- 伺服電機如何節能
- 變量泵如何變量
- 安裝保溫綿的保溫罩
- 廣泛使用微處理器
節能的本質(zhì):注塑機要產(chǎn)生如鎖模及注塑等動(dòng)作，亦要產(chǎn)生
圖1異步電機及風(fēng)扇
圖2鼠籠（顯示銅枝及三片矽鋼片）
圖3轉子及定子的矽鋼片及轉子
異步電機將電能轉換為動(dòng)能。在轉換過(guò)程中，由于線(xiàn)圈的電阻、渦流在矽鐵片中的產(chǎn)生及軸承的摩擦，輸出的“有用”動(dòng)能只是輸入電能的9成左右（在滿(mǎn)載時(shí)），其他便轉換為熱能。故電機都會(huì )自帶風(fēng)扇，將熱能帶走，以免電機過(guò)度升溫。異步電機都能短暫過(guò)載達兩倍。
過(guò)載時(shí)，電流增加，故發(fā)熱也增加。在沒(méi)有過(guò)載保護之下，線(xiàn)圈會(huì )燒毀。油泵:油泵將旋轉的動(dòng)能轉換為液能（壓力及流量）。油泵內的摩擦力會(huì )降低輸出壓力。油泵的內漏會(huì )降低輸出流量。故輸出的（有用）液能是比輸入的旋轉動(dòng)能低，而無(wú)用的熱能便跑到壓力油去，使其升溫，是注塑機為何要安裝壓力油冷卻器的原因之一。
油馬達、油缸：油馬達及油缸分別將液能轉回旋轉動(dòng)能及線(xiàn)形動(dòng)能，來(lái)驅動(dòng)如螺桿的塑化及注射動(dòng)作。如油泵一樣，轉換過(guò)程中產(chǎn)生了熱量，提高了油溫。油管:壓力油在油管內流動(dòng)，在管接頭處轉彎，都會(huì )與管壁及自相摩擦而降低了壓力，產(chǎn)生了熱能。廉價(jià)的注塑機都會(huì )用小的管徑來(lái)降低成本，但必然便提高了油在管內的流速，摩擦的損失增加，油溫便升得更高，便浪費更多的能量。
定量泵為何耗能？
用恒定轉速的異步電機來(lái)帶動(dòng)定量泵，油泵是輸出恒定的流量的，但注塑周期中的各個(gè)動(dòng)作，如開(kāi)合模、頂出、塑化、注射及保壓，甚至待機狀態(tài)對流量的要求都不同。動(dòng)作用不著(zhù)的流量便在當時(shí)的設定壓力下流回油箱。所需動(dòng)作越慢，流回油箱的量越多，浪費的能量便越多。同樣，設定的壓力越大，流回油箱的浪費便越大。浪費了的能量都變?yōu)闊崮?，將油溫提高。在注塑周期中，保壓所需的油量很低，因螺桿前行的速度只需要足夠填補成品冷卻時(shí)的收縮量，估計不會(huì )超過(guò)油泵流量的5%，那油泵95%以上的流量便在保壓壓力下流回油箱。成品壁厚越大，保壓時(shí)間便越長(cháng)，浪費的能量便越多。從另一角度看，可以節能的幅度便越大，或節能的額外投資的回本期越短。一般來(lái)講，當動(dòng)作的速度離全速越遠、動(dòng)作的時(shí)間越長(cháng)、壓力越大，潛在節能的幅度便越大。
變量泵如何變量？
從以上得知，節能的鑰匙在于能夠改變流量。變量泵能提供從零到最大的流量，而且是在異步電機恒速轉動(dòng)下能提供的。最常用的變量泵采用斜盤(pán)軸向柱塞設計。當斜盤(pán)的角度是零（最大），柱塞的排量便是零（最大）。按流量的需要將斜盤(pán)的角度改變，從而達到流量的調節。變頻器如何變量？變頻器改變交流電的頻率，將市電的50Hz變?yōu)?~50Hz，使異步電機的轉速在10%~100%中改變。配上定量泵后，油流量便在10%~100%中改變。由于變頻器是一臺強電流電子設備，它本身亦消耗電能，故節能效果較變量泵遜色。異步電機的設計是為了恒速使用的，便沒(méi)有考慮轉子慣性的優(yōu)化。
轉子每次加速減速如需要0.1秒，一個(gè)周期內不下20次的變速便需要2秒。一般用家都會(huì )發(fā)覺(jué)變頻器的使用拖慢了生產(chǎn)率，再降低它的吸引性。定量泵多數是葉片泵。葉片泵利用離心力將葉片壓緊泵殼做成密封，才能將油泵出來(lái)。當轉速降下來(lái)時(shí)，離心力也降下來(lái)，故在低流量時(shí)，內漏增加，油泵的效率下降。其實(shí)變頻器只是在注塑機翻新改進(jìn)時(shí)加進(jìn)去，因只涉及接線(xiàn)的改動(dòng)，比定量泵改為變量泵的工夫少及簡(jiǎn)單很多。新購買(mǎi)注塑機時(shí)是不會(huì )用定量泵配變頻器的。
伺服電機伺服電機是為加速減速優(yōu)化的。伺服電機如何能在維持扭矩之下降低慣性？原來(lái)是利用了以下的物理關(guān)系。（∝是代表“正比于”的數學(xué)符號。）扭矩∝轉子直徑（線(xiàn)性比例）慣性∝（轉子直徑)2（平方比例）扭矩∝轉子長(cháng)度（線(xiàn)性比例）平方比例較線(xiàn)性比例提升得快。如轉子直徑增加20%，（轉子直徑)2便增加44%（1.22=1.44）。伺服電機的轉子設計用小直徑來(lái)降低慣性，再以長(cháng)的轉子來(lái)回復失去的扭矩。
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伺服電機的外觀(guān)也明顯看見(jiàn)是直徑小但長(cháng)度大的。某日本供應商采用釹(neodymium)磁鐵(是稀土磁鐵的一種)來(lái)產(chǎn)生轉子的磁場(chǎng)，比一般的鐵氧體磁鐵(ferritemagnet)強，故扭矩便能提高。此供應商更采用了磁阻扭矩(reluctancetorque)來(lái)產(chǎn)生額外的扭矩。采用永磁來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)亦比用電磁或電感產(chǎn)生磁場(chǎng)的效率更高，因為就避免了線(xiàn)圈的損失及渦流的損失。伺服電機從0rpm速到2000rpm，只需要0.05秒。因此，用變速伺服電機來(lái)驅動(dòng)油泵，拖慢生產(chǎn)力的情況只在短于5秒周期時(shí)才能察覺(jué)。伺服電機在制動(dòng)時(shí)變了發(fā)電機，驅動(dòng)制動(dòng)電阻，而動(dòng)能則在制動(dòng)電阻上變?yōu)闊崮?，散發(fā)在大氣中。有瑞士注塑機廠(chǎng)在其全電機中采用儲能電池吸收了制動(dòng)的動(dòng)能，然后釋放出來(lái)驅動(dòng)電機。
這充分體現了節能的本色：利用額外的設備來(lái)節?。ㄔ谶@里應稱(chēng)為回收再用）能源。全電機全電機的省電效果是眾所周知的。全電機的驅動(dòng)也是用伺服電機的，只不過(guò)它最少用四個(gè)伺服電機來(lái)直接驅動(dòng)注射、塑化、開(kāi)合模及頂出動(dòng)作。其余的動(dòng)作如抽芯/旋脫，射臺及調模有用伺服電機，亦有用較便宜的電機來(lái)驅動(dòng)。直接驅動(dòng)采用螺絲或曲臂將旋轉的動(dòng)能變?yōu)榫€(xiàn)性的動(dòng)能，或采用皮帶或齒輪將高速的旋轉動(dòng)能變?yōu)榈退俚男D動(dòng)能。伺服電機驅動(dòng)油泵，油流過(guò)管道到達油缸或油馬達，再轉換為動(dòng)能與全電機比較，直接驅動(dòng)節省了兩個(gè)轉換過(guò)程，估計可節約10%的能量。兩者之間的比較，表列于后。待機狀態(tài)啟動(dòng)了注塑機的電機后而注塑機沒(méi)有動(dòng)作的狀態(tài)稱(chēng)為待機狀態(tài)。在以下的情況下，注塑機是處于待機狀態(tài)的。
1.當冷卻時(shí)間比塑化時(shí)間長(cháng)，多出來(lái)的冷卻時(shí)間中，注塑機是處于待機狀態(tài)的。產(chǎn)品越厚，待機狀態(tài)時(shí)間便越長(cháng)。
2.機械手取出成品/水口時(shí)。
3.半自動(dòng)操作時(shí)操作員打開(kāi)安全門(mén)取出成品/水口或插件時(shí)。異步電機驅動(dòng)變量泵在待機狀態(tài)時(shí)是恒速轉動(dòng)但沒(méi)有流量的，但在一臺11kW的注塑機上測出電機的電流是7A，比11kW電機的24A額定電流是一個(gè)大的比例（29%）。伺服電機驅動(dòng)變量泵在待機狀態(tài)時(shí)是不轉動(dòng)的。
虛耗的只是伺服電機（電子）驅動(dòng)器的能量。以11kW伺服電機為例，電流不到1A。油溫作指示伺服電機驅動(dòng)油泵的節能效果，從壓力油油溫可見(jiàn)一班。采用一臺50噸注塑機注塑單腔的航空杯，在華南的夏季及沒(méi)有壓力油冷卻的條件下，油溫只有37度攝氏。如壓力油的升溫是節能的指示，這一點(diǎn)是連異步電機驅動(dòng)變量泵都望塵莫及的。電機效率效率是輸出功率除以輸入功率的比例。效率=輸出功率/輸入功率電機的輸入功率是用電的功率。
電機的輸出功率是轉動(dòng)的功率。在理想的沒(méi)有損失的情況下，輸出功率等于輸入功率，效率便等于100%。損失了的功率變了熱的功率。異步電機在額定負荷時(shí)效率約90%，但在負荷低于50%時(shí)，效率大幅下降，也就是前述的待機狀態(tài)消耗29%額定電流的原因。有英國公司提供“節能寶”在異步電機低負荷時(shí)降低供應電壓，從而減少銅線(xiàn)圈產(chǎn)生過(guò)量的磁通，降低損失，達節能之效。留意電機的轉速不變，故不影響注塑周期。
能節能多少？
據某伺服電機供應商的資料，伺服電機驅動(dòng)油泵比傳統定量泵節能60%，比變量泵節能40%。另一供應商則聲稱(chēng)節能50%以上。其實(shí)能節約多少與產(chǎn)品的壁厚，模具是否用冷流道、保壓時(shí)間、待機時(shí)間都有關(guān)系，是不能一概而論的。大致來(lái)講，壁厚越大，伺服電機的節能便越多。壁厚大時(shí)，保壓時(shí)間便長(cháng)，待機時(shí)間亦長(cháng)，便能更節約。瓶坯的注塑便屬于這類(lèi)。
如冷流道的直徑大于壁厚，冷卻時(shí)間便由流道直徑來(lái)支配。相反，薄壁產(chǎn)品（熱流道模具）的保壓時(shí)間短，甚至是0，而冷卻時(shí)間也是0，伺服電機的節能便有限。達明推薦周期5秒或以下的薄壁飯盒（壁厚0.5mm）采用異步電機驅動(dòng)定量泵注塑機來(lái)生產(chǎn)，因周期大部分以全速全壓進(jìn)行，能節省的浪費有限。甚至伺服電機的加速減速會(huì )延長(cháng)了注塑周期。周期5-8秒的產(chǎn)品，可以用異步電機驅動(dòng)變量泵注塑機來(lái)生產(chǎn)。周期8秒以上的產(chǎn)品、冷卻時(shí)間比塑化時(shí)間長(cháng)、注射時(shí)間超過(guò)3秒、螺桿轉速在70%以下、采用機械手取出、采用半自動(dòng)操作都推薦使用“節能寶”或伺服電機注塑機來(lái)生產(chǎn)。
齒輪泵對柱塞泵
注塑機采用的定量泵以葉片泵為主。葉片泵依靠離心力將葉片壓緊泵體的內壁，進(jìn)行其從油箱吸油，向出口泵油的工作。在低轉速時(shí)，由于離心力下降，內漏增加，泵的容積效率便減少，故不適合配合變速的伺服電機使用。配合伺服電機使用的油泵有定量的齒輪泵及變量的柱塞泵兩種。齒輪泵的容積效率在90%以下。其構造較簡(jiǎn)單，成本不高，噪音不大，對油污的容隱度則較大。柱塞泵的容積效率在95%左右。它的構造精密，對油污的容隱度不高，噪音亦較大。
但其變量特性可用來(lái)降低對伺服電機的扭矩負載，故降低其電流及其發(fā)熱，使在需要極低流量的保壓，保壓時(shí)間能夠更長(cháng)。這在油研公司的雙排量設計發(fā)揮了出來(lái)。從下圖得知，保壓及高壓合模所需的流量低但壓力高，可將變量泵轉為小排量，降低在低速時(shí)伺服電機的大電流產(chǎn)生的發(fā)熱。此功能連全電機也做不到。如不用雙排量的話(huà)，保壓及高壓合模會(huì )超越原排量的壓力流量范圍，但仍在虛線(xiàn)的超載范圍內，可以作短暫保壓及高壓合模。如鎖模方法是采用機鉸，高壓合模自然是短暫的。直壓鎖模如不采用單向閥將鎖模力鎖住，便要靠電機油泵不停地工作來(lái)維持鎖模力。雙排量的小排量能提供長(cháng)時(shí)間的保壓及高壓合模。
伺服電機的限制
伺服電機在“低轉速”時(shí)的反電勢（counteremf）較“高轉速”時(shí)低，電流增加使線(xiàn)圈過(guò)分發(fā)熱。這在長(cháng)時(shí)間保壓時(shí)會(huì )發(fā)生。油研公司用變量泵降低排量，維持電機的高轉速來(lái)舒緩這個(gè)問(wèn)題。選購注塑機時(shí)還要留意伺服電機功率是否過(guò)小。大的注塑機需要大的電機/油泵來(lái)驅動(dòng)，但大的伺服電機，其轉子便有大的慣性，不能達到0.05秒從0到2000rpm的要求。如以日本的兩家伺服電機帶油泵的供應商為例，最大的電機也只有15kW。
更大的注塑機只能將兩個(gè)或以上伺服電機/油泵合流來(lái)驅動(dòng)，便既能達到油流量的要求，亦能達到反應時(shí)間的要求。有一臺3500噸的注塑機是采用10套伺服電機/油泵合流來(lái)驅動(dòng)的。伺服電機的成本高，是否值得采用就要看產(chǎn)品而定（參考前一節），亦要看目前的注塑機是采用定量泵還是變量泵的。若額外的投資回本期在兩年內，便是值得的。標準度及其他優(yōu)點(diǎn)伺服電機的轉軸配有編碼器，與驅動(dòng)器一同提供轉速的閉環(huán)控制。由于螺桿的注射速度才是閉環(huán)控制的目標而油泵轉速只是正比于注射速度，伺服電機只達到速度半閉環(huán)的控制，但當然已比開(kāi)環(huán)控制精準。伺服電機驅動(dòng)的油泵在出口處配有壓力傳感器，與驅動(dòng)器一同提供壓力的閉環(huán)控制。
這樣的話(huà)，伺服電機驅動(dòng)油泵便能提供3/4閉環(huán)控制了（3/4=1/2*1/2+1/2*1）。精準的速度及壓力控制是穩定生產(chǎn)力的先決條件。由于油溫度不高，油溫的波動(dòng)亦較低，再提高了穩定性。油溫不高亦可以節省甚至去除壓力油冷卻的需要。其他優(yōu)點(diǎn)有低燥音（尤其是在待機狀態(tài)），體積小及重量輕等。電熱的節能基于同樣原理，料筒上的電熱瓦能夠節能，只能從減少浪費著(zhù)手。在料筒裝上保溫罩及保溫罩是否含保溫綿都可在不同程度上減少浪費。料筒上的電熱瓦用熱傳導方式經(jīng)料筒壁向料筒內的塑料加熱。
同時(shí)，電熱瓦亦以輻射及對流方式流失，浪費了熱能。裝了保溫綿的保溫罩能減少流失。從操作方面節能保溫罩很多時(shí)候在修理電熱瓦或電熱后未有及時(shí)裝上，便流失了熱能。在裝有搖頭風(fēng)扇的車(chē)間要避免風(fēng)扇吹到料筒/保溫罩，否則強制對流不但增加流失，還影響了料筒的溫度，產(chǎn)品便不穩定?？拷渌h(huán)的一段電熱不要設置太高溫。此段的熱能還能用傳導方式往冷水環(huán)方向流失能量。革命自從發(fā)明了注塑機后，注塑機經(jīng)歷過(guò)幾個(gè)技術(shù)性的革命。往復螺桿是早期的一個(gè)創(chuàng )新，將塑化及注射功能組合起來(lái)，降低了注塑機的成本。
第二個(gè)創(chuàng )新算是比例壓力及流量閥，這與第三個(gè)創(chuàng )新：微處理器的廣泛使用息息相關(guān)。動(dòng)作的壓力及流量再不用在閥上手調設置，注塑參數還能記憶起來(lái)，方便下次調出來(lái)再用。第四個(gè)創(chuàng )新是變量泵的廣泛采用，這與不斷上漲的電費不無(wú)關(guān)系。第五個(gè)創(chuàng )新應算是全電機的推出。由于沒(méi)有油溫的影響，它將穩定性大幅提高。精準、并行動(dòng)作、省電、減少噪音、沒(méi)有漏油污染等都得以大幅改進(jìn)。第六個(gè)創(chuàng )新便是伺服電機驅動(dòng)油泵在注塑機上的應用。節能及3/4閉環(huán)、減少噪音等的優(yōu)點(diǎn)近乎全電機的，但成本就低多了。在原油價(jià)不斷上升的今天，相信會(huì )大行其道?？偨Y節能的本質(zhì)在于減少浪費。當注塑機動(dòng)作不是全速時(shí)，降低流量便能減少浪費。新的技術(shù)如變量泵及伺服電機能夠降低流量。
伺服電機與異步電機基本上有以下分別，使前者能在注塑機上發(fā)揮其節能作用。在低負荷時(shí)（含待機狀態(tài)），異步電機的效率很低，便做成浪費。異步電機是恒速轉動(dòng)的，但伺服電機能變速，包含待機狀態(tài)的仃轉，便能減少了摩擦及低效率的浪費。不是任何產(chǎn)品都適宜用伺服電機帶油泵的注塑機來(lái)生產(chǎn)，就如不是任何產(chǎn)品都要用全電機來(lái)生產(chǎn)一樣。定量泵及變量泵機還有其存在的價(jià)值。是否采用此技術(shù)要計算投資回本期來(lái)作出決定。操作員的培訓及電熱的節能亦需留意.
