Innomotics 利用多重物理量模擬與數位孿生技術，推進具備 AI 功能的工業馬達驅動器

馬達驅動器透過將市電頻率的交流電 (AC) 轉換為變頻與變幅的交流電來控制轉速。由於自動化、更高的製程效率與更高的可靠性需求，馬達驅動器已成為工業應用中的關鍵元件。這些需求也對馬達驅動器的電力電子元件設計帶來開發上的挑戰。然而，如今模擬技術可以協助開發這些元件，並釋放工業馬達驅動器的次世代潛力。

馬達驅動器可依馬達電壓額定值分為中壓 (MV) 或低壓 (LV) 類型。中壓驅動器用於電壓高於 1 千伏特 (kV) 的應用場合。這兩種類型的驅動器皆用於工業設備中，以驅動幫浦、壓縮機、風扇與輸送機，應用範圍涵蓋發電、礦業、化工與金屬加工等產業。

Innomotics 是一家業務遍佈全球的馬達與大型驅動系統領導供應商，總部位於德國，該公司正利用 Ansys 多物理模擬與數位孿生技術，為中壓驅動器升級人工智慧 (AI) 功能。該公司表示，AI 功能將提高驅動器對實際環境的感知能力，進而提升效能並突破設計限制。

Innomotics 結合了 Ansys 的機械、流體與電子模擬，以及數位孿生解決方案，透過如降階模型等技術實踐數位工程，簡化複雜模型而不犧牲準確度。此外，虛擬測試與原型建構能大幅降低傳統實體方法所需的時間與成本。因此，這家國際供應商得以最佳化與提升設計、降低成本並加速開發。

與數位工程一同進化

雖然所有中壓驅動器皆透過提供可變交流電來控制馬達轉速，但根據輸出型式可分為兩大類：電流源逆變器 (CSI)，其輸出電流可控；以及電壓源逆變器 (VSI)，其輸出電壓可控。

Innomotics 提供這兩種類型的中壓驅動器，設計範圍涵蓋 1.4 至 13.8 千伏特 (kV) 的電壓與 150 千瓦 (kW) 至 85 百萬瓦 (MW) 的功率等級。該公司表示，此舉確保了高效率、高可用性與卓越的電能品質，並能降低輸入端的電流失真。事實上，Innomotics 的 VSI 被視為潔淨能源轉換器，產生的諧波極少。這也促使某些型號獲得「Perfect Harmony (完美和諧)」的產品命名。

「過去 12 年間，數位技術在電力電子部門的應用不斷提升，最終我們打造出了電源模組與電力變壓器的數位模型，這些正是我們中壓電壓源逆變器的主要構建單元，」他說道。「我們也成功處理了許多其他元件與產品層級的設計挑戰。」

Ionescu 博士表示，透過整合 Ansys 模擬技術，他的團隊得以改善設計流程，同時節省時間與成本。此外，他們對模擬結果具備高度信心。

「所有這些透過 Ansys 模擬軟體實現的模擬技術，在避免高成本的設計錯誤上發揮了巨大影響。」他說道。「值得一提的是，我們所有模擬結果皆已透過廣泛的實驗室測試加以驗證，現已獲得公司高層的高度信任。我們對模擬技術的投資方向已被證明是正確的，並為公司財務帶來實質效益。」

進一步探討模擬帶來的效益，過去七年來 Ionescu 博士與團隊為公司眾多風冷與水冷元件開發出降階模型 (ROM)，以測試未來的概念設計，包括硬體在迴圈 (HIL) 系統中的應用。

他的興趣進一步推動相關研究，並於 IEEE 發表論文，探討 ROM 如何強化中壓驅動器設計，例如導入即時運行的精確熱模型，進而支援具備 AI 功能的驅動器開發。

儘管 Innomotics 的 AI 功能中壓驅動器仍在開發階段，Ionescu 博士表示公司已針對此概念申請專利。

應用模擬、降階模型與數位孿生技術

Ionescu 博士與其工程團隊利用 Ansys Twin Builder 模擬型數位孿生平台打造降階模型與數位孿生。Twin Builder 軟體結合 Ansys 多物理解決方案，將 3D 模擬行為轉換為 ROM 模型，以更快速產出精確且高效的系統層級模型。舉例來說，該平台可使用由 Ansys 結構、流體與電磁產品所產生的 ROM 模型來模擬複雜系統，包括機械組件、熱網路，以及電磁致動器與機械裝置。

Ionescu 博士與團隊建立 ROM 主要是為了最佳化整體應用中熱元件的熱能利用，他說道。

「Ansys 的 ROM 技術──線性時不變 (LTI) 與線性參數變異 (LPV) 模型──是為了打造數位孿生而使用的。」他說道。「這個數位孿生本身運行速度非常快，能即時提供多項重要參數，例如電源模組中使用的絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 的內部溫度。請注意，這些溫度無法直接量測。因此，數位孿生可以即時或近即時地提供這些必要資料供驅動器控制器使用。」

此外，該團隊也使用 Ansys Icepak 電子散熱模擬軟體進行計算流體力學 (CFD) 模擬，以提升 ROM 訓練資料的準確度與品質。

「具備 AI 功能的驅動器未來的開發重點將會是機器學習 (ML) 能力。」他表示。「ROM 能在離線狀態下大量生成資料，這將有助於訓練機器建立有用的模式，以改變驅動器因應客戶製程中各種挑戰的方式。」

Ionescu 博士的團隊每天都在使用 Ansys 模擬工具。由於模擬結果持續經由實驗室測試驗證，公司內部對模擬技術的信任與採用程度也日益提升。

「在這個過程中，我們使用大量 Ansys 工具，涵蓋我們應用中涉及的所有物理領域。」他表示。「這表示我們使用 Ansys 進行大量機械、電磁、CFD 與系統層級模擬。此外，我們也透過 Ansys Workbench 環境整合多種 Ansys 模組，進行各種複合多物理模擬。這也是我們多年前選擇 Ansys 作為模擬系統的主因之一，因為我們對 Ansys 在軟體開發與併購上的理念有深刻理解。對我們來說，如今可以明確的表示這是正確的選擇。」

開發新世代驅動器

Ionescu 博士預期工業客戶將可從具備 AI 功能的中壓驅動器中獲益，對熱管理、過載與氣流率等挑戰有更深入的工程見解。

「AI 在驅動器操作上的一項明確優勢是能大幅降低設計邊際所帶來的限制。」他表示。「換句話說，由於製程中存在各種未知因素，目前所採用的安全設計方式可大幅縮減，甚至可能完全不再需要，因為驅動器現在擁有所有相關資料，足以掌握那些未知面向。」

此外，Ansys 模擬技術、數位孿生與降階建模等方法協助 Innomotics 改善設計、降低成本，並在不犧牲準確度的情況下加快開發速度。數位工程讓 Innomotics 能夠導入虛擬測試與原型建構，從而節省時間與成本。

「我認為 Ansys 模擬技術對公司帶來的助益非常顯著。」他說道。「它甚至幫助我們最佳化人力配置，因為能快速且安全地產出關鍵解答。它同時能夠大幅減少實驗室中不必要的測試，並能進行數位原型建構，參與 HIL 與 SIL 等複雜且具成本效益的系統設計流程。」

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