馬達知識
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2025-07-11
機器人中使用的10種馬達類型：特點與選擇建議
機器人中使用的10種馬達類型：特點與選擇建議
馬達能將電能轉換為推動運動、旋轉及複雜任務所需的機械力，使其成為機器人運動與自動化不可或缺的核心元件。若沒有合適的馬達，機器人可能無法達到所需的精度、效率或耐用性，進而影響其預期功能。此外，選擇適當類型的電動馬達也有助於降低能耗與運轉噪音，讓機器人能長期維持穩定的性能與可靠性。在本文中，我們將介紹機器人常用的各種馬達類型，並根據負載、控制方式、速度與精度等因素，探討如何為特定機器人系統挑選最合適的馬達。
機器人常用的馬達有哪些？10大主流類型
機器人領域主要使用以下10種馬達。接下來我們將說明它們的運作原理、優缺點，以及最適合的應用場景。有刷直流馬達（Brushed DC Motors）
Source: ResearchGate有刷直流馬達（BDC）同樣是基於電磁感應原理運作。其固定的碳刷會壓在旋轉的分段銅套（換向器）上，當電流通過時，會在轉子內部產生電磁場。這個電磁場會與定子的永久磁場互相作用，產生推動轉子旋轉的力。換向器與碳刷會持續切換轉子線圈中的電流方向，確保馬達能持續運轉。
這種機械式換向設計，省去了複雜的電子控制器，使得有刷直流馬達易於驅動與控制。此外，BDC馬達價格低廉，低速時扭矩表現良好，且有多種尺寸可供選擇。
因此，有刷直流馬達廣泛應用於對精度與長期耐用性要求不高的簡易機器人領域，如玩具、教育型機器人、業餘愛好者的小型移動機器人，以及輕型工業執行器等。
然而，BDC馬達的碳刷與換向器因摩擦而容易磨損，不僅降低效率，還會產生熱能、噪音與電磁干擾（EMI），可能影響機器人中的其他敏感電子元件。這也意味著有刷直流馬達需要較多維護，且壽命通常比其他類型的直流馬達短。
無刷直流馬達（Brushless DC Motors, BLDC）
Source: ResearchGate無刷直流馬達（BLDC）是有刷馬達的現代替代品。它們不使用機械換向器和實體碳刷，而是依靠外部電子控制器來切換定子中的電流以實現換向。轉子上裝有永久磁鐵，定子則包含通電後產生磁場的電磁鐵。
此外，控制器會利用反饋訊號精確判斷轉子位置，確保定子依正確順序通電，從而實現平順且高效的旋轉。
因此，BLDC馬達在低速時能提供高扭矩，效率優異，產生的熱量少且運轉安靜。由於沒有碳刷與換向器的物理接觸，維護需求極低，壽命也大幅延長。
缺點是BLDC馬達結構較為複雜，需要先進的電子控制系統，通常還需配備霍爾效應感測器或反電動勢（Back-EMF）感測器來偵測轉子位置。成本也比有刷馬達高。
儘管如此，BLDC馬達因其精確性、可靠性與持續運作能力，廣泛應用於無人機、機器人手臂、工業自動化、醫療設備及電動車等領域。
交流馬達（AC Motors）
Source: ResearchGate交流馬達是利用定子與轉子之間的電磁感應產生機械運動的裝置，主要分為同步馬達和異步馬達兩種。
當交流電流供應到定子繞組時，會產生一個持續旋轉的磁場。在同步馬達中，轉子的轉速與這個磁場的旋轉速度相同，因此無論負載如何變化，轉速都保持固定。相對地，異步馬達的轉速略低於磁場轉速，因為轉子速度與磁場旋轉速度不相等。
同步與異步交流馬達皆具備高效率、高扭矩與耐用性，特別適合用於重工業應用，例如機器人手臂、輸送系統及大型自動化設備，且可直接連接至電網電源。
不過，交流馬達較少用於移動或便攜式機器人系統，因為大多數機器人的電子元件與控制系統使用直流電（DC），通常由電池供電。若要將交流電轉換成直流電，需使用轉換器，這會增加系統複雜度、重量及效率損失，對於需要移動性與緊湊設計的應用來說不太實用。
伺服馬達（Servo Motors）
Source: ResearchGate伺服馬達是一種專門用於機器人的直流馬達。與一般持續旋轉的馬達不同，伺服馬達運作於一個閉環系統中，該系統包含馬達本體、反饋感測器（如編碼器或解析器）以及控制電路。控制電路會向馬達發送脈寬調變（PWM）信號，設定目標位置。反饋感測器則回傳當前位置給控制器，使其能精確調整輸出功率，修正偏差並穩定保持所需角度，不受負載影響。
伺服馬達的主要優勢在於其在位置、速度與扭矩控制上的卓越精度，這使其非常適合需要穩定且精確運動的任務，例如機器人手臂、攝影雲台、搖攝機構、機器人夾爪及自主車輛等。
不過，由於結構複雜，伺服馬達通常比基本的直流馬達價格高。此外，標準的業餘級伺服馬達旋轉範圍有限（通常為180度或270度），不太適合高速或長距離旋轉應用，但市面上也有連續旋轉型號供高階用戶選擇。
步進馬達（Stepper Motors）
Source: ResearchGate步進馬達是一種直流馬達，能將一整圈旋轉分割成一系列精確且相等的步進角度。定子中有多組繞組（相位），由外部驅動器依序通電。每當某一相位被激磁時，會產生磁場吸引轉子上的永久磁鐵與鐵齒至特定位置。透過依序切換各相位，轉子便以固定角度逐步前進。
這種開環控制系統使得步進馬達不需反饋感測器，簡化了控制電路，同時能實現精確的定位且成本較低。步進馬達在低速時具有良好的穩定性，通電時能保持扭矩（牢牢固定位置），即使沒有外部制動裝置。
因此，步進馬達廣泛應用於需要精確且可重複定位的場合，例如3D列印機控制列印頭與平台移動、機械加工用的CNC系統調整工具與工件位置，以及用於移動機器人拍攝延時攝影的相機滑軌。
不過，步進馬達在高速運轉時效率不及無刷直流馬達（BLDC），且即使靜止時仍會消耗電力。此外，若驅動不當，步進馬達可能產生共振，導致振動或步進遺失，因此不適合快速且連續旋轉的應用。
齒輪馬達（Geared Motors）
Source: ResearchGate齒輪馬達本質上是將標準電動馬達（最常見的是有刷直流馬達或無刷直流馬達）與齒輪箱或齒輪組合而成的整合裝置。齒輪系統基於角動量守恆原理（齒輪減速）運作：較小的輸入齒輪高速旋轉，將動力傳遞給較大的輸出齒輪，後者轉速較慢，但扭矩成比例地大幅提升。馬達的輸入電壓通常可透過脈寬調變（PWM）進行調節，以控制速度。
齒輪馬達的主要優點是能從體積小巧的馬達中提供高扭矩，讓小馬達能推動比自身能力更重的負載。它們還能在低速下實現精確控制，並透過不同齒輪組合，提供多樣化的速度與扭矩比，滿足不同需求。
因此，齒輪馬達適合用於需要強大但緩慢且可控運動的場合，例如移動機器人與遙控車的驅動系統、機器人手臂的關節驅動、機器人夾爪、無線電動工具，或任何需要高扭矩克服阻力以搬運重物的自動化系統。
使用齒輪馬達的挑戰在於齒輪組會產生摩擦、噪音與磨損，可能導致整體效率低於直接驅動馬達。此外，齒輪間存在的間隙（齒隙）可能影響某些高精度應用的定位精度。
線性馬達（Linear Motors）
Source: ResearchGate線性馬達是一種專門設計用來產生直接線性運動的電動馬達，與傳統旋轉馬達不同，它的定子與轉子沿直線排列，能沿著一條直線路徑產生推力，而不需要像皮帶或齒輪等機械傳動系統。
線性馬達的基本結構包括定子和滑塊（或稱為移動部分）。定子通常由一系列電磁線圈組成，通過電流產生磁場；滑塊則由導體或永久磁鐵製成，當定子通電時，滑塊會受到磁場作用而產生線性運動。線性馬達主要分為直線感應馬達和直線同步馬達兩種，前者利用變化磁場在滑塊中感應出電流產生推力，後者則依靠定子與滑塊間磁極的吸引與排斥來驅動。
這種直接驅動的設計使線性馬達具備高精度定位、快速加速和平穩運動的特性，廣泛應用於高精度機器人，如取放機械手臂、自動化生產線的運輸系統等，需要精確線性運動的場景。
線性馬達雖然價格較傳統旋轉馬達高，但因結構簡單、無齒輪系統，維護成本低，且能實現高效能與奈米級定位精度，未來在工業自動化、醫療設備及智能家居等領域有著廣闊的應用前景。
氣動馬達（Pneumatic Motors）
Source: ResearchGate氣動馬達，也稱為空氣馬達，並非使用電力驅動，而是依靠壓縮空氣注入馬達內部的工作腔室。壓縮空氣推動葉片、活塞或渦輪，產生旋轉力矩。
這類馬達通常重量輕，具有高功率重量比，使機器人能快速且高效地運動。它們還具備瞬間啟動與停止的能力，並能承受堵轉而不受損害。
此外，氣動馬達不會產生火花，適合用於易爆或易燃環境，如礦井、噴漆間及某些製造過程中，電動馬達可能存在安全風險的場所。它們也常用於機器人末端執行器，如夾爪的夾持動作，以及部分移動機器人中，作為提供快速且強力動作的致動器。
氣動馬達的主要限制是需要持續且穩定的壓縮空氣來源，因此必須配備外部空氣壓縮機、儲氣罐及相關氣管，增加系統體積與重量。此外，氣動馬達的功率密度與控制精度通常低於電動馬達。
液壓馬達（Hydraulic Motors）
Source: ResearchGate液壓馬達將加壓液體（通常是油）的能量轉換為旋轉運動。高壓液壓泵將液體推入馬達內部，驅動齒輪、葉片或活塞等元件，使馬達的輸出軸旋轉。
這種類型的機器人馬達能在低速時提供極高的扭矩，且具備相對緊湊體積下的高功率密度。此外，液壓馬達結構堅固，能在極端負載或惡劣環境下穩定運作。
基於這些優勢，液壓馬達常見於大型重載機器人和設備，尤其是需要強大力量的場合，例如建築機器人、農業機器人、大型工業操作臂，以及其他用於搬運或挖掘的重型設備。
然而，液壓馬達需要配合液壓系統運作，包含泵浦、油箱、過濾器及複雜的管路系統，這會增加系統重量、成本及維護難度。此外，液壓系統存在液體洩漏風險，可能造成環境污染和清理困難，且在許多應用中，其整體效率通常低於電動馬達。
壓電馬達（Piezoelectric Motors）
Source: ResearchGate壓電馬達透過壓電效應產生運動。當某些材料（多為壓電陶瓷）受到電場作用時，會發生形變或振動，並因機械應力產生電荷。這些微小的膨脹與收縮經過放大與定向，通常透過摩擦力來驅動馬達的轉子或滑塊移動。
由於壓電馬達不依賴磁場或旋轉部件，能實現非常緊湊的設計和靜音運作。它們還能提供超高精度與解析度，通常可達奈米級別。
因此，壓電馬達非常適合用於微型機器人、精密醫療設備及任何需要極細微定位的應用，如自動對焦鏡頭或實驗室中的微型致動器。
不過，壓電馬達的控制系統較為複雜，整合難度較高，且輸出功率較低，不適合需要大力或高速運動的任務。
如何選擇合適的機器人馬達類型？
選擇適合的機器人馬達，需要全面分析多項關鍵因素，確保馬達在特定專案中能提供最佳的性能與可靠性。以下是10個主要的選擇準則：
扭矩需求
馬達必須提供足夠的扭矩，以應對機器人在運轉過程中的負載 。例如，舉起重物的機器手臂需要高扭矩，而快速移動的無人機則優先考慮速度而非持續高扭矩 。請務必計算連續和峰值扭矩要求，以防止運轉過程中出現過熱或停轉等問題 。速度範圍 (KV 值)
確定所需的操作速度 。對於直流馬達，馬達的 KV 值表示每施加一伏特電壓的轉速 。無人機等高速應用需要具有較高 KV 值的馬達 ，而精密機器人則受益於較低的 KV 值，以獲得更高的扭矩和更好的控制 。精度需求
考慮您的機器人需要移動或定位自身的準確度。對於精細動作，例如手術或實驗室機器人，伺服馬達或步進馬達是理想的選擇，因為它們具有精確的定位能力 。相反，對於較簡單的驅動系統，精度較低、價格較實惠的選項可能就足夠了。電壓相容性
考慮您的機器人需要移動或定位自身的準確度 。對於精細動作，例如手術或實驗室機器人，伺服馬達或步進馬達是理想的選擇，因為它們具有精確的定位能力 。相反，對於較簡單的驅動系統，精度較低、價格較實惠的選項可能就足夠了。功率效率
高效能馬達能將更多的電能轉換為機械功，最大限度地減少熱量浪費並延長電池壽命 ，特別是對於行動或連續運轉的機器人，能源節約直接影響運轉成本 。在這種情況下，BLDC 馬達因其卓越的效率而通常是首選 。體積與重量（外形尺寸）
機器人設計中，空間和重量通常是有限的 。選擇適合可用機殼尺寸的馬達，同時提供足夠的動力而不會增加過多的體積 。例如，對於無人機或小型機器人來說，更小、更輕的馬達對於提高機動性至關重要 ，而較大的機器人則可以容納較重的馬達。控制便利性
考慮您的操作能力和可用的控制硬體 。有些馬達，例如簡單的有刷直流馬達，易於控制 。其他馬達，例如 BLDC 或複雜的伺服馬達，則需要更複雜的電子速度控制器 (ESC) 和進階控制演算法。環境耐受性
如果您的機器人在惡劣環境中運轉，請選擇具有密封功能或堅固材料的馬達，這些材料可以承受極端溫度、濕氣或灰塵 。這對於防止系統過早故障很重要。系統整合與擴展性
馬達應與機器人現有的控制系統和機械設計順暢整合 。它還應允許未來的升級，以防擴展 。有些使用者也可選擇Fukuta的機器人關節馬達，將馬達、齒輪和控制器組合成一個緊湊的模組，以簡化系統整合和擴展。預算與壽命
平衡您的預算與性能需求，考量長期總體擁有成本，包括潛在的維護、更換和能源消耗 。雖然高性能馬達通常具有較高的前期成本，但其耐用性和效率通常在其運轉壽命期間更具經濟效益。機器人馬達的常見應用
機器人馬達在多個行業中扮演關鍵角色，幫助自動化任務並提升精度，涵蓋範圍廣泛，包括- 製造業: 馬達驅動機器人手臂與自動化系統，執行焊接、噴漆、組裝、包裝及品質檢測等工作。這些應用提高生產速度與一致性，並能以高精度完成重複性或危險性作業，減少人力風險與錯誤率。
- 物流業: 自動導引車（AGV）與配送無人機利用馬達進行導航與貨物運輸。倉庫機器人則依靠電子馬達管理庫存、分揀物品及包裝出貨，優化供應鏈效率
- 國防與安全: 高階馬達用於無人機（UAV）進行監控，以及地面機器人拆彈。機器狗則應用於搜救、危險環境巡檢、區域巡邏及攜帶裝備，適應複雜地形
- 醫療: 外科與診斷機器人利用高精度馬達實現微米級運動，確保手術安全與準確。復健機器人則協助患者進行行動訓練與物理治療，促進康復
- 農業: 農業機器人透過馬達自動執行播種、除草、噴灑與收割作業。自動化重複性田間工作不僅提升生產力，還能降低人力成本，並在採摘軟果等細膩任務中避免損傷
- 消費電子: 馬達驅動機器人玩具、無人機與攝影雲台，增添裝置的動態互動與穩定功能，提升使用者體驗
- 家用服務: 家用機器人如掃地機器人、地板清潔機、割草機及智能助理，透過馬達自動化日常家務，並提供語音互動與陪伴
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機器人領域不斷進步，創新推動機器人達成更高的能力，因此選擇可靠的機器人馬達變得更加關鍵。FUKUTA擁有數十年馬達製造經驗，致力於提供高品質且精密的馬達解決方案，滿足先進機器人的需求。歡迎探索我們全面的電動馬達產品，或立即聯繫我們，了解FUKUTA如何成為您自動化的信賴夥伴
FAQs
機器人使用直流馬達還是交流馬達？
機器人可使用直流（DC）與交流（AC）馬達，視應用需求而定。直流馬達在移動與便攜式機器人中更為常見，因為它們易於由電池供電，且具備精確的速度控制與快速反應能力。交流馬達多用於大型固定式工業機器人，能直接連接電網，提供高功率與耐用性，但控制較為複雜。
什麼是機器人中的馬達控制器？
馬達控制器是機器人「大腦」（微控制器或飛控系統）與馬達之間的關鍵電子裝置，負責速度控制（通常透過脈寬調變PWM）、方向切換及過流保護等功能。微控制器雖決定速度與方向，但無法直接驅動馬達，需透過控制器將低功率信號轉換成高電流與電壓輸出，有效供電並調節馬達運作。不同類型的機器人馬達需搭配專用控制器才能正常運作。
機器人使用直流馬達還是交流馬達？
機器人手臂通常使用直流馬達、步進馬達或伺服馬達，依應用需求而定：- 有刷與無刷直流馬達提供良好扭矩，無刷款更安靜且效率高，但需先進控制器。
- 步進馬達適合低速高精度控制，適用於精確但較慢的動作
- 伺服馬達因具備優異精度、快速反應及動態負載下保持精確的能力，常被優先選用於機器人手臂