摘要
由於馬達故障或異常導致的效率下降問題已受到越來越多的關注，因為這些問題可能持續較長時間並造成嚴重的經濟損失。 本文描述了常見的馬達故障如何影響馬達運行效率，並探討 OtoSense™ 智慧馬達感測器 (SMS) 作為一種預測性診斷維護解決方案，如何幫助馬達保持高效率運行。 此外，文章透過兩個實際案例，說明OtoSense™ SMS 如何降低二氧化碳排放與電力成本。
前言
工業 4.0 被視為新一代的製造業時代，結合技術、機器人、人工智慧與自動化，以創造高效且精確的製造流程。 全球工業應用消耗了 37% 的能源，其中 70% 來自馬達。 如果所有馬達都能以最大效率運行，全球用電量可減少10%。
提升運行效率的方式之一是透過基於狀況的監測 (CbM) 和預測性維護 (PdM)，這不僅能提升生產力、品質與物流管理，也能協助企業達成永續發展目標。 ADI 的 OtoSense™ 智慧馬達感測器 (SMS) 是當前市場上領先的CbM/PdM 技術之一。 本文將說明 OtoSense SMS 如何提升電動馬達的能源效率。
電動馬達效率與馬達健康狀況
近年來，由於電動馬達的能源消耗量巨大，工業界持續致力於設計更高效的感應馬達。 然而，影響馬達效率的另一個重要因素卻經常被忽視——那就是馬達的健康狀況。 通常，工業電動馬達的運行效率介於 50% 至 85% 之間。 馬達的健康狀況可能導致能源效率的顯著下降。 製造商提供的額定效率值僅在馬達處於最佳狀態時才適用，也就是說，在運行過程中沒有發生重大異常、缺陷或故障。 如果機器出現故障，即便只是故障初期，也會導致馬達效率降低。
眾所周知，電動馬達的效率定義為其有效輸出功率與總輸入功率的比值。 圖 1 顯示了電能轉換為機械能的過程以及相關的能量損耗，這些損耗包括內在功率損耗與異常功率損耗。 方程式 1 可用於計算馬達效率。
圖 1. 電動馬達的能量轉換效率
電動馬達的兩大主要功率損耗為：
➤ 內在功率損耗
包括銅損（電阻損耗、表皮效應）、鐵損（渦電流損耗、磁滯損耗）以及機械損耗（摩擦損耗、風阻損耗）。 內在功率損耗可在馬達設計階段透過優化設計來降低。
➤ 異常功率損耗
包括因馬達健康狀況不佳而產生的額外功率損耗，例如表 1 所列出的單一或多重馬達故障。 異常功率損耗可以透過維持馬達的最佳運行狀態來減少，這與馬達維護策略密切相關。
研究顯示，當電動馬達處於不健康狀態時，其運行效率會低於額定效率。 處於不健康狀態的馬達可能長時間以低效率運行，直到故障惡化成完全失效，導致設備停機，進而造成嚴重的能源損失。
針對感應馬達的軸承故障影響，研究測試了四種類型的軸承故障：
-
故障 1 —外圈裂痕
-
故障 2 —外圈孔洞
-
故障 3 —保護罩變形
-
故障 4 —軸承腐蝕
圖 2 顯示了故障 1（外圈裂痕）的一個實例照片。 實驗裝置使用了一台 2.2 kW 的三相感應馬達，該馬達由主電源控制單元供電，並與剎車裝置相連。 研究人員測量了馬達的輸入電流、電壓和相位來計算輸入功率，同時測量了馬達的負載扭矩與轉速來計算輸出功率。 馬達效率則是透過輸出機械功率與輸入電功率的比值計算得出。 圖 2 顯示了馬達在不同負載條件下的效率變化。 研究結果表明，軸承故障會導致馬達在滿載條件下的效率降低1.5%，而在輕載條件下，效率下降幅度可達 4%。
圖 2. 軸承故障對馬達效率的影響
研究顯示，馬達故障如轉子條故障、定子繞組故障、馬達軸不對中故障、底座鬆動（軟腳）以及冷卻風扇故障等，都會導致馬達效率下降7 8 。 圖 3 顯示了不同類型的馬達故障對馬達效率的影響。
圖 3.不同類型的電機故障對電機效率的影響。
ADI OtoSense 簡訊口譯
OtoSense SMS 是一款基於人工智慧（AI）的全方位解決方案，專為工業電動馬達的狀態監測（CbM）與預測性維護（PdM）設計。 該系統結合業界領先的感測技術與先進的數據分析，能夠即時監測馬達的運行狀況。
該解決方案由 硬體子系統 與 軟體子系統 組成，其中軟體部分包含 雲端平台、網頁應用程式與行動應用程式 。 雲端平台內建基於機器學習的馬達故障診斷 AI 演算法。 圖 4 顯示了 OtoSense SMS 系統架構圖。
圖 4.OtoSense SMS 系統架構圖。
圖 5.OtoSense SMS 初始化馬達運行效率
圖 6. 示範如何透過 OtoSense SMS 維持馬達高效運行的範例。
OtoSense SMS 整合了由 ADI 開發的幾款高效能感測器，包括：
► 兩顆低噪音、高頻率的 MEMS 加速度計 ADXL1002，用於 x 軸和 z 軸的震動感測。
► 兩顆高精度、16 位元數位溫度感測器 ADT7420，用於馬達框架和環境溫度感測。
此外，還包括：
► 一顆磁場感測器，用於馬達轉速感測及馬達電氣故障診斷。
► 一顆 Wi-Fi 處理器，用於資料收集及資料打包，支援 2.4 GHz Wi-Fi 資料傳輸。
OtoSense SMS 感測器是市場上領先的解決方案，用於感測和解讀機械數據。 表 1 顯示了 OtoSense SMS 感測器可以診斷和預測的最常見馬達故障。
瞭解OtoSense SMS技術細節與應用範圍
👉 【產品介紹】OtoSense Smart Motor Sensor 智慧電機感測解決方案
表 1.OtoSense SMS 可診斷和預測的馬達故障
|
馬達故障 |
故障類型 |
描述 |
範例 |
|---|---|---|---|
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電力系統 |
電氣 |
電力供應三相中的問題，可能導致馬達電流不平衡。 |
失相 |
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定子繞組 |
電氣 |
馬達某一相位的問題，可能導致馬達電流不平衡。 |
線圈短路 |
|
轉子 |
電氣 |
短路環或轉子條相關的問題。 |
轉子條斷裂 |
|
軸不平衡 |
機電 |
質量分佈不均，導致重心偏離旋轉中心。 |
轉子彎曲 |
|
偏心 |
機械 |
轉子和定子之間的氣隙不對稱。 |
軸彎曲； 軸承安裝不當 |
|
軸承 |
機械 |
機械應力或污染導致軸承中出現小裂縫或缺陷，進而引發振動問題。 |
點蝕 |
|
錯位 |
機械 |
當兩根旋轉軸（馬達與負載）未對準時，會造成外部錯位。 |
角度錯位或平行錯位 |
|
鬆動/軟腳 |
機械 |
當馬達底座（或與馬達底座的連接）未緊固時，會發生結構鬆動。 |
馬達未固定於底座框架 |
|
冷卻風扇 |
溫度 |
風扇與軸連接或外部安裝的風扇出現問題。 |
風扇蓋塌陷 |
|
性能 |
整體振動 |
整體振動增大。 表示出現未歸類於其他九種故障類別的故障。 |
機械故障 |
使用 OtoSense SMS 提升電動馬達運行效率
適當的維護有助於實現最大經濟效益，因為可以減少馬達故障的發生並避免非計劃性的停機。 此外，馬達效率在每次運行中的成本節省扮演了關鍵角色，因為高效率的馬達比標準效率的馬達消耗更少的電能。 研究顯示，機械效率會受到不同類型故障的影響，特別是轉子故障、定子繞組不對稱、絕緣系統故障、不平衡/錯位以及通風系統故障等問題的影響程度。
圖 5 顯示了使用 OtoSense SMS 進行馬達運行效率優化的情況。 雲端平台提供無與倫比的見解，幫助了解馬達的運行狀況和維護需求。 由於 OtoSense SMS 的預測性維護分析，使用者可以在早期識別出九種最常見的馬達故障，並在故障影響馬達運行之前進行修復。 每一種馬達故障都會計算出一個故障評分指數（FSI），以代表故障的嚴重性。 FSI 的數值範圍從 0 到 10，其中 FSI 大於 7 表示馬達狀況良好； FSI 在 5 到 7 之間表示在早期發現了馬達故障，並會通過電子郵件發送低嚴重性的警告通知。 處於警告狀態的馬達仍可在一定時間內正常運行，但由於馬達處於不健康狀態，運行效率會降低。 圖 6 顯示了一個例子，其中發現了馬達腳鬆脫的早期徵兆，並發送了警告通知。 當使用者收到通知時，建議儘快進行修復，將馬達的運行狀態恢復到最佳狀態，使其能繼續以高效率運行。
客戶案例研究 1：OtoSense SMS 用於壓縮機監控
壓縮機是製造設施中最重要的設備之一。 在此案例中，OtoSense SMS 裝置安裝於設施中的壓縮機上，進行 24/7 持續監控。 圖 7 顯示了這一使用案例，其中 OtoSense SMS 裝置被安裝在壓縮機上。
圖 7. OtoSense SMS 感測器安裝於客戶設施的壓縮機上
該壓縮機為 400 kW，每天運行 24 小時。 通常，每 4.5 年會進行一次大修。 在大修前，主要的馬達故障是軸承故障，這會導致 1.5% 的馬達運行效率降低，如圖 2 所示。 在經過試驗評估後，客戶決定將 OtoSense SMS 解決方案應用於所有關鍵壓縮機。 OtoSense SMS 成功發現了早期的軸承故障，並發送了警告通知給客戶。 隨後，客戶採取了行動，以防止軸承遭受永久性損壞，並避免了意外的生產線停機。 同時，由於迅速的修復行動，馬達會在警告狀態下運行一段短時間。
在安裝了 OtoSense SMS 解決方案後，觀察到能源消耗減少和 CO2 排放降低的現象。 當使用的壓縮機數量增加時，CO2 減排效果會變得更加顯著。 例如，如果監控 100萬台相同規模的 400 kW 壓縮機，這將導致約 147 × 10^9 公斤的 CO2 減排。 圖 8 顯示了在一個使用案例中，採用 OtoSense SMS 解決方案所達到的成果。
圖 8. 使用 OtoSense SMS 進行能源/成本節省與 CO2 減排：(a) 百分比的減少效果； (b) 當 400 kW 壓縮機數量增加時，CO2 減排效果的例子。
客戶案例研究 2：OtoSense SMS 用於物料搬運系統
機場乘客行李傳送帶是高密度馬達驅動應用的例子。 如圖 9 所示，機場乘客行李傳送系統可以由數千個馬達驅動。
假設這些馬達的功率通常為 5 HP，且馬達的壽命通常為五年。 五年期間的馬達使用成本，或稱為總擁有成本（TCO），主要由馬達購買、維護和電力消耗組成，如圖 9 所示。 具體的金額為：
-
馬達購買成本：$2000，占 TCO 的 5%
-
維護成本：$8000，占 TCO 的 20%
-
假設電力成本：$28,000，占 TCO 的 70%
圖 9. 傳送帶馬達驅動系統的馬達 TCO
馬達使用中的最大成本是其壽命期間的能源消耗。 在上述例子中，如果通過採用 OtoSense SMS 提高 2% 的馬達效率，並假設在機場行李傳送帶上使用 3000 台馬達，那麼五年內的總電力節省金額為：
五年內的電力節省 = 3000 × 28000 × 2% = $1,680,000
換算成年均節省，則為 1680000 / 5 = $336,000，這大約相當於 168 台新馬達的成本。
結論
由於馬達運行效率提高所帶來的成本降低，是 OtoSense SMS 的一項重要經濟效益。 隨著許多企業專注於提升運營效率、減少非計劃性停機時間和推動可持續發展，採用條件基礎維護（CbM）和預測性維護技術已成為必要條件。 OtoSense SMS 技術為客戶提供了實時監控馬達狀態、早期發現馬達故障並建議早期故障排除措施的能力。 及早發現並排除馬達故障，不僅能確保避免未預見的馬達故障和停機，還能確保馬達以高效率運行，從而節省能源。 這些都是企業為了在未來十年達成運營效率和可持續發展目標所必須滿足的要求。
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