受到近年來(lái)的節(jié)能減碳、高效製造等趨勢(shì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，該如何製造出更高能效的馬達(dá)，已成為這波製造業(yè)投資汰換設(shè)備，並希望能最快獲得報(bào)酬的選項(xiàng)；包括上游馬達(dá)大廠也開(kāi)始導(dǎo)入智慧自動(dòng)優(yōu)化流程、電動(dòng)運(yùn)具，期望能加速普及應(yīng)用。

根據(jù)國(guó)際能源總署（International Energy Agency, IEA）2050淨(jìng)零排放路徑規(guī)劃（Net-Zero Emissions by 2050 Scenario, NZE）中，列出未來(lái)30年達(dá)成全球能源系統(tǒng)脫碳的主要支柱，包含：能源效率提升、行為改變、電氣化、再生能源、氫及氫基燃料、生質(zhì)能源、碳捕獲再利用與封存等7大項(xiàng)，擴(kuò)大全球工業(yè)加速投資。

其中依IEA分析，馬達(dá)、變頻器為驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的主要元件，用電量約占全球總電量46%；工業(yè)用電約64~70%，應(yīng)用範(fàn)園涵蓋泵浦、壓縮機(jī)等不同產(chǎn)品領(lǐng)域。儘管馬達(dá)控制與傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)是發(fā)展多年的技術(shù)，若可經(jīng)由提高或改善其能源效率將占20%~25%。

且因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的種類眾多，工業(yè)耗能約占臺(tái)灣總耗能50%以上，而成為節(jié)能減碳的重點(diǎn)。最有效的3種方法及節(jié)能比例，依序?yàn)椋鹤兯倏刂?0~50%、改善傳動(dòng)效率2~10%、換用高效率馬達(dá)2%~8%等，對(duì)於促進(jìn)工業(yè)節(jié)能減碳的效益立竿見(jiàn)影，也是最該先被導(dǎo)入的措施。

適逢2030年將是可否達(dá)成淨(jìng)零排放的關(guān)鍵，當(dāng)企業(yè)進(jìn)行設(shè)備汰舊換新的投資決策時(shí)，若能順勢(shì)導(dǎo)入低碳生產(chǎn)設(shè)備或創(chuàng)新技術(shù)，達(dá)到最佳的運(yùn)行效率和節(jié)能效益，將能大幅降低工業(yè)排碳。如近期臺(tái)灣機(jī)械業(yè)為響應(yīng)淨(jìng)零轉(zhuǎn)型與深度節(jié)能政策，便呼籲政府在制定2035年新減碳目標(biāo)時(shí)，應(yīng)將製造業(yè)的主體-機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備一併納入考量，進(jìn)而提高設(shè)備汰舊換新補(bǔ)助額度、獎(jiǎng)勵(lì)製造業(yè)購(gòu)買節(jié)能設(shè)備價(jià)款等，才能有效達(dá)標(biāo)。

如今促使馬達(dá)效率提升計(jì)畫(huà)，已成為各國(guó)推動(dòng)工業(yè)節(jié)能的首要項(xiàng)目，分別依客戶規(guī)模大小而引進(jìn)不同提高能源效率的解決方案，而陸續(xù)制定馬達(dá)最低能效標(biāo)準(zhǔn)（Minimum Energy Performance Standard, MEPS）與相關(guān)的管理措施。並搭配國(guó)際電工委員會(huì)（International Electro technical Commission, IEC）分級(jí)制，將「馬達(dá)額定效率」由低至高分為IE1~IE4級(jí)距，每提升一級(jí)的馬達(dá)的能源損失需要減少20%。

圖一 : 當(dāng)企業(yè)進(jìn)行設(shè)備汰舊換新的投資決策時(shí)，若能順勢(shì)導(dǎo)入低碳生產(chǎn)設(shè)備或創(chuàng)新技術(shù)，將大幅降低工業(yè)排碳。（source:東元）

迎合國(guó)際MEPS趨勢(shì) 加速推廣高能效馬達(dá)

歐盟便已針對(duì)75~200 kW的馬達(dá)MEPS提升至IE4，臺(tái)灣也自2016年開(kāi)始，首先將馬達(dá)最低能效提升至IE3等級(jí)。並隨著歐盟自2023年起，要求100kW以上功率馬達(dá)皆須達(dá)到IE4等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之後，中國(guó)大陸也宣示將於2024年跟進(jìn)、臺(tái)灣與新加坡則訂於2025年，未來(lái)臺(tái)灣甚至?xí)岣咧罥E5、IE6，逐步提升馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源效率，加深企業(yè)對(duì)能效的重視。

目前國(guó)際品牌馬達(dá)製造大廠也紛紛致力於開(kāi)發(fā)更高效率馬達(dá)，甚至從馬達(dá)本體採(cǎi)用低碳材料製造開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)永續(xù)設(shè)計(jì)、組裝及營(yíng)運(yùn)行銷等垂直整合；且除了現(xiàn)今市面上廣泛使用的感應(yīng)馬達(dá)之外，永磁馬達(dá)及同步磁阻馬達(dá)（SynRM）等，也是發(fā)展高效率馬達(dá)方案的選項(xiàng)之一。

其中感應(yīng)馬達(dá)雖然常被認(rèn)為已達(dá)技術(shù)瓶頸，難以實(shí)現(xiàn)IE5或IE5效率以上等更高能效。如今卻可透過(guò)先進(jìn)的電腦輔助設(shè)計(jì)、分析優(yōu)化磁路、高度自動(dòng)化設(shè)備提升品質(zhì)穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)入低鐵損與薄型矽鋼片等核心元件解決。如東元電機(jī)便已成功開(kāi)發(fā)達(dá)IE5能效的感應(yīng)馬達(dá)，且憑藉其毋須驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，首選於危險(xiǎn)環(huán)境的防爆應(yīng)用。

圖二 : 目前國(guó)際品牌馬達(dá)製造大廠也紛紛致力於開(kāi)發(fā)更高效率馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)永續(xù)設(shè)計(jì)、組裝及營(yíng)運(yùn)行銷等垂直整合。（source: siemens）

大同推出IE4/IE5馬達(dá) 跨足工業(yè)及電巴應(yīng)用

大同公司也自2018年開(kāi)始，率先在臺(tái)灣推出達(dá)200HP的IE4感應(yīng)馬達(dá)，並取消永久磁鐵和驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)，且框號(hào)與原來(lái)IE2、IE3系列相通可直接替換，獲得臺(tái)灣科技大廠青睞。進(jìn)而透過(guò)旗下大同智能公司協(xié)助馬達(dá)在製程中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可搭配智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即時(shí)監(jiān)控運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和趨勢(shì)，進(jìn)行健康預(yù)診分析和安排維運(yùn)保修。

於2006年起陸續(xù)開(kāi)發(fā)小型特用電動(dòng)車EV馬達(dá)以來(lái)，2014年與工研院合作，在經(jīng)濟(jì)部「全電化都會(huì)運(yùn)輸系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)」分項(xiàng)計(jì)畫(huà)下開(kāi)發(fā)180kW中型電巴馬達(dá)、以及2018年大型電巴用250kW驅(qū)動(dòng)器及自製馬達(dá)。直到2021年初發(fā)表首套電巴250kW直驅(qū)馬達(dá)動(dòng)力系統(tǒng)，年底再配合城際電巴需求，開(kāi)發(fā)330kW高扭力直驅(qū)式動(dòng)力系統(tǒng)，並投入DMIT（設(shè)計(jì)製造在臺(tái)灣）計(jì)畫(huà)。

在今年舉行的智慧城市展期間，大同公司也整合集團(tuán)資源，針對(duì)在工商業(yè)智慧節(jié)能領(lǐng)域用電高佔(zhàn)比的馬達(dá)與空調(diào)改善能效。呼應(yīng)政府公告自今年7月開(kāi)始，將該公司推出的額定0.75kW～200kW工業(yè)泛用型馬達(dá)效率提升至IE4標(biāo)準(zhǔn)，並搭配變頻器於設(shè)備運(yùn)作可適時(shí)降載節(jié)電，同時(shí)展出更耐用省電的最新IE5永磁馬達(dá)。

圖三 : 大同公司在今年舉行的智慧城市展期間，也針對(duì)在工商業(yè)智慧節(jié)能領(lǐng)域用電高佔(zhàn)比的馬達(dá)與空調(diào)改善能效。（攝影：陳念舜）

滿足多變應(yīng)用環(huán)境 實(shí)現(xiàn)馬達(dá)設(shè)計(jì)最佳化

值得一提的是，在如今多變應(yīng)用環(huán)境該如何優(yōu)化馬達(dá)，以實(shí)現(xiàn)更高效、更節(jié)能的運(yùn)行畢竟是一個(gè)複雜的過(guò)程，必須要同時(shí)考慮電機(jī)設(shè)計(jì)、工作負(fù)載、運(yùn)行環(huán)境等諸多因素，並尋求可行的解決方案，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和效益，成為許多製造商和企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。

工研院指出，由於馬達(dá)屬於多物理耦合設(shè)計(jì)，包含電磁、結(jié)構(gòu)和熱傳等因素會(huì)互相影響，所以在設(shè)計(jì)上必須通盤(pán)考量，涵括電磁分析、定子熱傳、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、心軸振動(dòng)分析等，連結(jié)有限元素軟體模擬；並建立多種最佳化演算法，以達(dá)到馬達(dá)多目標(biāo)最佳化。讓設(shè)計(jì)者可透過(guò)馬達(dá)設(shè)計(jì)軟體虛實(shí)整合模擬分析，達(dá)到降低開(kāi)發(fā)成本、提升設(shè)計(jì)品質(zhì)等要求。

由於近年來(lái)隨著高效率、低成本的需求增加，馬達(dá)最佳化設(shè)計(jì)也被提出來(lái)解決馬達(dá)尺寸或是相關(guān)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。且有別於傳統(tǒng)設(shè)計(jì)迭代過(guò)程，使用者須累積大量經(jīng)驗(yàn)迭代計(jì)算與多次交叉實(shí)驗(yàn)，在一般制定規(guī)格時(shí)輸入定/轉(zhuǎn)子尺寸、電流相位角等固定參數(shù)後，將會(huì)經(jīng)過(guò)的流程及大概花費(fèi)的時(shí)間依序?yàn)椋航?shù)位CAE模型（Modeling)）10~30mins、設(shè)定參數(shù)（Parameter Setup）10 mins、分析模擬（Simulation）10~200 mins、結(jié)果判讀（Result Judgement）5 mins。

其中2D模型可經(jīng)由具有豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，利用DOE或response surface等其他市面上傳統(tǒng)主流商業(yè)軟體的間接優(yōu)化（indirect optimization）計(jì)算方法，調(diào)整設(shè)定參數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是可藉此產(chǎn)生完整的統(tǒng)計(jì)資料，有利於於初期探索設(shè)計(jì)空間。

但缺點(diǎn)是一旦設(shè)計(jì)變數(shù)稍多，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量急速增加，仍須有相當(dāng)程度工程經(jīng)驗(yàn)的使用者協(xié)助判斷並逐步調(diào)整，在實(shí)務(wù)上不可能執(zhí)行。即使加入電腦計(jì)算與自動(dòng)化輔助，每次設(shè)計(jì)迭代至少仍須投入數(shù)小時(shí)的全職人力；若要得到略為讓人滿意的設(shè)計(jì)，還需要經(jīng)過(guò)多次迭代，所得到的設(shè)計(jì)可能還不是真正最佳解。

加上專業(yè)人力逐年短缺，企業(yè)留才越顯困難，如何透過(guò)企業(yè)內(nèi)部的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)協(xié)助新人快速上手，進(jìn)而保護(hù)其累積的know-how需求，已是越來(lái)越迫切。經(jīng)由導(dǎo)入馬達(dá)自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟體，不僅可提出多種不同方法來(lái)縮短所花費(fèi)的時(shí)間；還能在變化的環(huán)境中，同時(shí)滿足多目標(biāo)最佳化設(shè)計(jì)需求的高能效馬達(dá)。已有業(yè)者開(kāi)始引進(jìn)人工智慧（AI）的學(xué)習(xí)或自適應(yīng)機(jī)制，以取代傳統(tǒng)人工調(diào)整馬達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)解決最佳化問(wèn)題，可望協(xié)助工程師處理更多事務(wù)。

AI設(shè)計(jì)演算法 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化流程

威昊科技則是在臺(tái)灣少數(shù)具備技術(shù)基礎(chǔ)和市占率的模擬軟體系統(tǒng)商，近年來(lái)積極推廣自主開(kāi)發(fā)的最佳化智慧設(shè)計(jì)演算法，並成功導(dǎo)入應(yīng)用於東元電動(dòng)車的動(dòng)力馬達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，利用「自發(fā)探索式智慧運(yùn)算」結(jié)合SmartDO自動(dòng)設(shè)計(jì)最佳化與JMAG電磁分析軟體，開(kāi)發(fā)具備突破及創(chuàng)新性的馬達(dá)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。

由於SmartDO可針對(duì)交/直流、步進(jìn)馬達(dá)等各類型馬達(dá)，將設(shè)計(jì)問(wèn)題分解為參數(shù)計(jì)算、驗(yàn)證；，與相關(guān)CAD/CAE軟體都有相當(dāng)方便的連結(jié)，介面學(xué)習(xí)上相當(dāng)快速。讓一般有CAD/CAE使用經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，在建立完成CAD/CAE參數(shù)模型後1~2小時(shí)，即可開(kāi)始上手使用SmartDO，將過(guò)去許多需要人工迭代計(jì)算與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)才能判斷與決策的工作標(biāo)準(zhǔn)化並自動(dòng)化。

因此，有別於傳統(tǒng)馬達(dá)設(shè)計(jì)的複雜流程，讓使用者只要輸入既定表格、流程及模擬計(jì)算的自動(dòng)化軟體，減少人為介入或仰賴專家經(jīng)驗(yàn)，即可得到最佳化參數(shù)，突顯SmartDO與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的差異化優(yōu)勢(shì)。

最後再經(jīng)由SmartDo判讀相關(guān)數(shù)據(jù)並修改、減少迭代計(jì)算的次數(shù)，而可在原型建模前，即先透過(guò)電腦模擬快速運(yùn)算，累積足夠Data base交由AI預(yù)測(cè)或SmarDO判斷、決策的方法，更為經(jīng)濟(jì)、有效。

圖四 : 目前馬達(dá)廠也利用「自發(fā)探索式智慧運(yùn)算」，結(jié)合SmartDO自動(dòng)設(shè)計(jì)最佳化與JMAG電磁分析軟體，開(kāi)發(fā)具備突破及創(chuàng)新性的馬達(dá)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。（source: JMAG）

如東元便利用SmartDO軟體設(shè)計(jì)馬達(dá)而具備優(yōu)化能力，聚焦於驅(qū)動(dòng)器、動(dòng)力馬達(dá)等挑戰(zhàn)，已初步完成東元40框100W伺服馬達(dá)、6.41kW輪轂馬達(dá)，以JAMG配合AI成功優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)效率最佳化或符合車廠規(guī)格需求。

經(jīng)由比較原始設(shè)計(jì)與SmarDO智慧運(yùn)算後最佳化設(shè)計(jì)的結(jié)果，比起原型機(jī)效率改善6.8%、磁鐵重量減輕29.2%、矽鋼片減重12.3%，可視為滿意的優(yōu)化解。

且因大廠導(dǎo)入軟體後，還將影響其原始設(shè)計(jì)流程、開(kāi)發(fā)邏輯，包括傳統(tǒng)從前處理人工畫(huà)圖10~30min、等待模擬結(jié)果10~200min、到後處理結(jié)果判定5min等不斷迭代循環(huán)的時(shí)間，以及仰賴?yán)蠋煾档膶I(yè)經(jīng)驗(yàn)。

此設(shè)計(jì)過(guò)程在先行建立模型及參數(shù)設(shè)定後，可將優(yōu)化過(guò)程完全自動(dòng)化，不必使用者動(dòng)手調(diào)整或判斷，克服傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)缺工困境。再透過(guò)SmartDO實(shí)現(xiàn)2D模擬一次cycle time週期時(shí)間約可節(jié)省30min，並以最佳優(yōu)化路線取代傳統(tǒng)田口法而縮短迭代次數(shù)，配合JMAG電磁電機(jī)模擬自動(dòng)化軟體，執(zhí)行智慧運(yùn)算和原本分析流程，以節(jié)省時(shí)間、人力做更有價(jià)值的工作。

但因?yàn)槊看卧O(shè)計(jì)的資料來(lái)源均屬未知，也會(huì)隨著目前迭代計(jì)算流程的條件參數(shù)龐雜，而越來(lái)越精密、複雜。每次經(jīng)過(guò)模擬、預(yù)測(cè)後，都會(huì)拉長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，將之改為自主佈點(diǎn)、蒐集統(tǒng)計(jì)資料並加以運(yùn)算、產(chǎn)出數(shù)據(jù)，甚至希望能引進(jìn)AI智慧運(yùn)算流程。

除了導(dǎo)入智慧學(xué)習(xí)過(guò)程比起一般軟體更為簡(jiǎn)單易用之外，還能自動(dòng)錯(cuò)誤偵測(cè)回避及縮短優(yōu)化時(shí)間，大幅節(jié)省時(shí)間、成本；提升研發(fā)與設(shè)計(jì)人力創(chuàng)造的價(jià)值及效益，讓技術(shù)人員可以專注在產(chǎn)品的創(chuàng)意與工程實(shí)務(wù)面，不必再耗費(fèi)人力在軟體操作與調(diào)整。

威昊科技總經(jīng)理陳申岳表示，基於SmartDO的自發(fā)探索式智慧運(yùn)算法（Self-Explorative Smart Computing）支持馬達(dá)優(yōu)化，為過(guò)去許多需要人工迭代且密集技術(shù)經(jīng)驗(yàn)判斷決策的設(shè)計(jì)工作，可以將之標(biāo)準(zhǔn)化並自動(dòng)化的創(chuàng)新解決方案。

再加上SmartDO的智慧運(yùn)算會(huì)自行決定所有重要的求解參數(shù)，技術(shù)人員可以專注在產(chǎn)品的創(chuàng)意與工程實(shí)務(wù)面，不必再耗費(fèi)人力在軟體操作與調(diào)整上。相較於傳統(tǒng)迭代方式，每個(gè)人一用花費(fèi)8小時(shí)工作時(shí)間，卻能有至少24小時(shí)的工作效率。再加上SmartDO自動(dòng)優(yōu)化所需計(jì)算量遠(yuǎn)少於其他方法，且常能找到更佳的設(shè)計(jì)，所以對(duì)於工程設(shè)計(jì)流程有相當(dāng)大的助益。