Nearly half of the world's power consumption is consumed by electric motors, so the high efficiency of electric motors is said to be the most effective measure in solving the world's energy problems.
种类 电动机
一般是指将电流在磁场中流动所产生的力转化为旋转动作，在广义上还包括直线动作。
根据用于驱动电机的电源类型，有直流电机和 交流电动机.
而根据电机转动原理，大致可分为以下几类。 （特殊电机除外）
直流电动机/DC（直流）电动机
有刷电机
广泛使用的有刷电机一般称为直流电机。
The electrodes connected to the "brush" (stator side) and the "commutator" (armature side)
The brushed motor is used to switch the current by making contact with the "commutator" (armature side) in turn to perform rotational action.
无刷直流电机
无刷直流电机不使用电刷或换向器，而是使用晶体管等开关功能来切换电流并进行旋转动作。
步进电机。
该电动机以脉冲电源同步工作，故又称脉冲感应电动机。
其特点是能够轻松实现准确的定位操作。
交流电机
异步电机
交流电在定子中产生旋转磁场，定子又在转子中产生感应电流，交流感应电动机在转子中产生感应电流。
同步电机
交流电产生旋转磁场，带有磁极的转子因吸引力而旋转。
-旋转速度幸运地与电源频率同步。
关于电流、磁场和力
First, for the sake of subsequent motor principle explanations, let's review the basic laws/laws regarding current, magnetic field and force.
虽然有一种怀旧的感觉，但如果平时不使用磁性元件，很容易忘记这些知识
我们结合图片和公式来说明。
当线框为矩形时，要考虑作用在电流上的力。
作用在a、c两部分的力F为
扭矩以中心轴为中心轴产生。
例如，当考虑旋转角度仅为θ的状态时，垂直作用于b和d的力为sinθ，因此a部分的力矩Ta由下式给出：
以同样的方式考虑 c 部分，扭矩加倍并产生由以下等式计算的扭矩
由于矩形的面积为 S = h・l，将其代入上式可得出以下结果。
该公式不仅适用于矩形，也适用于其他常见形状，例如圆形。电机利用了这个原理。
电动机是如何旋转的？
1）感应电动机借助磁铁和磁力旋转
绕着一个带有转轴的永磁体，
① 磁铁旋转（从而产生旋转磁场），
②则根据N、S极异极相吸，同级相斥的原理，
③带有旋转轴的磁铁会旋转。
这是交流电机旋转的基本原理。
在导体中流动的电流会在其周围产生旋转磁场（磁力），从而使磁铁旋转，这实际上是与此相同的动作状态。
另外，当导线绕成线圈状时，会合成磁力，产生产生N极和S极的大磁场通量（flux）。
此外，通过在线圈状导线中插入铁芯，磁力线变得更容易通过，从而产生更强的磁力。
2）实际旋转的电机
在这里，作为旋转电机的实用方法，我们介绍使用三相交流电机和线圈产生旋转磁场的方法。
（三相交流工业电机是相位相差120°的交流信号）
上图①状态下的合成磁场对应下图①。
上图②中的合成磁场对应下图②。
上图③状态下的合成磁场对应下图③。
如上所述，绕制铁芯的线圈分为三相，U相线圈、V相线圈、W相线圈120°间隔配置，高压线圈产生N极，产生低电压的 S 极线圈。
各相按正弦波变化，因此各线圈产生的极性（N极、S极）及其磁场（磁力）都会发生变化。
此时，单独产生N极的线圈按照U相线圈→V相线圈→W相线圈→U相线圈的顺序变化，从而发生旋转。
小型电机的结构
下图给出了三种工业电机的大致结构和比较：步进电机、有刷直流（DC）电机、无刷直流（DC）电机。
这些电机的基本部件主要是线圈、磁铁和转子，根据类型的不同还有线圈固定式和磁铁固定式。
以下是与示例图关联的结构的描述。由于仔细划分可能还有其他结构，本文呈现的结构是在一个大框架下，请理解。
这里步进电机的线圈固定在外侧，磁铁在内侧转动。
这里有刷直流电机的磁铁固定在外侧，线圈在内侧旋转。吨
电刷和换向器负责给线圈供电，改变电流方向。
对于无刷电机，线圈固定在外侧，磁铁在内侧旋转。
无刷电机由于电机类型不同，即使基本部件相同，其结构也不尽相同。详细信息将在每个部分进行解释。
有刷电机
有刷直流电机的结构
下面是模型中经常使用的有刷直流电机的外观，以及普通二极（2个磁铁）三槽（3个线圈）型电机的故障示意图。可能很多人都有拆解直流电机和取出磁铁的经验。
可以看到有刷直流电机的永磁体是固定的，有刷直流电机的线圈可以绕内部中心旋转。
The fixed side is called the "stator" and the rotating side is called the "rotor".
下面是代表结构概念的结构示意图。
旋转中心轴的外围有三个换向器（用于电流切换的弯曲金属片）。
为避免相互接触，换向器配置为相隔 120°（360° ÷ 3 个）。换向器随着轴的旋转而旋转。
一个换向器连接到一个线圈端和另一个线圈端，三个换向器和三个线圈形成一个整体（环）作为电路网络。
两个电刷固定在 0° 和 180° 以与换向器接触。
外部直流电源连接到电刷，电流在路径电刷→换向器→线圈→电刷中流动。
有刷直流电机旋转原理
① 从初始状态逆时针旋转
线圈A在最上面，连接电动工具电源和电刷，左边为（+）右边为（-）。
大电流从左电刷经换向器流向线圈A。
这是线圈A的上部（外侧）成为S极的结构。
又由于线圈A的1/2电流从左边的电刷流向线圈B、C的方向与线圈A相反，所以线圈B、C的外侧成为弱N极（图中略小的字母表示）数字）。
这些线圈中产生的磁场和磁铁的排斥和吸引作用使线圈受到逆时针方向的旋转力。
② 进一步逆时针旋转
接下来，假设右电刷在线圈 A 逆时针旋转 30° 的状态下与两个换向器接触。
A线圈电流从左电刷连续流经右电刷，线圈外侧保持S极。
与线圈A相同的电流流过线圈B，线圈B的外侧成为更强的N极。
由于线圈 C 的两端被电刷短路，因此没有电流流动，也不会产生磁场。
即使在这种情况下，也存在逆时针旋转力。
③至④上侧的线圈不断受到向左移动的力，下侧线圈不断受到向右移动的力，继续逆时针旋转
当线圈每旋转30°至③、④时，当线圈在中心横轴上方时，线圈外侧为S极；线圈在下时为N极，重复运动。
换句话说，上线圈反复受到向左移动的力，而下线圈反复受到向右移动的力（均为逆时针方向）。这会导致转子始终逆时针旋转。
如果给对面的左电刷（-）和右电刷（+）接通电源，则在线圈定子绕组中产生方向相反的磁场，因此施加在线圈上的力向相反方向移动，成为顺时针旋转.
此外，当电源断开时，有刷电机的转子停止旋转，因为它失去了保持旋转的磁场。
三相全波无刷电机
三相全波无刷电机外观结构
下图为无刷电机的外观结构示例。
左边是用于在光盘播放设备中旋转光盘的主轴电机的示例。有 9 个三相 x 3 线圈。右侧是 FDD 设备的主轴电机示例，具有 12 个线圈（三相 x 4）。线圈固定在电路板上并缠绕在铁芯上。
线圈右侧的圆盘形部分是永磁转子。转子轴插入线圈中心并覆盖线圈部分，永磁体环绕线圈外围。
三相全波无刷电机内部结构及线圈连接等效电路
接下来是内部结构示意图和线圈连接的等效电路图。
这个内部结构示意图是一个2极（2个磁铁）3槽（3个线圈）电机的例子，结构非常简单。它类似于极数和槽数相同的有刷电机的结构，但线圈侧固定，磁铁可以旋转。当然，没有刷子。
在这种情况下，线圈以 Y 形连接，半导体元件用于向线圈提供电流，根据旋转磁铁的位置控制电流的流入和流出。
在这个例子中，霍尔元件用于检测磁铁的位置。霍尔元件配置在线圈与线圈之间，根据磁场强度检测产生的电压，用作位置信息。在前面给出的FDD主轴电机的图片中，还可以看到用于检测线圈与线圈之间（线圈上方）位置的霍尔元件。
众所周知，霍尔元件是磁性传感器。
它可以将磁场的大小转换成电压的大小，并以正或负的方式指示磁场的方向。
下图显示了霍尔效应。
Hall elements take advantage of the phenomenon that "when a current IH flows through a semiconductor and the magnetic flux B passes at right angles to the current, a voltage VH is generated in the direction perpendicular to the current and the magnetic field", a phenomenon discovered by American physicist Edwin Herbert Hall (Edwin Herbert Hall) and called "Hall effect".
所得电压 VH 由下式表示。
VH = (KH / d)・IH・B ※KH：霍尔系数，d：助焊剂穿透面的厚度
如公式所示，电流越大，电压越高。此属性通常用于检测转子（磁铁）的位置。
三相全波无刷电机转动原理
无刷电机的旋转原理将在以下步骤①至⑥中进行说明。为了便于理解，这里将永磁体从圆形简化为矩形。
①
In a 3-phase coil, let coil 1 be fixed at 12 o'clock, coil 2 be fixed at 4 o'clock and coil 3 be fixed at 8 o'clock of the clock. Let the N-pole of the 2-pole permanent magnet be on the left side and the S-pole on the right side and rotatable.
使电流Io流入线圈1，使线圈外侧产生S极磁场。让电流Io/2流出线圈2和线圈3，使线圈外侧产生N极磁场。
线圈2和3的磁场矢量合成时，向下产生N极磁场，是电流Io通过线圈时产生磁场大小的0.5倍，当电流Io通过线圈时，变为1.5倍。加到线圈1的磁场上，产生一个与永磁体成90°角的合成磁场，从而产生最大转矩，永磁体顺时针方向旋转。
当线圈2中的电流减小，线圈3中的电流增大时，根据旋转位置，合成磁场也顺时针旋转，永磁体继续旋转。
②
在旋转30°的状态下，电流Io流入线圈1，使线圈2中的电流为零，使电流Io流出线圈3。
线圈1的外侧为S极，线圈3的外侧为N极。矢量合成时产生的磁场是电流Io通过一个线圈时产生的磁场的√3（≈1.72）倍。这也产生了一个与永磁体磁场成90°角的合成磁场，并顺时针旋转。
当线圈1的流入电流Io根据旋转位置减小时，线圈2的流入电流从零开始增加，线圈3的流出电流增加到Io，合成磁场也顺时针旋转，永磁体磁铁继续旋转。
假设各相电流为正弦波，则此处电流值为Io × sin(π⁄3) = Io × √3⁄2。通过磁场矢量合成，总磁场大小为(√3⁄2)2 × 2 = 1.5倍一个线圈产生的磁场。当各相电流为正弦波时，无论永磁体位置如何，矢量合成磁场的大小均为一个线圈产生磁场的1.5倍，且磁场与线圈成90°角永磁体的磁场。
③
在持续旋转30°的状态下，电流Io/2流入线圈1，电流Io/2流入线圈2，电流Io流出线圈3。
线圈1的外侧为S极，线圈2的外侧也为S极，线圈3的外侧为N极。矢量合成时产生的磁场是电流Io流过一个线圈时产生磁场的1.5倍（同①）。这里也产生了一个与永磁体磁场成 90° 角的合成磁场，并顺时针旋转。
④～⑥
按照与①至③相同的方式旋转。
这样，如果流入线圈的电流根据永磁体的位置连续依次切换，则永磁体将按固定的方向旋转。同样，如果电流反向，合成磁场的方向也反了，就会逆时针旋转。
下图依次显示了上述①至⑥每个步骤中每个线圈中的电流。电流变化与旋转的关系通过上面的描述就应该明白了。
步进电机
A stepper motor is a motor that can accurately control the rotation angle and speed synchronized with a pulse signal, also known as a "pulse motor. Stepper motors are widely used in equipment that requires positioning because accurate positioning can be achieved by open-loop control without the use of position sensors.
步进电机结构（两相双极）
下图从左到右依次为步进电机的外观示例、内部结构示意图和结构概念示意图。
在外观示例中，给出了HB（混合）型和PM（永磁）型步进电机的外观。中间的结构图也给出了HB型和PM型。
步进电机是线圈固定，永磁体转动的结构。右侧的步进电机内部结构概念图是使用两相（两组）线圈的PM电机的示例。在步进电机的基本结构示例中，线圈配置在外部，永磁体配置在内部。除二相线圈外，还有三相、五相等相数较多的类型。
有些步进电机还有其他不同的结构，但本文给出步进电机的基本结构，以方便介绍其工作原理。通过这篇论文，我们希望了解带有固定线圈和旋转永磁体的步进电机的基本结构。
步进电机基本工作原理（单相励磁）
下图用于介绍步进电机的基本工作原理。这是上述两相双极型线圈的每一相（线圈组）的励磁示例。该图的前提是状态从①变为④。线圈分别由线圈 1 和线圈 2 组成。此外，电流箭头指示电流流动的方向。
①
・使电流从线圈 1 的左侧流出，从线圈 1 的右侧流出。
・请勿让电流流过线圈 2。
・此时左侧线圈1的内侧为N，右侧线圈1的内侧为S。
・结果，中间的永磁体被线圈1的磁场吸引，向左侧S和右侧N变化而停止。
②
・线圈 1 的电流停止，电流从线圈 2 的上侧流入，从线圈 2 的下侧流出。
・上线圈2的内侧变为N，下线圈2的内侧变为S。
・永磁体受其磁场吸引顺时针旋转90°停止。
③
・线圈 2 的电流停止，电流从线圈 1 的右侧流入，从线圈 1 的左侧流出。
・左侧线圈1的内侧为S，右侧线圈1的内侧为N。
・永久磁铁受其磁场吸引，顺时针再旋转90°停止。
④
・切断线圈 1 的电流，使电流从线圈 2 的下侧流入，从线圈 2 的上侧流出。
・上线圈2的内侧为S，下线圈2的内侧为N。
・永久磁铁受其磁场吸引，顺时针再旋转90°停止。
通过电子电路按上述①至④的顺序切换流过线圈的电流，可使步进电机旋转。在此示例中，每个开关动作都会使步进电机旋转 90°。
另外，当电流持续流过线圈时，可以保持停止状态，步进电机可以有一个保持力矩。顺便说一下，如果流过线圈的电流顺序颠倒，就可以使步进电机反向旋转。
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