｜馬達減速機能源效率影響因素分析

摘要：減速機主要機構為齒輪，因此又稱齒輪箱，減速機廣泛使用於煉油廠、生產工廠等的動力系統產品，減速機主要的功能是作為改變馬達的轉速的變速機使用，另外就是增大轉矩的功能；其機型規格、系統設計匹配、應用操作及維護等，嚴重影響能源效率，低效率的機型所增加的耗用電費超過一倍，但是使用者普遍不瞭解，在選購和應用上有許多改善的空間，因此減速機之能源效率測試，實為刻不容緩的課題。

為提升馬達減速機能源效率，本文則進一步探討減速機之潤滑油及油封等兩項因素對能源效率之影響，由試驗結果可知: 潤滑油對0.5Hp之螺旋齒輪減速機效率影響較大，而拆除輸入軸及拆除輸入與輸出軸油封對於減速機的能源效率確有很大的影響，尤其在低負載時的能源效率影響更明顯，整體而言油封對減速機之能源效率影響甚大，尤其是低減速比1:10的減速機，以及低馬力0.5Hp搭配減速機時，油封的因素確實會影響減速機的能源效率。

Abstract: The mechanism of speed reducer was gear, so the speed reducer was also called gear box. The motor reducer is a widespread used motor dynamic system product. Its energy specification, system design match, application operation and maintenance and so on, serious influence energy efficiency. The low efficiency type increases consumes the electrical power. But the user does not understand clearly. Therefore the energy efficiency test of the motor decelerator is an urgent topic.

In order to promote the energy efficiency of speed reducer, a brake method for motor speed reducer energy efficiency test laboratory was established in this study. The testing procedure was also build up. The purposes of this study were testing the influencing factors of lubricant and seal for 12 speed reducers, 0.5HP, 1HP, 2HP, 3HP with 1:10, 1:20, 1:30 reduce ratio of screw speed reducer. The output shaft torque, output power, power ratio, input power, input and output speed was measured. The energy efficiency was calculated by these parameters.

The tested results showed that the energy efficient was influenced by lubricant for 0.5Hp motor speed reducer. The effects of seals on speed reducer’s energy efficiency were remarkable. Especially for 0.5Hp motor groups and 1:10 reduce ratio speed reducer, the influence effect was more obvious.

關鍵詞：馬達減速機、能源效率、油封

Keywords：Motor speed reducer, Energy efficiency, Seal

前言
減速機其主要的功能是作為改變馬達轉速之變速機使用，另外就是增大轉矩的功能用，在許多應用上不需要太高的速度及需要較高轉矩的地方都用的到它，例如：工作母機類、自動販賣機、金融業設備、電子儀器類、輸送機械類、包裝機械類、事務機械類、紡織機械類、醫療儀器類、電線電纜類、印刷機械類、食品機械類等。隨著工業發展及工廠的自動化，使減速機的需求量日益成長。減速機的角色與馬達的發展有著相當大的關係，一開始只有運轉用的AC馬達，但是隨著馬達增加了可調速的功能後，其主要使用的目的就是為了增加馬達的轉矩。並且隨著可進行定位控制、速度控制的步進馬達的普及，減速機除了增加轉矩外，同時對慣性力也可相對提高，另外還有一個用途就是作為降低步進馬達振動使用。另外，隨著馬達高精度定位性能的提升，對減速機的需求也與原本的AC馬達用減速機不同，對於無齒隙及更高精度的減速機的需求也與日俱增。不過也就由於在動力的轉化過程中，其機型規格、系統設計匹配、應用操作及維護等，將會嚴重影響到整個能源的耗用，因此為廠內設備挑選一套高效率的減速機設備，已是執行節能工作時所應考量的一個項目。

我國為一工業開發中國家，各種被使用的能源當中，電能可謂是我國工業所需使用的重要能源，而電能的消耗也直接影響到一個工廠的生產成本，工業用電占我國用電比例中的極大使用量，馬達驅動設備用電量占台灣工業界一年用電量整個工業用電的70%，以馬達作為驅動設備的用電量又占全國一年總用電量的50%[1]。而減速機的動力來源包含馬達，減速機是一種動力傳達的機構[2,3]，減速機主要的功能是作為改變馬達的轉速的變速機使用，另外就是增大轉矩的功能用。隨著工業的發展及工廠的自動化，使減速機的需求量日益成長[4~6]。

減速的方法很多，但最常用的是以齒輪來減速，所以減速機有人又稱為齒輪箱。通常齒輪箱是一些齒輪的組合，其本身並無動力，所以需要透過驅動元件來傳動它，驅動元件可以是電動機(馬達)、蒸汽機、引擎、風力、水力、獸力、人力等；使用減速機最大的目的有下列幾種：動力傳遞，獲得某一速度，獲得較大扭矩，但亦可當其他目的使用，如小型化，可使安裝面變小、並減輕重量，提高剛性，較不受摩擦負載變動的影響，可縮短定位時間並提高對慣性負載的安定性，降低振動。

減速機原理是因為齒輪比設計，因此可減速、可加速，由馬達輸出功率，馬達為減速箱的輸入端，可再依減速箱比數算出輸出端的功率，例如1:10之減速機，代表“輸出端 output”轉1圈時，“輸入端　input”須轉10圈，但相對的其輸出“力矩（轉矩）”會加大為10倍。

一般馬達為了達到高扭矩則透過減速機來達成，因此在馬達選用的馬力數可以降低。減速機會有機械效率的問題存在，選擇正確之減速機，效率將能達到85%~95%。

R.C. Yin等人[7]，經過幾個月的使用後，一個螺旋斜角端部在齒輪減速機發生失敗來自嚴重的金屬表面腐蝕和相關的齒輪破壞。使用顯微照片、電子顯微鏡、顯微硬度測試，來調查失敗原因。研究表明，端部表面開始遭受實際且重複的壓力接觸和未在正常疲勞之下的重複的彎曲壓力。鄭駿豪[8]建立一套制動器法的馬達減速機效率檢測機台，可測試馬達減速機之效率，試驗分別測3HP馬達搭配減速比1:20與1HP馬達搭配減速比1:60之齒輪式馬達減速機，以及以1、2、3HP馬達分別搭配減速比1:10、1:20、1:30蝸輪減速機之能源效率檢測，分別量測輸出軸扭力、輸出軸功率、功率因素、輸入軸功率、輸入轉速、輸出轉速等，進而計算其效率。由試驗結果可知，馬達1HP減速比1:60之齒輪式馬達減速機，在負載100%時效率為80.98%，而效率最好是在120%時；馬達3HP減速比1:20之齒輪式馬達減速機，在負載100%時效率為85.00%，而效率最好是在負載為150%時。

黃崇豪[9]，則測試24個蝸輪減速機之效率，試驗以0.5、1、2、3HP馬達分別搭配減速比1:10、1:20、1:30蝸輪減速機之能源效率檢測，分別量測輸出軸扭力、功率因素、輸入軸功率、輸入轉速、輸出轉速等，進而計算其效率。經評估減速機內部之齒輪模組，必須有磨合時間，故由實驗中增加效率檢測次數（檢測七次）及負載變化，將初次與末次使用減速機之數據分析比對，發現減速機的初次效率並不會呈現最佳效率，需經過三至四次甚至更多次運轉後，其效率才會逐漸提高，其效率與初次測試效率相差甚大，甚至相差至10%，因此可以得知，減速機的磨合期對於效率之影響確實有明顯之差異。

減速機是廣泛使用的馬達動力系統產品，其機型規格、系統設計匹配、應用操作及維護等，都嚴重影響能源效率，低效率的機型所增加的耗用電費超過一倍，市售減速機與馬達的配對有很多種，一種馬達可以搭配不同減速比之減速機，一種減速機也能搭配不同馬力之馬達，減速機的效率量測在目前並沒有一種標準規範，因此，必須建立符合馬達減速機工程標準規範之測試，提供測試程序研究與馬達減速機能源效率檢測使用，並實際操作測試程序，最後進行齒輪減速機耗能檢測，希望能藉由本研究建立完成馬達減速機之標準測試方法，能提升國內減速機之能源效率，減少能源消耗。

影響減速機能源效率的因素很多，一般減速機製造商多注重在齒輪設計、材料選用、加工方法及精密度提升等，但是在其他細節則忽略掉，因此本文則進一步探討減速機之潤滑油及油封等兩項因素對能源效率之影響。