受到近年來的節能減碳、高效製造等趨勢發展驅動下，該如何製造出更高能效的馬達，已成為這波製造業投資汰換設備，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入智慧自動優化流程、電動運具，期望能加速普及應用。

根據國際能源總署（International Energy Agency, IEA）2050淨零排放路徑規劃（Net-Zero Emissions by 2050 Scenario, NZE）中，列出未來30年達成全球能源系統脫碳的主要支柱，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、生質能源、碳捕獲再利用與封存等7大項，擴大全球工業加速投資。

其中依IEA分析，馬達、變頻器為驅動機械設備運轉的主要元件，用電量約占全球總電量46%；工業用電約64~70%，應用範園涵蓋泵浦、壓縮機等不同產品領域。儘管馬達控制與傳動系統已經是發展多年的技術，若可經由提高或改善其能源效率將占20%~25%。

且因為機械設備的種類眾多，工業耗能約占台灣總耗能50%以上，而成為節能減碳的重點。最有效的3種方法及節能比例，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，對於促進工業節能減碳的效益立竿見影，也是最該先被導入的措施。

適逢2030年將是可否達成淨零排放的關鍵，當企業進行設備汰舊換新的投資決策時，若能順勢導入低碳生產設備或創新技術，達到最佳的運行效率和節能效益，將能大幅降低工業排碳。如近期台灣機械業為響應淨零轉型與深度節能政策，便呼籲政府在制定2035年新減碳目標時，應將製造業的主體-機械生產設備一併納入考量，進而提高設備汰舊換新補助額度、獎勵製造業購買節能設備價款等，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節能的首要項目，分別依客戶規模大小而引進不同提高能源效率的解決方案，而陸續制定馬達最低能效標準（Minimum Energy Performance Standard, MEPS）與相關的管理措施。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 : 當企業進行設備汰舊換新的投資決策時，若能順勢導入低碳生產設備或創新技術，將大幅降低工業排碳。（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，台灣也自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、台灣與新加坡則訂於2025年，未來台灣甚至會提高至IE5、IE6，逐步提升馬達驅動系統的能源效率，加深企業對能效的重視。

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，實現永續設計、組裝及營運行銷等垂直整合；且除了現今市面上廣泛使用的感應馬達之外，永磁馬達及同步磁阻馬達（SynRM）等，也是發展高效率馬達方案的選項之一。

其中感應馬達雖然常被認為已達技術瓶頸，難以實現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計、分析優化磁路、高度自動化設備提升品質穩定性，甚至導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達IE5能效的感應馬達，且憑藉其毋須驅動器啟動的優勢，首選於危險環境的防爆應用。

圖二 : 目前國際品牌馬達製造大廠也紛紛致力於開發更高效率馬達，實現永續設計、組裝及營運行銷等垂直整合。（source: siemens）

大同推出IE4/IE5馬達 跨足工業及電巴應用

大同公司也自2018年開始，率先在台灣推出達200HP的IE4感應馬達，並取消永久磁鐵和驅動控制器設計，且框號與原來IE2、IE3系列相通可直接替換，獲得台灣科技大廠青睞。進而透過旗下大同智能公司協助馬達在製程中運轉時，可搭配智慧監測系統，即時監控運轉狀態和趨勢，進行健康預診分析和安排維運保修。

於2006年起陸續開發小型特用電動車EV馬達以來，2014年與工研院合作，在經濟部「全電化都會運輸系統基礎技術」分項計畫下開發180kW中型電巴馬達、以及2018年大型電巴用250kW驅動器及自製馬達。直到2021年初發表首套電巴250kW直驅馬達動力系統，年底再配合城際電巴需求，開發330kW高扭力直驅式動力系統，並投入DMIT（設計製造在台灣）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，針對在工商業智慧節能領域用電高佔比的馬達與空調改善能效。呼應政府公告自今年7月開始，將該公司推出的額定0.75kW～200kW工業泛用型馬達效率提升至IE4標準，並搭配變頻器於設備運作可適時降載節電，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，也針對在工商業智慧節能領域用電高佔比的馬達與空調改善能效。（攝影：陳念舜）

滿足多變應用環境 實現馬達設計最佳化

值得一提的是，在如今多變應用環境該如何優化馬達，以實現更高效、更節能的運行畢竟是一個複雜的過程，必須要同時考慮電機設計、工作負載、運行環境等諸多因素，並尋求可行的解決方案，以實現最佳性能和效益，成為許多製造商和企業的關注重點。

工研院指出，由於馬達屬於多物理耦合設計，包含電磁、結構和熱傳等因素會互相影響，所以在設計上必須通盤考量，涵括電磁分析、定子熱傳、轉子結構、心軸振動分析等，連結有限元素軟體模擬；並建立多種最佳化演算法，以達到馬達多目標最佳化。讓設計者可透過馬達設計軟體虛實整合模擬分析，達到降低開發成本、提升設計品質等要求。

由於近年來隨著高效率、低成本的需求增加，馬達最佳化設計也被提出來解決馬達尺寸或是相關參數優化問題。且有別於傳統設計迭代過程，使用者須累積大量經驗迭代計算與多次交叉實驗，在一般制定規格時輸入定/轉子尺寸、電流相位角等固定參數後，將會經過的流程及大概花費的時間依序為：建立數位CAE模型（Modeling)）10~30mins、設定參數（Parameter Setup）10 mins、分析模擬（Simulation）10~200 mins、結果判讀（Result Judgement）5 mins。

其中2D模型可經由具有豐富經驗的技術人員，利用DOE或response surface等其他市面上傳統主流商業軟體的間接優化（indirect optimization）計算方法，調整設定參數，優點是可藉此產生完整的統計資料，有利於於初期探索設計空間。

但缺點是一旦設計變數稍多，將會導致計算量急速增加，仍須有相當程度工程經驗的使用者協助判斷並逐步調整，在實務上不可能執行。即使加入電腦計算與自動化輔助，每次設計迭代至少仍須投入數小時的全職人力；若要得到略為讓人滿意的設計，還需要經過多次迭代，所得到的設計可能還不是真正最佳解。

加上專業人力逐年短缺，企業留才越顯困難，如何透過企業內部的設計經驗協助新人快速上手，進而保護其累積的know-how需求，已是越來越迫切。經由導入馬達自動化設計軟體，不僅可提出多種不同方法來縮短所花費的時間；還能在變化的環境中，同時滿足多目標最佳化設計需求的高能效馬達。已有業者開始引進人工智慧（AI）的學習或自適應機制，以取代傳統人工調整馬達設計參數來解決最佳化問題，可望協助工程師處理更多事務。

AI設計演算法 實現自動優化流程

威昊科技則是在台灣少數具備技術基礎和市占率的模擬軟體系統商，近年來積極推廣自主開發的最佳化智慧設計演算法，並成功導入應用於東元電動車的動力馬達優化設計上，利用「自發探索式智慧運算」結合SmartDO自動設計最佳化與JMAG電磁分析軟體，開發具備突破及創新性的馬達自動優化設計流程。

由於SmartDO可針對交/直流、步進馬達等各類型馬達，將設計問題分解為參數計算、驗證；，與相關CAD/CAE軟體都有相當方便的連結，介面學習上相當快速。讓一般有CAD/CAE使用經驗的技術人員，在建立完成CAD/CAE參數模型後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經驗才能判斷與決策的工作標準化並自動化。

因此，有別於傳統馬達設計的複雜流程，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驗，即可得到最佳化參數，突顯SmartDO與傳統設計流程的差異化優勢。

最後再經由SmartDo判讀相關數據並修改、減少迭代計算的次數，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預測或SmarDO判斷、決策的方法，更為經濟、有效。

圖四 : 目前馬達廠也利用「自發探索式智慧運算」，結合SmartDO自動設計最佳化與JMAG電磁分析軟體，開發具備突破及創新性的馬達自動優化設計流程。（source: JMAG）

如東元便利用SmartDO軟體設計馬達而具備優化能力，聚焦於驅動器、動力馬達等挑戰，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成功優化設計，實現馬達效率最佳化或符合車廠規格需求。

經由比較原始設計與SmarDO智慧運算後最佳化設計的結果，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%，可視為滿意的優化解。

且因大廠導入軟體後，還將影響其原始設計流程、開發邏輯，包括傳統從前處理人工畫圖10~30min、等待模擬結果10~200min、到後處理結果判定5min等不斷迭代循環的時間，以及仰賴老師傅的專業經驗。

此設計過程在先行建立模型及參數設定後，可將優化過程完全自動化，不必使用者動手調整或判斷，克服傳統產業缺工困境。再透過SmartDO實現2D模擬一次cycle time週期時間約可節省30min，並以最佳優化路線取代傳統田口法而縮短迭代次數，配合JMAG電磁電機模擬自動化軟體，執行智慧運算和原本分析流程，以節省時間、人力做更有價值的工作。

但因為每次設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龐雜，而越來越精密、複雜。每次經過模擬、預測後，都會拉長計算時間，將之改為自主佈點、蒐集統計資料並加以運算、產出數據，甚至希望能引進AI智慧運算流程。

除了導入智慧學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化時間，大幅節省時間、成本；提升研發與設計人力創造的價值及效益，讓技術人員可以專注在產品的創意與工程實務面，不必再耗費人力在軟體操作與調整。

威昊科技總經理陳申岳表示，基於SmartDO的自發探索式智慧運算法（Self-Explorative Smart Computing）支持馬達優化，為過去許多需要人工迭代且密集技術經驗判斷決策的設計工作，可以將之標準化並自動化的創新解決方案。

再加上SmartDO的智慧運算會自行決定所有重要的求解參數，技術人員可以專注在產品的創意與工程實務面，不必再耗費人力在軟體操作與調整上。相較於傳統迭代方式，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自動優化所需計算量遠少於其他方法，且常能找到更佳的設計，所以對於工程設計流程有相當大的助益。