馬達廠競逐客制化應(yīng)用

展望馬達控制與傳動系統(tǒng)雖然已是發(fā)展多年的基礎(chǔ)技術(shù)，但到了如今追求節(jié)能減碳時代，為了要制造出體積小、功率更大的高效率馬達時，便考驗各國制造業(yè)從設(shè)計、分析，乃至于制程上細節(jié)能力，是否都具備成熟技術(shù)和工藝水平，以及全方位客制化應(yīng)用服務(wù)能力。

考慮近年來無論采用何種技術(shù)或IEC標準，IE5馬達能耗都會比IE3機種少40%，永磁同步馬達（PMSM）還具有高能量密度與高運轉(zhuǎn)效率、體積小等優(yōu)點，在運作過程中的舒適度與動態(tài)響應(yīng)也會大幅提升，卻不會有振動噪音隨之而來，近年來也開始結(jié)合直驅(qū)系統(tǒng)達到IE5等級能效，廣泛用于各種對于能效要求較高的電動載具、工業(yè)制程及自動化設(shè)備。

如德商西門子公司（Siemens）目前不僅配合各地「最低能效管制政策（MEPS）」，推廣旗下超高效率節(jié)能馬達，均須符合IE3效率等級；甚至對于歐盟要求75kW~200kW馬達在2023年，必須達到IE4等級已做足準備，才可配合產(chǎn)業(yè)客戶與機械廠商提升馬達效率，降低企業(yè)能源成本及每年排碳量。在最近臺北國際自動化展中，也積極推廣旗下節(jié)能高效的SIMOTICS IE4（IE5）同步磁阻馬達，將大幅提升效率與變頻驅(qū)動系統(tǒng)性能。

進而全面整合無線監(jiān)測裝置，增加系統(tǒng)運轉(zhuǎn)透明度，要求對于馬達，甚至是上位的變頻器與機械傳動機構(gòu)等，都必須能通過有/無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或藍牙，鏈接西門子PLC控制器，得以完整、實時且連續(xù)不間斷地監(jiān)測馬達運行狀態(tài)；且配合西門子MINDSPERE云端服務(wù)與德國專業(yè)技術(shù)專業(yè)團隊，預診馬達使用壽命，并主動安排保養(yǎng)與維護時程，以協(xié)助業(yè)者實現(xiàn)零意外停機的目標。

瑞士商ABB公司也在今年會中，展示旗下IE5等級同步磁阻馬達（SynRM）與整合式高效率馬達（EC Titanium），結(jié)合同步磁阻與永磁控制技術(shù)，提供馬達與驅(qū)動器/變頻器的一體式解決方案，減少約40%能耗，實現(xiàn)出色的節(jié)能效果。


 
圖1 : ABB也在今年展示旗下IE5等級同步磁阻馬達（SynRM）與整合式高效率馬達（EC Titanium），并提供一體式解決方案，減少約40%能耗。（攝影：陳念舜）

東元搭配永磁馬達　促冷卻水塔能效達IE5等級
近年來臺灣馬達大廠東元電機則受惠于機電系統(tǒng)、智能能源、智能家庭3大事業(yè)群的組織變革有成，已發(fā)揮最大效益，分別于再生能源、儲能、節(jié)能與運具電動化等領(lǐng)域皆有對應(yīng)解決方案，直接鏈結(jié)商機。根據(jù)東元最新公布2022年Q2營收年成長13.5%、上半年營收年成長16.8%，主因即可歸功于營收占比達五成以上的機電系統(tǒng)事業(yè)群，在北美、歐洲與臺灣市場年成長13.9%的貢獻。

例如美國O&G輸送站壓縮機過去多采用柴油發(fā)電機驅(qū)動，但在未來美國若立法通過《清潔競爭法案》（Clean Competition）之后，將推動O&G產(chǎn)業(yè)電氣化成長期趨勢，東元現(xiàn)則已取得 E-Skid超過2,000萬美元訂單，并有超過百臺商機正在洽談。

因為東元也有能力自制電動車用T Power動力系統(tǒng)，除了2021年便加入MIH聯(lián)盟之外，還供應(yīng)華德動能開發(fā)電動巴士，現(xiàn)已累積出貨逾百余套，等到客戶新廠成立，訂單即可望明顯增加；后續(xù)還將用于臺灣多家巴士車廠合作開發(fā)的智慧電動巴士DMIT計劃，預計年底前完成路測，2023年之后貢獻營收；同時與指標性貨卡車廠合作，并結(jié)合東元集團旗下宅配通，開發(fā)臺灣首輛3.49噸以下電動物流車，現(xiàn)正進行整車測試，計劃明年量產(chǎn)后，未來還可望導入貨卡、自動導引車（AGV）等貨/客運交通領(lǐng)域的智能電動載具。

自從今年七月起臺電平均調(diào)漲電價8.4%，用電大戶更達到15%之后，促使企業(yè)能源及用電成本劇增。東元從去年便針對工廠節(jié)能需求，推出低碳智能工廠解決方案，將可協(xié)助企業(yè)大幅降低用電成本，并且逐步達成減碳的目標。預估今年以來東元推出在節(jié)能方面的產(chǎn)品及服務(wù)，將比去年同期成長約三成，全年相關(guān)營收貢獻可望挑戰(zhàn)新臺幣40億元。

表1 不同的工廠設(shè)備及產(chǎn)品的節(jié)能省電效率

東元電機公司機電系統(tǒng)暨自動化事業(yè)群處長孫健榮也表示，尤其是在現(xiàn)今臺灣的鋼鐵、石化、電子、水泥、造紙或紡織化纖大廠等排碳大戶更感興趣，東元還可針對客戶既有設(shè)備的能耗與能效狀況，提供汰換成本由低到高等不同解決方案。

例如在工商界各行各業(yè)都會有的高效率冷卻水塔，就是一個相當耗能的設(shè)備，很有必要提升效能，業(yè)者可從最簡單的維持既有系統(tǒng)，但將馬達換成高效率產(chǎn)品；或是將既有的傳動系統(tǒng)簡化改造為永磁直驅(qū)系統(tǒng)而提升效率，還可以大幅減少如減速機等機械傳動組件定期保養(yǎng)和周期性（Life cycle）汰換成本。

藉此完全顛覆了傳統(tǒng)驅(qū)動冷卻水塔風扇，必須經(jīng)由馬達連結(jié)聯(lián)軸器再搭配減速機，才能組成低轉(zhuǎn)速、高扭力的完整驅(qū)動系統(tǒng)。孫健榮指出，如今透過直驅(qū)系統(tǒng)，既降低了相關(guān)機械損失，還最少提升傳動系統(tǒng)效率約5~15%；若搭配永磁馬達在低轉(zhuǎn)速下，高效率的特性，比起傳統(tǒng)感應(yīng)馬達差異更大。

經(jīng)過分析依照環(huán)境溫度變化，再搭配變頻器對水塔風扇進行變速控制的節(jié)能效果更佳。孫健榮也推薦業(yè)者，可采用東元針對高效率冷卻水塔開發(fā)的整套專用變頻節(jié)能控制系統(tǒng)，透過內(nèi)建AI算法的變頻器精準控制溫度，在負載明顯變化時，節(jié)能效果將比一般通用型變頻器提高40%以上！

「雖然牽扯到既有設(shè)備的改造看似復雜，但是對于降低電費及設(shè)備維護等總體運轉(zhuǎn)成本的效果，也顯而易見！」孫健榮表示，由于能源效率提高且少了這些機械可動件之后，將能完全省下馬達定期保養(yǎng)和周期性汰換的成本；在冷卻水塔導入東元IE5高效永磁直驅(qū)系統(tǒng)，則有助于企業(yè)，降低設(shè)備在整個生命周期內(nèi)的總體營運成本，讓許多業(yè)者感到興趣而踴躍下單。

結(jié)合東訊傳感器實時監(jiān)控　確保馬達能效長期穩(wěn)定
同時考慮現(xiàn)今制造業(yè)打造智能工廠，導入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）需求，但因為馬達在正常運轉(zhuǎn)時不會「講話」，所以通常業(yè)界認定的馬達效率都是在健康狀態(tài)下測得，于購入時決定。卻忽略了在不健康運轉(zhuǎn)時，馬達能效會變得差異極大，傳統(tǒng)只能透過人工巡檢、抄表來比較數(shù)據(jù)，或是在事后分析才會發(fā)現(xiàn)。

東元現(xiàn)也與關(guān)系企業(yè)東訊公司合作，針對馬達、鼓風機、空壓機、泵浦，還有冰水主機的冷媒壓縮機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備建立數(shù)字分身（Digital twin）監(jiān)測系統(tǒng)，再利用外接式傳感器取得其振動與溫度信息后，再通過Wi-Fi上傳Gateway。經(jīng)過內(nèi)建機器學習的算法建立或比對關(guān)鍵上下限指針，以實時顯示目前馬達是否處于健康運轉(zhuǎn)狀態(tài)；或是依客戶需求，將從Edge端或是收集到中央控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)長期累積，用于未來紀錄分析。

孫健榮說：「一旦建立這些指標，就等于提醒業(yè)者密切關(guān)注，以及早發(fā)現(xiàn)馬達可能在不正常情況下持續(xù)運轉(zhuǎn)，導致能效和能耗表現(xiàn)不佳，甚至是主動安排維修保養(yǎng)，據(jù)統(tǒng)計在安裝了這項設(shè)備后，能源效率約可提升3%~7%?！刮磥淼鹊皆O(shè)備皆可預診分析后，下一階段才會視客戶需求，逐步導入5G、AR/VR等工具，實現(xiàn)無人巡檢、遠距維修作業(yè)，精省人員質(zhì)量。

目前東元還能整合集團內(nèi)的能源管理系統(tǒng)，首先用于協(xié)助客戶，盤查現(xiàn)有設(shè)備能效是否較差？接著進行效益分析，評估若更換一顆高效率馬達或設(shè)備，能帶來的好處；客戶還應(yīng)該知道耗用的能源到了何處、有什么重大耗能設(shè)備？接下來才能建立基本能效數(shù)據(jù)，得知耗能狀況與產(chǎn)品比對。倘若發(fā)現(xiàn)產(chǎn)值不高，卻仍有較高能耗時，就代表可能出現(xiàn)浪費或不明使用狀況，必須加以改善。

孫健榮表示，其能源管理系統(tǒng)不僅可以串聯(lián)設(shè)備提升能效，或是再生能源等節(jié)能減碳解決方案，最后還會再加入一些智動化、數(shù)字化管理工具，讓操作更有效率。藉此取得可視化數(shù)據(jù)之后，還能形成碳排放的具體管制策略，進而結(jié)合東元集團相關(guān)產(chǎn)品，提供企業(yè)所需的完整解決方案。

包括東元現(xiàn)有多種方式協(xié)助企業(yè)回收廢熱再利用，除了可用于業(yè)者最有興趣的發(fā)電之外，也會替客戶評估實際廠內(nèi)需求，包括溫度、流量和產(chǎn)熱時間等。若是熱源條件適合，廠內(nèi)也有蒸汽需求，就能將廢氣轉(zhuǎn)換為蒸汽，省下燃油或天然氣產(chǎn)生蒸汽的成本，或是用來滿足于廠內(nèi)冷凍機或冰水機的制冷需求。

在今年臺北國際自動化展上，東元便以ESG永續(xù)概念，打造低碳智慧未來工廠為主軸，攜手關(guān)系企業(yè)東捷信息及東訊，聚焦提供以馬達為核心的低碳工業(yè)解決方案。亮點產(chǎn)品包括：首度亮相的「次世代小型化變頻器E710」、永磁同步直驅(qū)馬達，以凸顯節(jié)能效益；AC/DC伺服馬達，可二次開發(fā)應(yīng)用于天車、AGV或協(xié)作機器人關(guān)節(jié)，降低構(gòu)成智慧工廠的門坎。

同時提供高效率冷卻水塔專用AI變頻控制驅(qū)動器、廠內(nèi)廢熱回收等客制化服務(wù)解決方案，經(jīng)分析選用后導入，才能以最小代價得到最佳利益。進而搭配與東捷信息、東訊合作的碳資產(chǎn)管理與IoT可視化監(jiān)控系統(tǒng)，以實時追蹤保養(yǎng)馬達健康與維修，協(xié)助客戶提升設(shè)備能效、降低能耗；透過軟件計算出口設(shè)備、產(chǎn)品的碳足跡，最終實現(xiàn)數(shù)字化、可視化碳盤查管理。


 
圖2 : 透過結(jié)合東元永磁馬達直驅(qū)系統(tǒng)用來改造高效冷卻水塔，既降低了相關(guān)機械損失，還最少提升傳動系統(tǒng)效率約5~15%。（source：東元）

大同攜手減速機　跨足重電及車用領(lǐng)域
另一家老牌馬達大廠大同公司，旗下則仍有10大事業(yè)體，分為重電、電纜、馬達、智能電表、太陽能、智能能源、系統(tǒng)整合、家電制造、家電品牌、先端電子等。近年來也發(fā)揮在客制化長期累積的經(jīng)驗優(yōu)勢，配合市場產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，規(guī)劃開發(fā)馬達方向。

在節(jié)能減碳方面，除了2016年即推出IE3系列馬達外，也超前部署推出0.75kW~150kW更高階的IE4鼠籠式轉(zhuǎn)子感應(yīng)馬達，可直接采取商用電源啟動運轉(zhuǎn)，提高能效及降低能耗。且因為馬達仍采特殊設(shè)計的電磁鋼片、鑄鋁框架和轉(zhuǎn)子等模塊化設(shè)計，安裝尺寸皆采IEC國際標準，具備高度互換性，使得馬達維修更為便利，毋須重新更換產(chǎn)線設(shè)備。

大同公司馬達開發(fā)處副處長藍寶琳表示，目前該公司IE3、IE4永磁同步馬達系列的輕量小型化產(chǎn)品，不僅搭配驅(qū)動器節(jié)能效果佳，在速度及定位變化更為精準；并投入開發(fā)一體式IE5同步磁阻馬達，將廣泛用于變速負載空壓機、泵浦、風機等機械設(shè)備上，現(xiàn)也與日本廠商技術(shù)合作，將同步發(fā)電機導入水力發(fā)電設(shè)備應(yīng)用，符合凈零碳排趨勢。

進而在客制化服務(wù)上，大同也推出甫獲2022臺灣精品獎的鋼鐵廠專用的軋鋼馬達，并搭配2020年臺灣精品獎TiMS大同智慧馬達傳感器（Tatung Intelligent Motor Sensor），可采用業(yè)界首創(chuàng)Bluetooth及LoRa合并的雙架構(gòu)無線傳訊系統(tǒng)，無論新舊馬達皆可安裝監(jiān)測，可透過PC、手機App監(jiān)控之外，還能搭配專用無線網(wǎng)關(guān)，使之監(jiān)測范圍廣達數(shù)公里，讓客戶得以最經(jīng)濟方式達成設(shè)備常態(tài)監(jiān)測。

再經(jīng)過公有云結(jié)合微軟Azure工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，建置專屬大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，以提供加值服務(wù)，將涵括馬達運轉(zhuǎn)狀態(tài)、溫度、三軸振動、電機頻率、運轉(zhuǎn)時數(shù)、異常告警、保養(yǎng)提醒等項目，以兼顧確保設(shè)備健康的智能化監(jiān)控及故障預知診斷功能，確保馬達使用狀態(tài)及維持高可靠度，以延長設(shè)備使用壽命，避免異常停機造成產(chǎn)線不必要的損失，也浪費工時、材料與能耗。


 
圖3 : 大同也推出鋼鐵廠專用的軋鋼馬達，并搭配TiMS大同智慧馬達傳感器，以提供加值服務(wù)、維持高可靠度。（攝影：陳念舜）

同時攜手旗下大同住重減速機，順利掌握臺商回流帶來的自動化、節(jié)能減碳商機，在今年睽違20年重回臺灣參展，演示其減速機內(nèi)部專利曲線板設(shè)計，實現(xiàn)簡易結(jié)構(gòu)、省空間，以及高強度、長壽命等優(yōu)勢，并結(jié)合在地保修服務(wù)。尤其是在廠內(nèi)有多部設(shè)備的鋼鐵、食品產(chǎn)業(yè)等碳排大戶，搭配高效馬達的節(jié)能效果更為明顯。

此外，因應(yīng)政府積極推動2030年公交車與客運全面電動化，大同除了自力開發(fā)生產(chǎn)EV馬達，，現(xiàn)也與政府及學研單位合作，開發(fā)大型電動巴士用250kW馬達驅(qū)動器，搭配自制高效率馬達用于臺灣市區(qū)12m公交車，滿足安全、續(xù)航遠等需求，現(xiàn)已取得唐榮大型電動巴士動力系統(tǒng)訂單；未來還將透過DMIT產(chǎn)創(chuàng)計劃，開發(fā)臺灣城際客運用電動巴士動力系統(tǒng)，且為物流車、中小巴士等國內(nèi)外商用車市場規(guī)劃客制化設(shè)計生產(chǎn)。

 
圖4 : 透過大同住重減速機產(chǎn)品，實現(xiàn)簡易結(jié)構(gòu)、省空間，以及高強度、長壽命等優(yōu)勢，順利掌握臺商回流帶來的自動化、節(jié)能減碳商機。（攝影：陳念舜）

結(jié)語
自從近年來各國紛紛推出各項措施來落實凈零碳排路徑目標。包括歐盟要求2030年排碳量，須比1990年降低55%，于2050年達到碳中和；且將從2027年元旦起，開征碳邊境調(diào)整機制關(guān)稅（Carbon border adjustment mechanism；CBAM），并納入計算用電產(chǎn)生的間接排碳，而全面擴大征稅規(guī)模。

美國同時則須比2005年降低50%排碳量，且由參議院提出《清潔競爭法案》（Clean Competition Act；CCA）中設(shè)定課征碳稅的時程，預計2024年就要上路，甚至比歐盟更快。未來包括南韓、大陸、日本等地為免自家產(chǎn)業(yè)遭受不公平競爭，也勢必會開始跟進加征碳稅，臺灣也必須急起直追，才能不被全球市場排除在外。

回顧馬達雖然已是成熟工藝產(chǎn)品，占有工業(yè)用電超過60%比例，對了現(xiàn)代工業(yè)要求智慧化、節(jié)能減碳趨勢，更面臨成本增加、靈活生產(chǎn)、新舊產(chǎn)線整合的挑戰(zhàn)。臺灣廠商雖然在高效馬達既少了材料優(yōu)勢，除了原先已有海外基礎(chǔ)的廠商相對更具優(yōu)勢潛力，也仰賴用電、排碳大戶企業(yè)透過「以大帶小」策略，帶動零組件、OEM設(shè)備供應(yīng)鏈廠商對于節(jié)能減碳要求，打造智能工廠及大型電動車，以減少碳足跡。