馬達小教室：弗萊明定則 ( I )

在說明馬達轉矩方程式前，必需先講解弗萊明定則，主要是有個正交的觀念必須交代清楚。

馬達其實就是電場與磁場的交互作用，最後產生動力源，最好的說明可以參考羅倫茲力，能完整的描述電、磁、力的作用；但對一般人來說，仍然不容易理解。

相信大家都玩過磁鐵，最基本的異性相吸，同性相斥，這種磁鐵力量的作用，是大家親身經歷過且熟悉的。馬達只是把原本兩塊磁鐵間的作用力，將其改成電磁鐵而已。由安培定則可知，線圈通電後，會產生磁場，這種由電能轉換為磁能的裝置，就稱為電磁鐵。電磁鐵的好處是可以由電來調整磁力的強弱及什麼時間或是位置通電來產生磁場。若不需要使用時，只要將電源關掉，就不會有磁力；這種可以自主掌控的優點，比使用磁鐵更為方便。這就馬達誕生的契機，一種能控制電能轉換成磁場，最後透過磁力作用，轉為動力輸出的裝置。

所以馬達與小時候玩的磁鐵遊戲完全相同，只是馬達看起來更高級一點，控制的更精巧一些而已，本質仍然是異性相吸，同性相斥。

而佛萊明主要是可以簡單的使用右手或是左手把三者的關係定義出來，其中若使用右手，就是發電機模式；若是左手就是馬達模式。

基本上，筆者其實不太愛用佛萊明定則，每次教授佛萊明定則時，就會看到一堆學生在凹手指，而且還是很困惑。真要詳細解說，還是羅倫茲力比較恰當些；但佛萊明定則多了正交的觀念，在講解轉矩方程式之前，仍需講解清楚。

正交一詞，其實就是垂直，也就是90度。佛萊明左手定則中的電場、磁場及作用力，就與三度空間中的X、Y、Z三軸是相同的狀態。由此可知，正交其實並不難理解，特別的是，為何要正交? 正交有順序?

若在開放的空間中，於導電線的外側擺放N、S極磁鐵。若導電線並不與磁場維持90度的正交位置，將導電線通電後，會產生電磁場與磁鐵磁場作用，此時會誘發磁阻力反應，使導電線調整至與磁場正交位置，並同時會產生羅倫茲力將導電線推動。主要是磁能有很特殊的性質，會主動的強化周圍磁場傳遞能力；而當電場與磁場正交時，電磁場的能量會完全加載在磁鐵磁場上，因此磁阻力會主動調整導電線角度。但電場與磁場不正交時，僅是疊加的磁場強度較弱，而非無磁場差異，因此還是會產生羅倫茲力；只是未正交前，羅倫茲力較弱，隨著角度調整而逐漸增強。其角度與強度的變化正好為正弦函數Sin(ϴ)，90度時的值為1，其它角度都比1小。

由於磁阻力的存在，電、磁、力三者確實會主動調整至正交關係，然而現實是殘酷的。實際的馬達並非開放空間，會受到多種物理限制，使得電場與磁場沒辦法完美的正交，這就導致了Sin(ϴ)在馬達設計中，必須真實考慮，且存在的要素。

重點整理：
正交才能達到最大的力作用。