新能源電池技術：電機如何旋轉轉向？步進電機的基本工作原理

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

PART?01 ? 電機種類

一般情況下指將磁場內電流流通產生的力轉變為旋轉動作，在廣義范圍內還包括直線動作。

按電機驅動的電源種類，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）

關于電流、磁場和力

首先，為了便于后續電機原理說明，我們來回顧一下有關電流、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說明。

當導線框為矩形時，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的狀態時，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形狀。電機就是利用了該原理。

PART?02 ? 電機如何旋轉?

1) 電機旋轉借助磁鐵、磁力

在帶旋轉軸的永久磁鐵周圍，①旋轉磁鐵（使產生旋轉磁場），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。

導線中流過電流使其周圍產生旋轉磁場（磁力）從而磁鐵旋轉，實際上與此是一樣的動作狀態。

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

在線圈狀導線中插入鐵芯，磁力線變得容易通過，能產生更強的磁力。

2）實際旋轉電機

在此，作為旋轉電機的實際方法，介紹利用三相交流和線圈制造旋轉磁場的方法。

（三相交流是間隔120°相位的交流信號）

上述①狀態下的合成磁場對應下圖①。

上述②狀態下的合成磁場對應下圖②。

上述③狀態下的合成磁場對應下圖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，電壓高的線圈產生N極，電壓低的線圈產生S極。

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

此時，單看產生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，從而發生旋轉。

PART?03 ? 小型電機的結構

下圖中給出了步進電機、有刷直流（DC）電機、無刷直流（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圈、磁鐵和轉子，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的結構說明。由于更細致地劃分的話，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。

這里的步進電機的線圈在外側固定，磁鐵在內側旋轉。

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

這里的無刷電機的線圈在外側固定，磁鐵在內側旋轉。

由于馬達電機種類不同，即使基本組成部件相同其結構也有不同。具體將在各部分進行詳細說明。

PART?05 ? 有刷電機

有刷電機的結構

下面是經常在模型中使用的有刷直流電機的外觀，以及普通的兩極（2個磁體）三槽（3個線圈）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，有刷直流電機的線圈可以繞內部中心旋轉。固定側稱為“定子”，旋轉側稱為“轉子”。

以下是表示結構概念的結構簡圖。

旋轉中心軸的外圍有三個換向器（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而旋轉。

一個換向器連接有一個線圈端和另一個線圈端，并且三個換向器和三個線圈作為電路網形成一個整體（環形）。

兩個電刷被固定在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。

有刷電機的旋轉原理

① 從初始狀態逆時針旋轉

線圈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換向器流到線圈A。這是線圈A的上部（外側）變為S極的結構。

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的外側變為弱N極（在圖中用略小字母表示）。

這些線圈中產生的磁場以及磁體的排斥和吸引作用使線圈受到逆時針旋轉的力。

② 進一步逆時針旋轉

接下來，假設在線圈A逆時針旋轉30°的狀態下，右電刷與兩個換向器接觸。

線圈A的電流持續從左電刷流過右電刷，并且線圈的外側保持S極。

與線圈A相同的電流流經線圈B，并且線圈B的外側變為較強的N極。

由于線圈C的兩端被電刷短路，所以沒有電流流動，也沒有磁場產生。

即使在這種情況下，也會受到逆時針旋轉的力。

從③到④上側的線圈持續受到向左動的力，下部的線圈持續受到向右動的力，并繼續逆時針方向旋轉

在線圈每30°旋轉到③和④狀態下，當線圈位于中心水平軸上方時，線圈的外側變為S極；當線圈位于下方時變為N極，并且反復該運動。

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

如果將電源連接到相對的左電刷（-）和右電刷（+），則線圈中會產生方向相反的磁場，因此施加到線圈上的力的方向也相反，變為順時針旋轉。

此外，當斷開電源時，有刷電機的轉子會因沒有了使之繼續旋轉的磁場而停止旋轉。

PART?06 ? 三相全波無刷電機

三相全波無刷電機的外觀和結構

下圖為無刷電機的外觀和結構示例。

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

在線圈右側的盤狀部件是永磁體轉子。外圍是永磁體，轉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。

三相全波無刷電機的內部結構圖和線圈連接等效電路

接下來是內部結構簡圖和線圈連接等效電路示意圖。

該內部結構簡圖是結構很簡單的2極（2個磁體）3槽（3個線圈）電機示例。它類似于極數和槽數相同的有刷電機結構，但線圈側是固定的，磁體可以旋轉。當然，沒有電刷。

在這種情況下，線圈采用Y形接法，使用半導體元件為線圈供給電流，根據旋轉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，根據磁場強度檢測產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）。

霍爾元件是眾所周知的磁傳感器。可將磁場的大小轉換為電壓的大小，并以正負來表示磁場的方向。下面是顯示霍爾效應的示意圖。

霍爾元件利用了“當電流IH流過半導體并且磁通B與電流成直角穿過時，會在垂直于電流和磁場的方向上產生電壓VH”的這種現象，美國物理學家Edwin Herbert Hall（埃德溫·赫伯特·霍爾）發現了這種現象并將其稱為“霍爾效應”。產生的電壓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。常利用這個特性來檢測轉子（磁體）的位置。

三相全波無刷電機的旋轉原理

下面將按照步驟①～⑥來說明無刷電機的旋轉原理。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，設線圈1固定在時鐘的12點鐘方向上，線圈2固定在時鐘的4點鐘方向上，線圈3固定在時鐘的8點鐘方向上。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流入線圈1，以在線圈外側產生S極磁場。使Io/2電流從線圈2和線圈3流出，以在線圈外側產生N極磁場。

在對線圈2和線圈3的磁場進行矢量合成時，向下產生N極磁場，該磁場是電流Io通過一個線圈時所產生磁場的0.5倍大小，與線圈1的磁場相加變為1.5倍。這會產生一個相對于永磁體成90°角的合成磁場，因此可以產生最大扭矩，永磁體順時針旋轉。

當根據旋轉位置減小線圈2的電流并增加線圈3的電流時，合成磁場也順時針旋轉，永磁體也繼續旋轉。

②在旋轉了30°的狀態下，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的外側變為S極，線圈3的外側變為N極。當矢量合成時，產生的磁場是電流Io通過一個線圈時所產生磁場的√3（≈1.72）倍。這也會產生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場，并順時針旋轉。

當根據旋轉位置減小線圈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，合成磁場也順時針旋轉，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 通過磁場的矢量合成，得到總磁場大小為一個線圈所產生磁場的(√3?2)2×2=1.5 倍。當各相電流均為正弦波時，無論永磁體的位置在哪，矢量合成磁場的大小均為一個線圈所產生磁場的1.5倍，并且磁場相對于永磁體的磁場成90°角。

③在繼續旋轉了30°的狀態下，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的外側變為S極，線圈2的外側也變為S極，線圈3的外側變為N極。當矢量合成時，產生的磁場是電流Io流過一個線圈時所產生磁場的1.5倍（與①相同）。這里也會產生相對于永磁體的磁場成90°角的合成磁場，并順時針旋轉。