文、圖◎楊士進教授
隨著機械傳動功率密度的提升，高速輕量化馬達已經廣泛的應用在高功率密度但是卻有安裝空間限制的場合。一般來說，馬達的功率等同於其輸出力矩與轉速的乘積，在相同的額定功率，提高馬達額定轉速可以減小馬達額定力矩的輸出，進而縮減馬達的體積(馬達的力矩與馬達的轉子半徑平方成比例)。除此之外，高速馬達亦可節省馬達矽鋼片與磁鐵材料的使用，進而提升馬達在動力系統輕量化應用的優勢。本文章列舉出一些適合高速馬達動力輸出的應用來驗證此研究目的之重要性:
1.車用動力輔助系統:
車用動力系統所要求的額定轉速必需至少在一萬轉以上，最高的轉速可以上看二十萬轉左右[1]，相較於傳統的氣壓或油壓動力系統，高速馬達動力系統具有快速響應與高效率之優勢及運轉速度之可控制性，這些特性非常適合於一些著重於高效率節能且輕量化的車用動力輔助系統，例如燃料電池電動車之壓縮機、內燃機引擎熱能回收系統和車用飛輪儲能系統。
(i) 燃料電池之空氣壓縮機應用[2]: 由於環保意識的抬頭，目前已經有大量的學校和業界投入於車輛動力節能之研究。其中一個被認為可行的節能方案，是藉由燃料電池之放電技術來輔助車子所需之動力。燃料電池之電能來自於氫氣與氧氣的結合，進而產生水及電能，一般而言，氫氣必須藉由壓縮推進的方式，加速進入氫氧質子交換膜以利結合成水及產生電能，其能量轉換的效率取決於氫氣壓縮的比例。對燃料電池電動車的應用來說，燃料電池必須能夠產生6-kw-hr左右的連續功率。此應用的最大挑戰是車用燃料電池模組是有安裝空間的限制，在有限的空間之下，氫氣壓縮機的轉速必需提升至1萬2千轉以上用來持續提供電動車所需要之電能。圖一列舉出文獻[2]所研發出來的270-V 6.5-kw在1萬4千轉產生之開關式磁阻馬達，根據其實驗結果，此馬達所產生的功率能夠提供25-g/s的壓縮流量用來壓縮氫氣。這個壓縮流量足夠應用於目前電動車通用的25-kw燃料電池模組(假設單一燃料電池可產生0.7-V之電壓)。此研究團隊未來的研究方向將會著重在整體馬達驅動系統之效率提升，預計提升至80%~90%之馬達驅動效率，進而強化燃料電池在車用之優勢。
█ 圖1 (a)組裝前
█ 圖1 (b)組裝後
圖1 文獻[2]所研發出來的270-V 6.5-kw在一萬4千轉產生之開關式磁阻馬達
(ii) 內燃機引擎熱能回收系統[3]: 內燃機引擎熱能可以藉由渦輪增壓器(turbocharger)回收轉換成機械能進而改善車子的動力系統及提升系統整體之效率，內燃機熱能回收系統已證實其可行性在輕量化車用引擎應用上。但是由於空氣壓力的限制，傳統使用的內燃機渦輪增壓器在引擎低速運轉時無法提供足夠的空氣給壓縮機，如圖二(a)所表示。為了改善渦輪增壓器在引擎低速運轉的性能，文獻[3]嘗試安裝一個高速永磁馬達在原本內燃機內的渦輪與壓縮機的轉動軸上面，如圖二(b)所示，藉由馬達的動力輔助，足夠的空氣可以有效的進入壓縮機既便是在引擎低速運轉的週期，除此之外，藉由永磁馬達變頻驅動器的設計，當引擎在高速運轉的時候，馬達可以轉換成發電機模式來進行額外的熱能回收轉換成電能。文獻[3]研發出一個20-V 2.2-kw在10萬轉產生的高速永磁馬達(極速可達20萬轉)，經由實驗證實，大約1.3-kw的能量能夠回收在10萬轉馬達額定轉速。高轉速的馬達輔助渦輪增壓器可以縮小整個引擎的體積在相同輸出功率之限制下，非常適合用來設計車用之節能系統。
█ 圖2 (a)熱能回收使用現在的渦輪增壓器
█ 圖2 (b)馬達輔助渦輪增壓器
圖2 文獻[3]所比較的兩種內燃機引擎熱能回收系統
(iii) 車用飛輪儲能動力輔助系統[4]: 歐洲車子製造商Volvo在2011年推出一系列裝配有飛輪儲能系統之概念性車款，Volvo宣稱加裝飛輪儲能系統之渦輪增壓四缸引擎能夠產生與渦輪增壓六缸引擎相同的動力，但是可以減少車子25%左右之油耗。圖3列舉出Volvo所發表的車用飛輪儲能動力輔助系統，Kinetic Energy Recovery System (KERS)[4]。其中一個額定功率120-kw與額定速度6萬轉的碳纖維(carbon fiber)飛輪被設計在此系統裡面，當車子煞車的時候，車子的動能會移轉用來啟動飛輪運轉；當車子從靜止開始重新加速時，飛輪的動力會透過Volvo專利設計的無段變速系統轉換到後車輪軸上，用來輔助車子所需之加速動能。[4]中提到，Volvo在未來期望增加馬達驅動器與小型鋰電池用來儲存多餘的煞車動能及提供足夠的車子加速動能。
█ 圖3 車子製造商Volvo所研發出來的飛輪儲能動力輔助系統[4]: 當車子煞車時，動能會暫時儲存在飛輪儲能系統；當車子重新開始加速的時候，飛輪系統裡面的動能會透過Volvo設計的無段變速器移轉到車子後輪軸上
2.無人機動力系統:
隨著通訊技術的進步以及成本的降低，無人機已經從過去的軍事國防用途普及到目前的個人休閒之用途。對於休閒用無人機，四~八個高速無刷馬達驅動之葉片推進器常被安裝用來控制無人機之飛行高度與方向，其中掌上型無人機具有輕巧方便攜帶以及適合於不同地形飛行探索之優勢，此無人機被公認是未來休閒用無人機之趨勢。圖4列舉出文獻[5]所介紹的掌上型無人機，此無人機動力系統由四個10-w在2萬轉產生之永磁無刷馬達所提供。此高速馬達的運轉效率與無人機的續航力直接相關(目前為半小時在滿電能狀況之下)，改善此毫米級高速永磁馬達之效率可以強化此無人機在家庭用之優勢，此外，效率提升也能夠避免馬達元件過熱進而提升整個系統之可靠度。
█ 圖4 毫米級動力推進器運用於掌上型無人機[5]
3.醫學用洗牙鑽 (dental drill):
如圖5所示，傳統的醫學用洗牙鑽都是藉由外部的空氣壓縮機提供大量的氣壓來帶動洗牙鑽裡面的旋轉渦輪進而產生高速運轉[6]，其系統主要的限制是在於氣體壓力的非線性特性，尤其在高速運轉的時候，洗牙鑽往往無法保持在恆定的速度輸出，為了解決氣壓非線性特性在醫學手術執行的限制，牙醫師通常都會準備不同速度規格的洗牙鑽與洗牙鑽頭，以便執行門齒及臼齒的清潔或補牙。文獻[7]在2014年提出利用永磁無刷馬達驅動來取代傳統的氣壓驅動洗牙鑽，藉由馬達驅動，其運轉速度可以利用馬達驅動器來進行速度控制，由於其速度之可控性，牙醫師可以大幅簡化其所需的洗牙鑽數目，此外，牙醫師可以利用馬達變頻控制與快速響應的特點來快速且準確的執行手術，這將會減少病人的疼痛時間，以方便手術執行。
█ 圖5 傳統的醫學用洗牙鑽[6]
4.製造困難度:
相較於一般伺服變頻馬達(< 6000轉)的低製造成本與比較容易控制之特性，高速無刷馬達(>1萬轉)在目前市面上能選擇的種類相對比較少，且其製造精度需求也較高，但是其附加價值也是較高。
參考文獻:
[1] C. Zwyssig, J. W. Kolar, and S. D. Round, "Megaspeed Drive Systems: Pushing Beyond 1 Million r/min," Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, vol. 14, pp. 564-574, 2009.
[2] T. Raminosoa, B. Blunier, D. Fodorean, and A. Miraoui, "Design and Optimization of a Switched Reluctance Motor Driving a Compressor for a PEM Fuel-Cell System for Automotive Applications," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 57, pp. 2988-2997, 2010.
[3] T. Noguchi, Y. Takata, Y. Pyamashita, Y. Komatsu, and S. Ibaraki, "220,000-r/min, 2-kW PM motor drive for turbocharger," Elect. Eng. Jpn., vol. 161, pp. 31–40, 2007.
[4] Volvo to test flywheel-KERS hybrid cars. Available: http://articles.sae.org/9925/
[5] Autonomous Agile Aerial Robots. Available: http://www.kongtechnology.com/2013/04/26/the-future-is-near/
[6] Dental Drill by Dr. Nava Gabbay. Available: http://www.madehow.com/Volume-3/Dental-Drill.html
[7] A.Tuysuz, C.Zwyssig, and J. W. Kolar, "A Novel Motor Topology for High-Speed Micro-Machining Applications," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol. 61, pp. 2960-2968, 2014.
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