起因：之前整理了馬達教育訓練的課程內容，後來因為種種緣故沒有正式開課，故將此份教學資料上傳網路，並以文字描述的方式進行傳播，也許未來有可進階使用影片的方式呈現，但並不保證。
本篇為馬達基礎課程，適合完全沒學過馬達技術的新手，或想要重新打造知識基礎的學員，高手的話則是可以忽略本階段內容。
以筆者的個人經歷來說，國內的學習往往強調先進尖端科技的技術展現，而國外則更講究知識基底的塑造，長期比較觀察下來，筆者深感國外反而具備"完全創新"的能力，而國內則容易被綁在固定框架之內，做些錦上添花式的創新應用。而筆者也是有過一段重新學習的過程，也更能體會到基礎的重要性；故建議各位學習者，其實越基本的知識在馬達領域中往往越實用，後續也才能更容易地跳脫市售馬達的框架，創造一顆真正屬於自己的馬達，而非僅是模仿及修改。
筆者將馬達基礎劃分三階段進行講解，分別為定義、理論及分類。之所以將定義擺在第一項，其實是筆者所受的學術教育結果；求學時時都會戲稱，只要論文定義得好，包準學生肯定能畢業，當然實際上這是一種能力不足的自我調侃。一篇關於馬達的研究，若開頭定義了文章內容將要忽略馬達損失所造成的影響，僅專心討論馬達設計的優勢，憑藉著定義的範圍限定之後，這確實是一篇可以用以畢業的論文；但對於真實物理世界而言，則是一篇無效的作文，因為損耗是真正存在的現象，完全無法忽略。由此可知，正確的定義，其實決定了相關技術研究的後續發展與走向，甚至是理論的正確與否都將因此改變，故須優先提出說明。
首先是明確定義出馬達所扮演的角色，說白了馬達也僅是一個能量轉換的機構，負責從電能轉換為動能使用，因此討論馬達的能量轉換效率就會是重要的課題；然而如此的描述方式往往忽略了另一個面向，也就是"能量"。能量從何而來，往那個方向去? 能量做了什麼，發生了怎樣的轉換? 能量如何使用，又是否能保存? 能量有幾種型態，做了幾次轉換? 這些其實都是馬達內部需要面對的課題，但鮮少被討論及理解，因此大部分的情況下，我們只學到了馬達的一個"點"，而非馬達整體的"面"，這是甚為可惜的，也是導致技術無法突破的盲點。傳統的教學模式容易讓學習者會陷入牛角尖當中，只在意到馬達內的能量轉換，忽略了能量本質的重點與可能性，使得馬達很容易被有心人士偽裝成能量增幅器或是永動機一類的不合理存在，這都是基礎知識不夠全面所造成的陷阱。
反之，若能從各種能量形式來重新審視馬達，就能進一步的理解現有困境與問題，才能跳脫既有思維，進而改善或是設計出恰到好處的馬達。
一般可以簡單地實際體會，使用馬達就是將其插電之後，馬達就會開始旋轉運動，提供動力給各種機器輸出。將馬達的使用體驗拆解分析，由於需要插電，也就能知道馬達需要電力能量的輸入才能運作，因此馬達需要電能；經過了馬達內部的能量轉換後，轉換成了一種旋轉的力量輸出，就稱為動能。然而這些並非是馬達能量的全部，其中還有著機構慣量所需要的位能影響，以及能量傳遞與轉換後的損失，自然生成的熱能。
首先從動能開始說明，其的基本定義是"物體從靜止狀態至運種狀態所做的功"，數學的描述式如下，其中Ek代表動能，而v表示速率，這裡面還存在一個m是物體的質量，簡單的說「動能是用來描述一個質量進行移動時所出的能量」。更白話的說，有一台車停止不動，但車子本身有重量，而這種量就是數學式當中的質量m；當人想要推動車子的時候，那人出的力量就是動能Ek；而推動車子後，車子除了會移動之外，還會有個移動速度，那就是速率v。由這方程式我們可以預估，車子越重，想要推動車子時，人要提供的力量就越大；若希望車子推得快，同樣也得付出較大的力量才能達成。
其實蠻多人不喜歡數學表示式，但對筆者而言，其實數學僅是將現實世界的現象，換一種方式描述而已，如上述的動能數學式，也就只是告知我們，當物體越重時，搬得越費力，甚至是搬重物時想要跑得快，是更費力的"現實"。若能將真實現象與數學公式互相對照時，那數學公式也就沒那麼難懂了，畢竟這些數學公式很多都是每個人都有過的親身體驗，別忘了牛頓的運動方程式也就是被蘋果砸到頭的轉換，差別在於一般人不會想要用數學模型去表達，而這些數學家們採用了數學方法而非文字說明去做描述。
由於動能方程式當中有了質量m的關係，也就牽扯到了"位能"的存在。其實筆者認為"位能"這名詞其實取的並不好，實際上是在描述固定狀態時的能量，僅使用簡短的"位"一詞，容易讓人誤會是高度位置的變化，包括筆者在學習時，老師教的也是以屋頂為例子，當我們將石頭從一樓帶到屋頂上擺放時，石頭此時看似沒有移動也沒有能量，但若將石頭拋出建築範圍，就會加速下墜並產生高速動能，這就是位能轉換為動能的案例。這樣的說明確實能讓學生快速理解到位能的存在，畢竟這種亂丟東西的經驗肯定人人有之，但也容易讓人以為"位能"僅受到高度與重力的影響；實際上是需要延伸至"狀態"，這種更加全面性的用詞才恰當。
將"位能"做最廣義的說明應該是「狀態等同於能量」，在現實物理世界當中，任何一種狀態的維持或是變化都需要有能量作為代價，就如同隨著年齡增加，想要讓肌膚維持水嫩，需要依賴外部的保養品一樣，能量往往會經歷各種轉換、儲存、維持及損失等階段性的型態改變，而在不同的狀態下都可以使用專屬的"位能"來去定義描述。
有了位能的狀態概念之後，就更容易了解，不僅僅是物體移動需要能量，當物體靜止不動或是維持固定的運動狀態時，都還隱藏著位能的需求。案例這就是汽車從靜止到開始移動，往往需要踩油門才會啟動，這就是使用"動能"來改變汽車"位能"的狀態；而電風扇也不會因為關掉電源開關之後，少了電能的輸入就瞬間立刻停止，而是會緩慢的降速直到先前儲存的"位能"能量消耗殆盡，風扇才會完全停止，這些都是"位能"存在的真實依據。
其實也可以從另一個觀點來說明，物理學中對功W的定義，是表示力F對位移d的累積的物理量，其數學表示式如下；概念就是將石頭從一樓抬到屋頂後，所花費的力氣總和。這種描述可以說是非常地直覺式表達，能說明了力量的累積合與位置的變化差，而這位置其實就是"位能"，但僅針對位移的情況作定義。
因此在動能的數學式當中，除了之前說明的基礎表示式之外，其實還有第二種描述方法如下，是將兩種動能狀態互相抵扣求差的解法，這其實就非常接近真實世界的狀態了，也同時蘊含著"位能"狀態的道理。
以實務案例說明，當汽車車速維持在90公里的高速巡航狀態之下，可以發現此時並不需要持續大腳加油門，僅需要略補一些油門來抵抗路面摩擦損失以及風阻損失即可，車子將維持在時速90公里的位能穩定狀態下；倘若此刻駕駛想將時速增加到120公里，那就得補足油門，灌入足夠的動能，方可將汽車的位能狀態由90公里變化至120公里，這中間的動量差異就是功。若以馬達作為例子，那就是原本馬達轉速為600RPM的穩定旋轉情況下，希望將轉速提到1000RPM，就需要補充電能，來生成新的動能進而改變馬達轉速。
其實無論是物理學或是機械力學的觀點一開始都在描述物質受到力影響的累積，會導致物體移動或是有速度的變化，但動能定理後來改以兩種狀態之差的描述法，顯得更加技高一籌，讓這數學是可以涵蓋更完整的位能狀態要素，進而可以應用及解釋的領域也就更多，更豐富了。
請注意，研究馬達時，"位能"的觀念往往會因為不知道而被被忽略，但這將會影響馬達使用時的加減速能力，也經常被當成詐騙時的技術手段，利用"位能"的儲存能量假冒為永動機，不得不防備。
另一個有趣的是能量守恆定律，馬達作為一個能量轉換機構，很可惜的是轉換效率永遠不可能達到100%，而這些傳遞及轉換失敗的能量，會變成熱能的形式輸出，導致馬達中產生了額外的熱能需要進行處理。與"位能"想似的情況又產生了，對於電機領域的專業知識來說，並不會學習到熱的相關知識，也就沒有預期到馬達當中會有熱存在，進而導致熱變成了困擾，需要額外想辦法解決熱的問題，避免馬達燒毀。
同樣類似的能量轉換產品，就是"引擎"將燃油透過點火爆炸產生的能量轉換為動能輸出使用，也會因為效率不佳產生了非目標需求的能量及產物；但引擎系統逐漸懂得運用這些到處四溢能量，如引擎廢氣，去做渦輪增壓的處理，進而獲得更多的動能輸出。
由上述例子可知，其實從機械科的觀念來看，馬達所產生的熱能，其實有效運用還是可以從熱能轉換為動能使用，因為熱也是一種能量體，可以考慮如何善加利用；但若單純電機領域而言，並沒有熱能的使用概念，熱往往就是單純的困擾而已，需要依賴散熱裝置來協助導出，避免系統燒毀。而大同的馬達老師傅就曾經告知筆者「一顆不會熱的馬達，並不是好馬達，這代表它並沒有發揮到極致。」這句話筆者謹記在心；由此可知，不同的技術領域，觀察馬達的面向並不同，導致能量可以被視為廢物，也可以變成黃金，也可以是技術能力的展現。
然而電能、動能、位能以及熱能，也並非馬達內部能量的全部，馬達當中最難以觀察得到的就是磁能資訊。實際的傳換順序，是由電能生成電磁場，與馬達內部的磁場相互作用之後，才轉換成動能輸出；由於動能產生了，耦合馬達本體以及外部機構的質量後，就會進而的改變馬達位能狀態，若白話一點的說法就是馬達轉速變化，因此我們會看到馬達開始旋轉直到穩定轉速；此外，無論是電能、磁能、動能、位能之間的能量傳遞與轉換，都會有些許的損失，都將轉變為熱能形式出現。以上才是馬達運作時，內部所有能量的故事，因此學習馬達，理論上需要將電能、動能、磁能、位能、熱能這五項都學好學滿，才算是過了基本門檻。
馬達廠其實終其一生都在解決兩項問題，振動噪音以及熱。須特別強調，振動、噪音是同一件事，僅是因為能量頻率不同，低頻時以振動的形式展現，高頻時變噪音傳出；而熱並非是問題，而是溫度的拿捏是否恰到好處，溫度過高會造成馬達燒毀，溫度過低則是浪費材料。在相同體積之下，如何達到熱平衡，使馬達產生的熱與恰好等同於散熱能力，也能讓溫度控制在馬達內部材料的溫度上限之內，這是一門精密計算的藝術。
架設馬達能量轉換效率高達90%，此時設計一顆100W的馬達，代表當中會有10W轉變為熱能散出，但若設計為1000W的馬達，就需要應付100W的熱能；由此可知，當馬達的功率越高時，往往需要應付的熱也就越多，合理的反推之後，也就能驗證出會熱的馬達其運作功率是較高的，能提供更多的動能輸出使用；這也是不會熱的馬達，不是一顆好馬達的根本原因。
以下是熱力學第一定律，其中ΔEint是系統內能的變化量，Eint,f為系統最終的能量狀態，而Eint,f代表系統初始的能量狀態，Q代表熱量，而W就是功。可以發現動力學也採用了兩個狀態差進行數學描述，這最終與最初的能量狀態，其實同樣是位能的概念；我們繼續觀察這最終與最初到底發生了什麼事? 方程式告知我們是系統內的能量變化為熱量Q減去了功W。
"熱量減去了功"顯然不容易理解，但若是回到蒸汽機的時代，這方程式就十分好說明；就是燒煤時所產生的熱能，透過蒸汽機轉換成動能輸出後，那些未能成功轉換的熱能依然存在著，導致了環境溫度的變化，故蒸汽機的周遭溫度都非常高，這就是能量型態的表現。
由於熱力學第一定律其實是能量守恆，得利於蒸汽機時代的經驗，人們大量地利用熱能轉換為功，或是說轉換為動能來使用，同時體驗到了溫度的變化，把兩者結合解釋，就變成了熱力學第一定律，將溫度的變化視為能量的一種，也就是熱能。
因此當我們觀察到熱的變化，就會開始考慮，什麼地方開始有熱能產生了? 同理，在馬達當中之所以會知道損失轉變成熱能，並不是一開始就發現能量傳遞及轉換的損失，而是觀察到馬達溫度有了變化，才使用熱力學第一定律判斷出來的。也因此，馬達內部的損失情況，也可以透過對溫度變化的觀察，來判斷何處的損失較為劇烈。
然而關於"熱"，後續還有很多的要素得注意，特別是各種熱傳條件，同樣會是學習的重點；筆者曾經想要透過親眼觀察溫度的變化來體會一下馬達鐵損的反應，預期從加工面處優先溫昇，無奈矽鋼片的熱傳導效率高，溫度很快就均勻化了，也就無法觀察核對。
基本的熱傳分為三種，熱傳導、熱對流以及熱輻射，其中熱輻射雖然是利用電磁輻射效應在傳導的，但與馬達的電磁應用並不相同，這種熱輻射反倒可以藉由視覺光譜來進行判斷比較，如太陽及火焰所傳導的熱能，能直接使用視覺觀察判斷；由此可知馬達當中的熱輻射顯然難以出現，且熱輻射也是三種傳導當中最弱的，除非馬達直接燒起來，產生了火焰狀態，不然很少去考慮熱輻射的影響，其占比實在太低了。
三種熱傳當中最直接有效的就是熱傳導，其數學表示式如下，另外由於馬達大多以功率W作為統一評判標準，因此將熱傳導做積分處理之後，可以得到熱傳導功率P，Q同樣代表熱量，即單位時間通過固定面積的熱量和；k則是材料的熱導率，S是熱傳導面積，∇T是溫度梯度，代表此區塊的溫度變化差，dA是向量表示式，代表溫度變化的方向。若單純觀看這數學式，確實很燒腦，但實際經驗卻很簡單，煮泡麵的時候，想要攪拌麵條時，往往會拿雙筷子插進去攪拌；但我們也都會知道，不能持續地把筷子放在鍋內太久，因為積分∫的時間累積，最終會導致熱傳遞到手拿的位置而造成燙手；而在短時間內，熱能的累積受到筷子材質的熱傳導率k限制，不會迅速佈滿整雙筷子，讓我們還有時間可以使用筷子；而此時筷子插在鍋內的位置點是最高溫，我們會直覺地判斷，最好拿筷子的最遠一端，這就是dA的含意，代表著熱傳是具有方向性，只要離遠傳遞的方向就能盡量地避免被燙到；而筷子握得越靠近鍋子處一定就越燙，這就是∇T的真實表現，造成明明是同一雙筷子，但握在不同位置處會有不同的溫度體驗；此外也可以發現筷子往往前細後粗，這就導致前端較熱處的熱傳面積Ｓ較小，使得熱傳導能力下降。
由上述的實例說明，其實也代表數學式告知我們，若不想要被燙到，第一就是不要經過太長的時間累積，那肯定無藥可救，第二就是材料的導熱係數越差越好，熱是能被隔離的，第三則是溫度具有方向性，要盡可能的遠離熱源中心，第四則是熱源產生處的熱傳面積越小，則傳遞能力越差，可以藉此限制熱傳方向。未來看到數學式，不要急著去思考如何計算，而是想一想公式代表的真實物理涵意及相依的現象，才不會讓數學看起來一頭霧水，試著體會數學原來是另一種描述語言與表達方式。
雖然對付熱最有效率的方式是利用熱傳導技術，然而最常解決熱的問題的手法，反而是利用熱對流，講白了就是電風扇或是冷氣開下去，所有熱的問題都迎刃而解，不夠冷就吹得更強更快，讓熱藉由空氣迅速帶離。最主要的原因是熱傳即便傳導到了理想位置之後，還是需要藉由自然對流將熱散發於環境當中；終究是需要對流到自然環境的話，何不一開始就強制性的執行熱對流就好。
熱對流就更容易了解了，洗澡時一邊放冷水，一邊放熱水，最終我們會的到溫水，這種現象就是熱對流的結果；有趣的是熱對流的效率會隨者倆著間的溫差越大，就顯得更為迅速，也就是夏天冰融得特別快的原因。由此可知，當有熱的問體產生時，只要在靠近熱的位置處，想辦法製造出低溫的環境，雙方就回融合出一種∇T的溫度梯度狀態，雖然在熱源處的溫度仍然很高，但只要逐漸遠離，溫度就會快速下降，達到不影響別處的效果。
有段時間，筆者十分質疑馬達效率的定義，就是因為位能觀念的差異所造成的。馬達效率是由電機觀點所定義出來參考值，然而當馬達達到最高轉速時，此時轉矩值將趨近於零，因此計算後的輸出功率為零，導致效率值也為零；而馬達賭轉時，也會受到轉速值為零的影響，計算得到的輸出功率為零，故轉換效率仍然為零。然而有搬過東西的人都會有所體驗，當搬運重物時，即便是不移動，停在原地時，會被視為沒有做功，但自己卻累得半死，這種明明有出力做事，但卻被定義為零的感覺，讓筆者覺得不合理；當時覺得這效率的定義，少了位能觀念的導入，導致實際上做的有效功也被忽視；不過後來發覺，馬達已經夠難學了，理解的人已經不多了，還加入位能這項次，導致難度再次翻倍，也並非什麼好事，也就得過且過了。
位能的體驗，其實就存在每個人的人生經驗之中，包括水庫、雲霄飛車，甚至是舉啞鈴都是位能觀念的呈現。水庫洩洪或是瀑布落下時，能感覺到萬馬奔騰的氣勢；雲霄飛車的緩慢升起累積位能後，迅速釋放轉換為動能飛速墜落的加速感；舉起啞鈴支撐時的肌肉哀號，甚至是抖動不已，這些都是各種不同狀態下的位能表現。就如同其數學式表達的，當任何狀態有改變時，這當中就會有能量的存在，無論是增加或是消散，也無論是何種能量的形式，如溫度的變化，雖然會被規範屬於熱能的領域，其時也是廣義的位能表現；而狹義的位能則被定義於位置狀態的變化。而筆者對於狹義與廣義的選擇，往往是數學運算上需要嚴謹，就會採用狹義的定義，但對於真實的物理現象的理解，則盡可能的廣義看待，有時會有意想不到的理解，甚至衍生出另一層面的解決辦法。
由於缺乏慣量、質量以及位能的觀念，很多非機械領域的都會被這種大型慣量塊以及LED燈或小型發電機的混和搭配所欺騙；反之對於學過力學的機械科系而言，一看到那麼大的轉子，就知道那等同機械式的大型電池，可以儲存大量的動能，在拿去堆動小型負載，如LED這種低功率的產品，那將會是如同永動機一般的存在；如同1KWh的電池僅需要輸出1W給LED使用的話，那當然可以支撐1000小時的續航力。詐騙者僅僅測試您，看您是否能認知那大型慣量塊原來是個電池而已。
另外就是利用小馬達，緩慢的帶動起大型慣量塊之後，就可以推動大功率的發電機產生電力，變成一個能量增幅機構，花1W的電帶動馬達後，獲得10W的電能輸出，這種好事情，其實就是忽略的積分的影響，也就是時間。其實1W的馬達是花了10倍以上的時間將超過10W以上的能量儲存在大型慣量塊當中，再開啟10W的發電機，就能展示能量增幅的效果。其實就跟平常手機充電的意思是一樣的，將電緩慢地衝入電池當中，有需要的時候就可以大量使用。
筆者還有碰過電動自行車，前輪裝發電機，後輪裝馬達，就宣稱一輩子都不需要充電就可以持續使用；筆者心中的想法是，自行車就算不裝發電機跟馬達，人用腳踩本來就可以騎一輩子，業者僅是換了個說詞，刻意不說明人力的輸入而已。同樣的模式套用到電動機車上，此時就無法宣稱可以騎乘一輩子了，僅能告知續航力30公里；對筆者而言，那就是電池容量的結果展現，跟發電機一點關係都沒有，畢竟能量守恆的現實就存在，無法忽視也無法跳過，純粹就是欺騙相關知識領域匱乏的障眼法。
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