受到近年來的節(jié)能減碳、高效製造等趨勢發(fā)展驅(qū)動下，該如何製造出更高能效的馬達，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酬的選項；包括上游馬達大廠也開始導(dǎo)入智慧自動優(yōu)化流程、電動運具，期望能加速普及應(yīng)用。
根據(jù)國際能源總署（International Energy Agency, IEA）2050淨零排放路徑規(guī)劃（Net-Zero Emissions by 2050 Scenario, NZE）中，列出未來30年達成全球能源系統(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，擴大全球工業(yè)加速投資。
其中依IEA分析，馬達、變頻器為驅(qū)動機械設(shè)備運轉(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)用範園涵蓋泵浦、壓縮機等不同產(chǎn)品領(lǐng)域。儘管馬達控制與傳動系統(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%。
且因為機械設(shè)備的種類眾多，工業(yè)耗能約占臺灣總耗能50%以上，而成為節(jié)能減碳的重點。最有效的3種方法及節(jié)能比例，依序為：變速控制10~50%、改善傳動效率2~10%、換用高效率馬達2%~8%等，對於促進工業(yè)節(jié)能減碳的效益立竿見影，也是最該先被導(dǎo)入的措施。
適逢2030年將是可否達成淨零排放的關(guān)鍵，當企業(yè)進行設(shè)備汰舊換新的投資決策時，若能順勢導(dǎo)入低碳生產(chǎn)設(shè)備或創(chuàng)新技術(shù)，達到最佳的運行效率和節(jié)能效益，將能大幅降低工業(yè)排碳。如近期臺灣機械業(yè)為響應(yīng)淨零轉(zhuǎn)型與深度節(jié)能政策，便呼籲政府在制定2035年新減碳目標時，應(yīng)將製造業(yè)的主體-機械生產(chǎn)設(shè)備一併納入考量，進而提高設(shè)備汰舊換新補助額度、獎勵製造業(yè)購買節(jié)能設(shè)備價款等，才能有效達標。
如今促使馬達效率提升計畫，已成為各國推動工業(yè)節(jié)能的首要項目，分別依客戶規(guī)模大小而引進不同提高能源效率的解決方案，而陸續(xù)制定馬達最低能效標準（Minimum Energy Performance Standard, MEPS）與相關(guān)的管理措施。並搭配國際電工委員會（International Electro technical Commission, IEC）分級制，將「馬達額定效率」由低至高分為IE1~IE4級距，每提升一級的馬達的能源損失需要減少20%。
| 圖一 : 當企業(yè)進行設(shè)備汰舊換新的投資決策時，若能順勢導(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） |
|
迎合國際MEPS趨勢 加速推廣高能效馬達
歐盟便已針對75~200 kW的馬達MEPS提升至IE4，臺灣也自2016年開始，首先將馬達最低能效提升至IE3等級。並隨著歐盟自2023年起，要求100kW以上功率馬達皆須達到IE4等級標準之後，中國大陸也宣示將於2024年跟進、臺灣與新加坡則訂於2025年，未來臺灣甚至會提高至IE5、IE6，逐步提升馬達驅(qū)動系統(tǒng)的能源效率，加深企業(yè)對能效的重視。
目前國際品牌馬達製造大廠也紛紛致力於開發(fā)更高效率馬達，甚至從馬達本體採用低碳材料製造開始，實現(xiàn)永續(xù)設(shè)計、組裝及營運行銷等垂直整合；且除了現(xiàn)今市面上廣泛使用的感應(yīng)馬達之外，永磁馬達及同步磁阻馬達（SynRM）等，也是發(fā)展高效率馬達方案的選項之一。
其中感應(yīng)馬達雖然常被認為已達技術(shù)瓶頸，難以實現(xiàn)IE5或IE5效率以上等更高能效。如今卻可透過先進的電腦輔助設(shè)計、分析優(yōu)化磁路、高度自動化設(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。如東元電機便已成功開發(fā)達IE5能效的感應(yīng)馬達，且憑藉其毋須驅(qū)動器啟動的優(yōu)勢，首選於危險環(huán)境的防爆應(yīng)用。
| 圖二 : 目前國際品牌馬達製造大廠也紛紛致力於開發(fā)更高效率馬達，實現(xiàn)永續(xù)設(shè)計、組裝及營運行銷等垂直整合。（source: siemens） |
|
大同推出IE4/IE5馬達 跨足工業(yè)及電巴應(yīng)用
大同公司也自2018年開始，率先在臺灣推出達200HP的IE4感應(yīng)馬達，並取消永久磁鐵和驅(qū)動控制器設(shè)計，且框號與原來IE2、IE3系列相通可直接替換，獲得臺灣科技大廠青睞。進而透過旗下大同智能公司協(xié)助馬達在製程中運轉(zhuǎn)時，可搭配智慧監(jiān)測系統(tǒng)，即時監(jiān)控運轉(zhuǎn)狀態(tài)和趨勢，進行健康預(yù)診分析和安排維運保修。
於2006年起陸續(xù)開發(fā)小型特用電動車EV馬達以來，2014年與工研院合作，在經(jīng)濟部「全電化都會運輸系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)」分項計畫下開發(fā)180kW中型電巴馬達、以及2018年大型電巴用250kW驅(qū)動器及自製馬達。直到2021年初發(fā)表首套電巴250kW直驅(qū)馬達動力系統(tǒng)，年底再配合城際電巴需求，開發(fā)330kW高扭力直驅(qū)式動力系統(tǒng)，並投入DMIT（設(shè)計製造在臺灣）計畫。
在今年舉行的智慧城市展期間，大同公司也整合集團資源，針對在工商業(yè)智慧節(jié)能領(lǐng)域用電高佔比的馬達與空調(diào)改善能效。呼應(yīng)政府公告自今年7月開始，將該公司推出的額定0.75kW～200kW工業(yè)泛用型馬達效率提升至IE4標準，並搭配變頻器於設(shè)備運作可適時降載節(jié)電，同時展出更耐用省電的最新IE5永磁馬達。
| 圖三 : 大同公司在今年舉行的智慧城市展期間，也針對在工商業(yè)智慧節(jié)能領(lǐng)域用電高佔比的馬達與空調(diào)改善能效。（攝影：陳念舜） |
|
滿足多變應(yīng)用環(huán)境 實現(xiàn)馬達設(shè)計最佳化
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，以實現(xiàn)更高效、更節(jié)能的運行畢竟是一個複雜的過程，必須要同時考慮電機設(shè)計、工作負載、運行環(huán)境等諸多因素，並尋求可行的解決方案，以實現(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。
工研院指出，由於馬達屬於多物理耦合設(shè)計，包含電磁、結(jié)構(gòu)和熱傳等因素會互相影響，所以在設(shè)計上必須通盤考量，涵括電磁分析、定子熱傳、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、心軸振動分析等，連結(jié)有限元素軟體模擬；並建立多種最佳化演算法，以達到馬達多目標最佳化。讓設(shè)計者可透過馬達設(shè)計軟體虛實整合模擬分析，達到降低開發(fā)成本、提升設(shè)計品質(zhì)等要求。
由於近年來隨著高效率、低成本的需求增加，馬達最佳化設(shè)計也被提出來解決馬達尺寸或是相關(guān)參數(shù)優(yōu)化問題。且有別於傳統(tǒng)設(shè)計迭代過程，使用者須累積大量經(jīng)驗迭代計算與多次交叉實驗，在一般制定規(guī)格時輸入定/轉(zhuǎn)子尺寸、電流相位角等固定參數(shù)後，將會經(jīng)過的流程及大概花費的時間依序為：建立數(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）計算方法，調(diào)整設(shè)定參數(shù)，優(yōu)點是可藉此產(chǎn)生完整的統(tǒng)計資料，有利於於初期探索設(shè)計空間。
但缺點是一旦設(shè)計變數(shù)稍多，將會導(dǎo)致計算量急速增加，仍須有相當程度工程經(jīng)驗的使用者協(xié)助判斷並逐步調(diào)整，在實務(wù)上不可能執(zhí)行。即使加入電腦計算與自動化輔助，每次設(shè)計迭代至少仍須投入數(shù)小時的全職人力；若要得到略為讓人滿意的設(shè)計，還需要經(jīng)過多次迭代，所得到的設(shè)計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，如何透過企業(yè)內(nèi)部的設(shè)計經(jīng)驗協(xié)助新人快速上手，進而保護其累積的know-how需求，已是越來越迫切。經(jīng)由導(dǎo)入馬達自動化設(shè)計軟體，不僅可提出多種不同方法來縮短所花費的時間；還能在變化的環(huán)境中，同時滿足多目標最佳化設(shè)計需求的高能效馬達。已有業(yè)者開始引進人工智慧（AI）的學(xué)習或自適應(yīng)機制，以取代傳統(tǒng)人工調(diào)整馬達設(shè)計參數(shù)來解決最佳化問題，可望協(xié)助工程師處理更多事務(wù)。
AI設(shè)計演算法 實現(xiàn)自動優(yōu)化流程
威昊科技則是在臺灣少數(shù)具備技術(shù)基礎(chǔ)和市占率的模擬軟體系統(tǒng)商，近年來積極推廣自主開發(fā)的最佳化智慧設(shè)計演算法，並成功導(dǎo)入應(yīng)用於東元電動車的動力馬達優(yōu)化設(shè)計上，利用「自發(fā)探索式智慧運算」結(jié)合SmartDO自動設(shè)計最佳化與JMAG電磁分析軟體，開發(fā)具備突破及創(chuàng)新性的馬達自動優(yōu)化設(shè)計流程。
由於SmartDO可針對交/直流、步進馬達等各類型馬達，將設(shè)計問題分解為參數(shù)計算、驗證；，與相關(guān)CAD/CAE軟體都有相當方便的連結(jié)，介面學(xué)習上相當快速。讓一般有CAD/CAE使用經(jīng)驗的技術(shù)人員，在建立完成CAD/CAE參數(shù)模型後1~2小時，即可開始上手使用SmartDO，將過去許多需要人工迭代計算與技術(shù)經(jīng)驗才能判斷與決策的工作標準化並自動化。
因此，有別於傳統(tǒng)馬達設(shè)計的複雜流程，讓使用者只要輸入既定表格、流程及模擬計算的自動化軟體，減少人為介入或仰賴專家經(jīng)驗，即可得到最佳化參數(shù)，突顯SmartDO與傳統(tǒng)設(shè)計流程的差異化優(yōu)勢。
最後再經(jīng)由SmartDo判讀相關(guān)數(shù)據(jù)並修改、減少迭代計算的次數(shù)，而可在原型建模前，即先透過電腦模擬快速運算，累積足夠Data base交由AI預(yù)測或SmarDO判斷、決策的方法，更為經(jīng)濟、有效。
| 圖四 : 目前馬達廠也利用「自發(fā)探索式智慧運算」，結(jié)合SmartDO自動設(shè)計最佳化與JMAG電磁分析軟體，開發(fā)具備突破及創(chuàng)新性的馬達自動優(yōu)化設(shè)計流程。（source: JMAG） |
|
如東元便利用SmartDO軟體設(shè)計馬達而具備優(yōu)化能力，聚焦於驅(qū)動器、動力馬達等挑戰(zhàn)，已初步完成東元40框100W伺服馬達、6.41kW輪轂馬達，以JAMG配合AI成功優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)馬達效率最佳化或符合車廠規(guī)格需求。
經(jīng)由比較原始設(shè)計與SmarDO智慧運算後最佳化設(shè)計的結(jié)果，比起原型機效率改善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)計流程、開發(fā)邏輯，包括傳統(tǒng)從前處理人工畫圖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)的時間，以及仰賴老師傅的專業(yè)經(jīng)驗。
此設(shè)計過程在先行建立模型及參數(shù)設(shè)定後，可將優(yōu)化過程完全自動化，不必使用者動手調(diào)整或判斷，克服傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)缺工困境。再透過SmartDO實現(xiàn)2D模擬一次cycle time週期時間約可節(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電磁電機模擬自動化軟體，執(zhí)行智慧運算和原本分析流程，以節(jié)省時間、人力做更有價值的工作。
但因為每次設(shè)計的資料來源均屬未知，也會隨著目前迭代計算流程的條件參數(shù)龐雜，而越來越精密、複雜。每次經(jīng)過模擬、預(yù)測後，都會拉長計算時間，將之改為自主佈點、蒐集統(tǒng)計資料並加以運算、產(chǎn)出數(shù)據(jù)，甚至希望能引進AI智慧運算流程。
除了導(dǎo)入智慧學(xué)習過程比起一般軟體更為簡單易用之外，還能自動錯誤偵測回避及縮短優(yōu)化時間，大幅節(jié)省時間、成本；提升研發(fā)與設(shè)計人力創(chuàng)造的價值及效益，讓技術(shù)人員可以專注在產(chǎn)品的創(chuàng)意與工程實務(wù)面，不必再耗費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)探索式智慧運算法（Self-Explorative Smart Computing）支持馬達優(yōu)化，為過去許多需要人工迭代且密集技術(shù)經(jīng)驗判斷決策的設(shè)計工作，可以將之標準化並自動化的創(chuàng)新解決方案。
再加上SmartDO的智慧運算會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)意與工程實務(wù)面，不必再耗費人力在軟體操作與調(diào)整上。相較於傳統(tǒng)迭代方式，每個人一用花費8小時工作時間，卻能有至少24小時的工作效率。再加上SmartDO自動優(yōu)化所需計算量遠少於其他方法，且常能找到更佳的設(shè)計，所以對於工程設(shè)計流程有相當大的助益。
