例，共有12個(gè)線圈（三相×4）,。線圈被固定在電路板上,，并纏繞在鐵芯上。

在線圈右側(cè)的盤狀部件是永磁體轉(zhuǎn)子,。外圍是永磁體,，轉(zhuǎn)子的軸插入線圈的中心部位并覆蓋住線圈部分，永磁體圍繞在線圈的外圍,。

三相全波無刷電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和線圈連接等效電路

接下來是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖和線圈連接等效電路示意圖,。

該內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖是結(jié)構(gòu)很簡單的2極（2個(gè)磁體）3槽（3個(gè)線圈）電機(jī)示例。它類似于極數(shù)和槽數(shù)相同的有刷電機(jī)結(jié)構(gòu),，但線圈側(cè)是固定的,，磁體可以旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然,，沒有電刷,。

在這種情況下，線圈采用Y形接法,，使用半導(dǎo)體元件為線圈供給電流,，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的磁體位置來控制電流的流入和流出。在該示例中,，使用霍爾元件來檢測磁體的位置,。霍爾元件配置在線圈和線圈之間,，根據(jù)磁場強(qiáng)度檢測產(chǎn)生的電壓并用作位置信息,。在前面給出的FDD主軸電機(jī)的圖像中，也可以看到在線圈和線圈之間有用來檢測位置的霍爾元件（線圈的上方）,。

霍爾元件的磁傳感器,。可將磁場的大小轉(zhuǎn)換為電壓的大小,，并以正負(fù)來表示磁場的方向。下面是顯示霍爾效應(yīng)的示意圖,。

霍爾元件利用了“當(dāng)電流IH流過半導(dǎo)體并且磁通B與電流成直角穿過時(shí),，會在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電壓VH"的這種現(xiàn)象，美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall（埃德溫·赫伯特·霍爾）發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象并將其稱為“霍爾效應(yīng)",。產(chǎn)生的電壓VH由下列公式表示,。

VH = (KH / d)?IH?B??※KH：霍爾系數(shù),，d：磁通穿透面的厚度

如公式所示，電流越大,，電壓越高,。常利用這個(gè)特性來檢測轉(zhuǎn)子（磁體）的位置。

三相全波無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理

下面將按照步驟①～⑥來說明無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理,。為了易于理解,，這里將永磁體從圓形簡化成了矩形。

①在三相線圈中,，設(shè)線圈1固定在時(shí)鐘的12點(diǎn)鐘方向上,，線圈2固定在時(shí)鐘的4點(diǎn)鐘方向上，線圈3固定在時(shí)鐘的8點(diǎn)鐘方向上,。設(shè)2極永磁體的N極在左側(cè),，S極在右側(cè)，并且可以旋轉(zhuǎn),。

使電流Io流入線圈1,，以在線圈外側(cè)產(chǎn)生S極磁場。使Io/2電流從線圈2和線圈3流出,，以在線圈外側(cè)產(chǎn)生N極磁場,。

在對線圈2和線圈3的磁場進(jìn)行矢量合成時(shí)，向下產(chǎn)生N極磁場,，該磁場是電流Io通過一個(gè)線圈時(shí)所產(chǎn)生磁場的0.5倍大小,，與線圈1的磁場相加變?yōu)?.5倍。這會產(chǎn)生一個(gè)相對于永磁體成90°角的合成磁場,，因此可以產(chǎn)生最大扭矩,，永磁體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置減小線圈2的電流并增加線圈3的電流時(shí),，合成磁場也順時(shí)針旋轉(zhuǎn),，永磁體也繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

②在旋轉(zhuǎn)了30°的狀態(tài)下,，電流Io流入線圈1,，使線圈2中的電流為零，使電流Io從線圈3流出,。

線圈1的外側(cè)變?yōu)镾極,，線圈3的外側(cè)變?yōu)镹極。當(dāng)矢量合成時(shí),，產(chǎn)生的磁場是電流Io通過一個(gè)線圈時(shí)所產(chǎn)生磁場的√3（≈1.72）倍,。這也會產(chǎn)生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場，并順時(shí)針旋轉(zhuǎn),。

當(dāng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置減小線圈1的流入電流Io,、使線圈2的流入電流從零開始增加,、并使線圈3的流出電流增加到Io時(shí)，合成磁場也順時(shí)針旋轉(zhuǎn),，永磁體也繼續(xù)旋轉(zhuǎn),。

※假設(shè)各相電流均為正弦波形，則此處的電流值為Io × sin(π?3)=Io × √3?2 通過磁場的矢量合成,，得到總磁場大小為一個(gè)線圈所產(chǎn)生磁場的(√3?2)2×2=1.5 倍,。當(dāng)各相電流均為正弦波時(shí)，無論永磁體的位置在哪,，矢量合成磁場的大小均為一個(gè)線圈所產(chǎn)生磁場的1.5倍,，并且磁場相對于永磁體的磁場成90°角。

③在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)了30°的狀態(tài)下,，電流Io/2流入線圈1,，電流Io/2流入線圈2，電流Io從線圈3流出,。

線圈1的外側(cè)變?yōu)镾極,，線圈2的外側(cè)也變?yōu)镾極，線圈3的外側(cè)變?yōu)镹極,。當(dāng)矢量合成時(shí),，產(chǎn)生的磁場是電流Io流過一個(gè)線圈時(shí)所產(chǎn)生磁場的1.5倍（與①相同）。這里也會產(chǎn)生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場,，并順時(shí)針旋轉(zhuǎn),。

④～⑥

以①～③相同的方式旋轉(zhuǎn)。

這樣,，如果不斷根據(jù)永磁體的位置依次切換流入線圈的電流,，則永磁體將沿固定方向旋轉(zhuǎn)。同樣,，如果使電流反向流動并使合成磁場方向相反,，則會逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

下圖連續(xù)顯示了上述①～⑥每個(gè)步驟的每個(gè)線圈的電流,。通過以上介紹,，應(yīng)該可以理解電流變化與旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系了。

PART 07

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種可以與脈沖信號同步準(zhǔn)確地控制旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速的電機(jī),，步進(jìn)電機(jī)的也稱為“脈沖電機(jī)",。由于步進(jìn)電機(jī)無需使用位置傳感器僅通過開環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位而被廣泛用于需要定位的設(shè)備中。

步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)（兩相雙極）

下圖從左到右分別是步進(jìn)電機(jī)的外觀示例,、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖和結(jié)構(gòu)概念簡圖,。

在外觀示例中，給出的是HB（混合）型和PM（永磁）型步進(jìn)電機(jī)的外觀,。在中間的結(jié)構(gòu)圖給出的也是HB型和PM型的結(jié)構(gòu),。

步進(jìn)電機(jī)是線圈固定、永磁體旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu),。右側(cè)的步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)概念圖是使用兩相（兩組）線圈的PM電機(jī)示例,。在步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示例中，線圈配置在外側(cè),，永磁體配置在內(nèi)側(cè),。線圈除了兩相外，還有三相和五相等相數(shù)較多的類型,。

有些步進(jìn)電機(jī)具有其他不同的結(jié)構(gòu),，但是為了便于介紹其工作原理而在本文中給出了基本結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)。通過本文希望了解步進(jìn)電機(jī)基本上采用線圈固定,、永磁體旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu),。

步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理（單相勵(lì)磁）

下面使用下圖來介紹步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理。這是上面兩相雙極型線圈每一相（一組線圈）的勵(lì)磁示例,。該圖的前提是狀態(tài)從①到④變化,。線圈分別由線圈1和線圈2組成。另外,，電流箭頭表示電流流動方向,。

①

?使電流從線圈1的左側(cè)流入，從線圈1的右側(cè)流出,。

?勿使電流流過線圈2,。

?此時(shí)，左線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹,，右線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾,。

?因此，中間的永磁體被線圈1的磁場吸引,，變?yōu)樽髠?cè)S和右側(cè)N的狀態(tài)并停止,。

②

?停止線圈1的電流，使電流從線圈2的上側(cè)流入,，從線圈2的下側(cè)流出,。

?上線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹，下線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾,。

?永磁體被其磁場吸引,，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°停止。

③

?停止線圈2的電流,，使電流從線圈1的右側(cè)流入,，從線圈1的左側(cè)流出。

?左線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾,，右線圈1的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹,。

?永磁體被其磁場吸引,，順時(shí)針再旋轉(zhuǎn)90°停止。

④

?停止線圈1的電流,，使電流從線圈2的下側(cè)流入,，從線圈2的上側(cè)流出。

?上線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镾,，下線圈2的內(nèi)側(cè)變?yōu)镹,。

?永磁體被其磁場吸引，順時(shí)針再旋轉(zhuǎn)90°停止,。

通過電子電路按照上述①至④的順序切換流過線圈的電流,，即可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在該示例中,，每一次開關(guān)動作會使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°,。另外，當(dāng)使電流不斷流過某一線圈時(shí),，可以保持停止?fàn)顟B(tài)并使步進(jìn)電機(jī)具有保持轉(zhuǎn)矩,。順便提一下，如果將流過線圈的電流順序反過來,，則可以使步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn),。