什麼是直流無刷馬達設計流程與思維

2026/02/11

直流無刷馬達，顧名思義就是不靠電刷、整流子換相的馬達，運轉的方式靠電子換相驅動，馬達的結構上跟永磁同步馬達相同，只差在控制器驅動電壓波形的差異!我們從以下幾個方面，來說明與介紹無刷馬達：

無論輸入控制器的電壓是交流電(AC)或是直流電(DC)，進入控制器後，都會被整流成直流電，再經由脈衝寬度調變(PWM)，輸出適合的電壓波型、大小、相位到馬達。在控制器內部先整成直流電就稱為直流無刷馬達。

定子：與感應馬達、有刷馬達相同，定子由矽鋼片、絕緣材料、漆包線組成，負責產生旋轉磁場帶動轉動軸。
轉子：由永久磁鐵、矽鋼片、軸心組成，依照馬達的體積大小、應用場合、輸出功率，挑選適合的磁鐵材質。由於轉子上磁場由磁鐵提供，跟感應馬達由鼠籠式感應產生不同，因此沒有額外磁場損失，通常馬達效率可以較高。
控制器：無刷馬達必須要控制器，才可以進行電子換相運轉，無刷控制器類似感應馬達變頻器的功能，不同於變頻器透過頻率不同調整馬達轉速，無刷控制器調整馬達輸入電壓，達成馬達變速的效果。

無刷馬達的換相由電子控制，因此換相的時間可以做到很準確，減少了電能的浪費。也不靠電刷、整流子摩擦換相，少了機械摩擦損，自然可以做到高效率。由於無刷馬達需要搭配控制器運轉，成本就會稍高於有刷或感應馬達。我們可以簡單的整理成下表，讓大家了解各類馬達的差異與優勢。

優良普通較差

高效率：無刷馬達透過優化的磁路設計，強力永久磁石，搭配精確電子控制換相技術，馬達效率做的很高，一般來說都可以超過80%，特殊的應用，甚至可以高達97%以上，例如電動車馬達、無人機馬達等。
壽命長：沒有磨損零件，維護容易，唯一的機械磨損為軸承，相對來說結構簡單，幾乎不需要保養，適合用於長時間運轉、需要高可靠度的場合。
精準的轉速及扭力控制：只要搭配高精度感測器，例如：光學編碼器、角度傳感器。可以很輕易的達到轉速恆定(<0.5%)或扭力恆定(<0.5%)，馬達特性呈線性曲線，動態響應速度快，高精密定位應用也不成問題。例如：機器人關節馬達、機器手臂操控、無人搬運車等。

無刷馬達設計流程與思維：先了解客戶應用在甚麼行業，客戶目前的方案有甚麼缺點?馬達的體積有沒有限制?使用的場所環境溫度、濕度如何?蒐集完整的資訊來評估，並在馬達特性、體積、散熱、噪音、震動、成本間，達到平衡與妥協。筆者的設計思維與邏輯如下：

依照轉速範圍選擇適合的定子槽數、轉子極數，如果馬達使用於高轉速，磁場交變頻率太高，筆者會傾向選擇較少的極數，來降低矽鋼片上面的損耗。假設馬達轉矩漣波需要平滑，降低頓轉轉矩的影響，筆者可能會改由多磁極數改善扭矩的特性。
透過有限元素分析軟體，檢視馬達磁場分布，畢竟磁場、磁力是很抽象的表現，由軟體的數據中，確認矽鋼片磁通密度、反電動勢數值與波型、頓轉轉矩的大小等等，優化磁路徑與最佳各細節尺寸。
計算推估馬達效率，損失的能量、功率，就會轉化為熱能，依照馬達體積、漆包線線徑耐電流、環境散熱條件等，評估馬達溫升狀況是否符合材料耐溫等級。
馬達機構設計，選擇適合的零件材質，包括軸承的型式、軸心材質、前、後蓋材質，思考各零件的加工公差，組裝公差合不合理，各零件生產的製程選擇等等。
馬達樣品製作，動力機台測試並驗證特性，長時間負載運轉確認馬達溫度，一一對照客戶的需求，符合後送樣給客戶確認，再討論有無需要修改調整的地方。

特殊應用的條件或限制下，筆者可能會額外的利用模擬軟體，提早預知或修正馬達的狀態，如果是散熱條件太嚴苛，我們會磁熱耦合分析馬達溫度，打樣前先著手處理，可以避免無謂的成本損失。如果是風扇噪音考量，也可以磁固耦合計算馬達結構共振頻率，錯開馬達運轉頻率，達到極致靜音的效果。

筆者從事馬達設計10多年，深知唯有幫客戶解決現有方案的痛點，提升產品價值與市場差異化，才能達到雙贏的效果。各位讀者如果對於馬達的選用、特性的搭配、以及各種技術諮詢，歡迎致電研深討論交流。