新能源電池技術(shù)：電機(jī)如何旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向？步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理

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(wèn)題上，電機(jī)的高效率化被稱為是最有效的措施。

PART?01 ? 電機(jī)種類

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

按電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)和力

首先，為了便于后續(xù)電機(jī)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(shí)。

我們結(jié)合圖片和公式來(lái)說(shuō)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(lái)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(jiàn)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)軸的永久磁鐵周圍，①旋轉(zhuǎn)磁鐵（使產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)），②則根據(jù) N極與S極異極相吸、同級(jí)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(guò)電流使其周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（磁力）從而磁鐵旋轉(zhuǎn)，實(shí)際上與此是一樣的動(dòng)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(chǎng)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(guò)，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(chǎng)的方法。

（三相交流是間隔120°相位的交流信號(hào)）

上述①狀態(tài)下的合成磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)下圖①。

上述②狀態(tài)下的合成磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)下圖②。

上述③狀態(tài)下的合成磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)（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(wú)刷直流（DC）電機(jī)這三種電機(jī)的大概構(gòu)造和對(duì)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(shuō)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(qǐng)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(wú)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(shuō)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(jiǎn)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(dòng)。

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(guò)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(chǎng)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(lái)，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(guò)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(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(zhuǎn)的力。

從③到④上側(cè)的線圈持續(xù)受到向左動(dòng)的力，下部的線圈持續(xù)受到向右動(dòng)的力，并繼續(xù)逆時(shí)針?lè)较蛐D(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(dòng)。

換句話說(shuō)，上側(cè)線圈反復(fù)受到向左動(dòng)的力，下側(cè)線圈反復(fù)受到向右動(dòng)的力（均為逆時(shí)針?lè)较颍?。這使轉(zhuǎn)子始終逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

如果將電源連接到相對(duì)的左電刷（-）和右電刷（+），則線圈中會(huì)產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)，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(kāi)電源時(shí)，有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)因沒(méi)有了使之繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)而停止旋轉(zhuǎn)。

PART?06 ? 三相全波無(wú)刷電機(jī)

三相全波無(wú)刷電機(jī)的外觀和結(jié)構(gòu)

下圖為無(wú)刷電機(jī)的外觀和結(jié)構(gòu)示例。

左側(cè)是用來(lái)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(wú)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(lái)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和線圈連接等效電路示意圖。

該內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖是結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(méi)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(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(cè)磁體的位置。霍爾元件配置在線圈和線圈之間，根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)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(lái)檢測(cè)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?？蓪⒋艌?chǎng)的大小轉(zhuǎn)換為電壓的大小，并以正負(fù)來(lái)表示磁場(chǎng)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(guò)半導(dǎo)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(xiàn)象，美國(guó)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(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子（磁體）的位置。

三相全波無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理

下面將按照步驟①～⑥來(lái)說(shuō)明無(wú)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(jiǎn)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(chǎng)。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(chǎng)。

在對(duì)線圈2和線圈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)線圈時(shí)所產(chǎn)生磁場(chǎng)的0.5倍大小，與線圈1的磁場(chǎng)相加變?yōu)?.5倍。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)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(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(chǎng)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(chǎng)是電流Io通過(guò)一個(gè)線圈時(shí)所產(chǎn)生磁場(chǎng)的√3（≈1.72）倍。這也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于永磁體的磁場(chǎng)成90°角的合成磁場(chǎng)，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(kāi)始增加、并使線圈3的流出電流增加到Io時(shí)，合成磁場(chǎng)也順時(shí)針旋轉(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(guò)磁場(chǎng)的矢量合成，得到總磁場(chǎng)大小為一個(gè)線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的(√3?2)2×2=1.5 倍。當(dāng)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)線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的1.5倍，并且磁場(chǎng)相對(duì)于永磁體的磁場(chǎng)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(chǎng)是電流Io流過(guò)一個(gè)線圈時(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(duì)于永磁體的磁場(chǎng)成90°角的合成磁場(chǎng)，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(dòng)并使合成磁場(chǎng)方向相反，則會(huì)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(guò)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(hào)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(wú)需使用位置傳感器僅通過(guò)開(kāi)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(jiǎn)圖和結(jié)構(gòu)概念簡(jiǎn)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(guò)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(lái)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(dòng)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)吸引，順時(shí)針再旋轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°。另外，當(dāng)使電流不斷流過(guò)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(guò)線圈的電流順序反過(guò)來(lái)，則可以使步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

編輯：黃飛

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