隨著半導體技術的進步與低功耗控制晶片的開發，透過能源採集技術驅動感測節點之應用也隨之普及，本文將介紹透過熱電採集技術擷取馬達運轉廢熱，同時瞭解熱電模組於馬達運轉廢熱擷取之輸出功率與時間曲線，進而驅動無線振動感測模組傳輸馬達振動資訊，完成自主電源馬達振動監測應用之開發與驗證。
能源採集技術現況
人類很早就有能量採集的技術，比如風車、水車、太陽能電等。近幾年來出現的能源採集(Energy Harvesting)詞彙則是採集室內光、無線電電波、橋梁的振動、人類肢體的擺動、生物的體溫等圍繞在生活周遭之環境能源。根據研究機構Semico Research預測，至2020年，全球能量採集相關半導體出貨量將成長至7億7,700萬顆，2015~2020年間的年複合成長率(CAGR)將高達80.6%。
馬達運轉廢熱採集
馬達為現今市面上最廣為使用的旋轉機械設備，也是消耗最多能源的設備，然而現有旋轉機械為導入設備狀態監測模組，需於設備上安裝適當之感測器與傳輸模組，旋轉設備雖有電源供應，但此工業用電源需透過降壓、整流以符合感測模組使用，使用與安裝上相當不便，且後續所衍生之電源盒封裝、防水與可靠度問題更難以解決。為克服監測模組電源取得的問題，工研院材化所積層陶瓷整合元件實驗室將透過能源採集技術擷取馬達運轉時所產生的環境能源供感測模組使用。
以一50 HP冷卻水泵專用馬達為例，一端連接泵浦結構，另一端連接散熱風扇，當馬達運轉時，同時帶動散熱風扇及泵浦，透過熱影像圖形可以發現運轉時馬達繞組所產生的大量熱能，經散熱鰭片傳導至馬達外側，此時馬達鰭片溫度可達60˚C以上，與外部溫差可維持在15~20˚C以上，如圖二(a)。
圖二、(a)馬達熱影像圖形；(b)熱電模組輸出曲線圖
我們將熱電模組置於馬達側邊散熱鰭片上，熱電模組熱端與馬達散熱鰭片接觸，冷端經馬達散熱風扇進行強制對流散熱，長時間記錄熱電模組輸出功率曲線，量測結果如圖二(b)。從圖中可以發現，當馬達啟動後隨溫差上升，經長期運轉後，4 cm × 4 cm之熱電模組輸出功率最大可達1.53 mW，由圖中也可以發現當馬達一關閉，熱電模組進入對流散熱，溫差瞬間下降，輸出功率也隨著下降，但此時馬達已停止運作，輸出功率大小並不影響狀態監測模組之電源供應，由此實驗可知當馬達啟動運轉後，熱電模組即可持續產生穩定的電能輸出。
自主電源馬達感測模組
圖四為自主電源馬達感測模組之單元示意圖，為符合馬達振動量測需求，使用雙軸類比式MEMS振動感測元件，經過類比/數位轉換器，取樣頻率2 kHz，轉換資料先儲存於記憶體中，待轉換完成經由ZigBee模組傳出，再由後端系統進行快速傅利葉轉換與馬達狀態判斷。感測模組各單元功耗以訊號處理單元為最低(2 mA)，其次為控制單元(8 mA)，最高為傳輸模組(40 mA)。感測模組中儲存元件之容量大小與喚醒模組之電壓位準需經過精算，以確保感測模組在工作期間能取得足夠之電源。
圖四、自主電源馬達感測模組單元圖
國際馬達感測模組現況
近年來市場上紛紛出現針對振動量測所發表的無線振動感測模組，此振動感測模組特點在於內建訊號處理晶片，可由系統端選擇量測波形傳輸、全頻譜傳輸或壓縮頻譜傳輸，差異在於系統功耗與電池壽命，當資料在感測端先進行壓縮，壓縮比例可達到90%，將可大幅降低資料傳輸量。由前段文章中也可發現，感測模組功耗大多消耗在資料傳輸，當資料傳輸量降低，將可降低…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：余俊璋／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」371期，更多資料請見下方附檔。