馬達廠(chǎng)競逐客制化應用

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

考慮近年來(lái)無(wú)論采用何種技術(shù)或IEC標準，IE5馬達能耗都會(huì )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效率、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在運作過(guò)程中的舒適度與動(dòng)態(tài)響應也會(huì )大幅提升，卻不會(huì )有振動(dòng)噪音隨之而來(lái)，近年來(lái)也開(kāi)始結合直驅系統達到IE5等級能效，廣泛用于各種對于能效要求較高的電動(dòng)載具、工業(yè)制程及自動(dòng)化設備。

如德商西門(mén)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(hù)與機械廠(chǎng)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(dòng)化展中，也積極推廣旗下節能高效的SIMOTICS IE4（IE5）同步磁阻馬達，將大幅提升效率與變頻驅動(dòng)系統性能。

進(jìn)而全面整合無(wú)線(xiàn)監測裝置，增加系統運轉透明度，要求對于馬達，甚至是上位的變頻器與機械傳動(dòng)機構等，都必須能通過(guò)有/無(wú)線(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )或藍牙，鏈接西門(mén)子PLC控制器，得以完整、實(shí)時(shí)且連續不間斷地監測馬達運行狀態(tài)；且配合西門(mén)子MINDSPERE云端服務(wù)與德國專(zhuān)業(yè)技術(shù)專(zhuān)業(yè)團隊，預診馬達使用壽命，并主動(dòng)安排保養與維護時(shí)程，以協(xié)助業(yè)者實(shí)現零意外停機的目標。

瑞士商ABB公司也在今年會(huì )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），結合同步磁阻與永磁控制技術(shù)，提供馬達與驅動(dòng)器/變頻器的一體式解決方案，減少約40%能耗，實(shí)現出色的節能效果。


 
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(lái)臺灣馬達大廠(chǎng)東元電機則受惠于機電系統、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、節能與運具電動(dòng)化等領(lǐng)域皆有對應解決方案，直接鏈結商機。根據東元最新公布2022年Q2營(yíng)收年成長(cháng)13.5%、上半年營(yíng)收年成長(cháng)16.8%，主因即可歸功于營(yíng)收占比達五成以上的機電系統事業(yè)群，在北美、歐洲與臺灣市場(chǎng)年成長(cháng)13.9%的貢獻。

例如美國O&G輸送站壓縮機過(guò)去多采用柴油發(fā)電機驅動(dòng)，但在未來(lái)美國若立法通過(guò)《清潔競爭法案》（Clean Competition）之后，將推動(dòng)O&G產(chǎn)業(yè)電氣化成長(cháng)期趨勢，東元現則已取得 E-Skid超過(guò)2,000萬(wàn)美元訂單，并有超過(guò)百臺商機正在洽談。

因為東元也有能力自制電動(dòng)車(chē)用T Power動(dòng)力系統，除了2021年便加入MIH聯(lián)盟之外，還供應華德動(dòng)能開(kāi)發(fā)電動(dòng)巴士，現已累積出貨逾百余套，等到客戶(hù)新廠(chǎng)成立，訂單即可望明顯增加；后續還將用于臺灣多家巴士車(chē)廠(chǎng)合作開(kāi)發(fā)的智慧電動(dòng)巴士DMIT計劃，預計年底前完成路測，2023年之后貢獻營(yíng)收；同時(shí)與指標性貨卡車(chē)廠(chǎng)合作，并結合東元集團旗下宅配通，開(kāi)發(fā)臺灣首輛3.49噸以下電動(dòng)物流車(chē)，現正進(jìn)行整車(chē)測試，計劃明年量產(chǎn)后，未來(lái)還可望導入貨卡、自動(dòng)導引車(chē)（AGV）等貨/客運交通領(lǐng)域的智能電動(dòng)載具。

自從今年七月起臺電平均調漲電價(jià)8.4%，用電大戶(hù)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(chǎng)節能需求，推出低碳智能工廠(chǎng)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(lái)東元推出在節能方面的產(chǎn)品及服務(wù)，將比去年同期成長(cháng)約三成，全年相關(guān)營(yíng)收貢獻可望挑戰新臺幣40億元。

表1 不同的工廠(chǎng)設備及產(chǎn)品的節能省電效率

東元電機公司機電系統暨自動(dòng)化事業(yè)群處長(cháng)孫健榮也表示，尤其是在現今臺灣的鋼鐵、石化、電子、水泥、造紙或紡織化纖大廠(chǎng)等排碳大戶(hù)更感興趣，東元還可針對客戶(hù)既有設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(huì )有的高效率冷卻水塔，就是一個(gè)相當耗能的設備，很有必要提升效能，業(yè)者可從最簡(jiǎn)單的維持既有系統，但將馬達換成高效率產(chǎn)品；或是將既有的傳動(dòng)系統簡(jiǎn)化改造為永磁直驅系統而提升效率，還可以大幅減少如減速機等機械傳動(dòng)組件定期保養和周期性（Life cycle）汰換成本。

藉此完全顛覆了傳統驅動(dòng)冷卻水塔風(fēng)扇，必須經(jīng)由馬達連結聯(lián)軸器再搭配減速機，才能組成低轉速、高扭力的完整驅動(dòng)系統。孫健榮指出，如今透過(guò)直驅系統，既降低了相關(guān)機械損失，還最少提升傳動(dòng)系統效率約5~15%；若搭配永磁馬達在低轉速下，高效率的特性，比起傳統感應馬達差異更大。

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

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

結合東訊傳感器實(shí)時(shí)監控　確保馬達能效長(cháng)期穩定
同時(shí)考慮現今制造業(yè)打造智能工廠(chǎng)，導入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）需求，但因為馬達在正常運轉時(shí)不會(huì )「講話(huà)」，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(shí)決定。卻忽略了在不健康運轉時(shí)，馬達能效會(huì )變得差異極大，傳統只能透過(guò)人工巡檢、抄表來(lái)比較數據，或是在事后分析才會(huì )發(fā)現。

東元現也與關(guān)系企業(yè)東訊公司合作，針對馬達、鼓風(fēng)機、空壓機、泵浦，還有冰水主機的冷媒壓縮機等旋轉設備建立數字分身（Digital twin）監測系統，再利用外接式傳感器取得其振動(dòng)與溫度信息后，再通過(guò)Wi-Fi上傳Gateway。經(jīng)過(guò)內建機器學(xué)習的算法建立或比對關(guān)鍵上下限指針，以實(shí)時(shí)顯示目前馬達是否處于健康運轉狀態(tài)；或是依客戶(hù)需求，將從Edge端或是收集到中央控制系統的數據長(cháng)期累積，用于未來(lái)紀錄分析。

孫健榮說(shuō)：「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)現馬達可能在不正常情況下持續運轉，導致能效和能耗表現不佳，甚至是主動(dòng)安排維修保養，據統計在安裝了這項設備后，能源效率約可提升3%~7%?！刮磥?lái)等到設備皆可預診分析后，下一階段才會(huì )視客戶(hù)需求，逐步導入5G、AR/VR等工具，實(shí)現無(wú)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的能源管理系統，首先用于協(xié)助客戶(hù)，盤(pán)查現有設備能效是否較差？接著(zhù)進(jìn)行效益分析，評估若更換一顆高效率馬達或設備，能帶來(lái)的好處；客戶(hù)還應該知道耗用的能源到了何處、有什么重大耗能設備？接下來(lái)才能建立基本能效數據，得知耗能狀況與產(chǎn)品比對。倘若發(fā)現產(chǎn)值不高，卻仍有較高能耗時(shí)，就代表可能出現浪費或不明使用狀況，必須加以改善。

孫健榮表示，其能源管理系統不僅可以串聯(lián)設備提升能效，或是再生能源等節能減碳解決方案，最后還會(huì )再加入一些智動(dòng)化、數字化管理工具，讓操作更有效率。藉此取得可視化數據之后，還能形成碳排放的具體管制策略，進(jìn)而結合東元集團相關(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(huì )替客戶(hù)評估實(shí)際廠(chǎng)內需求，包括溫度、流量和產(chǎn)熱時(shí)間等。若是熱源條件適合，廠(chǎng)內也有蒸汽需求，就能將廢氣轉換為蒸汽，省下燃油或天然氣產(chǎn)生蒸汽的成本，或是用來(lái)滿(mǎn)足于廠(chǎng)內冷凍機或冰水機的制冷需求。

在今年臺北國際自動(dòng)化展上，東元便以ESG永續概念，打造低碳智慧未來(lái)工廠(chǎng)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(diǎn)產(chǎn)品包括：首度亮相的「次世代小型化變頻器E710」、永磁同步直驅馬達，以凸顯節能效益；AC/DC伺服馬達，可二次開(kāi)發(fā)應用于天車(chē)、AGV或協(xié)作機器人關(guān)節，降低構成智慧工廠(chǎng)的門(mén)坎。

同時(shí)提供高效率冷卻水塔專(zhuān)用AI變頻控制驅動(dòng)器、廠(chǎng)內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(jià)得到最佳利益。進(jìn)而搭配與東捷信息、東訊合作的碳資產(chǎn)管理與IoT可視化監控系統，以實(shí)時(shí)追蹤保養馬達健康與維修，協(xié)助客戶(hù)提升設備能效、降低能耗；透過(guò)軟件計算出口設備、產(chǎn)品的碳足跡，最終實(shí)現數字化、可視化碳盤(pán)查管理。


 
圖2 : 透過(guò)結合東元永磁馬達直驅系統用來(lái)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(dòng)系統效率約5~15%。（source：東元）

大同攜手減速機　跨足重電及車(chē)用領(lǐng)域
另一家老牌馬達大廠(chǎng)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(yáng)能、智能能源、系統整合、家電制造、家電品牌、先端電子等。近年來(lái)也發(fā)揮在客制化長(cháng)期累積的經(jīng)驗優(yōu)勢，配合市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，規劃開(kāi)發(fā)馬達方向。

在節能減碳方面，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鼠籠式轉子感應馬達，可直接采取商用電源啟動(dòng)運轉，提高能效及降低能耗。且因為馬達仍采特殊設計的電磁鋼片、鑄鋁框架和轉子等模塊化設計，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(xiàn)設備。

大同公司馬達開(kāi)發(fā)處副處長(cháng)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，不僅搭配驅動(dòng)器節能效果佳，在速度及定位變化更為精準；并投入開(kāi)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(fēng)機等機械設備上，現也與日本廠(chǎng)商技術(shù)合作，將同步發(fā)電機導入水力發(fā)電設備應用，符合凈零碳排趨勢。

進(jìn)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(chǎng)專(zhuān)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合并的雙架構無(wú)線(xiàn)傳訊系統，無(wú)論新舊馬達皆可安裝監測，可透過(guò)PC、手機App監控之外，還能搭配專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，使之監測范圍廣達數公里，讓客戶(hù)得以最經(jīng)濟方式達成設備常態(tài)監測。

再經(jīng)過(guò)公有云結合微軟Azure工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，建置專(zhuān)屬大數據分析系統，以提供加值服務(wù)，將涵括馬達運轉狀態(tài)、溫度、三軸振動(dòng)、電機頻率、運轉時(shí)數、異常告警、保養提醒等項目，以兼顧確保設備健康的智能化監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(cháng)設備使用壽命，避免異常停機造成產(chǎn)線(xiàn)不必要的損失，也浪費工時(shí)、材料與能耗。


 
圖3 : 大同也推出鋼鐵廠(chǎng)專(zhuān)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(shí)攜手旗下大同住重減速機，順利掌握臺商回流帶來(lái)的自動(dòng)化、節能減碳商機，在今年睽違20年重回臺灣參展，演示其減速機內部專(zhuān)利曲線(xiàn)板設計，實(shí)現簡(jiǎn)易結構、省空間，以及高強度、長(cháng)壽命等優(yōu)勢，并結合在地保修服務(wù)。尤其是在廠(chǎng)內有多部設備的鋼鐵、食品產(chǎn)業(yè)等碳排大戶(hù)，搭配高效馬達的節能效果更為明顯。

此外，因應政府積極推動(dòng)2030年公交車(chē)與客運全面電動(dòng)化，大同除了自力開(kāi)發(fā)生產(chǎn)EV馬達，，現也與政府及學(xué)研單位合作，開(kāi)發(fā)大型電動(dòng)巴士用250kW馬達驅動(dòng)器，搭配自制高效率馬達用于臺灣市區12m公交車(chē)，滿(mǎn)足安全、續航遠等需求，現已取得唐榮大型電動(dòng)巴士動(dòng)力系統訂單；未來(lái)還將透過(guò)DMIT產(chǎn)創(chuàng )計劃，開(kāi)發(fā)臺灣城際客運用電動(dòng)巴士動(dòng)力系統，且為物流車(chē)、中小巴士等國內外商用車(chē)市場(chǎng)規劃客制化設計生產(chǎn)。

 
圖4 : 透過(guò)大同住重減速機產(chǎn)品，實(shí)現簡(jiǎn)易結構、省空間，以及高強度、長(cháng)壽命等優(yōu)勢，順利掌握臺商回流帶來(lái)的自動(dòng)化、節能減碳商機。（攝影：陳念舜）

結語(yǔ)
自從近年來(lái)各國紛紛推出各項措施來(lái)落實(shí)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(kāi)征碳邊境調整機制關(guān)稅（Carbon border adjustment mechanism；CBAM），并納入計算用電產(chǎn)生的間接排碳，而全面擴大征稅規模。

美國同時(shí)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）中設定課征碳稅的時(shí)程，預計2024年就要上路，甚至比歐盟更快。未來(lái)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(huì )開(kāi)始跟進(jìn)加征碳稅，臺灣也必須急起直追，才能不被全球市場(chǎng)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(guò)60%比例，對了現代工業(yè)要求智慧化、節能減碳趨勢，更面臨成本增加、靈活生產(chǎn)、新舊產(chǎn)線(xiàn)整合的挑戰。臺灣廠(chǎng)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的廠(chǎng)商相對更具優(yōu)勢潛力，也仰賴(lài)用電、排碳大戶(hù)企業(yè)透過(guò)「以大帶小」策略，帶動(dòng)零組件、OEM設備供應鏈廠(chǎng)商對于節能減碳要求，打造智能工廠(chǎng)及大型電動(dòng)車(chē)，以減少碳足跡。