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小兵立大功!外轉子永磁無刷馬達

2019/07/19 |採訪撰文:林曉琪(綠能科技產業推動中心技術發展組副研究員) 點閱人次: 679

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外轉子永磁無刷馬達
圖片提供╱工研院綠能所

可變速又節能的DC變頻吊扇,採用了最先進的「外轉子永磁無刷馬達技術」,技術團隊更提供DC變頻吊扇系統整合、標準作業及檢驗流程,讓台灣的吊扇產業不僅站穩國內市場,更邁向國際!


近年來,政府不斷地宣導節能減碳,國內廠商投入調節空氣的產品製造時,都特別注重節能效率,而經濟部能源局也藉由推廣節能標章,幫助民眾篩選真正能達到節能效率的產品。如果民眾不確定購買的產品是否符合節能標準,也可以到節能標章全球資訊網查詢獲證的廠商名稱與產品型號,購買節能有效率的產品,可說是台灣的社會運動。

吊扇是具有降低室內溫度、促成空氣循環的好幫手,就是一種很典型的節能產品。我國投入吊扇的生產已20多年,隨著人們對於建築風格喜好的改變,吊扇除了實用性,更兼具裝飾的功能,而國內有著一群幕後功臣,扎實地推動著吊扇產業的發展與轉型,讓它的節能效率不斷往上提升。


外轉子永磁無刷馬達技術,吊扇產業的轉型契機

台灣是全球吊扇的主要供應地,與國際的吊扇通路商皆有良好的供應關係。由於國內吊扇業者多為中小企業,早期供應傳統感應馬達型式的吊扇,只需要機械製造與組裝能力及人才,便可完成完整的商品供應,國內廠商也會相互共用模具,以降低吊扇製作成本,進而更具有國際競爭力。

然而,導入可無段變速、又具高節能效益的永磁無刷馬達驅控技術時,國內吊扇廠商便面臨跨技術知識(永磁電機、電力電子、數位控制等)與相關專業人才不足的瓶頸,在採取外包設計開發及外購零組件、再回廠組裝新產品的情形下,面臨許多設計不良、整合介面不一、產品可靠度不佳以及進入巿場後不知該如何維修與服務等問題,導致銷售面臨障礙。要重振我國吊扇國際競爭力而推動節能化創新產品,非常需要具備研發能力及可以整合產品各項技術而使性能優越的跨領域專業技術及團隊人員的支援。

工研院綠能所張鈺炯組長娓娓道來投入外轉子永磁無刷馬達技術的契機。過去高效率馬達都使用在改善工業耗能方面,而家庭中普遍使用的家電,電力消耗卻時常被忽略,近年來由於節能成為趨勢,一般民眾也愈來愈注重家電的節電效果。舉例來說,冷氣與風扇的一起使用,可逐漸降溫驅熱,在室內變涼後,只要把冷氣設為26或27度的定溫,室內就會保持涼爽,還能節省將近一半的電力,而坪數越大的空間,風扇的葉面就要越大,才能有效發揮省電效率,如果是客廳或辦公室空間,冷氣與吊扇一起使用,省電更佳(冷氣節能可參考〈冷氣機節電標準再進化 CSPF報你知〉)。

看上家電節能的未來性,技術團隊開始研發可用在無段變速的節能吊扇(巿場上稱為DC變頻吊扇)的核心技術:外轉子永磁無刷馬達。由於外轉子的轉子半徑相較內轉子的轉子半徑大,可達成低轉速、高扭力;因此,轉子材料可使用非稀土的磁石(如鐵氧系磁石),便可達成性能需求,同時產品可採用扁薄化的設計,不佔空間,因此特別適用在吊扇的應用,無疑是替業者開創一個新的市場機會。

外轉子永磁無刷馬達具有低轉速、高扭力且不佔空間的優勢
圖片提供╱工研院綠能所

把老技師無法言說的能力數據化、標準化 解決技術瓶頸

在外轉子永磁無刷馬達的研究上,工研院已經有了具體的成果,不過要實際應用到吊扇上,解決異音問題才是整個吊扇無段變速研發最棘手的地方。張鈺炯組長表示,過去在吊扇組裝時,正常運轉或有異音,都仰賴老技師的聽力經驗值分辨,沒有使用設備或軟體,沒辦法數據化及標準化,也無法傳承經驗。為避免對於異音的主觀解讀,技術團隊將老技師所聽到的異音轉化為聲音頻譜的記錄進而相互比對,同時經由頻譜的量化數值與轉換對應,分析出會產生不能被接受異音的各種可能來源,使業者及研發同仁之間具有共同的工具,而掌握可接受的音頻範圍,成為彼此驗收商品的規範,著實為吊扇業者解決了困擾多年的技術瓶頸。

張鈺炯組長提及系統間的整合也是計畫團隊關注的焦點,不同材質或不同長度的吊扇葉片,與馬達結合後都可能會產生不被接受的異音,產生的原因包含馬達與葉片組裝的精準度不佳、因葉片重量不同而產生慣性力不同而必須調整驅控器電力輸出的模型等等,藉由記錄下產生異音的變化與修正後的方案,成為業者開發各種吊扇的選用調整表,使業者不用再擔心常常會面臨匹配不良的狀況,同時強化推動商品的信心。技術團隊也為業者建立DC變頻吊扇的標準作業流程(SOP)及標準檢驗流程(SIP)。

此外,現代的吊扇都兼具LED裝飾燈的功能,而LED燈也涉及電源供應問題。一般設計是採和馬達相同的供應電源,彼此便會產生相互的影響;例如一顆LED燈燒毀時可能導致馬達的電源也燒毀或產生過熱等問題。因此,馬達、驅控器、電源控制器、燈板等,皆必須通過電磁相容性(EMC)及電磁干擾(EMI)與安規的測試,以確保吊扇運轉不會因其他家電設備而產生電磁干擾,所放射的電磁波也不會對其他電器或環境造成影響,這才是真正落實品質保證。


從產品使用者的角度出發,將心比心的商業化模式

科技始終來自於人性,這樣的理念同樣可套用在家電產品。如何讓產品使用者靠著直覺操控,使用起來得心應手,不必特別研究操作技巧,就可以達到節能效果,進而增加消費者的購買信心,也是技術團隊目前的研究重點之一。

外轉子永磁無刷馬達正是在經濟部能源局的經費支持與計畫指導下,由工研院綠能所自主規劃與研發的技術,整合國內馬達驅控晶片、電路板與馬達製造商等資源,而且為業者提供可商業化的完整方案,使技術團隊獲獎無數,包含工研院的成果貢獻金牌獎、第一屆環境英雄獎、107年能源領域研究計畫的成效楷模獎,今年已經在特力屋的連鎖體系上架銷售,預估在國內可帶動年銷千套以上的銷量。

技術團隊於107年能源領域研究計畫獲得成效楷模獎
圖片提供╱工研院綠能所

值得一提的是,全國首創全自動化外轉子永磁無刷馬達產線,將落腳台南沙崙智慧綠能科學城。技術團隊鏈結國內吊扇廠,預估自2020年起,該產線預計將可年產10萬台的外轉子永磁無刷馬達模組,從前端的馬達與驅控器及遙控器的設計、生產、製作、自動化組裝與品質檢驗、可靠度測試,乃至後端的行銷與產品診斷,為業者提供一站式的全套服務。

除了不斷提升馬達的性能以外,技術團隊將持續協助業者評估國際化的商業模式,期望共同推動新的商業模型與建造新商品的通路,使吊扇業者的產品不僅坐穩國內,更能「吹」進國際市場。


關鍵字:外轉子永磁無刷馬達,能源效率,節能

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