數數看－你的生活中那裡使用了馬達
機械系蔡明祺

一、引言
馬達的發明源於1820年法拉第的電磁共生發現，至今一直存在我們的日常生活環境中，可以說是近代工業發展史上的活化石。隨著科技發展及綠色環保影響下，許多傳統產業已逐漸式微，然而馬達產業仍隨著科技需求持續發光發熱。一般馬達常被稱為傳統產業，實質則為民生基礎產業，在資訊化與自動化的現代演化過程中應用需求反而愈來愈多，應用領域也愈來愈廣。因此不僅沒有在科技的洪流中消失，更隨著各種新興的應用需求而持續蓬勃發展，如半導體生產設備、車輛產業、電腦周邊至通訊手機等應用。
你能想像一部汽車用了多少顆馬達嗎?
一部汽車你所熟悉的馬達有引擎起動馬達(1)、發電用馬達(1)、冷卻鼓風機馬達(1)、冷氣風扇馬達(1) 、燃油噴射馬達(1) 、前後雨刷馬達(1x2+1) 、噴水器馬達(1x2) 、電動天線馬達(1)、電動窗馬達(1x4) 、後視鏡馬達(3x2，左右兩側各有調整上下及收納)等。因此初步統計一下，汽車內的基本配備就有20多顆馬連。如進一步考慮其它週邊系統配備，如一台光碟機內就有4顆微小馬達，而收錄音機有2顆，另音響喇叭(至少有兩顆)是利用線圈和磁場交互作用，使音箱共振進而發出聲音，故此類馬達又稱為音圈馬達。如此一部汽車用到的馬達大大小小算起來至少有30 顆以上。而高級轎車為了達到省力及方便性(圖1) ，在設計上會加裝許多電動裝置，像是電動椅(含升降、傾斜、前後及左右滑動)、動力天窗、電動行李箱蓋、EPAS動力方向盤、遮陽板、頭燈收藏、GPRS螢幕收納、主動式避震系統用、電動按摩椅、駕駛座方向盤調整、電動窗簾、AFS頭燈轉向系統、輪胎轉向電動調整裝置等，至於自前所流行的休旅車系列車種，亦有防夾電動滑動車門(左/右)、第三排電動收納椅及分離控制冷氣空調裝置。由此可知，在高級轎車所使用的馬達竟然就高達60 顆以上！近幾年為滿足人們對方便、舒適、安全性的需求，汽車用馬達的數量及種類一直不斷地增加，除考量壽命及輸出功率外，有些機種還要求低噪音，基於環保方面要求，還有資源回收的設計。
 
你知道什麼是變頻冷氣機嗎?
你曾分析比較家用電器的耗電量嗎?台灣一個家庭一年照明設備平均要用掉30%的電費，而空調系統則佔了22% 。夏天空調是家庭用電量的排名第一，約佔41%之多。冷氣機的心臟即為壓縮機，電力耗費大多集中在壓縮機馬達。傳統定頻冷氣壓縮機只有基速（60Hz）運轉和停止兩種簡單的操作模式。在市電運轉時，壓缩機馬達會以定速「努力」運轉，直到達到設定的溫度值，才會停止運轉並保持在送風狀態，這也是傳統空調容易讓人感到忽冷忽熱的主要原因（圖2（a）)。變頻式冷氣機係利用電力電子技術控制電力頻率大小及振幅，進而控制馬達的轉速。因具無段變速之特點，變頻冷氣機啟動時，馬達可由低轉速穩定的加速，並在短時間內將轉速提升至以二倍於傳統冷氣機的電力頻率運轉，迅速達成室內溫度定溫控制（圖2（b））。變頻式冷氣比一般定頻冷氣機除了具有低噪音、低震動及室內恆溫的優點外，更能有效節省電能，耗電量約一般冷氣機的2/3，省電可達30%以上！
全球石油價格高漲，家電產品省能效率，已成為消費者採購電器產品時所關注之議題。變頻技術正可解決家電產品省能的問題，如有變頻冰箱與變頻洗衣機等家電產品。變頻冰箱與傳統冰箱最大優勢在於保鮮，變頻壓縮機開關次數減少，運行更為平穩，溫度變化降低，溫差波動小，對食品保鮮的影響減少，保鮮程度較傳統冰箱更高。變頻洗衣機的優點除了節能與靜音外，最大優點在於洗滌效果好，能針對不同衣物的質地確定不同的洗滌、脫水速度，衣服磨損率低。

馬達已不再是傳統印像中的形象
廣義馬達的定義為－舉凡能把電能轉換成動能的裝置，在現今科技蓬勃發展的時代，馬達已經超過傳統影像中的刻板型態。廣義的馬達已非全以電磁力來驅動，例如，能想像陶瓷材料透過極性及電場方向的作動也是一種馬達嗎？那就是有別於一般所見的電磁馬達-【超音波壓電馬達】。超音波馬達是二十世紀70年代問世的一種新型馬達，其發展不過30年的歷史，是日本工業界積極投入研發的領域，今有許多公司陸續推出產品，如SHINSEI、CANON、SONY、SEIKO、NEC等。超音波馬達有些優點是電磁馬達所不能及的，如電磁馬達運轉時產生的振動，恰好為人耳可感受的頻率範圍，所以人會覺得馬達相當吵雜。而超音波馬達的振動頻率則設計在20kHz以上，超過人耳可聽到的範圍，所以我們感覺不到有運轉的聲音，而覺得很安靜，因此被命名為超音波馬達。近幾年電壓致動相關研究有越來越多趨勢，其中以震動發電及被動吸震兩大主題為最熱門，分別說明如下。
 
-震動發點
壓電材料具有機械能與電能互換的特性，常見的應用主要於致動器與感測器上，而現今逐漸被用於發電與被動吸振的用途上。壓電材料具有體積小、結構簡單的優點，適合與各種日常用品結合。可藉由物體的震動，將機器能轉換成有用的電能，較知名的應用有由麻省理工學院所研發的壓電鞋（圖3），其在腳尖與腳底部安置壓電片，藉由人們行走時，腳尖的彎曲與腳跟的敲擊達成發電，來驅動鞋子所裝的RFID電路。
 
－被動吸震效應
正壓電效應還可做為壓電阻尼器，來吸收物體所產生的振動能。原理是藉由壓電材料機電耦合的特性，將振動的機械能轉換成電能，再藉由外加的RLC電路控制達到吸振的效果。這類產品已開始應用於體育器材的被動吸振，如網球拍、高爾夫球桿、棒球棒等。圖4所示為網球拍上壓電阻尼器的吸振效果，其對震動抑制有實質的效果，如此有益於降低使用者的運動傷害。
 
成大馬達科技研究中心對馬達的研究已經投入多年，成果上也稍有斬獲，這一次要特別感謝今年度李國鼎科技獎主辦單位的邀請，始有機會在校刊上介紹馬達科技研究中心的研究領域。底下茲以馬達科技與生活為主題，介紹中心一些相關的成果與具有特色的創新應用。
二、創新性馬達設計
在產品開發上，創新設計並非代表一切，但創新卻是研發的重要訴求。真正的創新須考量實質的加值效益，而非天馬行空不合乎實務需求的概念。成大馬達科技研究中心多年來一直投入整合製程技術、馬達基礎原理及創意概念，針對產業界需求，研發出具實用性馬達外，如光碟機主軸馬達、散熱用風扇馬達、輪圈馬達、健身跑步機馬達等，在馬達創意性設計上亦有相當之研究成果，如同心軸馬達及球型馬達等，底下將分別說明。
1 、光碟機主軸馬達
網際網路的風行，加速帶動資訊產業的發展，而光碟機是多媒體及消費性電子產品現階段必備的儲存設備，其主要關鍵零組件「主軸馬達」仍須仰賴進口。在小而美的需求下，馬達科技中心曾與國內知名的馬達公司進行多年的建教合作，研發CD-ROM 、DVD用主軸馬達，提出一架構簡單的創新型設計，有別於圍5所示之一般三相九槽徑向繞組徑向氣隙型馬達，須共有九組徑向繞組線圈，圖6所示為一種軸向繞組徑向氣隙型馬達，僅需兩組軸向繞組線圈，且為軸向堆疊架構。該架構特色是易於繞線，簡化了組裝製程。製作成本低，具市場競爭優勢，本創意設計已獲世界多國的發明專利。配合所研發之驅動控制電路，真有雙向調速運轉功能，測試結果顯示該馬達已能在多款商用的CD-ROM 和DVD-ROM上有效運轉。再者，本項研究主題今配合高雄金屬中心的科專計畫，又進一步衍生軸向繞組的架構，利用先進的半導體製程－電鑄、照像平板印刷等技術，製作微小精密的線圈繞組，已可實現厚度小於3mm，直徑在小於20mm的薄型馬達(圖7)，深具未來應用潛力。
2 、一體成型之散熱用風扇馬達
今3C 電子產品已朝輕、薄、短、小發展，多功能及高速化使產品的積體電路密度高，散熱問題因而較以往嚴重。就個人電腦而言，主機板上的主要熱源包括處理器(CPU)、記憶體(Memory) 、調節器(Regulator)以及晶片組。16Mbyte記憶體的耗熱大約是5W，一般晶片的耗熱是1至2W，而200MHz Pentium微處理器的尖峰耗熱就高達16.6W。研究顯示操作溫度每上升10℃電子零件的的可靠度就會下降50%，為了解決耗散熱度問題，微處理器會加裝散熱片及散熱風扇，而傳統式風扇模組，馬達與風扇通常是個別設計，易造成整體運轉效率不高。
本研發團隊提出一種新型直流無刷風扇馬達設計，將馬達轉子與葉片整合成單一架構，直接於葉片外環鑲入永久磁鐵，馬達定子繞線安裝於風扇方形框架，具有繞線易於組裝、大轉矩、高效率、低噪音等優點。圖8為傳統與本新型(右圖)馬達之比較，主要是在殼體之空間外圍獨立裝設矽鋼片馬達定子，在定子弧形極鞋內側放置轉子，轉子與風扇葉片可配合永久磁鐵為一體成型設計，構成定子在外、轉子在內之大外徑、封閉式內轉子型風扇馬達，藉此可增加轉矩輸出，增進散熱效果及降低噪音，此新型風扇馬達之設計已獲發明專利，國內也廠家商先後利用此風扇馬達之設計理念，開發出新的散熱風扇馬達。
3 、輪圈馬達設計
因應京都議定書與高油價的時代，世界各國積極尋找取代傳統燃油引擎的動力來源，新型態電動交通工具開發因而被重視，一體成型的直驅式輪轂馬達開發就顯得更重要，其中磁阻馬達因不需磁鐵材料，製作成本低，深具未來應用發展潛力。如圖9(a)所示為一兩相磁阻馬達的新型設計，採用軸向繞組徑向氣隙結構，此繞組模式相當簡單，且繞組占槽率極高，適合低成本的應用領域，且非常適合於外轉子輪轂型馬達之設計製作，該設計已獲發明專利。該二相磁阻馬達之結構設計，可由二個單相磁阻馬達所組合，如圖9(b)所示，是另一種新型車輪轂馬達的組裝構想，可分別鑲嵌入二個車輪轂中，並以一車輪軸穿設於二個車輪馬達使同動運轉，圖10為此車輪轂馬達在電動輔助高爾夫球具車的應用實施例。
4 、結合、馬達與傳動機構的同心軸馬達
雙同心軸馬達是另一項結合馬達與傳動的創新性設計，如圖11 所示，由內外兩組具同心軸轉動的無刷直流馬達所構成。此同心式馬達的內轉子與外轉子分別以太陽齒輪和環齒輪連接，構成行星齒輪系減速器，利用行星齒輪帶動輸出轉軸，因此可藉由控制內、外轉子間之轉速差，驅動行星齒輪控制輸出轉軸速度。該雙同心軸馬達具有無段變邊的特點，另可藉由控制內外轉子間的正/負速度差，即可控制輸出轉軸正逆轉。此馬達具有類似汽機車引擎離合器的功能，當內外轉子間的轉動速度差為零時，其輸出轉軸是停止的，類似汽機車在停止時，其引擎仍在運轉。欲啟動輸出轉軸時，只要適當控制內外轉子轉速差即可，因此該馬達輸出轉軸在低速時有很大的啟動轉矩，適合應用在未來電動輔助載具上。
5 、模組化直驅式跑步機馬達
配合都會生活環境需求，許多健身器材因應陌生，其中以跑步機最受歡迎。傳統跑步機馬達利用皮帶間接傳動，在長時問操作下，易產生磨耗及噪音，本研發團隊結合跑步機業者，提出一模組化新型直驅式無刷馬達設計，如圖12所示，此模組化設計可隨所須的長度並接，馬達轉軸可直接承載負載驅動。馬達與跑步機一體設計可降低傳動機構之損失及噪音，並可節省空間，該設計已獲多國發明專利。
6 、多自由度馬達的球型馬達
一般所見的馬達大為單自由度的旋轉馬達與線型馬達，然而在科技發展需求下，越來越多的場合需要多自由度的運動，如電子眼監控、機械手臂關節等。利用一般的旋轉馬達來達到球體運動，需配合複雜的機構設計，且易於導致尺寸過大的情形，直驅式多自由度球體馬達是未來的發展。目前國內關於球體馬達之研究尚未起步，至今仍無人實質投入此項研究，而國外之研究主要為電磁致動之球面馬達，其軸承的放置設計不易。本研發團隊提出一國科會三年期整合型計畫(94-97)，結合超音波馬達及電磁預壓致動之特性，配合球體架構之運動機構設計及針孔攝影機，進行多自由度之機械眼研發(圖13)。此電磁預壓之超音波馬達之設計理念深具未來的應用發展，已委託校方相關單位進行專利申請。
三、馬達科技研究中心的創立
有鑑於國內學術界對馬達設計及實用技術之研究非常缺乏，在日常生活中周遭常見的馬達種類，非專業者是不易分辨其差異性，如你分辨交流變頻馬達及直流變頻馬達是什麼?另與產業界之交流亦明顯不足，使馬達設計人才之培養出現斷層，於2001年校方積極鼓勵各研究領域整合成立研究中心時，成立國內首創之「馬達科技研究中心」。目的在於有系統地建立馬達科技應用技術，如馬達工作原理、馬達設計及控制應用等，並積極投入創新性精密馬達的相關研究。馬達科技中心的發展重點，在於結合各方面的資源，提供全方位的技術服務，建構成學界與產業界互動的平台，為產業界提供更多服務。如所建構的馬達科技數位學習網機制(http://emotors.ncku.edu.tw/motor_learn/)已是馬達產業公認相當有效的產學互動平台，至今已有五千多名會員，實質地興農業界建立相互間之資訊互動。馬達科技中心不僅是一個學術單位，也是一個國內馬達產業的技術與資訊分享據點，擔負學術界與產業界間所須的技術發展重任。
四、結語
無論在工業、民生、醫療、電腦訊息或軍事航空等領域，馬達皆為一不可或缺的動力裝置，其應用發展實有舉足輕重的角色。近年3C電子、家電產品中的馬達需求及汽車市場，因應京都議定書對效能的管制，使馬達似乎又重新抓住世人的目光，因此如何設計高效率馬達，便成為業界所重視的課題。而國內近年在3C產業的辛勤耕耘，在國際間己具舉足輕重要的地位，加上精密馬達已是3C電子產品中不可或缺的關鍵組件之一，必將隨著機器人及資訊產品的發展需求而日漸增加，由此可以推斷，國內馬達產業仍有相當大的發展空間。
個人由人生體會中頓悟生命是有限的，但科技的發展卻是無窮的。與其追求一個永遠追不上的東西，寧願為領頭羊，投入身邊隨時隨地皆能接觸到的研究。這篇專文簡述多年來在成大所完成的一些研發成果及深具未來發展的相關應用，讓大家對於馬達在生活上的應用能有更深一層的體會。
 
 
註3: J. Kymissis, C. Kendall, J. Paradiso, N. Gershenfeld, "Parasitic power harvesting in shoes", Physics and Media Group, MIT Media Laboratory, 1998.
註4: Alan Hooper, “Smart materials for the 21st Century Chairman Smart Materials & Systems  Committee.