注塑机伺服电机如何节能

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1、除了塑料以外，电费是注塑成品的最大成本，有必要节约。 节能的本质: 注塑机要产生如锁模及注塑等动作，亦要产生热量将料筒内的塑料加热/塑化。动能及热能的节约，只能从减少浪费着手，别无它法。让我们先温习热力学的两大定律。 热力学第一定律: 热力学的第一定律就是能量守衡。在能量的转换中，能量只从一种型态变做另一种型态，但转换之前及之后的能量是相等的，既没有增加也没有减少。 热力学第二定律: 热力学第二定律认为在转换过程中，热熵(entropy)只会增加，不会减少。热熵这个概念很难用几句话讲得清楚。对于这个讨论来说，第二定律可以简化拔抻谩笔涑瞿芰烤褪侨饶堋? 异步电机: 传统的注塑机是用异步（鼠笼式）

2、电机来驱动油泵的。异步电机的定子在三相电的驱动下产生旋转磁场。以四极定子及 50 Hz 的供电为例，磁场以 1500 rpm 的速度转动。 转子上有多条斜放的铜枝，它们都是在末端短接的。鼠笼由此得名。在旋转的磁场下，铜枝上感应出电流。电流与磁场相互作用下产生扭力，转动转子。转子的转速比旋转磁场低2060 rpm，故称为异步（非同步）电机。 矽铁片重叠起来支撑着转子的铜枝及定子的线圈。 图 1 异步电机及风扇图 2 鼠笼（显示铜枝及三片矽钢片）图 3 转子及定子的矽钢片及转子异步电机将电能转换为动能。在转换过程中，由于线圈的电阻、涡流在矽铁片中的产生及轴承的摩擦，输出的“有用”动能只是输入电能的

3、 9 成左右（在满载时），其他便转换为热能。故电机都会自带风扇，将热能带走，以免电机过度升温。 异步电机都能短暂过载达两倍。过载时，电流增加，故发热也增加。在没有过载保护之下，线圈会烧毁。 油泵: 油泵将旋转的动能转换为液能（压力及流量）。油泵内的摩擦力会降低输出压力。油泵的内漏会降低输出流量。故输出的（有用）液能是比输入的旋转动能低，而无用的热能便跑到压力油去，使其升温，是注塑机为何要安装压力油冷却器的原因之一。 油马达、油缸：油马达及油缸分别将液能转回旋转动能及线形动能，来驱动如螺杆的塑化及注射动作。如油泵一样，转换过程中产生了热量，提高了油温。 油管: 压力油在油管内流动，在管接头处转弯

4、，都会与管壁及自相摩擦而降低了压力，产生了热能。廉价的注塑机都会用小的管径来降低成本，但必然便提高了油在管内的流速，摩擦的损失增加，油温便升得更高，便浪费更多的能量。 定量泵为何耗能？ 用恒定转速的异步电机来带动定量泵，油泵是输出恒定的流量的，但注塑周期中的各个动作，如开合模、顶出、塑化、注射及保压，甚至待机状态对流量的要求都不同。动作用不着的流量便在当时的设定压力下流回油箱。所需动作越慢，流回油箱的量越多，浪费的能量便越多。同样，设定的压力越大，流回油箱的浪费便越大。浪费了的能量都变为热能，将油温提高。 在注塑周期中，保压所需的油量很低，因螺杆前行的速度只需要足够填补成品冷却时的收缩量，估计

5、不会超过油泵流量的 5%，那油泵 95%以上的流量便在保压压力下流回油箱。成品壁厚越大，保压时间便越长，浪费的能量便越多。从另一角度看，可以节能的幅度便越大，或节能的额外投资的回本期越短。 一般来讲，当动作的速度离全速越远、动作的时间越长、压力越大，潜在节能的幅度便越大。 变量泵如何变量？ 从以上得知，节能的钥匙在于能够改变流量。变量泵能提供从零到最大的流量，而且是在异步电机恒速转动下能提供的。 最常用的变量泵采用斜盘轴向柱塞设计。当斜盘的角度是零（最大），柱塞的排量便是零（最大）。按流量的需要将斜盘的角度改变，从而达到流量的调节。 变频器如何变量？ 变频器改变交流电的频率，将市电的 50 H

6、z 变为 5 50 Hz，使异步电机的转速在 10% 100%中改变。配上定量泵后，油流量便在 10% 100%中改变。 由于变频器是一台强电流电子设备，它本身亦消耗电能，故节能效果较变量泵逊色。 异步电机的设计是为了恒速使用的，便没有考虑转子惯性的优化。转子每次加速减速如需要 0.1 秒，一个周期内不下 20 次的变速便需要 2 秒。一般用家都会发觉变频器的使用拖慢了生产率，再降低它的吸引性。 定量泵多数是叶片泵。叶片泵利用离心力将叶片压紧泵壳做成密封，才能将油泵出来。当转速降下来时，离心力也降下来，故在低流量时，内漏增加，油泵的效率下降。 其实变频器只是在注塑机翻新改进时加进去，因只涉及接

7、线的改动，比定量泵改为变量泵的工夫少及简单很多。新购买注塑机时是不会用定量泵配变频器的。 伺服电机 伺服电机是为加速减速优化的。伺服电机如何能在维持扭矩之下降低惯性？原来是利用了以下的物理关系。（是代表“正比于”的数学符号。） 扭矩 转子直径 （线性比例） 惯性 （转子直径)2 （平方比例） 扭矩 转子长度 （线性比例） 平方比例较线性比例提升得快。如转子直径增加 20%，（转子直径)2 便增加 44%（1.22 = 1.44）。 伺服电机的转子设计用小直径来降低惯性，再以长的转子来回复失去的扭矩。伺服电机的外观也明显看见是直径小但长度大的。 某日本供应商采用钕(neodymium)磁铁(是稀

8、土磁铁的一种)来产生转子的磁场，比一般的铁氧体磁铁(ferrite magnet)强，故扭矩便能提高。此供应商更采用了磁阻扭矩(reluctance torque)来产生额外的扭矩。 采用永磁来产生磁场亦比用电磁或电感产生磁场的效率更高，因为就避免了线圈的损失及涡流的损失。 伺服电机从 0 rpm 速到 2000 rpm，只需要 0.05 秒。因此，用变速伺服电机来驱动油泵，拖慢生产力的情况只在短于 5 秒周期时才能察觉。 伺服电机在制动时变了发电机，驱动制动电阻，而动能则在制动电阻上变为热能，散发在大气中。有瑞士注塑机厂在其全电机中采用储能电池吸收了制动的动能，然后释放出来驱动电机。这充分体

9、现了节能的本色：利用额外的设备来节省（在这里应称为回收再用）能源。 全电机 全电机的省电效果是众所周知的。全电机的驱动也是用伺服电机的，只不过它最少用四个伺服电机来直接驱动注射、塑化、开合模及顶出动作。其余的动作如抽芯/旋脱，射台及调模有用伺服电机，亦有用较便宜的电机来驱动。 直接驱动采用螺丝或曲臂将旋转的动能变为线性的动能，或采用皮带或齿轮将高速的旋转动能变为低速的旋转动能。 伺服电机驱动油泵，油流过管道到达油缸或油马达，再转换为动能与全电机比较，直接驱动节省了两个转换过程，估计可节约 10%的能量。两者之间的比较，表列于后。 待机状态 启动了注塑机的电机后而注塑机没有动作的状态称为待机状态

10、。 在以下的情况下，注塑机是处于待机状态的。 1. 当冷却时间比塑化时间长，多出来的冷却时间中，注塑机是处于待机状态的。产品越厚，待机状态时间便越长。 2. 机械手取出成品/水口时。 3. 半自动操作时操作员打开安全门取出成品/水口或插件时。 异步电机驱动变量泵在待机状态时是恒速转动但没有流量的，但在一台 11 kW 的注塑机上测出电机的电流是 7 A，比 11 kW 电机的 24 A 额定电流是一个大的比例（29%）。 伺服电机驱动变量泵在待机状态时是不转动的。虚耗的只是伺服电机（电子）驱动器的能量。以 11 kW 伺服电机为例，电流不到 1 A。 油温作指示 伺服电机驱动油泵的节能效果，从

11、压力油油温可见一班。 采用一台 50 吨注塑机注塑单腔的航空杯，在华南的夏季及没有压力油冷却的条件下，油温只有 37 度摄氏。 如压力油的升温是节能的指示，这一点是连异步电机驱动变量泵都望尘莫及的。 电机效率 效率是输出功率除以输入功率的比例。 效率 = 输出功率/输入功率 电机的输入功率是用电的功率。 电机的输出功率是转动的功率。 在理想的没有损失的情况下，输出功率等于输入功率，效率便等于 100%。损失了的功率变了热的功率。 异步电机在额定负荷时效率约 90%，但在负荷低于 50%时，效率大幅下降，也就是前述的待机状态消耗 29%额定电流的原因。 有英国公司提供“节能宝”在异步电机低负荷时

12、降低供应电压，从而减少铜线圈产生过量的磁通，降低损失，达节能之效。留意电机的转速不变，故不影响注塑周期。 能节能多少？ 据某伺服电机供应商的资料，伺服电机驱动油泵比传统定量泵节能 60%，比变量泵节能40%。 另一供应商则声称节能 50%以上。 其实能节约多少与产品的壁厚，模具是否用冷流道、保压时间、待机时间都有关系，是不能一概而论的。 大致来讲，壁厚越大，伺服电机的节能便越多。壁厚大时，保压时间便长，待机时间亦长，便能更节约。瓶坯的注塑便属于这类。如冷流道的直径大于壁厚，冷却时间便由流道直径来支配。 相反，薄壁产品（热流道模具）的保压时间短，甚至是 0，而冷却时间也是 0，伺服电机的节能便有

13、限。达明推荐周期 5 秒或以下的薄壁饭盒（壁厚 0.5mm）采用异步电机驱动定量泵注塑机来生产，因周期大部分以全速全压进行，能节省的浪费有限。甚至伺服电机的加速减速会延长了注塑周期。 周期 5-8 秒的产品，可以用异步电机驱动变量泵注塑机来生产。 周期 8 秒以上的产品、冷却时间比塑化时间长、注射时间超过 3 秒、螺杆转速在 70%以下、采用机械手取出、采用半自动操作都推荐使用“节能宝”或伺服电机注塑机来生产。 齿轮泵对柱塞泵 注塑机采用的定量泵以叶片泵为主。叶片泵依靠离心力将叶片压紧泵体的内壁，进行其从油箱吸油，向出口泵油的工作。在低转速时，由于离心力下降，内漏增加，泵的容积效率便减少，故不

14、适合配合变速的伺服电机使用。 配合伺服电机使用的油泵有定量的齿轮泵及变量的柱塞泵两种。 齿轮泵的容积效率在 90%以下。其构造较简单，成本不高，噪音不大，对油污的容隐度则较大。 柱塞泵的容积效率在 95%左右。它的构造精密，对油污的容隐度不高，噪音亦较大。但其变量特性可用来降低对伺服电机的扭矩负载，故降低其电流及其发热，使在需要极低流量的保压，保压时间能够更长。这在油研公司的双排量设计发挥了出来。 从下图得知，保压及高压合模所需的流量低但压力高，可将变量泵转为小排量，降低在低速时伺服电机的大电流产生的发热。此功能连全电机也做不到。如不用双排量的话，保压及高压合模会超越原排量的压力流量范围，但仍

15、在虚线的超载范围内，可以作短暂保压及高压合模。如锁模方法是采用机铰，高压合模自然是短暂的。直压锁模如不采用单向阀将锁模力锁住，便要靠电机油泵不停地工作来维持锁模力。双排量的小排量能提供长时间的保压及高压合模。 伺服电机的限制 伺服电机在“低转速”时的反电势（counter emf）较“高转速”时低，电流增加使线圈过分发 热。这在长时间保压时会发生。油研公司用变量泵降低排量，维持电机的高转速来舒缓这 个问题。选购注塑机时还要留意伺服电机功率是否过小。 大的注塑机需要大的电机/油泵来驱动，但大的伺服电机，其转子便有大的惯性，不能达到 0.05 秒从 0 到 2000 rpm 的要求。如以日本的两家

16、伺服电机带油泵的供应商为例，最大的 电机也只有 15 kW。 更大的注塑机只能将两个或以上伺服电机/油泵合流来驱动，便既能达到油流量的要求，亦 能达到反应时间的要求。有一台 3500 吨的注塑机是采用 10 套伺服电机/油泵合流来驱动 的。 伺服电机的成本高，是否值得采用就要看产品而定（参考前一节），亦要看目前的注塑机 是采用定量泵还是变量泵的。若额外的投资回本期在两年内，便是值得的。 标准度及其他优点 伺服电机的转轴配有编码器，与驱动器一同提供转速的闭环控制。由于螺杆的注射速度才 是闭环控制的目标而油泵转速只是正比于注射速度，伺服电机只达到速度半闭环的控制， 但当然已比开环控制精准。 伺服电机驱动的油泵在出口处配有压力传感器，与驱动器一同提供压力的闭环控制。这样 的话，伺服电机驱动油泵便能提供 3/4 闭环控制了（3/4=1/2*1/2+1/2*1）。 精准的速度及压力控制是稳定生产力的先决条件。由于油温度不高，油温的波动亦较低， 再提高了稳定性。油温不高亦可以节省甚至去除压力油冷却的需要。其他优点有低燥音 （尤其是在待机状态），体积小及重量轻等。 电热的