太陽能板清潔機用馬達：驅動選型怎麼算
快速解答
太陽能板清洗機的馬達由兩種載荷決定，不是由峰值轉矩決定。刷子對玻璃的阻力決定運轉轉矩：1.2 m 刷輥在 260 N 壓緊力、摩擦係數 0.4 之下，於 300 rpm 需要約 6.2 N m 與 196 W。工作週期再把連續需求壓到 RMS 約 2.7 N m。環境另加兩項資料手冊不會寫的限制：60 °C 環境下機殼損失約 9% 的轉矩，而在潮濕的 25 度面板上，邊刷邊爬可能需要 0.73 的摩擦係數。
三種載荷，只有一種屬於轉矩
光伏清洗機有三種載荷，通常被混為一談。刷輥要克服濕玻璃上的摩擦；機架要在刷子反推時穩住斜面上的位置；整機則要承受水、粉塵，以及可能比環境溫度高出三十度的表面溫度。
只有第一種是轉矩問題。第二種是摩擦問題，由正向力決定，與驅動能力無關。第三種是外殼與降額問題，在選馬達之前就已經定案。一份只談轉矩的規格，會做出在廠房測試台上清得很乾淨、到了八月屋頂卻失效的機器。
| 載荷 | 由什麼決定 | 馬達能做什麼 |
|---|---|---|
| 刷子對玻璃的阻力 | 刷壓、摩擦係數、刷輥半徑 | 提供轉矩；這才是選型工況 |
| 在斜面上穩住位置 | 整機質量、面板角度、摩擦、吸附系統 | 無能為力；更大的轉矩不會增加抓地力 |
| 外殼與熱工況 | 噴水、粉塵、環境溫度、日照增溫 | 限制機座與連續額定 |
刷阻決定運轉轉矩
運轉轉矩只來自一條乘法：玻璃上的切向力乘以刷輥半徑。切向力是摩擦係數乘以刷子施加在面板上的正向力，而正向力取決於刷毛被壓向表面的程度。
以寬 1.2 m、直徑 120 mm 的刷輥為例。假設刷子總正向力 260 N，相當於中等剛性刷毛的中等干涉量；濕尼龍對玻璃的摩擦係數取 0.4。切向力為 104 N，在半徑 0.06 m 時刷輥轉矩為 6.24 N m。
| 量 | 值 | 怎麼來的 |
|---|---|---|
| 刷子正向力，1.2 m 寬 | 260 N | 由刷毛干涉量決定；請在實機上量 |
| 濕刷對玻璃摩擦係數 | 0.4 | 最值得實測的一個數 |
| 切向力 | 104 N | 0.4 × 260 |
| 刷輥半徑 | 0.06 m | 直徑 120 mm |
| 刷輥轉矩 | 6.24 N m | 104 × 0.06 |
| 300 rpm 功率 | 196 W | 6.24 × 31.4 rad/s |
| 單位刷寬功率 | 163 W/m | 196 ÷ 1.2 |
摩擦係數把整條計算收進一個數字，而它會隨水膜、積塵與刷毛磨耗改變，所以應該實測而不是假設。另一個後果是轉矩與刷壓成正比：為了清掉頑固髒污而壓得更緊的機器，同時也要更大的馬達、更大的電流與更多的抓地力。
減速機在什麼位置進場
在 300 rpm、6.24 N m 下刷輥需要 196 W，這並不特別。這類機器用減速機不是為了放大轉矩，而是為了降低轉速：無刷馬達在 2,000 到 4,000 rpm 效率最好，刷輥通常只要 200 到 600 rpm，因此需要大約五比一到十五比一的減速。刷頭行走速度與刷毛剛性，決定設計落在這個區間的哪一處。
減速機效率接著決定馬達輸出能留下多少。行星級效率 90% 時，馬達必須按約 218 W 而非 196 W 選型，轉矩額定同理。相關選項見 BLDC 行星齒輪馬達，一般情形見 工業減速機。
轉矩解決不了牽引問題
這條計算區分出能動的機器與會滑的機器，而且裡面完全沒有馬達項。取一臺 45 kg 的機器，放在傾斜 25 度的面板上。
| 量 | 值 | 推導 |
|---|---|---|
| 重量 | 441.5 N | 45 kg × 9.81 |
| 沿斜面向下分量 | 186.6 N | 441.5 × sin 25° |
| 玻璃上的正向力 | 400.1 N | 441.5 × cos 25° |
| 僅僅穩住位置所需摩擦係數 | 0.47 | tan 25° |
| 爬坡時加上刷阻 | 290.6 N | 186.6 + 104 |
| 所需摩擦係數 | 0.73 | 290.6 ÷ 400.1 |
濕橡膠對玻璃大約只有 0.4 到 0.6。邊爬邊刷的要求是 0.73。機器會滑，而馬達加倍也改變不了什麼，因為可用摩擦力由正向力固定，正向力又由重量固定。
牽引是正向力問題，不是驅動問題。 若所需摩擦係數超過輪胎或履帶膠料在濕玻璃上能提供的數值，有效的補救只有增加正向力（真空吸附系統，或鋼製導軌上的磁性輪）、降低刷壓，或者改變行進方向。提高馬達額定會加大刷子反作用力，因此讓打滑更嚴重，而不是更好。
行進方向也是設計變數
把同一條算術改成下坡，刷阻就換了符號：186.6 減 104 得 82.6 N，所需係數降到 0.21。不能邊爬邊刷的機器，往下走時可以清得很好。
算術改成下坡，策略也跟著反過來：抬起刷子或降壓往上爬，再在下坡時清洗。如此馬達只需在重力幫忙的方向承擔刷子載荷，吸附系統也只需在上坡時抓住機器。要雙向清洗的機器，不是得有吸附系統，就是得大幅降低刷壓，規格上應該寫明選了哪一種。
決定馬達的是工作週期，不是峰值
清洗機並不連續運轉。它清完一趟、換位、停止、反轉、停留，馬達的熱工況是這個週期的均方根，而不是最大值。取一個 120 秒的週期。
| 階段 | 時間 | 轉矩 | 轉矩平方 × 時間 |
|---|---|---|---|
| 清洗行程 | 20 s | 6.5 N m | 845 |
| 換位，刷子抬起 | 5 s | 1.5 N m | 11.3 |
| 停止並反轉 | 5 s | 0 | 0 |
| 回程行走 | 5 s | 1.2 N m | 7.2 |
| 下一趟前停留 | 85 s | 0 | 0 |
| 週期結果 | 120 s | 峰值 6.5 N m | RMS 2.68 N m |
均方根是 2.68 N m，峰值 6.5，比值 2.42。按峰值選的馬達會大上遠超過兩倍；對一臺必須爬玻璃的機器，這份餘量要付兩次代價：一次是成本，一次是質量，而質量又直接回到上面的牽引計算。
峰值仍然重要，但理由不同。它決定驅動器必須提供的電流、減速機的飽和餘量，以及刷子卡死時機器在哪一點失速。所以規格需要兩個數字並各自寫明角色：連續額定取自 RMS，暫態能力取自峰值。同一套推理用在電池供電平臺上的完整算例，見 馬達效率與電池續航。
60 °C 環境吃掉 9% 的連續轉矩
面板表面很燙。全日照下的黑色模組可能比環境高出三十度，而在上面工作的機器周圍空氣也涼不了多少。這很重要，因為型錄上的連續轉矩額定通常以 40 °C 環境為基準，而絕緣等級畫出上限。
以 F 級繞組為例，總耐溫 155 °C。40 °C 環境下容許溫升 115 K；60 °C 時只有 95 K。溫升與損耗成正比，銅損又與轉矩平方成正比，因此容許連續轉矩隨溫升比值的平方根變化：95 除以 115 再開根號是 0.909。
| 環境溫度 | 容許溫升，F 級 | 相對連續轉矩 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 40 °C | 115 K | 1.00 | 型錄的正常基準 |
| 50 °C | 105 K | 0.96 | 炎熱氣候，通風外殼 |
| 60 °C | 95 K | 0.91 | 本頁原始版本所載的額定值 |
| 70 °C | 85 K | 0.86 | 直射陽光下的密閉外殼 |
密閉外殼讓降額更嚴重
沒有冷卻風扇的馬達（IP65 通常就是如此）只能靠機座表面散掉同樣的損耗，而機座遠不如強制氣流。同一機座的全密閉無通風機種，連續額定因此比風冷版本低得多，但兩者常被放在同一頁型錄上並列報價。
所以誠實的規格不是「40 °C 下的連續轉矩」，而是「在所述環境溫度、所述冷卻方式下的連續轉矩」。兩半都必要，因為上面的降額算術，前提是馬達仍保有型錄數值當初量測時的冷卻條件。把 60 °C 降額與強制冷卻的損失算在一起，按 40 °C 型錄頁選出來的驅動，到了夏天屋頂可能只剩標稱連續轉矩的三分之二。
IP65 是噴流等級，不是沖洗等級
IP 代碼的第一位數管固體，第二位數管水，而水的位數是由具體測試定義，不是由形容詞定義。下表定義出自 IEC 60529，整機端的應用則由 IEC 60034-5 規範 [1][2]。
| 代碼 | 測試條件 | 不涵蓋什麼 |
|---|---|---|
| IPX4 | 任何方向的潑濺水 | 定向噴流 |
| IPX5 | 6.3 mm 噴嘴，12.5 L/min，30 kPa，3 分鐘 | 更高壓力、浸水、蒸氣 |
| IPX6 | 12.5 mm 噴嘴，100 L/min，100 kPa，3 分鐘 | 浸水、蒸氣清洗 |
| IPX7 | 1 m 浸水 30 分鐘 | 加壓噴流 |
| IPX9K | 高壓高溫噴流 | 定義在 IEC 60529 之外 |
對一臺把水噴到玻璃上、馬達又離得有點距離的機器，IP65 完全合理。它不是每班結束要被整機沖洗的機器該用的等級，更不是會被高壓清洗機對著沖的機器該用的等級。失效很少發生在外殼壁上，而是發生在電纜密封接頭、連接器、透氣閥或軸封——這些零件一旦由整機廠裝上，就不在馬達的 IP 測試範圍內。
IP65 馬達能否在服役期間維持 IP65，取決於整機廠加裝的零件。電纜密封接頭的等級至少要與馬達相當，並須按指定扭力鎖緊。任何透氣或壓力平衡元件都必須是薄膜式，不能是開孔。軸封也必須承受反轉工況，因為只朝一個方向跑了一季才反轉的唇形密封可能掀起而讓水膜滲入。若終端使用者會清洗機器本身，請指定 IP66 或 IP67，並在圖面上寫明。
怎麼讀塗裝數據
本頁原始版本引了三個塗裝數字：附著力 1 級、中性鹽霧耐受，以及 500 小時濕熱。每一個都是測試結果，而每一個都要連同測試方法與驗收準則一起附上才有意義。
鹽霧是製程查核，不是壽命預測
ISO 9227 定義了中性鹽霧試驗等方法，它的範圍說明難得直白：這些方法適用於查核塗裝材料的品質是否維持，但不用於材料間的比較排序，也不用於預測長期耐蝕性 [8]。因此 500 小時說的是塗裝製程，不是這臺機器在海邊能用幾年。
這不代表試驗沒有價值。它代表這是個管制參數，而管制參數必須附帶條件才有用：塗裝系統與乾膜厚度、試驗時間、評的是起泡、生鏽還是劃痕蔓延，以及驗收限值。只報時間不報準則的供應商，給的是一個無法與別人比較的數字。
附著力等級不是附著力量測
ISO 2409 用格狀切割與六級尺度評定塗層抗剝離性，0 級最好、5 級最差。1 級表示交叉處有少量剝落，受影響面積最多 5%。標準也明說此法不是量測附著力的方法，需要量測時另指拉脫法 [9]。
所以「附著力 1 級」是一句「塗層落在分級試驗第二好區間」的陳述。在多數工業規格裡可以接受，但它不等於 0 級，也不是量到的附著強度。寫出標準、等級與底材，才能把這句話變成買方可查核的東西；寫成「附著良好」，就只是行銷用語。
直流母線電壓怎麼選
這類機器多半由電池供電，母線電壓因此是第一個電氣決策。300 rpm 下約 84 W 的連續軸功率，在假設驅動效率 85% 時，24 V 母線約需 4.1 A，48 V 約需 2.1 A。電壓的選擇因此與其說是電流的問題，不如說是整機其他部分需要什麼。
同樣功率下 48 V 把電流減半，長行程上的線損跟著降低，也讓較細的電纜能熬過拖鏈處的反覆彎折；驅動器功率級的尺寸也變小。反過來看，24 V 是小型機器人較常見的電池配置，現成充電器與 DC-DC 轉換器的選擇也更多。超過 48 V 之後，在許多市場會進入另一套安全法規，那是系統決策，不是馬達決策。
兩種電壓下真正要弄對的都是連接器，不是馬達。馬達通常裝在刷頭上，電纜每個週期都要彎折一次，而勉強合格的連接器，正是那種表現得像機械故障的間歇性驅動故障最常見的原因。請指定連接器，不要只指定馬達。這類選型的一般框架見 工業應用的馬達選型。
規格表上該寫什麼
一張寫著「IP65 齒輪馬達，200 W」的訂單，等於把減速比、繞組、降額基準與減速機壽命都留給供應商決定，而這四項選擇恰恰決定機器能不能動。
| 項目 | 為什麼重要 |
|---|---|
| 刷輥處的連續轉矩，已按 60 °C 降額 | 真正支配刷子工況的額定值 |
| 峰值轉矩及其持續時間 | 卡滯排除與斜面上起步 |
| 刷輥轉速範圍與對應馬達轉速 | 決定減速比與刷尖速度 |
| 附各階段時間的工作週期 | 讓供應商核算 RMS，而不是用猜的 |
| 外殼等級並註明所依標準 | 把噴流等級與沖洗等級分開 |
| 環境與表面溫度範圍 | 決定降額與絕緣等級 |
| 反轉工況下的減速機壽命，以循環次數計 | 反轉才是壽命限制工況，不是連續運轉 |
| 依 IEC 60034-14 的振動等級 | 不平衡的刷頭會在馬達磨壞之前先毀掉軸承 |
| 塗裝系統連同試驗方法與驗收等級 | 讓耐久主張可以被查核 |
| 連接器與電纜規格 | 移動刷頭上最常見的現場失效 |
反轉工況下的減速機壽命很少被列出，因為多數型錄壽命數字假設的是定載單向運轉，與清洗機的週期正好相反。振動等級在這裡也比平常更重要：刷輥是裝在每分鐘反轉兩次的軸上的不平衡載荷；IEC 60034-14 給出了量測方法與限值 [5]。
現場最常出現的六個錯誤
- 按峰值轉矩選型。 典型清洗週期的 RMS 大約低 2.4 倍。過大的馬達增加質量，而質量正是牽引計算最承不起的東西。
- 打滑常被讀成動力不足。若濕斜面上所需摩擦係數超過輪胎膠料能提供的數值，更大的轉矩只會加大刷子反作用力，讓打滑更糟。
- 有時把馬達的 IP65 等級當成整機都是 IP65。密封接頭、連接器與軸封都在馬達測試之外，而水正是從那裡進去。
- 把 40 °C 的連續額定用在 60 °C 的屋頂上。 光是這一步就有約 9% 的轉矩誤差，還沒算強制冷卻的損失。
- 鹽霧時數有時被當成壽命報出來。ISO 9227 明說其方法不用於預測長期耐蝕性；這個數字是製程查核，必須附上驗收準則。
- 忽略反轉工況對減速機壽命的影響。 單向可跑 20,000 小時的行星級，在帶著刷子載荷每分鐘反轉兩次時，可能早得多就失效。
故障排查：症狀、原因、處置
| 症狀 | 最可能原因 | 處置 |
|---|---|---|
| 大角度濕面板上機器打滑 | 所需摩擦係數超過輪胎膠料 | 降低刷壓、增加吸附，或只往下坡清洗 |
| 刷子停住但馬達電流正常 | 減速機或聯軸器打滑，不是驅動故障 | 檢查輸出級；查看鍵是否剪斷或離合器是否打滑 |
| 曬了二十分鐘後驅動跳脫 | 未按 60 °C 環境做熱降額 | 記錄繞組溫度；重新選定馬達或改善外殼散熱 |
| 接線盒內積水 | 密封接頭扭力、電纜走向，或缺少薄膜透氣閥 | 換用合格密封接頭重新壓接；電纜留出滴水彎 |
| 移動刷頭上間歇性驅動故障 | 彎折電纜段內的連接器磨耗 | 換成額定可承受循環彎折的連接器；加裝應力消除 |
| 一季之內塗層起泡 | 表面處理，不是塗裝系統 | 檢查前處理與乾膜厚度，不要去查鹽霧時數 |
| 幾個月後出現振動與軸承噪音 | 刷輥不平衡，或卡滯造成輸出軸彎曲 | 重新平衡刷輥；依 IEC 60034-14 檢查軸跳動 |
Greensky Power 怎麼做這類驅動
我們把馬達與減速做成一體，因為整機廠需要的數字是刷輥處的轉矩，不是馬達軸上的轉矩。我們的報價會寫明：按客戶指定的環境溫度降額後的連續轉矩、附容許持續時間的峰值轉矩，以及以反轉循環次數而非單向運轉時數計的減速機壽命。
報價前我們會要三項輸入，因為每一項對答案的影響都比功率額定更大：刷子正向力與實測摩擦係數、面板角度範圍、清洗週期各階段的時間。有這三項，牽引校核與 RMS 校核就是算術而不是判斷；若圖面上的機器在其角度範圍內的最陡面板上站不住，我們會白紙黑字寫出來。
若刷子與面板角度還在選，請先把這兩項寄來。它們對驅動的限制比瓦數更大。把工作週期寄給我們的工程團隊，或從 馬達應用資料庫 與 客製馬達方案 開始。鄰近的清洗應用遵循同一套邏輯：泳池清洗機；光伏電廠的追蹤端則見 太陽追蹤器行星齒輪馬達。
這些選項背後的驅動系列，見 無刷直流馬達技術、BLDC 齒輪馬達 與 24 V 直流無刷齒輪馬達。若機器由固定電源而非電池供電，相關起點是 BLDC 與感應馬達比較；更換決策所依賴的銘牌慣例，則在 如何讀懂馬達銘牌。
把刷子正向力、面板角度範圍與清洗週期寄給我們，我們會以書面回覆刷輥轉矩、RMS 連續額定、在您環境溫度下降額後的數字，以及反轉循環下的減速機壽命。聯絡 Greensky Power。
參考文獻
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- IEC. (2020). IEC 60034-5:2020, Rotating electrical machines – Part 5: Degrees of protection provided by the integral design of rotating electrical machines (IP code) – Classification, Edition 5.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/64224
- IEC. (2026). IEC 60034-1:2026, Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance, Edition 15.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/89961
- IEC. (2025). IEC 60034-30-1:2025, Rotating electrical machines – Part 30-1: Efficiency classes of line operated AC motors (IE code), Edition 2.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/91195
- IEC. (2018). IEC 60034-14:2018, Rotating electrical machines – Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher – Measurement, evaluation and limits of vibration severity, Edition 4.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/59889
- IEC. (2024). IEC 60034-2-1:2024, Rotating electrical machines – Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests, Edition 3.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/67756
- IEC. (2021). IEC 61215-1:2021, Terrestrial photovoltaic (PV) modules – Design qualification and type approval – Part 1: Test requirements, Edition 2.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/61345
- ISO. (2022). ISO 9227:2022, Corrosion tests in artificial atmospheres – Salt spray tests, Edition 5. ISO. https://www.iso.org/standard/81744.html
- ISO. (2020). ISO 2409:2020, Paints and varnishes – Cross-cut test, Edition 5. ISO. https://www.iso.org/standard/76041.html
- IEC. (2016). IEC TS 60034-30-2:2016, Rotating electrical machines – Part 30-2: Efficiency classes of variable speed AC motors (IE-code), Edition 1.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/30830
常見問題
Q：太陽能板清洗機用哪一類馬達？ 多數機器用 24 V 或 48 V 母線的無刷直流齒輪馬達，因為機器由電池或面板供電，刷輥又需要低轉速下的大減速比。有線工業機種則用感應齒輪馬達配變頻器。決定性的要求不是馬達家族，而是外殼等級、按 60 °C 環境降額後的連續轉矩，以及減速機能否承受反轉工況。
Q：太陽能板清洗刷需要多大轉矩？ 由刷子正向力與摩擦係數推得：轉矩等於摩擦力乘以刷輥半徑。1.2 m 刷輥在 260 N 壓緊力、濕玻璃摩擦係數 0.4 下，約需 104 N 的切向力；在 120 mm 直徑時約為 6.2 N m。也就是 300 rpm 下約 196 W，或每公尺刷寬 163 W。
Q：清洗機器人為什麼會在濕面板上打滑？ 因為可用摩擦力由正向力固定，而正向力來自重量與任何吸附系統。25 度面板上的 45 kg 機器，光是穩住位置就需要 0.47 的摩擦係數；加上刷阻後需要約 0.73，高於濕橡膠在玻璃上能達到的數值。更大的馬達轉矩幫不上忙；只有增加正向力、降低刷壓或往下坡清洗才有效。
Q：太陽能板清洗機用 IP65 夠嗎？ IP65 是防塵密閉外殼，以 6.3 mm 噴嘴、每分鐘 12.5 公升、30 kPa 噴水 3 分鐘測試。它不是沖洗或浸水等級。若客戶會用高壓清洗機清洗機器本身，要求就升到 IP66、IP67 或 IP69K，而弱點通常是電纜密封接頭或連接器，不是馬達本體。
Q：間歇清洗週期該怎麼選馬達？ 用整個週期的均方根轉矩，不要用峰值。120 秒週期中有 20 秒是 6.5 N m、其餘接近零，RMS 約 2.7 N m；所以 6.5 N m 的峰值工況需要約 2.7 N m 的連續額定。按峰值選型會讓馬達大上約 2.4 倍，並為一臺必須爬玻璃的機器添上不必要的質量。
Q：500 小時鹽霧這類塗裝數據能證明耐久性嗎？ 不能。ISO 9227 明說鹽霧試驗不用於材料間的比較排序，也不用於預測長期耐蝕性。它偵測的是塗層孔隙這類不連續處。鹽霧數字作為製程管制參數是有用的，前提是塗裝系統、試驗時間與評定準則都寫明，而搭配的附著力試驗也要寫出自己的標準與等級。
