技術專題主編前言｜先進馬達與電推進人無機技術專輯主編前言

本期會先從以馬達作為最終端推進動力的無人機系統動力談起，探討電推進在無人機甚至載人飛機帶來的許多創新應用機會與技術挑展。例如，最近在網路上受到高度關注的一台以純電動槳葉，取代原本引擎動力的 Cessna Caravan 機型的載人小型商用客機，號稱是目前世界上最大的純電商用飛機，目前逐步加速它的實際飛航驗證， 宣稱具有大幅降低運輸燃油成本的優點。其實將馬達導入輕航機或商用客機作為主要槳葉動力或輔助動力的構想已有一段發展歷史，近幾年 Siemens為 CityAirbus 旗下 Extra 330LE 雙座小型商用飛機設計的複合動力系統，也號稱有顯著的節能效益以及動力系統維修成本降低與周期加長的效果。兩者同樣可以使用電動馬達帶動槳葉， 但前者是純電版的改裝，馬達必須達到原本引擎的馬力與扭力規格，而 Siemens 採取較複雜的複合動力系統設計，降低了引擎的馬力需求，導入功率密度很高的軸向磁通馬達，使得複合綜效馬力可滿足起飛時的需求，而巡航時可以讓馬達工作在最佳效率點附近或者採取燃油引擎經濟巡航模式運行，這與過去純粹使用引擎帶動主槳葉的螺旋槳飛機的整體推力控制策略不同，過去採用變槳控制(variable pitch)搭配引擎操作點的改變，獲得推力的控制，搭配飛機整體的飛行攻角、水平尾翼等副翼控制與當時的風向及航速航向需求取得當下的平衡點。馬達電推進槳葉在無人機或載人機的導入，使飛機姿態控制性能獲得了更佳的響應，或者說，馬達更寬域高效率的操作區間帶來了能耗與性能的改善，以及可靠度的提升。其實類似 Cessna Caravan 的電推進套件改裝，已經持續發生在許多古董車上，這些車主主要的考量之一是降低引擎動力的維護成本，畢竟許多零組件原廠已經不提供，只能從特定的後市場 (after market) 管道取得。因此，我們可以大膽的推估，未來的電動車或電動飛機，除了摩登未來感的造型，也會有不少復古的元素出現。隨著電推進載人無人機導入短途的飛行(urban mobility) 呼聲不斷，例如:Uber的air taxi 計畫，未來緊湊型馬達的設計與控制在無人機、無人車與無人船方面會是持續的重要議題，這一點也可以從美國國家環境保護署(EPA)訂定的2025車用電機與驅控的功率密度目標獲得呼應。這些轉變也默默地在航模玩家間發生，純電的航模 ( 包括穿越機 ) 數量有越來越高的占比，逐漸地，如果要推動高負載的商用無人機也不得不重視電動動力在功率密度、效率、散熱、控制與可靠度面相帶來的挑戰，也只有解決動力與飛控系統的可靠度問題，商業應用的無人機才能往前邁出一大步，融入我們生活的周遭。換言之，商用無人機的發展除了飛手培訓的機制、航管系統與機制的建立，無人機本體的認證可以提升我們國內無人機系統及產品與國際的對接，認證方法與設計製造發展過程也必須緊密扣合。「電推進無人機市場與技術發展趨勢」一文會先廣泛介紹無人機的類型與應用發展，讓我們可以對各類無人機目前潛在的創新商業應用機會，以及對應的技術挑戰有一個初步的認知。隨著COVID-19 對全球物流業者的影響，許多透過無人機進行小包裹遞送的服務開始進行商業驗證，除了醫療物資之外，還有小朋友的書籍，以及送往近海停泊的船隻的救援或民生必需物資。「無人機山區物流近期的發展」一文特別針對類似台灣多山的環境，在架構山區無人機物流服務網時需要考量的無人機軟硬體設計、服務系統、基礎設施等多個面向作探討，最近也有原住民朋友建議許多廢棄的山區警察分駐所或是偏鄉小學、教堂等，可以調整為無人機物流或救災作業的基地。目前的繫留無人機系統，可以達到遠端操控一鍵起降的功能，大型的多旋翼繫留無人機也可以長時間抵抗六級側風，搭配緊急通訊的基地台或強波器以及觀測設備，可以佈建為山區臨時的通訊網絡甚至支援救災工作。「大型商用多旋翼無人機系統設計開發技術」一文介紹動力系統設計開發時，與機身結構、飛控系統與功能酬載之間的緊密搭配考量，依據不同的任務類型導向，未來無人機驗證與認證實驗室，可以針對馬達、電調、飛控、通訊、電源轉換與管理裝置、避障等感測裝置等次系統與整機功能安排驗證的方法與科目。「燃料電池技術於無人機的應用」一文主要探討燃料電池目前在多旋翼與定翼型無人機導入的應用概況，因為能量密度與轉換效率的優點， 許多高階的應用經常會想利用質子交換膜等功率密度較高類型的燃料電池替代內燃機或鋰電池， 從電堆設計與儲氫裝置的選用，某些酬載與機身大小應該可以凸顯燃料電池應用的潛力。本專輯馬達相關主題的文章，部分在探討無人機應用相關的馬達設計，例如，現有應用於多旋翼槳葉主要是直驅的外轉永磁無刷馬達，隨著高負載應用的槳葉直徑加大，需要的扭力非線性成長，使得直驅外轉無刷馬達不是唯一的考量，高轉速的無刷馬達搭配減速機也是另一個可能，此外，高轉速的無刷馬達除了用於高階吸塵器等民生家電外，也可以使用在航模或小型涵道扇，這類涵道扇的力效比 (thrust ratio) 雖然沒有相對低轉速的開放槳理想，但是推重比、體積與動態響應等特性，在某些推力範圍內或者需要與機身內藏整合時，具有相對的優勢，但高頻的噪音以及驅控上較高的電氣頻率是相伴隨的挑戰，「無人機馬達幅值調變低取樣頻率之無感測器適應性控制開發」一文介紹相對於目前較成熟的脈衝寬度調變 (PWM) 的驅控方法進行論述比較，有機會在高轉速的涵道扇等應用降低功率元件的切換損失，也提升電力電子的可靠度。當然，這類相對較高轉速的馬達本體設計與一般常規轉速馬達的設計考量不同，「極高速永磁同步電動機效率優化與設計」一文介紹了這類馬達磁路設計分析較細膩的方法。高功率伺服電機在金屬成型機械的精度、效率提升扮演至關重要角色，透過伺服沖壓曲線的鈑金模造成型模擬，必須要透過高功率伺服電機與驅控，搭配精密傳動的連桿機構、齒輪傳動機構或油壓伺服閥系統達成需要的沖壓道次、力道、行程等精密控制，經常可以顯著降低沖壓道次或是沖床噸數，是未來節能車的高張力鋼板或電池殼體等深抽比零件必要的高階金屬成型設備。「高功率馬達設計與驅動技術」一文介紹相對應的高功率密度永磁伺服馬達及驅控設計開發，主要是前段的設計模擬成果。這類高階金屬成型設備目前也逐漸強調多軸連動控制的重要性，例如模座伺服的連動控制決定了施加給工件的正向力與成形過程的邊界摩擦力，對於大型工件或高塑性變形的局部特徵的成型性，有絕對的影響。目前工業上的多軸運動控制逐漸走向全數位的架構，其中EtherCAT 是主要的協定之一，未來有逐步成為通用協定的趨勢，在5G 來臨的時代，結合大數據與IoT 形成智慧型工廠，使得資料傳輸網路化成為重要的議題。工廠將會迎來重大變革，「EtherCAT全數位運動控制平台發展與應用」一文介紹了工研院機械所以 EtherCAT 技術整合運動控制函式庫，開發出全數位運動控制平台 (EMP)，並結合開放式通訊協定 OPC UA 與 MQTT 之相關應用。