減速機加小型馬達的節能秘密：從成本到碳足跡

在之前的「掌握行星減速機的力量：十個你需要了解的行星減速機特點」篇章中，有提到10項行星式減速機的特點，其中有一項優點是「節約能源」，本篇就來詳細探討一下，為何使用減速機可以有節能的效果。

 

我們想要得到理想的工作扭矩，要麼使用一個大的伺服馬達，其額定扭矩值大於工作扭矩。要麼使用一個小的伺服加一個減速機，使得小馬達的額定扭矩值放大，只要大於工作扭矩，就有足夠動力傳動。結果一般是一個小的伺服加一個減速機的成本，小於一個大伺服馬達的成本，而小的伺服馬達相對耗電量少。以下就使用範例來說明，透過使用行星減速機，讓馬達滿足輸出扭矩，除了可降低成本外，同時也有效的節約能源。

 

範例

運用需求：

如圖一，螺桿上升下降，總重量100kg，移動距離300mm，加速時間1秒，等速時間2秒，減速時間1秒，停止時間0.5秒，螺桿導程10mm，直徑20mm，長度500mm。

 (圖一)

計算此裝置所需扭矩值及轉速：各項數值可參考表一。

 

 

經計算後得到最大的扭矩值為1.93N.m，需求轉速為600rpm。

參考三菱伺服馬達規格表，列舉部分數據，如表二。

750W馬達輸出扭矩2.4N.m，轉速3000rpm，可滿足最大扭矩1.93N.m，轉速為600rpm的需求。

 

改善計畫：

輸入轉速3000rpm，輸出轉速600rpm，減速比i=5:1。

750W馬達(額定扭矩2.4Nm)，用i=5:1反推輸入扭矩，2.4/5=0.48Nm，透過減速機放大扭矩的特性，輸入端只需要輸入大於0.48Nm的扭矩即可滿足，參考表二，可使用200W馬達，替代750W馬達。

 

200W伺服馬達(額定扭矩0.64Nm)，搭配GearKo 60框5比減速機(額定扭矩55Nm)，輸出扭矩提升為0.64*5=3.2Nm，大於需求扭矩1.93Nm，符合使用，且小於減速機額定扭矩55Nm，可放心使用。

若輸出扭矩超過減速機額定扭矩，屬過載使用，會造成減速機壽命縮短。

 

馬達轉速由3000rpm/5比，下降到600rpm，符合需求轉速600rpm的要求。

 

概算成本支出：

1. 由表三可觀察各功率馬達在相同時間條件下，每年所消耗的電費。

 

2. 由表四可觀察3種選用的動力組合，一年下來所累積的成本費用。

3.由表五、六的分析，可明顯發現這3種選用的動力組合，每年花費成本有一定的差距。

(表五)

 

馬達功率	200W+60框減速機	750W(合適)	1000W(加大一級)
每年花費成本(NTD.) (越低越好)	17217.6	23316.0	26588.0
以合適的馬達 為比對基準(%)	73.8%	100.0%	114.0%

(表六)

 

結果分析：

由表五、六可發現選用200W馬達+60框減速機，成本下降26.2%，只需要使用原先750W馬達成本的73.8%，即可達到使用需求。

 

 

節能減碳：

節能減碳已成為國際間最受關注的課題，在台灣，針對企業，政府採用碳盤查登錄、總量管制來規範企業的碳排，同時也規劃加速修正《氣候變遷因應法》，針對高碳排的企業徵收「碳費」。而對於個人，也提出許多政策，如：自備環保餐杯(具)消費可享折扣…等，鼓勵大眾參與環保行動。

 

由上述範例的分析，我們只比較750W伺服馬達1台和200W伺服馬達+60框減速機1組，數據可參考表七。

(註.參考經濟部能源局公布民國111年度電力排碳係數為0.495 公斤 CO2e/度)

類別	數量(PCS)	每年消耗電力(度)	每年碳排量(kg)
750W伺服馬達	1	1188	588.06
200W伺服馬達+60框減速機	1	316.8	156.816

(表七)

 

由表七所示，750W伺服馬達的每年碳排量是200W伺服馬達+60框減速機的3.75倍，以上只是1台馬達的狀況。

 

結論：

由於減速機擁有動力放大的特點，能將小扭力放大，使得馬達可以帶動比原先額定更大的負載，也因此才能用小功率的馬達，替代大功率的馬達。

若您也有這類的應用需求，有任何搭配與使用的問題，請隨時聯繫我們，歡迎來電或電子郵件與台灣格高GearKo聯繫。