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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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永磁無刷馬達 年省一座核能電廠發電量

文/王秀芳  攝/鄒福生

張鈺炯與他的研發團隊,以「永磁無刷馬達與驅動器實用化計畫」,協助促成台灣馬達產業上中下游形成聯盟,提高整體產業競爭力。
張鈺炯與他的研發團隊,以「永磁無刷馬達與驅動器實用化計畫」,協助促成台灣馬達產業上中下游形成聯盟,提高整體產業競爭力。

工研院能環所與機械所共同研發的
「永磁無刷馬達與驅動器實用化」技術,
應用領域廣泛,例如近來熱門的DC變頻冷氣,即是採用該技術。
歷經10年的研發歷程,該技術獲得日本及中國家電大廠的讚許,
有點像是古時候寒窗苦讀的學子,雖不致「十年無人問,一舉天下知」,
但其堅持的毅力,不得不令人欽佩!


馬 達是生活中常見的動力來源,例如電風扇、冰箱、冷氣機等,都是依靠馬達才能運轉,而於其他工商業設備上的應用,更是不勝枚舉,所以電力消耗約佔總銷售電量的一半以上。工研院能源與環境所住商節能技術組經理張鈺炯指出,以台灣而言,若一組馬達的效率提升10%,總合下來,一年約可節省100億度的電量,相當於一座中大型核能發電廠的發電量!

張鈺炯說,其實許多電器用品的馬達時常是在低負載運轉,但是傳統感應馬達則採用分段式的定轉速來對應,然而低速運轉時,除了效率相當差外,所提供的環境要求的舒適度也不易達成,大部分需求只要微弱風,但是機器卻無法達成。為了解決這些問題,可無段變速且具高效率低速運轉的永磁無刷馬達應用技術,就應運而生。

運轉效率提升,節能一把罩

永磁無刷馬達應用可以提升設備運轉效率,進而達成節能的顯著效果。「我們曾以同一座電扇運轉一定時間來做實驗,比較傳統定速感應馬達與永磁無刷馬達的節能能力。採用永磁無刷馬達的電扇,於強速運轉時可省電50%,而在弱速運轉時可省電達70%!」張鈺炯以實驗數據說明永磁無刷馬達的效能。

「永磁無刷」是電機產業的專有名詞,指的是:在馬達轉子上裝置磁鐵,以具有馬達電流換向控制功能的IC晶片驅動電力開關模組(俗稱功率模組),用以控制馬達的運轉,不需使用如傳統直流馬達要使用的碳刷,來進行電流換向而控制馬達運轉。

驅動控制器是永磁無刷馬達的重要零組件之一,除了負責輸入電力的開啟與轉換,並驅動馬達轉動之外,還要接受設備系統對功能需求的感測資訊,以進行解析與決策,而使系統設備達成高效能的運轉;而其中的關鍵元件之一,便是要具有功能強且成本具競爭力的控制晶片。張鈺炯驕傲地說,「我們與IC設計公司合作,發展出具驅動永磁無刷馬達進行無位置感測的驅動控制專用晶片,是亞太地區除了日本以外,第二個擁有此技術的國家,而且已完成商用模組化的量產製作。」

若驅動控制器的功能加以延伸,將可成為智慧家電的基礎建設。張鈺炯解釋,因為它本身具有高速運算、類比轉數位及數位轉類比等多輸出入的功能,如果能結合台灣產業基盤堅實的消費性電子與網通IC技術,如此一來,人雖不在屋內,也可以控制所有的家電。

形成聯盟,突破日本障礙

永磁無刷馬達
永磁無刷馬達

永磁無刷馬達的應用範圍很廣,可用在壓縮機、風機、閥、泵、傳動機構、發電系統,橫跨了冷凍冷藏、車輛、空調、能源、工業、國防、航太等產業,而且早與我們的日常生活息息相關,譬如目前大家耳熟能詳的DC變頻冷氣,就是採用永磁無刷馬達的技術。

工研院的「永磁無刷馬達與驅動器實用化」計畫,是由能環所與機械所共同合作研發,於2009年獲得院內的成果貢獻金牌獎。獲獎的原因,除了技術的前瞻性外,更值得一提的是,此技術協助促成台灣馬達產業的上中下游形成聯盟,提高整體產業競爭力,所鏈結形成的聯盟技術能力,足以媲美日本,是該計畫獨特之處。該聯盟成員包括:上游的電磁鋼料提供者、中游的鋼片沖裁廠與馬達製造廠,以及下游的壓縮機製造廠與馬達應用設備製造廠。

R-410A與DC變頻空調商品技術展示研討會
R-410A與DC變頻空調商品技術展示研討會

張鈺炯說,過去永磁無刷馬達的上游材料--高品級電磁鋼片,都只能仰賴日本進口,不但價格高,而且容易受人箝制。「我們協助中鋼公司,讓他們了解壓縮機產業對於電磁鋼片的驚人需求,以及性能規格的要求方向,因而促使該公司願意積極投入。」現在中鋼與下游廠商緊密合作,共同設計輸入(Design in),打破以往鋼料只賣給中游沖裁廠的商業模式。在中游的沖裁廠方面,則以協助共同開發優質化公模為方向,協助國內傳統少量多樣的馬達應用端,提高效益與節省成本。

除了技術援助、聯盟的形成,對於下游的廠商,更協助其突破專利的瓶頸。由於永磁無刷馬達的應用,在日本已經發展了20年,因此日本廠商建構了相當不易突破的專利障礙。張鈺炯指出,「我們聯合了交通大學機械所,於壓縮廠產品設計的初期,即協助合作業者進行完整的專利蒐詢、解析與規避,進而提出具製作與性能競爭力的國際專利申請;同時,委請交大科技法律研究所協助進行專利無侵權判定的確認,而使業者的壓縮機產品無後顧之憂,可以外銷日本。」具體成果是協助瑞智公司成為日本家電大廠第一次向外採購非日系變頻壓縮機的廠商,特別是在產品的性能與價格上,皆最具競爭力。

未來路:熱泵與共用機組化

研發團隊至今已完成一產業聯盟的計畫、兩家新創公司、三條新產線投產、五項節能技術首例商品化,以及五項國內節能產品的開發,有了這些紮實的基礎,未來將朝DC變頻空調共用機組化,與熱泵共用零組件化的產業需求技術方向開發。這是兩條截然不同的路。

共同機組化,是以開發空調設備室外機具共同機組為目標,就是透過零組件共用與技術整合平台建構,達到製造、研發等成本經費降低,同時,又可以縮短產品開發時間。預計於2010年將展示此雛型機,2011年將產品商品化。

熱泵計畫,則是將傳統空調設備所排出的熱能再加以利用,除了可降低使用冷氣機時的廢熱排放外,同時也可減少額外使用熱能供應設備所需要的電力。張鈺炯舉例說明,冷氣機運轉時所排出的熱能,可以將水加熱或是轉為烘衣機所用,即是製造冷熱多工設備。此計畫研究的另一特殊技術之處,是採用天然介質——二氧化碳做為冷媒,一來可將由能源產業為節能減碳而必須補捉的二氧化碳廢氣,進行應用以替代目前具高溫室效應指數(GWP)的人工合成冷媒,二來冷媒的供應也將不受國際冷媒製造公司的技術與成本壟斷。不過,二氧化碳冷媒尚有多項技術有待突破,例如其臨界溫度點很低,且臨界壓力相當高,在亞熱帶地域的室溫條件下,需要操作在超臨界的狀態等,皆是技術困難之處。

堅持得點,是永磁無刷馬達技術團隊的最佳寫照。10年前,在研發初期即與團隊合作的國內壓縮機廠商瑞智公司(也是工研院的衍生公司,目前該公司多位高階技術主管,皆是工研院出身),當時還處於公司產品初期萌芽階段,現已成為全球第四大小型冷氣機的壓縮機供應商,2008年全球供應量高達720萬台,也是目前中國地域最大的壓縮機外銷廠。有了這個經驗與鼓勵,不論從事何種技術的研發,只要方向正確,張鈺炯與他的研發團隊,都會持續走下去。

鴨子滑水,十年有成

張鈺炯指出,永磁無刷馬達是院內少見的長壽型計畫,而且當初是從零開始培養人才。
張鈺炯指出,永磁無刷馬達是院內少見的長壽型計畫,而且當初是從零開始培養人才。

永磁無刷馬達技術是由日本首先於20年前開始研發,張鈺炯說,變頻產品除了日本之外,其他國家皆尚在研發中,而台灣於10年前研發永磁無刷馬達技術,「當時除了我們這個研發團隊外,民間廠商亦有投入,但因這期間,恰為台灣3C產業蓬勃發展之時,使得人才以及研發資源均大量投於3C產業,廠商在人才與技術皆不易建構完整之下,逐漸退出,最後仍在永磁無刷馬達研發應用於住商節能領域,而且具有競爭力的,就只有我們了!」他感歎地說。

10年前張鈺炯原本於機械所研發定速感應馬達型的壓縮機,也曾獲頒工研院的研究成就團體銀牌獎。由於馬達與壓縮機技術,最終需要與系統搭配方稱技術完整,因此,整個研發團隊經由所與所的技術移轉,落腳能環所,並且將研發方向鎖定為具高節能效益的變頻應用技術。

回首研發之路,張鈺炯語重心長的說,技術需要有時機配合,太早出現,若沒有商機,技術也會被淹沒。他指出,因為近兩、三年來,節能減碳的風氣興盛,讓變頻技術受到極大的青睞,永磁無刷馬達技術才有發揮的舞台;加上台灣原本受注目的3C產業,由於中國、韓國廠商的崛起,光芒削減,永磁無刷馬達技術才開始受到IC與半導體業的重視。

對於10年的長時間努力,他笑著說,永磁無刷馬達是院內少見的長壽型計畫,而且當初自機械所出來的機械人才都留在團隊中,「這段期間,我們從零開始培養電機與控制人才,經由多項技術領域的研發同仁意願長期合作下,才能完成此橫跨電機、機械、控制等各領域的研發計畫。」

在台灣激烈的產業人才競逐中,如何留住研發人才?對此他認為,建構一個具有產業展望的平台,是讓同仁可以持續研發的驅動力;簡單的說,能使自己研發的技術實際應用在市面上所銷售的冷氣、電冰箱等商品上,除了與有榮焉,也具技術踏實感,同時,也證實了台灣廠商需要如此的研發技術協助。

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