步进电机可视为多极同步电机。同步电动机的定子产生的磁场吸引转子的磁极,使得转子的磁场和定子的磁场同时旋转。当施加负载时,转子磁场和定子磁场保持恒定的角度偏差,从而在转子中产生平衡负载的电磁转矩,该偏差角称为功率角。
如下图所示,定子在气隙外部,转子在气隙内部,并且定子和转子都是永磁体。外定子以代表旋转磁场的铁心速度逆时针旋转。此时,当施加负载转矩TL时,仅转子极轴以功率角中心δ偏离定子极轴,并且转子仍在定子磁场下以同步速度n0旋转。
因为由转子产生的输出转矩T1与负载角成正弦关系变化,所以最大转矩为Tm1,其等式如下。
T1=Tm1sinδ
因此,负载扭矩TL与δ平衡。在下图中,垂直轴表示转矩T1,水平轴表示负载角,当δ=π/2位移角时,会出现最大电磁转矩。当负载转矩大于最大电磁转矩δ>π/2时,定子磁场无法使转子以同步速度旋转,这种现象称为失步现象。真正的步进电机的定子不是如上图所示旋转的永磁体。所谓的两相电动机是指两个线圈,它们之间的间距差为π/2。通过具有相位差的交流电后,会产生一个π/2的旋转磁场。