對許多工廠來說，馬達是生產線中最重要的核心組件之一。倘若馬達無預警故障或出現嚴重異常，整條產線就可能會因而停擺。有鑑於此，在感測技術越來越成熟的情況下，很多馬達大廠都已經開始為自家產品加裝額外的感測器，以便掌握跟馬達異常/故障相關的跡象，提早做出因應或調整維修排程。
而隨著馬達運作過程中所收集的相關資料越來越多，加上馬達在設計開發時，多少都已經透過模擬工具建置好數位模型，不少馬達大廠已正在嘗試將真實世界所收集到的資料反饋回數位模型，觀察模型的反應，藉此預估在真實世界中的馬達將會在何種條件、狀況下出現故障，馬達核心零件還剩下多少預期壽命等。這種運用方法，讓原本只用在馬達設計研發階段的數位模型，進一步升級為數位雙胞胎，為馬達製造商跟馬達使用者帶來更高的附加價值。
走向數位雙胞胎將成大勢所趨
安矽思(Ansys) EBU產品經理Marius Rosu(圖1)指出，對馬達產業而言，建置數位雙胞胎將是未來一個非常重要的趨勢。在數位雙胞胎的協助之下，馬達製造商跟用戶可以更精準地預測馬達何時會發生故障，並對故障原因進行深入分析。對馬達使用者而言，這意味著自身的營運可以進一步最佳化，減少不必要的停機維修排程以及備料庫存；對馬達製造商來說，有了數位雙胞胎，也有助於減少保固成本，甚至進一步發展出更多跟後續服務有關的新商業模式。
也因為數位雙胞胎將是未來趨勢，Ansys針對數位雙胞胎的建置需求，推出專用的Twin Builder工具，以協助工程師加快數位雙胞胎的建置作業。在Twin Builder的工作流程中(圖2)，引入了經過驗證的3D物理降階模型，以降低建構數位雙胞胎所需的運算能力。這點對加快數位雙胞胎的建置速度十分關鍵。
高精細度的3D物理模型雖然精準，但運算執行的時間也會更耗時，並占用更多儲存空間。合理地對模型進行降階，可以在確保準確度的前提下，把運算執行時間加快10倍，甚至100倍。目前Twin Builder支援的降階模型可分成三大類，分別是線性、靜態非線性與動態非線性。
同時，在布署階段，Twin Builder也讓數位雙胞胎連接到工業物聯網平台的作業變得更輕鬆，除了本身可以輸出適合雲端布署的數位雙胞胎外，還可以無縫連接到PTC、奇異電氣(GE)的Predix與思愛普(SAP)的工業物聯網平台。
目前Twin Builder除了已經運用在馬達設備外，在空壓機等設備，也都有應用實例。
提高馬達整體品質 NVH應納入設計考量
除了數位雙胞胎之外，如何改善馬達噪音(Noise)、振動(Vibration)與運轉不平順(Harshness)，也是馬達業界持續面對的議題。特別是在電動車應用崛起之後，NVH在馬達領域獲得更多重視，因為馬達的NVH不僅會影響車內乘客的舒適感，同時也會影響到馬達的壽命。
Rosu表示，要改善馬達的NVH問題，可以使用的模擬工具可大致分成電磁場模擬、共振/聲學模擬與聲音的重現、分析及設計。其中，電磁場或馬達本體的設計不良，是馬達NVH問題的核心，包含電磁場的不均衡、轉子與定子的軸心不一致等，都是電磁場分析工具可以解決的問題(圖3)。
不過，電磁場本身不會產生噪音跟振動，機械結構才會。因此，如果要改善馬達的NVH問題，設計者還需要進一步對機械結構進行共振跟聲學模擬。這類的模擬涉及多重物理模擬，必須把電磁場、機械結構跟聲音同步納入，才能獲得完整的模擬結果。而這也是Ansys解決方案的強項–在一套工具內，可以用很順暢的流程完成複雜的多重物理模擬。
最後，馬達工程師都清楚，NVH問題是不可能徹底解決的，因為馬達運轉時一定會產生振動跟聲音。因此，工程師能做的，是把噪音跟振動控制在合理可接受的範圍內，而這就牽涉到聲音的重現跟分析，進而在設計階段就確保馬達發出的聲音/振動，是使用者可以接受的。
Ansys在2018年購併的Optis跟Genesis Acoustics，就是分別針對光及聲音的重現、模擬與分析的專家。藉由這兩項購併，現在Ansys針對光與聲音，能提供更完整的模擬解決方案。馬達的NVH問題屬於聲音領域，以往的模擬工具頂多做到頻譜分析，讓聲音訊號可視化，但聲音終究是要靠耳朵聽的，因此，如果能把頻譜資料再生成聲音，讓設計工程師「耳聽為憑」，可以創造很大的價值。
現在Ansys的工具已經可以將聲音的頻譜資料轉換成可再生的聲音檔案，讓設計工程師親耳聽到聲音的響度跟尖銳度。這使得工程師可以用更直覺的方式體驗到馬達運轉的狀況，進而謀求對應的改善對策，例如把聲音響度/頻率的峰值往下壓，讓馬達運轉的噪音變得比較好聽一些。
模擬工具將成馬達產業創新的基石
在本次技術論壇中，除了Ansys的專家介紹了跟馬達相關的最新模擬工具及其功能外，還有成功大學跟中山大學等學術研究機構，分別發表了以Ansys模擬工具為基礎的機器學習(ML)馬達故障檢測，以及性能遠優於現有外骨骼機器人馬達的新型馬達。這些馬達領域的技術創新，都與模擬工具有著密不可分的關係。
也因為模擬工具越來越成熟，讓這些來自學術界的研究團隊，可以在更安全、更低成本、更快速的前提下，完成其研究專題。這些案例也顯示，未來馬達領域的創新跟突破，將建立在馬達相關模擬工具的基礎之上。
