｜工具機馬達能源效率檢測與能耗模式分析研究

摘要：國際上對於工具機開始朝向綠色生產，以高效率、低污染、低耗能、可回收、資源可重複利用等方面發展，並且預計將工具機納入能耗管制，因此極須建立工具機能源效率測試方法及能耗模式分析；本研究分別探討：1.工具機主軸馬達之能源效率；2.則進行工具機能耗模式分析。測試方法則分別建立一套工具機主軸能源效率測試方法、測試程序與試驗裝置，並完成一部國內自行生產之主軸馬達能源效率測試；並建立自行組裝一部小龍門工具機，由組裝之數控工具機硬體，可量測主軸動力、壓縮空氣、冷卻液系統、進料等系統用電，進而分析工具機能能源消耗狀況，計算工具機之能耗模式分析。由測試結果可知：1.工具機主軸能源效率試驗結果，在額定負載時（100 %負載） 馬達之能源效率約只有50%，而到250%負載時，能源效率可高達90 %，因此加工時應在高負載下工作會有比較好之能源效率。2. 工具機之能耗模式分析結果顯示，銅材、鋁材及鐵材等三種材料之比能源消耗（Specific Energy Consumption, SEC）效率以鐵材之SEC = 0.0182 kW-hr/cm³最高；直接能源消耗模式分析中，鐵材之切削試驗其主軸馬達佔31.8 %，其次為設備基本耗電佔24.3%。

Abstract: Currently, international machine tool producers are turning toward green production. The high-efficiency, low pollution, low energy consumption, energy recovery, and reuse of resources are developed and machine tools are expected to be included in the energy consumption restrain. Then the energy efficiency test methods and energy efficiency indicators assessment need to been studied. Therefore, it is necessary to establish the energy efficiency of machine tool testing methods. Energy efficiency measurement of spindle motor and energy consumption model analysis of machine tool were studied in this paper. The energy efficiency test method of the spindle is set up and a domestic spindle motor was tested. The established testing method can be extended to the energy efficiency evaluation of machine tool spindle. A small machine tool is developed for electric power signal monitoring system development. The electricity consumption of spindle power, compressed air, coolant system and feed systems for machine tool was monitored in this system. The energy consumption model was calculated. The spindle motor energy efficiency testing results showed that the efficiency was only 50% under rated load and 90% at 250% rated load. Therefore, there was better energy efficiency under high load process. The energy consumption model analysis of machine tool measurements were tested for copper, aluminum, and iron. The specific energy consumption of iron was highest at 0.0182 kW-hr/ cm3. Direct energy consumption model analysis of iron spindle motor accounted for 31.8% and followed by the basic power equipment at 24.3%.

關鍵詞：工具機、能耗管制、耗能模式、能源效率

Keywords：Machines Tools, Energy Consumption Restrain, Energy Consumption Model, Energy Efficiency

前言
由於目前國際上（如歐盟）對社會的永續發展，對於工具機開始朝向「綠色優先」，以高效率、低污染、低耗能、能回收、資源可重複利用等方面發展，並且預計將工具機納入能耗管制，目前已展開有關能源效率測試方法與能效指標評量等研究，因此必須建立工具機能源效率測試方法及能源效率資料。主軸在加工製程中佔耗電比例最大部分外，機台中的液、油壓作動、切削液泵浦等周邊耗材部分，占了將近70 %的能耗，故除了增加主軸效率外也得對周邊設備進行設備優化，除了能節能減碳，也進而提升工具機產品的價值。

ISO/DIS 14955-1 [1]提到工具機能耗分析，需要量測供給到工具機的能量，文中以工具機切削一個鋼件時的能源消耗量，切削速度為180公尺/分鐘，進給速度為0.35 mm/rev，切除體積為1,564,331 mm3，切割時間440 s，方法中建議量測電力，而不是量測能源，如此可以統計不同階段的電力消耗，因此也包含時間因素的統計分析，在每個模式階段的耗電時間與總耗電時間，當測試能源效率時，必須先定義加工的元件、加工時間與加工精密度等。

HEIDENHAIN公司[2]分析工具機加工耗能過程包含：進料、鑽孔、粗加工、切削、磨、精加工等過程，指出在CNC控制的切削過程，進給軸與主軸馬達只消耗總電量的25-30%，因此機器的附屬設備消耗大部分的能源，在加工過程，能源消耗模式可分為幾個部分：1. 冷卻潤滑過程，2. 壓縮空氣的產生，3. 輔助設備的電力，4. CNC控制器、進給軸與主軸馬達等四大部份，EIDENHAIN以銑床用於製造加工銑削鋁合金外殼的耗能模式分析，在綜合加工機上加工一個850 mm  700 mm x 500 mm的元件，切削150 mm  50 mm  25 mm的尺寸，其研究指出粗加工耗電13 kW，精加工耗電7.4 kW，在粗加工的13kW耗能中，外部的過程，如冷卻潤滑液耗能5.1 kW，壓縮空氣耗能1.3 kW，機械之輔助單元耗能3.1 kW，進料驅動器消耗0.25 kW，CNC控制器的主軸消耗3.25 kW，占總能耗的25 %。而在完成的精加工階段，總耗能為7.4 kW，其中外部過程的冷卻潤滑液及壓縮空氣分別佔1.5 kW及1.3 kW，而CNC控制的主軸能耗為1.55 kW，佔總能耗21 %。

Dietmair [3]等人分析工具機之能源消耗模式，進行工具機的電力消耗模式分析，在整個粗加工過程的耗能模式分析中，20 %的電量是用在物件的加工。