電機是如何旋轉起來(lái)的？

01電機種類(lèi)

一般情況下指將磁場(chǎng)內電流流通產(chǎn)生的力轉變?yōu)樾D動(dòng)作，在廣義范圍內還包括直線(xiàn)動(dòng)作。

按電機驅動(dòng)的電源種類(lèi)，可分為DC電機和AC電機。而根據電機旋轉原理，大致可分為以下幾種。（特殊電機除外）

02關(guān)于電流、磁場(chǎng)和力

首先，為了便于后續電機原理說(shuō)明，我們來(lái)回顧一下有關(guān)電流、磁場(chǎng)和力的基本定律/法則。雖然有一種懷舊的感覺(jué)，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。

我們結合圖片和公式來(lái)說(shuō)明。

當導線(xiàn)框為矩形時(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矩。

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

以相同的方式考慮c部分，則轉矩加倍，并生成由以下公式計算出來(lái)的轉矩：

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果：

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

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03電機如何旋轉?

1）電機旋轉借助磁鐵、磁力

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

這就是電機旋轉的基本原理。

導線(xiàn)中流過(guò)電流使其周?chē)a(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)（磁力）從而磁鐵旋轉，實(shí)際上與此是一樣的動(dòng)作狀態(tài)。

另外，將導線(xiàn)繞成線(xiàn)圈狀，則磁力被合成，形成大的磁場(chǎng)通量（磁通量），產(chǎn)生N極和S極。
在線(xiàn)圈狀導線(xiàn)中插入鐵芯，磁力線(xiàn)變得容易通過(guò)，能產(chǎn)生更強的磁力。

2）實(shí)際旋轉電機

在此，作為旋轉電機的實(shí)際方法，介紹利用三相交流和線(xiàn)圈制造旋轉磁場(chǎng)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(chǎng)對應下圖①。

上述②狀態(tài)下的合成磁場(chǎng)對應下圖②。

上述③狀態(tài)下的合成磁場(chǎng)對應下圖③。

如上所述，纏繞鐵芯的線(xiàn)圈分三相，間隔120°配置U相線(xiàn)圈、V相線(xiàn)圈、W相線(xiàn)圈，電壓高的線(xiàn)圈產(chǎn)生N極，電壓低的線(xiàn)圈產(chǎn)生S極。
各相位按正弦波變化，因此各線(xiàn)圈產(chǎn)生的極性（N極、S極）和其磁場(chǎng)（磁力）將發(fā)生變化。
此時(shí)，單看產(chǎn)生N極的線(xiàn)圈，按U相線(xiàn)圈→V相線(xiàn)圈→W相線(xiàn)圈→U相線(xiàn)圈依次變化，從而發(fā)生旋轉。

04小型電機的結構

下圖中給出了步進(jìn)電機、有刷直流（DC）電機、無(wú)刷直流（DC）電機這三種電機的大概構造和對比。這些電機的基本組成部件主要為線(xiàn)圈、磁鐵和轉子，另外由于種類(lèi)不同，又分線(xiàn)圈固定型和磁鐵固定型。

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

這里的步進(jìn)電機的線(xiàn)圈在外側固定，磁鐵在內側旋轉。

這里的有刷直流電機的磁鐵在外側固定，線(xiàn)圈在內側旋轉。由電刷和換向器（commutator）負責向線(xiàn)圈供電和改變電流方向。

這里的無(wú)刷電機的線(xiàn)圈在外側固定，磁鐵在內側旋轉。

由于馬達電機種類(lèi)不同，即使基本組成部件相同其結構也有不同。具體將在各部分進(jìn)行詳細說(shuō)明。

05有刷電機

有刷電機的結構

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

可以看到有刷直流電機的永磁體是固定的，有刷直流電機的線(xiàn)圈可以繞內部中心旋轉。固定側稱(chēng)為“定子"，旋轉側稱(chēng)為“轉子"。

以下是表示結構概念的結構簡(jiǎn)圖。

旋轉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(zhù)軸的旋轉而旋轉。

一個(gè)換向器連接有一個(gè)線(xiàn)圈端和另一個(gè)線(xiàn)圈端，并且三個(gè)換向器和三個(gè)線(xiàn)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(xiàn)圈→電刷的路徑流動(dòng)。

有刷電機的旋轉原理

① 從初始狀態(tài)逆時(shí)針旋轉

線(xiàn)圈A在最上方，將電源連接到電刷，設左側為（+），右側為（-）。大電流從左電刷通過(guò)換向器流到線(xiàn)圈A。這是線(xiàn)圈A的上部（外側）變?yōu)镾極的結構。

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

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

② 進(jìn)一步逆時(shí)針旋轉

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

線(xiàn)圈A的電流持續從左電刷流過(guò)右電刷，并且線(xiàn)圈的外側保持S極。

與線(xiàn)圈A相同的電流流經(jīng)線(xiàn)圈B，并且線(xiàn)圈B的外側變?yōu)檩^強的N極。

由于線(xiàn)圈C的兩端被電刷短路，所以沒(méi)有電流流動(dòng)，也沒(méi)有磁場(chǎng)產(chǎn)生。

即使在這種情況下，也會(huì )受到逆時(shí)針旋轉的力。

從③到④上側的線(xiàn)圈持續受到向左動(dòng)的力，下部的線(xiàn)圈持續受到向右動(dòng)的力，并繼續逆時(shí)針?lè )较蛐D

在線(xiàn)圈每30°旋轉到③和④狀態(tài)下，當線(xiàn)圈位于中心水平軸上方時(shí)，線(xiàn)圈的外側變?yōu)镾極；當線(xiàn)圈位于下方時(shí)變?yōu)镹極，并且反復該運動(dòng)。

換句話(huà)說(shuō)，上側線(xiàn)圈反復受到向左動(dòng)的力，下側線(xiàn)圈反復受到向右動(dòng)的力（均為逆時(shí)針?lè )较颍?。這使轉子始終逆時(shí)針旋轉。
如果將電源連接到相對的左電刷（-）和右電刷（+），則線(xiàn)圈中會(huì )產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)，因此施加到線(xiàn)圈上的力的方向也相反，變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉。

此外，當斷開(kāi)電源時(shí)，有刷電機的轉子會(huì )因沒(méi)有了使之繼續旋轉的磁場(chǎng)而停止旋轉。

06三相全波無(wú)刷電機

三相全波無(wú)刷電機的外觀(guān)和結構

下圖為無(wú)刷電機的外觀(guān)和結構示例。

左側是用來(lái)旋轉光盤(pán)播放設備中的光盤(pán)的主軸電機示例。共有三相×3共9個(gè)線(xiàn)圈。右側是FDD設備的主軸電機示例，共有12個(gè)線(xiàn)圈（三相×4）。線(xiàn)圈被固定在電路板上，并纏繞在鐵芯上。

在線(xiàn)圈右側的盤(pán)狀部件是永磁體轉子。外圍是永磁體，轉子的軸插入線(xiàn)圈的中心部位并覆蓋住線(xiàn)圈部分，永磁體圍繞在線(xiàn)圈的外圍。

三相全波無(wú)刷電機的內部結構圖和線(xiàn)圈連接等效電路

接下來(lái)是內部結構簡(jiǎn)圖和線(xiàn)圈連接等效電路示意圖。

該內部結構簡(jiǎn)圖是結構很簡(jiǎn)單的2極（2個(gè)磁體）3槽（3個(gè)線(xiàn)圈）電機示例。它類(lèi)似于極數和槽數相同的有刷電機結構，但線(xiàn)圈側是固定的，磁體可以旋轉。當然，沒(méi)有電刷。

在這種情況下，線(xiàn)圈采用Y形接法，使用半導體元件為線(xiàn)圈供給電流，根據旋轉的磁體位置來(lái)控制電流的流入和流出。在該示例中，使用霍爾元件來(lái)檢測磁體的位置?；魻栐渲迷诰€(xiàn)圈和線(xiàn)圈之間，根據磁場(chǎng)強度檢測產(chǎn)生的電壓并用作位置信息。在前面給出的FDD主軸電機的圖像中，也可以看到在線(xiàn)圈和線(xiàn)圈之間有用來(lái)檢測位置的霍爾元件（線(xiàn)圈的上方）。

霍爾元件是一款磁傳感器?？蓪⒋艌?chǎng)的大小轉換為電壓的大小，并以正負來(lái)表示磁場(chǎng)的方向。下面是顯示霍爾效應的示意圖。

霍爾元件利用了“當電流IH流過(guò)半導體并且磁通B與電流成直角穿過(guò)時(shí)，會(huì )在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電壓VH"的這種現象，美國物理學(xué)家Edwin Herbert Hall（埃德溫·赫伯特·霍爾）發(fā)現了這種現象并將其稱(chēng)為“霍爾效應"。產(chǎn)生的電壓VH由下列公式表示。

VH = (KH / d)?IH?B ※KH：霍爾系數，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(lái)檢測轉子（磁體）的位置。

三相全波無(wú)刷電機的旋轉原理

下面將按照步驟①～⑥來(lái)說(shuō)明無(wú)刷電機的旋轉原理。為了易于理解，這里將永磁體從圓形簡(jiǎn)化成了矩形。

①

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

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

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

當根據旋轉位置減小線(xiàn)圈2的電流并增加線(xiàn)圈3的電流時(shí)，合成磁場(chǎng)也順時(shí)針旋轉，永磁體也繼續旋轉。

②

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

線(xiàn)圈1的外側變?yōu)镾極，線(xiàn)圈3的外側變?yōu)镹極。當矢量合成時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是電流Io通過(guò)一個(gè)線(xiàn)圈時(shí)所產(chǎn)生磁場(chǎng)的√3（≈1.72）倍。這也會(huì )產(chǎn)生相對于永磁體的磁場(chǎng)成90°角的合成磁場(chǎng)，并順時(shí)針旋轉。

當根據旋轉位置減小線(xiàn)圈1的流入電流Io、使線(xiàn)圈2的流入電流從零開(kāi)始增加、并使線(xiàn)圈3的流出電流增加到Io時(shí)，合成磁場(chǎng)也順時(shí)針旋轉，永磁體也繼續旋轉。

※假設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(guò)磁場(chǎng)的矢量合成，得到總磁場(chǎng)大小為一個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的(√3?2)2×2=1.5 倍。當各相電流均為正弦波時(shí)，無(wú)論永磁體的位置在哪，矢量合成磁場(chǎng)的大小均為一個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的1.5倍，并且磁場(chǎng)相對于永磁體的磁場(chǎng)成90°角。

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③

在繼續旋轉了30°的狀態(tài)下，電流Io/2流入線(xiàn)圈1，電流Io/2流入線(xiàn)圈2，電流Io從線(xiàn)圈3流出。

線(xiàn)圈1的外側變?yōu)镾極，線(xiàn)圈2的外側也變?yōu)镾極，線(xiàn)圈3的外側變?yōu)镹極。當矢量合成時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是電流Io流過(guò)一個(gè)線(xiàn)圈時(shí)所產(chǎn)生磁場(chǎng)的1.5倍（與①相同）。這里也會(huì )產(chǎn)生相對于永磁體的磁場(chǎng)成90°角的合成磁場(chǎng)，并順時(shí)針旋轉。

④～⑥

以①～③相同的方式旋轉。

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

下圖連續顯示了上述①～⑥每個(gè)步驟的每個(gè)線(xiàn)圈的電流。通過(guò)以上介紹，應該可以理解電流變化與旋轉之間的關(guān)系了。

07步進(jìn)電機

步進(jìn)電機是一種可以與脈沖信號同步準確地控制旋轉角度和轉速的電機，步進(jìn)電機的也稱(chēng)為“脈沖電機"。由于步進(jìn)電機無(wú)需使用位置傳感器僅通過(guò)開(kāi)環(huán)控制即可實(shí)現準確的定位而被廣泛用于需要定位的設備中。

步進(jìn)電機的結構（兩相雙極）

下圖從左到右分別是步進(jìn)電機的外觀(guān)示例、內部結構簡(jiǎn)圖和結構概念簡(jiǎn)圖。

在外觀(guān)示例中，給出的是HB（混合）型和PM（永磁）型步進(jìn)電機的外觀(guān)。在中間的結構圖給出的也是HB型和PM型的結構。

步進(jìn)電機是線(xiàn)圈固定、永磁體旋轉的結構。右側的步進(jìn)電機內部結構概念圖是使用兩相（兩組）線(xiàn)圈的PM電機示例。在步進(jìn)電機基本結構示例中，線(xiàn)圈配置在外側，永磁體配置在內側。線(xiàn)圈除了兩相外，還有三相和五相等相數較多的類(lèi)型。

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

步進(jìn)電機的基本工作原理（單相勵磁）

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

①

?使電流從線(xiàn)圈1的左側流入，從線(xiàn)圈1的右側流出。

?勿使電流流過(guò)線(xiàn)圈2。

?此時(shí)，左線(xiàn)圈1的內側變?yōu)镹，右線(xiàn)圈1的內側變?yōu)镾。

?因此，中間的永磁體被線(xiàn)圈1的磁場(chǎng)吸引，變?yōu)樽髠萐和右側N的狀態(tài)并停止。

②

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

?上線(xiàn)圈2的內側變?yōu)镹，下線(xiàn)圈2的內側變?yōu)镾。

?永磁體被其磁場(chǎng)吸引，順時(shí)針旋轉90°停止。

③

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

?左線(xiàn)圈1的內側變?yōu)镾，右線(xiàn)圈1的內側變?yōu)镹。

?永磁體被其磁場(chǎng)吸引，順時(shí)針再旋轉90°停止。

④

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

?上線(xiàn)圈2的內側變?yōu)镾，下線(xiàn)圈2的內側變?yōu)镹。

?永磁體被其磁場(chǎng)吸引，順時(shí)針再旋轉90°停止。

通過(guò)電子電路按照上述①至④的順序切換流過(guò)線(xiàn)圈的電流，即可使步進(jìn)電機旋轉。在該示例中，每一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì )使步進(jìn)電機旋轉90°。另外，當使電流不斷流過(guò)某一線(xiàn)圈時(shí)，可以保持停止狀態(tài)并使步進(jìn)電機具有保持轉矩。順便提一下，如果將流過(guò)線(xiàn)圈的電流順序反過(guò)來(lái)，則可以使步進(jìn)電機反向旋轉。