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马达厂竞逐客制化应用

作者:陈念舜时间:2022-09-12来源:CTIMES收藏

展望控制与传动系统虽然已是发展多年的基础技术,但到了如今追求节能减碳时代,为了要制造出体积小、功率更大的高效率时,便考验各国制造业从设计、分析,乃至于制程上细节能力,是否都具备成熟技术和工艺水平,以及全方位服务能力。

考虑近年来无论采用何种技术或IEC标准,IE5能耗都会比IE3机种少40%,永磁同步马达(PMSM)还具有高能量密度与高运转效率、体积小等优点,在运作过程中的舒适度与动态响应也会大幅提升,却不会有振动噪音随之而来,近年来也开始结合直驱系统达到IE5等级能效,广泛用于各种对于能效要求较高的电动载具、工业制程及自动化设备。

如德商西门子公司(Siemens)目前不仅配合各地「最低能效管制政策(MEPS)」,推广旗下超高效率节能马达,均须符合IE3效率等级;甚至对于欧盟要求75kW~200kW马达在2023年,必须达到IE4等级已做足准备,才可配合产业客户与机械厂商提升马达效率,降低企业能源成本及每年排碳量。在最近台北国际自动化展中,也积极推广旗下节能高效的SIMOTICS IE4(IE5)同步磁阻马达,将大幅提升效率与变频驱动系统性能。

进而全面整合无线监测装置,增加系统运转透明度,要求对于马达,甚至是上位的变频器与机械传动机构等,都必须能通过有/无线工业网络或蓝牙,链接西门子PLC控制器,得以完整、实时且连续不间断地监测马达运行状态;且配合西门子MINDSPERE云端服务与德国专业技术专业团队,预诊马达使用寿命,并主动安排保养与维护时程,以协助业者实现零意外停机的目标。

瑞士商ABB公司也在今年会中,展示旗下IE5等级同步磁阻马达(SynRM)与整合式高效率马达(EC Titanium),结合同步磁阻与永磁控制技术,提供马达与驱动器/变频器的一体式解决方案,减少约40%能耗,实现出色的节能效果。

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图1 : ABB也在今年展示旗下IE5等级同步磁阻马达(SynRM)与整合式高效率马达(EC Titanium),并提供一体式解决方案,减少约40%能耗。(摄影:陈念舜)

东元搭配永磁马达 促冷却水塔能效达IE5等级
近年来台湾马达大厂东元电机则受惠于机电系统、智能能源、智能家庭3大事业群的组织变革有成,已发挥最大效益,分别于再生能源、储能、节能与运具电动化等领域皆有对应解决方案,直接链结商机。根据东元最新公布2022年Q2营收年成长13.5%、上半年营收年成长16.8%,主因即可归功于营收占比达五成以上的机电系统事业群,在北美、欧洲与台湾市场年成长13.9%的贡献。

例如美国O&G输送站压缩机过去多采用柴油发电机驱动,但在未来美国若立法通过《清洁竞争法案》(Clean Competition)之后,将推动O&G产业电气化成长期趋势,东元现则已取得 E-Skid超过2,000万美元订单,并有超过百台商机正在洽谈。

因为东元也有能力自制电动车用T Power动力系统,除了2021年便加入MIH联盟之外,还供应华德动能开发电动巴士,现已累积出货逾百余套,等到客户新厂成立,订单即可望明显增加;后续还将用于台湾多家巴士车厂合作开发的智慧电动巴士DMIT计划,预计年底前完成路测,2023年之后贡献营收;同时与指标性货卡车厂合作,并结合东元集团旗下宅配通,开发台湾首辆3.49吨以下电动物流车,现正进行整车测试,计划明年量产后,未来还可望导入货卡、自动导引车(AGV)等货/客运交通领域的智能电动载具。

自从今年七月起台电平均调涨电价8.4%,用电大户更达到15%之后,促使企业能源及用电成本剧增。东元从去年便针对工厂节能需求,推出低碳智能工厂解决方案,将可协助企业大幅降低用电成本,并且逐步达成减碳的目标。预估今年以来东元推出在节能方面的产品及服务,将比去年同期成长约三成,全年相关营收贡献可望挑战新台币40亿元。

本文引用地址:/article/202209/438102.htm

表1 不同的工厂设备及产品的节能省电效率

工厂设备

产品

节能省电效率

高效率马达驱动系统

高效率感应马达(IE3/IE4

2~8%

高效率永磁马达(IE4

IE4感应马达效率再提升4~5%以上

中、低压变频器

最高50%

冷却水塔

IE5超高效冷却水塔永磁直驱系统

最高15%


东元电机公司机电系统暨自动化事业群处长孙健荣也表示,尤其是在现今台湾的钢铁、石化、电子、水泥、造纸或纺织化纤大厂等排碳大户更感兴趣,东元还可针对客户既有设备的能耗与能效状况,提供汰换成本由低到高等不同解决方案。

例如在工商界各行各业都会有的高效率冷却水塔,就是一个相当耗能的设备,很有必要提升效能,业者可从最简单的维持既有系统,但将马达换成高效率产品;或是将既有的传动系统简化改造为永磁直驱系统而提升效率,还可以大幅减少如减速机等机械传动组件定期保养和周期性(Life cycle)汰换成本。

藉此完全颠覆了传统驱动冷却水塔风扇,必须经由马达连结联轴器再搭配减速机,才能组成低转速、高扭力的完整驱动系统。孙健荣指出,如今透过直驱系统,既降低了相关机械损失,还最少提升传动系统效率约5~15%;若搭配永磁马达在低转速下,高效率的特性,比起传统感应马达差异更大。

经过分析依照环境温度变化,再搭配变频器对水塔风扇进行变速控制的节能效果更佳。孙健荣也推荐业者,可采用东元针对高效率冷却水塔开发的整套专用变频节能控制系统,透过内建AI算法的变频器精准控制温度,在负载明显变化时,节能效果将比一般通用型变频器提高40%以上!

「虽然牵扯到既有设备的改造看似复杂,但是对于降低电费及设备维护等总体运转成本的效果,也显而易见!」孙健荣表示,由于能源效率提高且少了这些机械可动件之后,将能完全省下马达定期保养和周期性汰换的成本;在冷却水塔导入东元IE5高效永磁直驱系统,则有助于企业,降低设备在整个生命周期内的总体营运成本,让许多业者感到兴趣而踊跃下单。

结合东讯传感器实时监控 确保马达能效长期稳定
同时考虑现今制造业打造智能工厂,导入工业物联网(IIoT)需求,但因为马达在正常运转时不会「讲话」,所以通常业界认定的马达效率都是在健康状态下测得,于购入时决定。却忽略了在不健康运转时,马达能效会变得差异极大,传统只能透过人工巡检、抄表来比较数据,或是在事后分析才会发现。

东元现也与关系企业东讯公司合作,针对马达、鼓风机、空压机、泵浦,还有冰水主机的冷媒压缩机等旋转设备建立数字分身(Digital twin)监测系统,再利用外接式传感器取得其振动与温度信息后,再通过Wi-Fi上传Gateway。经过内建机器学习的算法建立或比对关键上下限指针,以实时显示目前马达是否处于健康运转状态;或是依客户需求,将从Edge端或是收集到中央控制系统的数据长期累积,用于未来纪录分析。

孙健荣说:「一旦建立这些指标,就等于提醒业者密切关注,以及早发现马达可能在不正常情况下持续运转,导致能效和能耗表现不佳,甚至是主动安排维修保养,据统计在安装了这项设备后,能源效率约可提升3%~7%。」未来等到设备皆可预诊分析后,下一阶段才会视客户需求,逐步导入5G、AR/VR等工具,实现无人巡检、远距维修作业,精省人员质量。

目前东元还能整合集团内的能源管理系统,首先用于协助客户,盘查现有设备能效是否较差?接着进行效益分析,评估若更换一颗高效率马达或设备,能带来的好处;客户还应该知道耗用的能源到了何处、有什么重大耗能设备?接下来才能建立基本能效数据,得知耗能状况与产品比对。倘若发现产值不高,却仍有较高能耗时,就代表可能出现浪费或不明使用状况,必须加以改善。

孙健荣表示,其能源管理系统不仅可以串联设备提升能效,或是再生能源等节能减碳解决方案,最后还会再加入一些智动化、数字化管理工具,让操作更有效率。藉此取得可视化数据之后,还能形成碳排放的具体管制策略,进而结合东元集团相关产品,提供企业所需的完整解决方案。

包括东元现有多种方式协助企业回收废热再利用,除了可用于业者最有兴趣的发电之外,也会替客户评估实际厂内需求,包括温度、流量和产热时间等。若是热源条件适合,厂内也有蒸汽需求,就能将废气转换为蒸汽,省下燃油或天然气产生蒸汽的成本,或是用来满足于厂内冷冻机或冰水机的制冷需求。

在今年台北国际自动化展上,东元便以ESG永续概念,打造低碳智慧未来工厂为主轴,携手关系企业东捷信息及东讯,聚焦提供以马达为核心的低碳工业解决方案。亮点产品包括:首度亮相的「次世代小型化变频器E710」、永磁同步直驱马达,以凸显节能效益;AC/DC伺服马达,可二次开发应用于天车、AGV或协作机器人关节,降低构成智慧工厂的门坎。

同时提供高效率冷却水塔专用AI变频控制驱动器、厂内废热回收等客制化服务解决方案,经分析选用后导入,才能以最小代价得到最佳利益。进而搭配与东捷信息、东讯合作的碳资产管理与IoT可视化监控系统,以实时追踪保养马达健康与维修,协助客户提升设备能效、降低能耗;透过软件计算出口设备、产品的碳足迹,最终实现数字化、可视化碳盘查管理。

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图2 : 透过结合东元永磁马达直驱系统用来改造高效冷却水塔,既降低了相关机械损失,还最少提升传动系统效率约5~15%。(source:东元)

大同携手减速机 跨足重电及车用领域
另一家老牌马达大厂大同公司,旗下则仍有10大事业体,分为重电、电缆、马达、智能电表、太阳能、智能能源、系统整合、家电制造、家电品牌、先端电子等。近年来也发挥在客制化长期累积的经验优势,配合市场产业发展潮流,规划开发马达方向。

在节能减碳方面,除了2016年即推出IE3系列马达外,也超前部署推出0.75kW~150kW更高阶的IE4鼠笼式转子感应马达,可直接采取商用电源启动运转,提高能效及降低能耗。且因为马达仍采特殊设计的电磁钢片、铸铝框架和转子等模块化设计,安装尺寸皆采IEC国际标准,具备高度互换性,使得马达维修更为便利,毋须重新更换产线设备。

大同公司马达开发处副处长蓝宝琳表示,目前该公司IE3、IE4永磁同步马达系列的轻量小型化产品,不仅搭配驱动器节能效果佳,在速度及定位变化更为精准;并投入开发一体式IE5同步磁阻马达,将广泛用于变速负载空压机、泵浦、风机等机械设备上,现也与日本厂商技术合作,将同步发电机导入水力发电设备应用,符合净零碳排趋势。

进而在客制化服务上,大同也推出甫获2022台湾精品奖的钢铁厂专用的轧钢马达,并搭配2020年台湾精品奖TiMS大同智慧马达传感器(Tatung Intelligent Motor Sensor),可采用业界首创Bluetooth及LoRa合并的双架构无线传讯系统,无论新旧马达皆可安装监测,可透过PC、手机App监控之外,还能搭配专用无线网关,使之监测范围广达数公里,让客户得以最经济方式达成设备常态监测。

再经过公有云结合微软Azure工业物联网平台,建置专属大数据分析系统,以提供加值服务,将涵括马达运转状态、温度、三轴振动、电机频率、运转时数、异常告警、保养提醒等项目,以兼顾确保设备健康的智能化监控及故障预知诊断功能,确保马达使用状态及维持高可靠度,以延长设备使用寿命,避免异常停机造成产线不必要的损失,也浪费工时、材料与能耗。


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图3 : 大同也推出钢铁厂专用的轧钢马达,并搭配TiMS大同智慧马达传感器,以提供加值服务、维持高可靠度。(摄影:陈念舜)

同时携手旗下大同住重减速机,顺利掌握台商回流带来的自动化、节能减碳商机,在今年睽违20年重回台湾参展,演示其减速机内部专利曲线板设计,实现简易结构、省空间,以及高强度、长寿命等优势,并结合在地保修服务。尤其是在厂内有多部设备的钢铁、食品产业等碳排大户,搭配高效马达的节能效果更为明显。

此外,因应政府积极推动2030年公交车与客运全面电动化,大同除了自力开发生产EV马达,,现也与政府及学研单位合作,开发大型电动巴士用250kW马达驱动器,搭配自制高效率马达用于台湾市区12m公交车,满足安全、续航远等需求,现已取得唐荣大型电动巴士动力系统订单;未来还将透过DMIT产创计划,开发台湾城际客运用电动巴士动力系统,且为物流车、中小巴士等国内外商用车市场规划客制化设计生产。

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图4 : 透过大同住重减速机产品,实现简易结构、省空间,以及高强度、长寿命等优势,顺利掌握台商回流带来的自动化、节能减碳商机。(摄影:陈念舜)

结语
自从近年来各国纷纷推出各项措施来落实净零碳排路径目标。包括欧盟要求2030年排碳量,须比1990年降低55%,于2050年达到碳中和;且将从2027年元旦起,开征碳边境调整机制关税(Carbon border adjustment mechanism;CBAM),并纳入计算用电产生的间接排碳,而全面扩大征税规模。

美国同时则须比2005年降低50%排碳量,且由参议院提出《清洁竞争法案》(Clean Competition Act;CCA)中设定课征碳税的时程,预计2024年就要上路,甚至比欧盟更快。未来包括南韩、大陆、日本等地为免自家产业遭受不公平竞争,也势必会开始跟进加征碳税,台湾也必须急起直追,才能不被全球市场排除在外。

回顾马达虽然已是成熟工艺产品,占有工业用电超过60%比例,对了现代工业要求智慧化、节能减碳趋势,更面临成本增加、灵活生产、新旧产线整合的挑战。台湾厂商虽然在高效马达既少了材料优势,除了原先已有海外基础的厂商相对更具优势潜力,也仰赖用电、排碳大户企业透过「以大带小」策略,带动零组件、OEM设备供应链厂商对于节能减碳要求,打造智能工厂及大型电动车,以减少碳足迹。



关键词: 马达 客制化应用

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