技術專輯主編前言 │先進馬達與電推進無人機技術專輯主編前言

作者:

彭文陽

刊登日期:2021/06/29

隨著媒體的不斷報導,一般民眾對於馬達二字越來越不陌生了,這要歸功於近幾年急速成長的電動車輛市場。以二輪電動載具而言,除了因為前幾年共享單車經濟急遽成長的電動(助力)單車,這兩年電動摩托車領域也逐漸取得了顯著的成長,甚至越來越多的個案開發是以性能取向的重型電動機車。也因此,馬達,或稱為電(動)機,或者更早學術上稱作電機機械的電動動力驅動裝置,除了已經深入我們生活的各個角落,也跟目前的許多新興產業息息相關。如果從過去的產品分類或相關法規管理來看,可概分為最大宗的標準框號工業感應馬達,以及非標準框或半標準框的各類有刷、無刷馬達。隨著各類創新應用的需求出現,馬達的設計分析工具需要提供更精準的分析模擬結果,才能更有效地輔助設計者縮短設計時程。也因為這些分析模擬工具的進步,更多創新結構的高效率馬達誕生了, 例如近期有一款由歐洲MAHLE公司推出的無磁石馬達,經常被馬達動力相關領域的朋友拿來探討,它採用的轉子電磁鐵勵磁設計的概念,雖然過去的勵磁發電機、串激馬達等也都是利用轉子的繞線磁場產生旋轉需要的扭矩,但MAHLE還導入了非接觸的電能傳遞設計,取代傳統電刷滑環的設計,降低摩擦損耗提升可靠度,最高效率媲美永磁電機。無磁鐵設計的高性能電機議題會受到重視,也是因為過去一年來,稀土資源與交易市場充滿了壟斷色彩與不確定性,稀土磁石原料端價格甚至飆升至2.5倍。除了近期鋼片價格漲勢稍微趨緩之外,銅價與稀土磁石價格帶動著馬達成本的明顯上升,低稀土或無稀土馬達的設計變成車用電機的新興議題,過去的感應或磁阻車用電機,越來越多的創新研究紛紛指向複合磁通的設計,提升磁阻力矩的比例,降低永磁電機對正轉矩的比例,進而降低稀土磁石使用的依賴。此外,一些新的磁石材料也逐漸推向市場,例如釤(Sm)系列磁石,雖然也屬於稀土類磁石,但是地殼蘊藏量排第四十,比錫(Sn)還多,日立金屬推出的釤鐵氮射出型粒料,就非常適合高轉速的內藏磁石轉子馬達(IPM)使用,與過去愛知製鋼推出的射出型Magfine®異方性磁石相較,似乎市場滲透力道更強。

此外,車用載具、無人機、電動飛機使用的馬達為了滿足輕量化,提升電機與驅控器的功率密度是確定的趨勢,目前最常使用的做法是提升電機轉速,附帶提升了電機的電壓規格。一旦電機的轉速提升,許多的挑戰會來自於零組件的加工、製程與組裝工序等製造方面的議題。越來越多的馬達製造使用的新材料、新製程都在解決電機功率密度的提升。例如 :高轉速帶來了轉子軸心與轉子鐵芯精度與強度的挑戰,自黏矽鋼片可以提升轉子鐵芯整體的結合強度,降低鐵損,提升效率,但不管模內或模外的矽鋼片衝黏製程,針對較大的鐵芯,製程效率、能耗控制與穩定性還是一個挑戰的課題。在漆包線方面,近幾年國內的漆包線大廠已經成功開發出高端的扁線,或稱為平角漆包線,可以提升佔槽率,改善定子槽內熱的傳導,降低電機溫升,但是平角漆包線的自動繞線設備還是需要克服的議題。在大型電動巴士、軌道牽引電機、大型永磁風力發電機的設計上,採取多相(通常6相以上)變成一個常態,除了可以降低相電壓與線電流之外,同時也提升了電機的容錯性,也就是一般三相馬達敏感的欠相問題不再會造成多相馬達頓時無法正常運轉,但是這些多相馬達也帶來了馬達設計與驅控架構的挑戰,隨著電力電子元件的不斷演進,以及微處理器晶片的運算能力提升,不管是多相、多階的驅控拓樸架構,或者是同時滿足低速與高速兩個操作區域扭力需求的雙操作點電子變速驅控軟硬體,都將變得實用與普及。

本期馬達技術相關的文章涵括馬達設計、驅控、故障診斷的範疇,以及目前仍高度依賴高性能無刷電機的電推進無人機議題。與工業控制器相關內容包括全數位電源及控制器人機介面與沼氣發電系統併網模組的技術探討。「高值化沖床設備產業趨勢」一文,針對台灣的金屬成型沖壓設備產業,分析如何從過去以量取勝的模式,逐步轉變為以質取勝,甚至要橋接到客戶服務端的挑戰與機會,包括關鍵零組件國產化需求的議題,還有製程應用系統軟體面的需求。「應用蟻群演算法的永磁馬達自動化設計」主要在利用特定的數值演算機制,加快設計參數的收斂,對應特定性能的優化目的,這樣的技術對於目前越來越多的永磁馬達設計需求,能實質提升設計流程的效率。「高功率密度馬達熱傳建模與有限元素分析」一文,分析馬達散熱風扇的擺設及葉片角度對於散熱能力的影響,對於氣冷散熱的高功率馬達的熱管理設計提出了定性及定量的分析。「工業伺服馬達磁鐵健康度評估」一文,透過電流等訊號的分析,針對稀土磁石馬達不可回復的傷害,提出預兆診斷的方法,避免退磁等風險發生。「定頻感應馬達智慧數值演算輔助設計方法」,主要目的也是希望提升定頻感應馬達的設計效率及設計結果,從過去習用的速算表,到數值模擬分析之間,加入一些智慧演算方法,快速獲得兼顧高效率、扭矩性能的數值解,無形中也可以融入一些設計經驗。「稀土磁石與電動車動力系統的探討」一文,從衝黏矽鋼片、平角漆包線以及高壓高轉速控制等面向,探討車用電機降低稀土磁石依賴的可能性。「極精密雷射振鏡馬達運動控制系統設計」一文,提出一種僅透過位置回授的速度與加速度雙估測器,提升系統穩定性並消除差分雜訊,並改善反射鏡片在高速偏擺下不平衡的力矩擾動問題,主要目的在改善雷射加工精度。「視覺化人機控制介面發展與實現」一文,針對六軸機械手臂與生產線周邊設備,提出一個易學、易理解、易操作的視覺化智慧人機控制介面。「智慧型數位超音波控制器技術」主要提出一種自動追頻技術和功率控制技術,免除因發震子等被動元件偏差需校正調整操作頻率,自動適應工件材質軟硬度與接觸的程度,以自動追頻鎖相的做法,加上功率補償提高輸出穩定性,可達到加工效果的改善以及能耗的降低。「高負載無人機電源管理監測技術」針對大型多旋翼無人機在實際的負載與側風干擾等狀況下,即時記錄與分析整機與各軸功耗狀態,對於無人機的飛控參數調機、電能管理、提升系統整體可靠度、最佳節能航路規畫都有幫助。「高效能無人機行動地面站系統開發」一文,針對目前無人機的數圖傳需求,探討這類行動地面站的系統需求,透過個案設計及實作,分享商用無人機需要的產品化導向地面站開發經驗。「沼氣發電併網輸出應用推動現況探討」一文,主要在探討生質能典型的發電系統,目前將這類非穩定輸出的電力併網的幾種技術手段。

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