相信各位對馬達並不陌生，舉凡電風扇、吹風機等日常家電，甚至是科技前端的電動車與機器人都會用到馬達。雖然馬達充斥在日常生活，不過你知道馬達如何運作嗎？今天就讓主廚來帶你一起看看！
馬達運轉原理
馬達從英文的Motor音譯而來，是一種將電能轉換成機械能的裝置。講得更白話一點，當馬達通電之後，透過馬達內部結構，可以讓馬達產生運動，通電即是輸入電能，而馬達產生的運動即為機械能。那麼馬達如何將電能轉換成機械能呢？
圖1展示直流有刷馬達的構造圖，從圖1可知馬達包含磁鐵、轉動線圈、電刷以及整流子，藉由磁鐵與電流產生的作用力，使線圈持續轉動。由於線圈為動件，為了保持動件與靜止的金屬導線保持通電，一般多用石炭構成的電刷來導通動件與靜止件。而整流子則是確保電流方向以一定方向流入線圈，藉此讓線圈保持旋轉。
說到這裡，也許你依然會疑惑馬達是如何透過磁鐵與導線來產生運動呢？在說明馬達運作原理前，我們需要先介紹右手開掌定則，如圖2所示。圖2中的拇指方向代表電流方向，四指方向為磁鐵N極至S極方向，根據電流方向與磁力方向，可以得到導線受力方向為掌心向上方向。
大致了解馬達運作原理後，你可能還是會對市面上各式各樣的馬達感到疑惑，底下就來跟大家介紹常見的DC馬達與AC馬達。
DC直流馬達
直流無刷馬達
如果各位有選購電風扇的經驗，想必對DC直流馬達並不陌生。而直流馬達的特點為使用直流電(Direct Current)做為電源，其中直流代表電流方向一致。
了解直流的意義後，圖3直流有刷馬達的有刷指的又是什麼呢？所謂的有刷馬達指的是馬達本身帶有碳刷，除了有刷馬達以外，也有無刷馬達存在，其運作原理可參考圖4。
直流無刷馬達分別包含繞線定子與轉子，圖4的範例馬達分別具有A、B、C三組繞線定子，當B線圈通電後，定子B會形成電磁鐵，由於磁極異性相吸，外圈轉子便會往B轉動。當定子B磁性消失，定子C通電後，轉子會繼續往C轉動，透過不同定子在不同時序上的導通，便能使馬達轉子持續旋轉。
直流有刷馬達轉動過程中，碳刷會與整流子持續摩擦接觸，這也導致有刷馬達容易發燙，運作效率較差，甚至會產生火花。相較直流有刷馬達有著上述問題，由於直流無刷馬達少了碳刷構造，便能解決上述問題，運作效率較高。
AC交流馬達
AC交流馬達即是用交流電作為電源的馬達，相較直流電的電流方向單一，交流電(Alternating Current)指的是電流大小與方向會隨時間改變的電流，一般家用電源也都是交流電。
在介紹交流馬達運作原理前，我們需要先了解一些背景知識，第一個就是弗萊明右手定則，如圖5。與上述的右手開掌定則不同，弗萊明右手定則又稱為發電機原則，用來判斷導體在磁場中運動所產生的電動勢方向。
雖然聽起來不可思議，但可以用前述的右手開掌定則與弗萊明右手定則來解釋。當磁鐵逆時針運動時，可視同磁鐵固定的狀況下，金屬圓盤順時針運動，根據弗萊明右手定則，可以得知金屬圓盤會產生從圓心流向圓周的電流。
此時感應電流會與磁場產生交互作用，根據右手開掌定則可知逆時針方向的力作用於金屬圓盤。於是當磁鐵逆時針運動時，金屬圓盤也會跟著逆時針運動，此為阿拉哥圓盤運作原理。
三相感應馬達
了解前面背景知識後，我們來看看交流馬達中的三相感應馬達(Induction motor)，如圖7。所謂三相指的是三相交流電，而三相交流電由三個相位差120度且大小與頻率相等的交流電組成，分別對應圖7中的電流A、電流B、電流C。
單相感應馬達
一般家用AC電源多半是單相交流電，由於單相交流電僅有一組大小與方向隨時間改變的電流，該電流磁場無法直接拿來驅動轉子，因此相較三相感應馬達僅有運轉用的繞子，單相感應馬達需要額外的啟動繞子，且啟動繞子超前運轉繞子相位90度，如此才能確保轉子運動。
同步馬達
前面與各位介紹的三相感應馬達與單相感應馬達，由於是透過導體內部感應電流來產生作用力，相較馬達內部磁場轉動，轉子旋轉必然會有延遲，因此也稱為非同步馬達或是異步馬達。
既然有非同步馬達存在，想必也有同步馬達，而同步馬達與非同步馬達差異在於轉子從導體改為電磁鐵或一般磁鐵，由於轉子本身具有磁性，當繞線定子磁場產生變化時，轉子也能迅速反應，從而解決非同步馬達的問題。
主廚結語
本次與各位介紹AC馬達與DC馬達運作原理，不知道各位覺得如何呢？如今馬達應用愈加廣泛，無論是電動車或機器人都需要馬達驅動，未來馬達需求也會持續增加，因此才與各位分享馬達原理。如果喜歡此類文章的話，歡迎追蹤科技雞湯Facebook，持續關注最新消息！
參考資料
- 維基百科《右手定則》
- 電工機械II第2冊，龍騰文化, 2015