世界上功率消耗量的近一半是由电机消耗，因此在解决世界能源问题上，电机的高效率化被视为有效的措施之一。电机在现代工业、交通、家电等众多领域都有着广泛的应用，了解电机的工作原理对于提高能源利用效率和推动技术发展具有重要意义。
电机种类
一般情况下，电机是指将磁场内电流流通产生的力转变为旋转动作的设备，在广义范围内还包括直线动作的电机。按电机驱动的电源种类，可分为 DC（直流）电机和 AC（交流）电机。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
为了便于后续电机原理的说明，我们先来回顾一下有关电流、磁场和力的基本定律 / 法则。当导线框为矩形时，需要考虑作用在电流上的力。作用于边 a、c 部分的力 F 会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 由特定公式表示。以相同的方式考虑 c 部分，则转矩加倍，并生成由相应公式计算出来的转矩。由于矩形的面积为 S＝h?l，将其代入上述公式可得出通用结果。该公式不仅适用于矩形，也适用于圆形等其他常见形状，电机就是利用了这一原理。
电机如何旋转
电机旋转借助磁铁、磁力
在带旋转轴的磁铁周围，通过旋转磁铁（使产生旋转磁场），根据 N 极与 S 极异极相吸、同级相斥原理，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）从而使磁铁旋转，实际上与此是一样的动作状态。另外，将导线绕成线圈状，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。
实际旋转电机
作为旋转电机的实际方法，常利用三相交流和线圈制造旋转磁场。三相交流是间隔 120° 相位的交流信号。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。
小型电机的结构
步进电机、有刷直流（DC）电机、无刷直流（DC）电机这三种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。步进电机的线圈在外侧固定，磁铁在内侧旋转；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；无刷电机的线圈在外侧固定，磁铁在内侧旋转。
有刷电机
有刷电机的结构
有刷直流电机的永磁体是固定的，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”。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
从初始状态开始，当电源连接到电刷，设左侧为（+），右侧为（-），大电流从左电刷通过换向器流到线圈 A，使线圈 A 的上部（外侧）变为 S 极。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。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。随着线圈的旋转，电流的分配和磁场的变化会持续使线圈受到逆时针旋转的力。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。
三相全波无刷电机
三相全波无刷电机的外观和结构
无刷电机的外观和结构多样，例如用来旋转光盘播放设备中的光盘的主轴电机，共有三相 ×3 共 9 个线圈；FDD 设备的主轴电机，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
内部结构简图以简单的 2 极（2 个磁体）3 槽（3 个线圈）电机为例，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，且没有电刷。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。通常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。霍尔元件利用了 “当电流 I<sub>H</sub>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 V<sub>H</sub>” 的霍尔效应，产生的电压 V<sub>H</sub>由公式 V<sub>H</sub> = (K<sub>H</sub> / d)?I<sub>H</sub>?B 表示（K<sub>H</sub>为霍尔系数，d 为磁通穿透面的厚度）。
三相全波无刷电机的旋转原理
通过按照步骤①～⑥依次切换流入线圈的电流，可使永磁体沿固定方向旋转。例如，在步骤①中，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，通过磁场的矢量合成产生相对于永磁体成 90° 角的合成磁场，从而使永磁体顺时针旋转。随着旋转位置的变化，不断调整各线圈的电流，使合成磁场也顺时针旋转，永磁体也继续旋转。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。
步进电机
步进电机的结构（两相双极）
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，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，因此被广泛用于需要定位的设备中。步进电机通常是线圈固定、永磁体旋转的结构，常见的有 HB（混合）型和 PM（永磁）型。
步进电机的基本工作原理（单相励磁）
通过电子电路按照特定顺序切换流过线圈的电流，即可使步进电机旋转。例如，在状态①中，使电流从线圈 1 的左侧流入，从线圈 1 的右侧流出，此时左线圈 1 的内侧变为 N，右线圈 1 的内侧变为 S，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。依次按照①至④的顺序切换电流，永磁体将顺时针旋转，每开关动作会使步进电机旋转 90°。当使电流不断流过某一线圈时，可以保持停止状态并使步进电机具有保持转矩。如果将流过线圈的电流顺序反过来，则可以使步进电机反向旋转。
