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智能時代的馬達市場與科技轉變
電動車與淨零排放雙軌驅動

【作者: 季平】   2023年10月30日 星期一

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全球工業化、自動化,以及電動車與淨零排放等趨勢帶動高能效馬達產品的市場需求,預估2023-2030年內成長率將超過5.9%,預估全球高效率馬達的市場規模在2022-2027年將以年複合成長率6.52%的速度成長。


全球工業化、自動化,以及電動車與淨零排放等趨勢帶動高能效馬達產品的市場需求。日商環球訊息有限公司(GII)報告指出,2022年全球馬達市值約達72億美元,預估2023-2030年內成長率將超過5.9%,尤其機器人技術不斷推陳出新,帶動高效電機需求,預估全球高效率馬達的市場規模在2022-2027年將以年複合成長率6.52%的速度成長。


馬達(Electric Motor)又稱電機或電動機,上至人造衛星、火星地表探測儀,下至重工業(如風扇、鐵捲門、電梯、船舶等運輸工具)、民生用品(如電器、電動車、無人機、玩具),馬達無所不在,也是工業自動化不可或缺的核心之一。馬達按原理、構造、特性與應用方式,發展出不同種類及應用。


一般人對馬達的印象可能是:通常以電源來分類,可分成直流馬達與交流馬達。直流馬達可運用於家電、手動工具、工業設備等範疇,又可分為有刷直流馬達與無刷直流馬達。有刷直流馬達價格親民、易於製造與維護,但是效率稍低、噪音稍大;無刷直流馬達效率稍高、噪音稍低,但價格稍高,製造與維護方面的複雜度也稍高。


交流馬達可再細分為:感應馬達,使用於家電產品或製造業,如食品/包裝機械、電動車及各類自動化設備;伺服馬達可使用於需要精確控制馬達轉速、力矩、位置的應用範疇,如機器人、工具機、工業自動化控制等領域;調速馬達可以利用轉速發電機及速度控制器調整馬達轉速;減速馬達可以利用齒輪減速機降低馬達轉速、增加馬達輸出扭力。另外有一種高效率馬達,可以將更多的電能轉化為機械能,減少電能損耗。選擇電機馬達通常依功率、效率、尺寸、轉速、環境等因素而定,某些使用環境可能需要選擇IP防護等級馬達(如防塵、防水)。


國際上以國際電工委員會(IEC)訂定的IE等級代表馬達效率:IE1(常規效率)、IE2(高效率)、IE3(超高效率)和IE4(最高效率),數字越大代表效率越高、越省電;台灣則採用CNS14400作為馬達效率標準;變速馬達效率則分為IE1-IE5等級。


在節能減碳趨勢及政策帶動下,除馬達單體外,部分國家對於變頻器、驅動設備等馬達延伸系統設備已實施能效管制。美國早在2007年即同意導入工業馬達能源標準規範,以有效降低馬達的能耗占比,歐洲諸國則實施最低能源績效標準(MEPS)等政策,法律上甚至禁止使用IE1或IE2馬達,這些趨勢及轉變促使國際大廠陸續投入高效馬達的研發行列。


表一:不同馬達等級的常見用途(資料整理:季平)

馬達等級

常見用途

IE1(常規效率)

如電梯、照明系統、空調設備、生產線、機器人等。

IE2(高效率)

如風扇、風機、水泵、水處理等。

IE3(超高效率)

如食品生產、水泵、空調系統、循環水系統、環保設施等。

IE4(最高效率)

如風扇、工業設備等;需長時間運轉、用電量大的設備。


馬達智慧化聯網時代來臨

隨著智能時代來臨,馬達也逐步進化成「智慧馬達(Intelligent Motor)」。工業4.0浪潮下,雲端服務、AI、大數據、通訊及物聯網等先進技術使工廠設備相互串聯溝通,打造工業物聯網(IIoT)世界,藉由各種感測器與先進技術,可以將各類設備運轉狀態資訊上傳至雲端進行大數據分析,進一步彙整機器工作狀態,甚至連一般的馬達系統都已走向馬達智慧化聯網系統。


工研院產科國際所指出,馬達智慧化聯網系統整合了馬達元件、感測、通訊、雲端運算與平台服務,可以透過客製化平台進行一系列障礙維護及預防保養等功能操作,提供障礙解除建議。全球馬達智慧化聯網系統發展進程分為三階段進行:第一階段為工具數位化;第二階段為產品運作可視化;第三階段為功能優化及商務模式創新。


第一階段的工具數位化透過Ansys等模擬軟體輔助馬達設計,加上企業導入ERP及MES系統,促使企業邁向數位化運作,有利廠區製程資訊的電子化及統合。第二階段的產品運作可視化則是馬達結合物聯網及感測器技術,透過感測器蒐集資訊並將馬達運轉狀態上傳至雲端平台進行資料蒐集及分析,使遠距監測及障礙告警等功能更臻完善。



圖一 : 馬達智慧化聯網系統發展進程圖。(source:工研院產科國際所)
圖一 : 馬達智慧化聯網系統發展進程圖。(source:工研院產科國際所)

第三階段則是功能優化及創新商務模式,可利用AI專家系統提供馬達設備端操作指引,加上邊緣運算可使遠端裝置先行處理資料再上傳至中心平台,不只可以節省能源消耗,還能輕鬆彙整安裝於不同廠區內的馬達裝置運作資訊。全球多數業者已進入第二階段,至於早一步進入第三階段的設備商可以成為服務提供者,提供智慧化聯網解決方案。


智慧馬達同時具有控制、保護、監測、通訊、網路以及管理等功能,透過IC晶片設計與通訊協定就能完成前述功能,最常見的應用領域是機器人與電動車。軟硬體及感測技術相互搭配,可以提升馬達整體性能,如Macnica智慧馬達感測器OEM解決方案,就是由專用軟體配備Analog Devices超高精密微機電系統(MEMS)感測器硬體,將電池供電的感測器安裝於馬達散熱片上,採用智慧手機App進行初始設定,開始使用後,AI機器學習也自動啟動,累積一段時間後便能自動生成可以偵測異常的AI模型,可偵測9種馬達異常並分析異常狀況,透過這類預測性維護功能可以降低故障率和當機頻率。


電動運具里程碑—軸向馬達

節能減碳趨勢使全球電動車市場極速成長,帶動永磁馬達和感應馬達的需求及發展。隨著相關技術提升,交流感應馬達、永磁同步馬達和開關磁阻馬達逐漸成為電動車馬達的技術主流。


車輛中心產業發展處(ARTC)指出,電動車驅動馬達可以提高電動車平台的電壓,大幅提升功率密度、降低電能耗損及提升續航里程,所以有其重要性。不過,在電動車發展初期,動力系統曾出現感應馬達與永磁馬達之爭,而在特斯拉(Tesla)選擇永磁馬達後,逾90%的市售電動車馬達多使用永磁馬達。


永磁馬達的優勢在於體積小、重量輕、運轉效率高,因此普遍受到電動車大廠青睞(如Tesla Model 3、Nissan Leaf、Volkswagen ID 3等)。不過,為降低對永磁馬達中關鍵稀土的依賴,避免遭主要產出國(中國)壟斷原料市場的風險,諸如豐田(Toyota)、德國馬達供應商馬勒(Mahle)已開發降低或免用稀土的替代性馬達。近兩年,隨著Tesla首開先例將碳化矽(SiC)晶片應用於逆變器中,能夠支援更高的工作電壓,不少馬達製造商也不再局限於支援電壓300V-400V的純電動車馬達,積極開發支援電壓800V的驅動馬達。


不過,2023年6月賓士(Benz)與子公司YASA發表了軸向馬達最新技術,在業界投下震撼彈。ARTC產業分析師鄭冠淳指出,軸向馬達類似三明治結構,體積更小,扭力更大,可以做得更薄。Benz與YASA發表的軸向馬達在相同輸出功率下,只需要1/3的體積,其轉子只需一層永磁,大幅降低永磁和矽鋼片的用量,重量也只有原本的1/3,加上軸向馬達幾乎可以使用外殼全部半徑的轉子,在相同外殼半徑尺寸下卻擁有2倍的扭力。由於軸向馬達的體積已大幅縮小而且扁平化,有利於發展電動車終極目標─輪鼓馬達,也有利於其他電動運具的發展,如電動航空器(飛機與無人機)、體積更小的二輪運具(機車與自行車)。



圖二 : 2023年賓士(Benz)與TASA發表軸向馬達技術。(source:Benz)
圖二 : 2023年賓士(Benz)與TASA發表軸向馬達技術。(source:Benz)

電動車帶動需求 馬達大廠搶先機

工研院指出,馬達是電動車驅動要角,國際大廠動作積極,以北美和歐洲市場來看,電動車多採用感應馬達動力系統,主要因為感應馬達在高速運轉時具有更佳的運轉及負荷效率;中國及日本以永磁馬達為主,主要因為永磁馬達的低速性能較佳,而功率密度與能量效率較高;另有部分車廠的電動車馬達採外購及委外方式。


全球電動馬達主要大廠包含德國博世(Bosch)、法國法雷奧(Valeo)、美國BorgWarner旗下的Remy、加拿大的Magna、日本的日本電產(Nidec)及日本電裝(Denso)等;中國廠包含比亞迪(BYD)、上海電驅動、浙江方正電機等。


不少台廠積極布局電動車馬達領域,如富田電機鎖定增效、高精、高節能馬達,在2023年的「台北國際自動化展」中展出高效能IE4馬達、高精度同步伺服馬達、感應伺服馬達等產品。富田電機也針對磨床、車床、銑床等工具機開發出轉矩輸出穩定、低震動製程的傳統馬達、變頻馬達與伺服馬達。



圖三 : 感應伺服馬達可搭配編碼器進行速度檢出。(source:富田電機)
圖三 : 感應伺服馬達可搭配編碼器進行速度檢出。(source:富田電機)

全球第三大馬達製造商東元電機(TECO)應用物聯網 (IoT)、雲端計算、大數據及行動通訊等技術,設計新世代智慧馬達遠距/行動監控系統,可監測馬達內電壓、電流、用電、震動(VBR)、溫度、機電健康狀況(如轉速、扭力、冷卻、軸承);東元電動車用動力馬達及馬達控制器則以模組化設計,開發可擴充不同功率範圍的動力系統模組,具有高可靠度及高耐環境性,適用於A級以上乘用車、SUV、輕型商用車,更可升級為高度集成系統 (三合一動力系統)。



圖四 : 東元提供不同的電動車用動力系統解決方案。(Source:TECO)
圖四 : 東元提供不同的電動車用動力系統解決方案。(Source:TECO)

值得一提的是,過去,台灣電動自行車的三電系統多半仰賴德國博世(Bosch)、日本SHIMANO等大廠,未來可能打破這種依賴關係,因為台達電(Delta)在今年的「台灣國際智慧移動展(2035 E-Mobility Taiwan)」中展出首顆自製ebike中置馬達,一顆重約2.9公斤,整合齒輪、馬達與電控三合一功能,初步瞄準登山車(Mountain Bikes)、跑車(Trekking Bikes)、載貨(Cargo Bikes)等三大電動自行車應用,預計2024年第一季量產。



圖五 : 台達e-Bike中置馬達。(source:Delta)
圖五 : 台達e-Bike中置馬達。(source:Delta)

馬達從看似冷門到智慧化轉身,隨著全球節能減碳的需求增加、智慧化聯網系統與驅動設備聯網系統走向整合,加上電動車中的馬達扮演三電系統關鍵角色之一,未來對於高效節能與智慧馬達的需求只會越來越迫切,這股需求也將催生新的科技轉變,帶來更多新商機。


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