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智能时代的马达市场与科技转变
电动车与净零排放双轨驱动

【作者: 季平】2023年10月30日 星期一

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全球工业化、自动化,以及电动车与净零排放等趋势带动高能效马达产品的市场需求,预估2023-2030年内成长率将超过5.9%,预估全球高效率马达的市场规模在2022-2027年将以年复合成长率6.52%的速度成长。


全球工业化、自动化,以及电动车与净零排放等趋势带动高能效马达产品的市场需求。日商环球讯息有限公司(GII)报告指出,2022年全球马达市值约达72亿美元,预估2023-2030年内成长率将超过5.9%,尤其机器人技术不断推陈出新,带动高效电机需求,预估全球高效率马达的市场规模在2022-2027年将以年复合成长率6.52%的速度成长。


马达(Electric Motor)又称电机或电动机,上至人造卫星、火星地表探测仪,下至重工业(如风扇、铁卷门、电梯、船舶等运输工具)、民生用品(如电器、电动车、无人机、玩具),马达无所不在,也是工业自动化不可或缺的核心之一。马达按原理、构造、特性与应用方式,发展出不同种类及应用。


一般人对马达的印象可能是:通常以电源来分类,可分成直流马达与交流马达。直流马达可运用於家电、手动工具、工业设备等范畴,又可分为有刷直流马达与无刷直流马达。有刷直流马达价格亲民、易於制造与维护,但是效率稍低、噪音稍大;无刷直流马达效率稍高、噪音稍低,但价格稍高,制造与维护方面的复杂度也稍高。


交流马达可再细分为:感应马达,使用於家电产品或制造业,如食品/包装机械、电动车及各类自动化设备;伺服马达可使用於需要精确控制马达转速、力矩、位置的应用范畴,如机器人、工具机、工业自动化控制等领域;调速马达可以利用转速发电机及速度控制器调整马达转速;减速马达可以利用齿轮减速机降低马达转速、增加马达输出扭力。另外有一种高效率马达,可以将更多的电能转化为机械能,减少电能损耗。选择电机马达通常依功率、效率、尺寸、转速、环境等因素而定,某些使用环境可能需要选择IP防护等级马达(如防尘、防水)。


国际上以国际电工委员会(IEC)订定的IE等级代表马达效率:IE1(常规效率)、IE2(高效率)、IE3(超高效率)和IE4(最高效率),数字越大代表效率越高、越省电;台湾则采用CNS14400作为马达效率标准;变速马达效率则分为IE1-IE5等级。


在节能减碳趋势及政策带动下,除马达单体外,部分国家对於变频器、驱动设备等马达延伸系统设备已实施能效管制。美国早在2007年即同意导入工业马达能源标准规范,以有效降低马达的能耗占比,欧洲诸国则实施最低能源绩效标准(MEPS)等政策,法律上甚至禁止使用IE1或IE2马达,这些趋势及转变促使国际大厂陆续投入高效马达的研发行列。


表一:不同马达等级的常见用途(资料整理:季平)

马达等级

常见用途

IE1(常规效率)

如电梯、照明系统、空调设备、生产线、机器人等。

IE2(高效率)

如风扇、风机、水泵、水处理等。

IE3(超高效率)

如食品生产、水泵、空调系统、循环水系统、环保设施等。

IE4(最高效率)

如风扇、工业设备等;需长时间运转、用电量大的设备。


马达智慧化联网时代来临

随着智能时代来临,马达也逐步进化成「智慧马达(Intelligent Motor)」。工业4.0浪潮下,云端服务、AI、大数据、通讯及物联网等先进技术使工厂设备相互串联沟通,打造工业物联网(IIoT)世界,藉由各种感测器与先进技术,可以将各类设备运转状态资讯上传至云端进行大数据分析,进一步汇整机器工作状态,甚至连一般的马达系统都已走向马达智慧化联网系统。


工研院产科国际所指出,马达智慧化联网系统整合了马达元件、感测、通讯、云端运算与平台服务,可以透过客制化平台进行一系列障碍维护及预防保养等功能操作,提供障碍解除建议。全球马达智慧化联网系统发展进程分为三阶段进行:第一阶段为工具数位化;第二阶段为产品运作可视化;第三阶段为功能优化及商务模式创新。


第一阶段的工具数位化透过Ansys等模拟软体辅助马达设计,加上企业导入ERP及MES系统,促使企业迈向数位化运作,有利厂区制程资讯的电子化及统合。第二阶段的产品运作可视化则是马达结合物联网及感测器技术,透过感测器搜集资讯并将马达运转状态上传至云端平台进行资料搜集及分析,使远距监测及障碍告警等功能更臻完善。



图一 : 马达智慧化联网系统发展进程图。(source:工研院产科国际所)
图一 : 马达智慧化联网系统发展进程图。(source:工研院产科国际所)

第三阶段则是功能优化及创新商务模式,可利用AI专家系统提供马达设备端操作指引,加上边缘运算可使远端装置先行处理资料再上传至中心平台,不只可以节省能源消耗,还能轻松汇整安装於不同厂区内的马达装置运作资讯。全球多数业者已进入第二阶段,至於早一步进入第三阶段的设备商可以成为服务提供者,提供智慧化联网解决方案。


智慧马达同时具有控制、保护、监测、通讯、网路以及管理等功能,透过IC晶片设计与通讯协定就能完成前述功能,最常见的应用领域是机器人与电动车。软硬体及感测技术相互搭配,可以提升马达整体性能,如Macnica智慧马达感测器OEM解决方案,就是由专用软体配备Analog Devices超高精密微机电系统(MEMS)感测器硬体,将电池供电的感测器安装於马达散热片上,采用智慧手机App进行初始设定,开始使用後,AI机器学习也自动启动,累积一段时间後便能自动生成可以侦测异常的AI模型,可侦测9种马达异常并分析异常状况,透过这类预测性维护功能可以降低故障率和当机频率。


电动运具里程碑轴向马达

节能减碳趋势使全球电动车市场极速成长,带动永磁马达和感应马达的需求及发展。随着相关技术提升,交流感应马达、永磁同步马达和开关磁阻马达逐渐成为电动车马达的技术主流。


车辆中心产业发展处(ARTC)指出,电动车驱动马达可以提高电动车平台的电压,大幅提升功率密度、降低电能耗损及提升续航里程,所以有其重要性。不过,在电动车发展初期,动力系统曾出现感应马达与永磁马达之争,而在特斯拉(Tesla)选择永磁马达後,逾90%的市售电动车马达多使用永磁马达。


永磁马达的优势在於体积小、重量轻、运转效率高,因此普遍受到电动车大厂青睐(如Tesla Model 3、Nissan Leaf、Volkswagen ID 3等)。不过,为降低对永磁马达中关键稀土的依赖,避免遭主要产出国(中国)垅断原料市场的风险,诸如丰田(Toyota)、德国马达供应商马勒(Mahle)已开发降低或免用稀土的替代性马达。近两年,随着Tesla首开先例将碳化矽(SiC)晶片应用於逆变器中,能够支援更高的工作电压,不少马达制造商也不再局限於支援电压300V-400V的纯电动车马达,积极开发支援电压800V的驱动马达。


不过,2023年6月宾士(Benz)与子公司YASA发表了轴向马达最新技术,在业界投下震撼弹。ARTC产业分析师郑冠淳指出,轴向马达类似三明治结构,体积更小,扭力更大,可以做得更薄。Benz与YASA发表的轴向马达在相同输出功率下,只需要1/3的体积,其转子只需一层永磁,大幅降低永磁和矽钢片的用量,重量也只有原本的1/3,加上轴向马达几??可以使用外壳全部半径的转子,在相同外壳半径尺寸下却拥有2倍的扭力。由於轴向马达的体积已大幅缩小而且扁平化,有利於发展电动车终极目标━轮鼓马达,也有利於其他电动运具的发展,如电动航空器(飞机与无人机)、体积更小的二轮运具(机车与自行车)。



图二 : 2023年宾士(Benz)与TASA发表轴向马达技术。(source:Benz)
图二 : 2023年宾士(Benz)与TASA发表轴向马达技术。(source:Benz)

电动车带动需求 马达大厂抢先机

工研院指出,马达是电动车驱动要角,国际大厂动作积极,以北美和欧洲市场来看,电动车多采用感应马达动力系统,主要因为感应马达在高速运转时具有更隹的运转及负荷效率;中国及日本以永磁马达为主,主要因为永磁马达的低速性能较隹,而功率密度与能量效率较高;另有部分车厂的电动车马达采外购及委外方式。


全球电动马达主要大厂包含德国博世(Bosch)、法国法雷奥(Valeo)、美国BorgWarner旗下的Remy、加拿大的Magna、日本的日本电产(Nidec)及日本电装(Denso)等;中国厂包含比亚迪(BYD)、上海电驱动、浙江方正电机等。


不少台厂积极布局电动车马达领域,如富田电机锁定增效、高精、高节能马达,在2023年的「台北国际自动化展」中展出高效能IE4马达、高精度同步伺服马达、感应伺服马达等产品。富田电机也针对磨床、车床、?床等工具机开发出转矩输出稳定、低震动制程的传统马达、变频马达与伺服马达。



图三 : 感应伺服马达可搭配编码器进行速度检出。(source:富田电机)
图三 : 感应伺服马达可搭配编码器进行速度检出。(source:富田电机)

全球第三大马达制造商东元电机(TECO)应用物联网 (IoT)、云端计算、大数据及行动通讯等技术,设计新世代智慧马达远距/行动监控系统,可监测马达内电压、电流、用电、震动(VBR)、温度、机电健康状况(如转速、扭力、冷却、轴承);东元电动车用动力马达及马达控制器则以模组化设计,开发可扩充不同功率范围的动力系统模组,具有高可靠度及高耐环境性,适用於A级以上乘用车、SUV、轻型商用车,更可升级为高度集成系统 (三合一动力系统)。



图四 : 东元提供不同的电动车用动力系统解决方案。(Source:TECO)
图四 : 东元提供不同的电动车用动力系统解决方案。(Source:TECO)

值得一提的是,过去,台湾电动自行车的三电系统多半仰赖德国博世(Bosch)、日本SHIMANO等大厂,未来可能打破这种依赖关系,因为台达电(Delta)在今年的「台湾国际智慧移动展(2035 E-Mobility Taiwan)」中展出首颗自制ebike中置马达,一颗重约2.9公斤,整合齿轮、马达与电控三合一功能,初步瞄准登山车(Mountain Bikes)、跑车(Trekking Bikes)、载货(Cargo Bikes)等三大电动自行车应用,预计2024年第一季量产。



图五 : 台达e-Bike中置马达。(source:Delta)
图五 : 台达e-Bike中置马达。(source:Delta)

马达从看似冷门到智慧化转身,随着全球节能减碳的需求增加、智慧化联网系统与驱动设备联网系统走向整合,加上电动车中的马达扮演三电系统关键角色之一,未来对於高效节能与智慧马达的需求只会越来越迫切,这股需求也将催生新的科技转变,带来更多新商机。


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