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一、电机的工作原理
PART 01
电机种类
一般情况下指将磁场内电流流通产生的力转变为旋转动作，在广义范围内还包括直线动作。
按电机驱动的电源种类，可分为DC电机和AC电机。而 根据电机旋转原理，大致可分为以下几种。（特殊电机除外）
关于电流、磁场和力
首先，为了便于后续电机原理说明，我们来回顾一下有关电流、磁场和力的基本定律/法则。虽然有一种怀旧的感觉，但如果平时不常使用磁性元器件，就很容易忘记这些知识。
我们结合图片和公式来说明。
当导线框为矩形时，要考虑到作用在电流上的力。
作用于边a、c部分的力F为
产生以中心轴为心轴的转矩。
例如，当考虑到旋转角度仅为θ的状态时，与b和d成直角作用的力为sinθ，因此a部分的转矩Ta由以下公式表示:
以相同的方式考虑c部分，则转矩加倍，并生成由以下公式计算出来的转矩：
由于矩形的面积为S＝h・l，因此将其代入上述公式可得出以下结果：
该公式不仅适用于矩形，也适用于圆形等其他常见形状。电机就是利用了该原理。
PART 02
电机如何旋转?
1) 电机旋转借助磁铁、磁力
在带旋转轴的永久磁铁周围，①旋转磁铁（使产生旋转磁场），②则根据 N极与S极异极相吸、同级相斥原理，③带旋转轴的磁铁将旋转。
这就是电机旋转的基本原理。
导线中流过电流使其周围产生旋转磁场（磁力）从而磁铁旋转，实际上与此是一样的动作状态。
另外，将导线绕成线圈状，则磁力被合成，形成大的磁场通量（磁通量），产生N极和S极。
在线圈状导线中插入铁芯，磁力线变得容易通过，能产生更强的磁力。
2）实际旋转电机
- 上述①状态下的合成磁场对应下图①。
- 上述②状态下的合成磁场对应下图②。
- 上述③状态下的合成磁场对应下图③。
如上所述，缠绕铁芯的线圈分三相，间隔120°配置U相线圈、V相线圈、W相线圈，电压高的线圈产生N极，电压低的线圈产生S极。
各相位按正弦波变化，因此各线圈产生的极性（N极、S极）和其磁场（磁力）将发生变化。
此时，单看产生N极的线圈，按U相线圈→V相线圈→W相线圈→U相线圈依次变化，从而发生旋转。
PART 03
小型电机的结构
下图中给出了步进电机、有刷直流（DC）电机、无刷直流（DC）电机这三种电机的大概构造和对比。这些电机的基本组成部件主要为线圈、磁铁和转子，另外由于种类不同，又分线圈固定型和磁铁固定型。
以下为与示例图相关的结构说明。由于更细致地划分的话，还可能存在其他结构，因此请理解本文中介绍的是大框架下的结构。
这里的步进电机的线圈在外侧固定，磁铁在内侧旋转。
这里的有刷直流电机的磁铁在外侧固定，线圈在内侧旋转。由电刷和换向器（commutator）负责向线圈供电和改变电流方向。
这里的无刷电机的线圈在外侧固定，磁铁在内侧旋转。
由于马达电机种类不同，即使基本组成部件相同其结构也有不同。具体将在各部分进行详细说明。
PART 05
有刷电机
有刷电机的结构
下面是经常在模型中使用的有刷直流电机的外观，以及普通的两极（2个磁体）三槽（3个线圈）型电机的分解示意图。也许很多人都有拆卸电机、拿出磁铁的经验。
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。固定侧称为“定子”，旋转侧称为“转子”。
以下是表示结构概念的结构简图。
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）。为了避免彼此接触，换向器之间间隔120°（360°÷3枚）配置。换向器随着轴的旋转而旋转。
一个换向器连接有一个线圈端和另一个线圈端，并且三个换向器和三个线圈作为电路网形成一个整体（环形）。
两个电刷被固定在0°和180°处，以便与换向器接触。外部直流电源与电刷相连接，电流按电刷→换向器→线圈→电刷的路径流动。
有刷电机的旋转原理
① 从初始状态逆时针旋转
线圈A在最上方，将电源连接到电刷，设左侧为（+），右侧为（-）。大电流从左电刷通过换向器流到线圈A。这是线圈A的上部（外侧）变为S极的结构。
而由于线圈A的电流的1/2从左电刷流向线圈B和线圈C的方向与线圈A相反，因此线圈B和线圈C的外侧变为弱N极（在图中用略小字母表示）。
这些线圈中产生的磁场以及磁体的排斥和吸引作用使线圈受到逆时针旋转的力。
② 进一步逆时针旋转
接下来，假设在线圈A逆时针旋转30°的状态下，右电刷与两个换向器接触。
线圈A的电流持续从左电刷流过右电刷，并且线圈的外侧保持S极。
与线圈A相同的电流流经线圈B，并且线圈B的外侧变为较强的N极。
由于线圈C的两端被电刷短路，所以没有电流流动，也没有磁场产生。
即使在这种情况下，也会受到逆时针旋转的力。
从③到④上侧的线圈持续受到向左动的力，下部的线圈持续受到向右动的力，并继续逆时针方向旋转
在线圈每30°旋转到③和④状态下，当线圈位于中心水平轴上方时，线圈的外侧变为S极；当线圈位于下方时变为N极，并且反复该运动。
换句话说，上侧线圈反复受到向左动的力，下侧线圈反复受到向右动的力（均为逆时针方向）。这使转子始终逆时针旋转。
如果将电源连接到相对的左电刷（-）和右电刷（+），则线圈中会产生方向相反的磁场，因此施加到线圈上的力的方向也相反，变为顺时针旋转。
此外，当断开电源时，有刷电机的转子会因没有了使之继续旋转的磁场而停止旋转。
PART 06
三相全波无刷电机
三相全波无刷电机的外观和结构
下图为无刷电机的外观和结构示例。
左侧是用来旋转光盘播放设备中的光盘的主轴电机示例。共有三相×3共9个线圈。右侧是FDD设备的主轴电机示例，共有12个线圈（三相×4）。线圈被固定在电路板上，并缠绕在铁芯上。
在线圈右侧的盘状部件是永磁体转子。外围是永磁体，转子的轴插入线圈的中心部位并覆盖住线圈部分，永磁体围绕在线圈的外围。
三相全波无刷电机的内部结构图和线圈连接等效电路
该内部结构简图是结构很简单的2极（2个磁体）3槽（3个线圈）电机示例。它类似于极数和槽数相同的有刷电机结构，但线圈侧是固定的，磁体可以旋转。当然，没有电刷。
在这种情况下，线圈采用Y形接法，使用半导体元件为线圈供给电流，根据旋转的磁体位置来控制电流的流入和流出。在该示例中，使用霍尔元件来检测磁体的位置。霍尔元件配置在线圈和线圈之间，根据磁场强度检测产生的电压并用作位置信息。在前面给出的FDD主轴电机的图像中，也可以看到在线圈和线圈之间有用来检测位置的霍尔元件（线圈的上方）。
霍尔元件是众所周知的磁传感器。可将磁场的大小转换为电压的大小，并以正负来表示磁场的方向。下面是显示霍尔效应的示意图。
霍尔元件利用了“当电流IH流过半导体并且磁通B与电流成直角穿过时，会在垂直于电流和磁场的方向上产生电压VH”的这种现象，美国物理学家Edwin Herbert Hall（埃德温·赫伯特·霍尔）发现了这种现象并将其称为“霍尔效应”。产生的电压VH由下列公式表示。
VH = (KH / d)・IH・B ※KH：霍尔系数，d：磁通穿透面的厚度
如公式所示，电流越大，电压越高。常利用这个特性来检测转子（磁体）的位置。
三相全波无刷电机的旋转原理
下面将按照步骤①～⑥来说明无刷电机的旋转原理。为了易于理解，这里将永磁体从圆形简化成了矩形。
①在三相线圈中，设线圈1固定在时钟的12点钟方向上，线圈2固定在时钟的4点钟方向上，线圈3固定在时钟的8点钟方向上。设2极永磁体的N极在左侧，S极在右侧，并且可以旋转。
使电流Io流入线圈1，以在线圈外侧产生S极磁场。使Io/2电流从线圈2和线圈3流出，以在线圈外侧产生N极磁场。
在对线圈2和线圈3的磁场进行矢量合成时，向下产生N极磁场，该磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的0.5倍大小，与线圈1的磁场相加变为1.5倍。这会产生一个相对于永磁体成90°角的合成磁场，因此可以产生最大扭矩，永磁体顺时针旋转。
当根据旋转位置减小线圈2的电流并增加线圈3的电流时，合成磁场也顺时针旋转，永磁体也继续旋转。
②在旋转了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从线圈3流出。
线圈1的外侧变为S极，线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时，产生的磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的√3（≈1.72）倍。这也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场，并顺时针旋转。
当根据旋转位置减小线圈1的流入电流Io、使线圈2的流入电流从零开始增加、并使线圈3的流出电流增加到Io时，合成磁场也顺时针旋转，永磁体也继续旋转。
※假设各相电流均为正弦波形，则此处的电流值为Io × sin(π⁄3)=Io × √3⁄2 通过磁场的矢量合成，得到总磁场大小为一个线圈所产生磁场的(√3⁄2)2×2=1.5 倍。当各相电流均为正弦波时，无论永磁体的位置在哪，矢量合成磁场的大小均为一个线圈所产生磁场的1.5倍，并且磁场相对于永磁体的磁场成90°角。
③在继续旋转了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从线圈3流出。
线圈1的外侧变为S极，线圈2的外侧也变为S极，线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时，产生的磁场是电流Io流过一个线圈时所产生磁场的1.5倍（与①相同）。这里也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场，并顺时针旋转。
④～⑥
以①～③相同的方式旋转。
这样，如果不断根据永磁体的位置依次切换流入线圈的电流，则永磁体将沿固定方向旋转。同样，如果使电流反向流动并使合成磁场方向相反，则会逆时针旋转。
下图连续显示了上述①～⑥每个步骤的每个线圈的电流。通过以上介绍，应该可以理解电流变化与旋转之间的关系了。
PART 07
步进电机
步进电机是一种可以与脉冲信号同步准确地控制旋转角度和转速的电机，步进电机的也称为“脉冲电机”。由于步进电机无需使用位置传感器仅通过开环控制即可实现准确的定位而被广泛用于需要定位的设备中。
步进电机的结构（两相双极）
下图从左到右分别是步进电机的外观示例、内部结构简图和结构概念简图。
在外观示例中，给出的是HB（混合）型和PM（永磁）型步进电机的外观。在中间的结构图给出的也是HB型和PM型的结构。
步进电机是线圈固定、永磁体旋转的结构。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电机示例。在步进电机基本结构示例中，线圈配置在外侧，永磁体配置在内侧。线圈除了两相外，还有三相和五相等相数较多的类型。
有些步进电机具有其他不同的结构，但是为了便于介绍其工作原理而在本文中给出了基本结构的步进电机。通过本文希望了解步进电机基本上采用线圈固定、永磁体旋转的结构。
步进电机的基本工作原理（单相励磁）
下面使用下图来介绍步进电机的基本工作原理。这是上面两相双极型线圈每一相（一组线圈）的励磁示例。该图的前提是状态从①到④变化。线圈分别由线圈1和线圈2组成。另外，电流箭头表示电流流动方向。
①
・使电流从线圈1的左侧流入，从线圈1的右侧流出。
・勿使电流流过线圈2。
・此时，左线圈1的内侧变为N，右线圈1的内侧变为S。
・因此，中间的永磁体被线圈1的磁场吸引，变为左侧S和右侧N的状态并停止。
②
・停止线圈1的电流，使电流从线圈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。
・永磁体被其磁场吸引，顺时针旋转90°停止。
③
・停止线圈2的电流，使电流从线圈1的右侧流入，从线圈1的左侧流出。
・左线圈1的内侧变为S，右线圈1的内侧变为N。
・永磁体被其磁场吸引，顺时针再旋转90°停止。
④
・停止线圈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的内侧变为S，下线圈2的内侧变为N。
・永磁体被其磁场吸引，顺时针再旋转90°停止。
二、电动机综合保护器三大功能参数如何设置
随着电子和相应软件技术的完善，目前几乎所有针对三相异步电动机驱动控制电路中，均加入了电子或智能型电动机综合保护器。这些综合保护器的功能几乎都包含了过载、短路、过欠压三大类，至于这三大类保护功能的参数整定，或许还有部分同行不甚了解，为此我们不妨共同复习一下。
过载保护功能主要是侧重于电动机运行过程的电流监测，其整定通常情况下为1.05—1.2倍的电动机额定电流。倍率的选择依据主要是看电动机所驱动负载的变化程度：若负载几乎恒定不变亦或是偶尔出现小幅波动，那么整定倍率可以适当选择小一些；反之如果电动机驱动的负载波动较大，诸如卷扬机等，这时过载整定倍率则需选择大一些。此外需要说明的是，过载保护功能具有反时限特性——其保护动作时间同负载电流成反比关系，若所选配的电动机综合保护器具有“过载动作延时”参数设置选项，大家则需根据实际情况进行设置，通常情况下该时长在20—60S之间。
不同于具有延时特性的过载保护功能，短路保护功能为瞬时动作形式（个别保护器带有“短路动作时间”参数设置选项，但多为mS级）——当线路中的电流值达到保护装置所设置的参数值，保护器会立即动作毫无拖延。短路保护参数设置多为5—8倍的负载电动机额定电流，倍率的选择依据主要侧重于启动带载情况和启动频率：电动机满载或者频繁启动时，整定倍率要大一些，以便防止两种情况下电动机启动电流较大引起保护器发生误动作。在此需要指出的是，目前部分智能型综合保护器（多为矿山单位使用）中的短路保护功能中有鉴幅和相敏两种模式供选择，简单来说鉴幅型短路保护功能主要针对电动机满载或频繁启动情况，以电流幅值为动作决定因数；相敏型短路保护功能主要侧重于负载线路较长的情况下，其动作在监测电流的同时还兼顾电压降参数。
至于综合保护器当中的过/欠压保护功能，无需多言是针对线路电压的。该保护功能主要依据主要是电路中电压波动不超过额定值的±15%。实际工作中我们要考虑到电动机两种情况下的问题：一是电动机满载或短时超载启动过程中造成的过大线路压降，要确保欠压保护功能不至于发生误动作；二来则是要考虑到部分电动机停机过程中产生的回馈电压现象，防止过压保护功能因此发生误动作。
三、无刷电机与有刷电机的区别
无刷电机：无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。
有刷电机：有刷电机是内含电刷装置的将电能转换成机械能(电动机)或将机械能转换成电能(发电机)的旋转电机。区别于无刷电机，电刷装置是用来引入或引出电压和电流的。有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。
无刷电机与有刷电机工作原理的区别
有刷电机工作原理
有刷电机是大家最早接触的一类电机，中学时物理课堂上介绍电动机也是以它为模型来展示的。有刷电机的主要结构就是定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。
有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。
在有刷电机中，这个过程是将各组线圈的两个电源输入端，依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个像圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子(碳刷)，在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给一组线圈通电。
随着电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的不同的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量，推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，像刷子在物体表面刷，因此叫碳“刷”。
相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷;碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。
无刷电机工作原理
无刷电机中，换相的工作交由控制器中的控制电路(一般为霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器)来完成。
无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。消除了有刷电机的缺点。
这些电路，就是电机控制器。无刷电机的控制器，还可以实现一些有刷电机不能实现的功能，比如调整电源切换角，制动电机，使电机反转，锁住电机，利用刹车信号，停止给电机供电。现在电瓶车的电子报警锁，就充分利用了这些功能。
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。
无刷电机与有刷电机的性能差异
有刷电机结构简单、开发时间久、技术成熟
早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机在交流电产生以后得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。尤其是直流无刷电机一直无法投入商业运营，伴随着电子技术的日新月异，直至近几年才慢慢投入商业运营，就其实质来说依然属于交流电机范畴。
无刷电机诞生不久，人们就发明了直流有刷电机。由于直流有刷电机机构简单，生产加工容易，维修方便，容易控制；直流电机还具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，所以一经问世就得到了广泛应用。
直流有刷电机响应速度快，起动扭矩大
直流有刷电机起动响应速度快，起动扭矩大，变速平稳，速度从零到最大几乎感觉不到振动，起动时可带动更大的负荷。无刷电机起动电阻大（感抗），所以功率因素小，起动扭矩相对较小，起动时有嗡嗡声，并伴随着强烈震动，起动时带动负荷较小。
直流有刷电机运行平稳，起、制动效果好
有刷电机是通过调压调速，所以起动和制动平稳，恒速运行时也平稳。无刷电机通常是数字变频控制，先将交流变成直流，直流再变成交流，通过频率变化控制转速，所以无刷电机在起动和制动时运行不平稳，振动大，只有在速度恒定时才会平稳。
直流有刷电机控制精度高
直流有刷电机通常和减速箱、译码器一起使用，使得电机的输出功率更大，控制精度更高，控制精度可以达到0.01毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用直流电机控制精度。无刷电机由于在启动和制动时不平稳，所以运动部件每次都会停到不同的位置上，必须通过定位销或限位器才可以停在想要的位置上。
直流有刷电机使用成本低，维修方便
由于直流有刷电机结构简单，生产成本低，生产厂家多，技术比较成熟，所以应用也比较广泛，比如工厂、加工机床、精密仪器等，如果电机故障，只需更换碳刷即可，每个碳刷只需要几元，非常便宜。无刷电机技术不成熟，价格较高，应用范围有限，主要应在恒速设备上，比如变频空调、冰箱等，无刷电机损坏只能更换。
无电刷，低干扰
无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。
噪声低，运转顺畅
无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。
寿命长，低维护成本
少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。
有刷电机与无刷电机调速方式的区别
实际上两种电机的控制都是调压，只是由于无刷直流采用了电子换向，所以要有数字控制才可以实现了，而有刷直流是通过碳刷换向的，利用可控硅等传统模拟电路都可以控制，比较简单。
1、有刷马达调速过程是调整马达供电电源电压的高低。调整后的电压电流通过整流子及电刷的转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的。这一过程被称之为变压调速。
2、无刷马达调速过程是马达的供电电源的电压不变，改变电调的控制信号，通过微处理器再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。
