伺服馬達扭矩不足怎麼辦？先判斷原因，再決定加減速機或換馬達

伺服馬達扭矩不足，不一定要換更大的馬達。扭矩不足常見有三種情況：連續運轉時扭矩不夠、只有加速或啟動時不夠，以及扭矩足夠但因慣量不匹配而抖動、定位不穩。三種情況的解法不同，先找出是哪一種，才能決定要加裝減速機、調整減速比、修改加減速時間，還是真的需要換馬達。

本文依序說明如何判斷扭矩不足的原因，以及每一種解法適用的情況。

先判斷：是哪一種扭矩不夠？

伺服馬達選型時，通常要同時通過兩項扭矩檢查：設備的有效扭矩（RMS 扭矩）不超過馬達的額定扭矩，以及運轉中所需的最大扭矩不超過馬達的瞬時最大扭矩。另外，負載慣量和馬達轉子慣量的比值（慣量比）也要在馬達原廠建議的範圍內。

對照下表，可以從現場症狀初步判斷問題出在哪裡：

要特別注意第三種情況：扭矩夠不代表系統穩定。這時問題不在扭矩大小，而在慣量匹配。換一顆更大的馬達雖然也能讓慣量比下降（轉子慣量變大），但馬達體積和成本通常會一起增加；加裝減速機往往是更有效率的做法，原因見下一段。

解法一：加裝減速機

加裝減速機能同時處理扭矩不足和慣量不匹配兩個問題，這是它和「換大馬達」最大的差別。

1. 放大輸出扭矩

減速機會依減速比降低轉速、放大扭矩：

T₂ ＝ T₁ × i × η
n₂ ＝ n₁ ÷ i

• T₂：減速機輸出扭矩（Nm）
• T₁：馬達扭矩（Nm）
• i：減速比
• η：減速機傳動效率（以小數表示，依型錄數值）
• n₁、n₂：馬達轉速與減速機輸出轉速（rpm）

2. 降低馬達端看到的負載慣量

負載慣量換算到馬達軸時，會除以減速比的平方。慣量比可以這樣計算：

慣量比 ＝ J_L ÷（J_M × i²）

• J_L：負載慣量（kg·m²）
• J_M：馬達轉子慣量（kg·m²）

舉例來說，若負載慣量是馬達轉子慣量的 100 倍，直接連接時慣量比為 100；加裝減速比 5 的減速機後，慣量比降為 100 ÷ 25 ＝ 4；減速比 10 時則為 1。扭矩只放大 i 倍，慣量卻縮小 i² 倍，這就是減速機改善慣量匹配特別有效的原因。

要注意的取捨

減速機會讓輸出轉速降為 1/i。加裝前要先確認：設備需要的轉速乘上減速比後，沒有超過馬達的最高轉速，也沒有超過減速機的容許輸入轉速。扭矩公式的推導與額定扭矩、輸出扭矩的定義，可參考〈全面解析扭矩詞彙：額定扭矩、輸出扭矩、工作扭矩的定義和相互關係〉。

解法二：調整減速比

如果已經有減速機，扭矩還是不足，可以考慮加大減速比。但減速比不是越大越好，太小和太大都有問題：

比較實際的做法，是從設備需要的「輸出轉速」和「輸出扭矩」反推：

1. 用馬達額定轉速 ÷ 設備需要的輸出轉速，算出減速比的上限。
2. 用設備需要的扭矩 ÷（馬達額定扭矩 × 傳動效率），算出減速比的下限。
3. 在上下限之間，挑選能讓慣量比落在馬達原廠建議範圍內的標準減速比。

如果算出來的下限大於上限，代表單靠調整減速比無法同時滿足轉速和扭矩，就要考慮換馬達（見解法三）。

解法三：換更大的馬達

減速機能放大扭矩，但不能增加功率。減速機是用「轉速」換「扭矩」，扣掉傳動損失後，輸出功率只會等於或略低於馬達功率。

因此，當設備「同時」需要高轉速和高扭矩，所需功率已經超過馬達能力時，加減速機或調減速比都無法解決，這時才需要換更大功率的馬達。常見的判斷依據：

• 依解法二反推，減速比的下限大於上限
• 設備所需功率（扭矩 × 角速度）超過馬達額定輸出
• 有效扭矩（RMS）在加大減速比後仍超過馬達額定扭矩，且轉速已無法再降

換馬達時，也要一起重新確認減速機的額定扭矩、容許輸入轉速和安裝法蘭是否仍然適用。

解法四：調整加減速時間

如果扭矩只在加速、啟動或急停時不足，最省成本的做法是先檢查加減速時間。加速所需的扭矩和角加速度成正比：

T_a ＝ J × α
α ＝ Δω ÷ t

• T_a：加速扭矩（Nm）
• J：換算到馬達軸的總慣量（kg·m²）
• α：角加速度（rad/s²）
• Δω：角速度變化量（rad/s），轉速 n（rpm）換算為 ω ＝ 2π × n ÷ 60
• t：加速時間（s）

在相同慣量和目標轉速下，加速時間延長一倍，加速扭矩就降為一半。

這個方法不用更換任何零件，但代價是每個動作週期變長。如果設備的節拍時間（cycle time）沒有餘裕，就仍需要回到解法一，用減速機降低馬達端的慣量。

為伺服馬達選減速機時要確認的規格

決定加裝減速機後，以下規格都要和馬達、設備條件一起核對：

各品牌對額定扭矩、峰值扭矩與使用係數的定義不完全相同，正式選型時請以該系列產品型錄為準。

常見問題

伺服馬達一定要搭配減速機嗎？

不一定。負載慣量小、所需扭矩在馬達額定範圍內、轉速需求又接近馬達轉速時，可以直接連接。當扭矩不足、慣量比過大，或設備需要的轉速遠低於馬達轉速時，才需要加裝減速機。

加裝減速機後，馬達功率會變大嗎？

不會。減速機只是用轉速換取扭矩，輸出功率等於馬達功率扣掉傳動損失。

慣量比要控制在多少？

建議值依馬達品牌與系列而不同，請以馬達原廠手冊為準。計算方式為：負載慣量 ÷（馬達轉子慣量 × 減速比²）。

扭力不足和扭矩不足一樣嗎？

一樣。在機械與傳動領域，扭力是扭矩的口語說法，英文都是 torque。

減速比越大越好嗎？

不是。減速比太大會讓輸出轉速不足，馬達也可能超過容許轉速。應從設備需要的轉速與扭矩反推合適的範圍。

需要協助判斷伺服馬達扭矩不足的原因嗎？

請提供以下資料，GearKo 可以協助確認是否需要加裝減速機，以及適合的減速比與型號：

• 伺服馬達品牌、型號（或額定扭矩、額定轉速、轉子慣量）
• 負載重量與結構（輸送帶、轉盤、滾珠螺桿、機械手臂等）
• 設備需要的輸出轉速，以及加減速時間
• 定位精度要求
• 目前出現的現場症狀或警報內容

如果想縮短傳動鏈、節省安裝空間，也可以參考整合伺服馬達與精密行星減速機的 GHAM 系列伺服馬達減速機一體式，或瀏覽 GearKo 行星減速機產品。

聯絡台灣格高