- 伺服電機(jī)如何節(jié)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(jié)能的本質(zhì):注塑機(jī)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(jī)及風(fēng)扇
圖2鼠籠（顯示銅枝及三片矽鋼片）
圖3轉(zhuǎn)子及定子的矽鋼片及轉(zhuǎn)子
異步電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。在轉(zhuǎn)換過程中，由于線圈的電阻、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（在滿載時(shí)），其他便轉(zhuǎn)換為熱能。故電機(jī)都會(huì)自帶風(fēng)扇，將熱能帶走，以免電機(jī)過度升溫。異步電機(jī)都能短暫過載達(dá)兩倍。
過載時(shí)，電流增加，故發(fā)熱也增加。在沒有過載保護(hù)之下，線圈會(huì)燒毀。油泵:油泵將旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液能（壓力及流量）。油泵內(nèi)的摩擦力會(huì)降低輸出壓力。油泵的內(nèi)漏會(huì)降低輸出流量。故輸出的（有用）液能是比輸入的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能低，而無用的熱能便跑到壓力油去，使其升溫，是注塑機(jī)為何要安裝壓力油冷卻器的原因之一。
油馬達(dá)、油缸：油馬達(dá)及油缸分別將液能轉(zhuǎn)回旋轉(zhuǎn)動(dòng)能及線形動(dòng)能，來驅(qū)動(dòng)如螺桿的塑化及注射動(dòng)作。如油泵一樣，轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生了熱量，提高了油溫。油管:壓力油在油管內(nèi)流動(dòng)，在管接頭處轉(zhuǎn)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(jī)都會(huì)用小的管徑來降低成本，但必然便提高了油在管內(nèi)的流速，摩擦的損失增加，油溫便升得更高，便浪費(fèi)更多的能量。
定量泵為何耗能？
用恒定轉(zhuǎn)速的異步電機(jī)來帶動(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，如開合模、頂出、塑化、注射及保壓，甚至待機(jī)狀態(tài)對(duì)流量的要求都不同。動(dòng)作用不著的流量便在當(dāng)時(shí)的設(shè)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(fèi)的能量便越多。同樣，設(shè)定的壓力越大，流回油箱的浪費(fèi)便越大。浪費(fèi)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(bǔ)成品冷卻時(shí)的收縮量，估計(jì)不會(huì)超過油泵流量的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，浪費(fèi)的能量便越多。從另一角度看，可以節(jié)能的幅度便越大，或節(jié)能的額外投資的回本期越短。一般來講，當(dāng)動(dòng)作的速度離全速越遠(yuǎn)、動(dòng)作的時(shí)間越長、壓力越大，潛在節(jié)能的幅度便越大。
變量泵如何變量？
從以上得知，節(jié)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(jī)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)下能提供的。最常用的變量泵采用斜盤軸向柱塞設(shè)計(jì)。當(dāng)斜盤的角度是零（最大），柱塞的排量便是零（最大）。按流量的需要將斜盤的角度改變，從而達(dá)到流量的調(diào)節(jié)。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(jī)的轉(zhuǎn)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(tái)強(qiáng)電流電子設(shè)備，它本身亦消耗電能，故節(jié)能效果較變量泵遜色。異步電機(jī)的設(shè)計(jì)是為了恒速使用的，便沒有考慮轉(zhuǎn)子慣性的優(yōu)化。
轉(zhuǎn)子每次加速減速如需要0.1秒，一個(gè)周期內(nèi)不下20次的變速便需要2秒。一般用家都會(huì)發(fā)覺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(shù)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。當(dāng)轉(zhuǎn)速降下來時(shí)，離心力也降下來，故在低流量時(shí)，內(nèi)漏增加，油泵的效率下降。其實(shí)變頻器只是在注塑機(jī)翻新改進(jìn)時(shí)加進(jìn)去，因只涉及接線的改動(dòng)，比定量泵改為變量泵的工夫少及簡單很多。新購買注塑機(jī)時(shí)是不會(huì)用定量泵配變頻器的。
伺服電機(jī)伺服電機(jī)是為加速減速優(yōu)化的。伺服電機(jī)如何能在維持扭矩之下降低慣性？原來是利用了以下的物理關(guān)系。（∝是代表“正比于”的數(shù)學(xué)符號(hào)。）扭矩∝轉(zhuǎn)子直徑（線性比例）慣性∝（轉(zhuǎn)子直徑)2（平方比例）扭矩∝轉(zhuǎn)子長度（線性比例）平方比例較線性比例提升得快。如轉(zhuǎn)子直徑增加20%，（轉(zhuǎn)子直徑)2便增加44%（1.22=1.44）。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)用小直徑來降低慣性，再以長的轉(zhuǎn)子來回復(fù)失去的扭矩。
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伺服電機(jī)的外觀也明顯看見是直徑小但長度大的。某日本供應(yīng)商采用釹(neodymium)磁鐵(是稀土磁鐵的一種)來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的磁場，比一般的鐵氧體磁鐵(ferritemagnet)強(qiáng)，故扭矩便能提高。此供應(yīng)商更采用了磁阻扭矩(reluctancetorque)來產(chǎn)生額外的扭矩。采用永磁來產(chǎn)生磁場亦比用電磁或電感產(chǎn)生磁場的效率更高，因?yàn)榫捅苊饬司€圈的損失及渦流的損失。伺服電機(jī)從0rpm速到2000rpm，只需要0.05秒。因此，用變速伺服電機(jī)來驅(qū)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。伺服電機(jī)在制動(dòng)時(shí)變了發(fā)電機(jī)，驅(qū)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(jī)廠在其全電機(jī)中采用儲(chǔ)能電池吸收了制動(dòng)的動(dòng)能，然后釋放出來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
這充分體現(xiàn)了節(jié)能的本色：利用額外的設(shè)備來節(jié)?。ㄔ谶@里應(yīng)稱為回收再用）能源。全電機(jī)全電機(jī)的省電效果是眾所周知的。全電機(jī)的驅(qū)動(dòng)也是用伺服電機(jī)的，只不過它最少用四個(gè)伺服電機(jī)來直接驅(qū)動(dòng)注射、塑化、開合模及頂出動(dòng)作。其余的動(dòng)作如抽芯/旋脫，射臺(tái)及調(diào)模有用伺服電機(jī)，亦有用較便宜的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)采用螺絲或曲臂將旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能變?yōu)榫€性的動(dòng)能，或采用皮帶或齒輪將高速的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能變?yōu)榈退俚男D(zhuǎn)動(dòng)能。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵，油流過管道到達(dá)油缸或油馬達(dá)，再轉(zhuǎn)換為動(dòng)能與全電機(jī)比較，直接驅(qū)動(dòng)節(jié)省了兩個(gè)轉(zhuǎn)換過程，估計(jì)可節(jié)約10%的能量。兩者之間的比較，表列于后。待機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)了注塑機(jī)的電機(jī)后而注塑機(jī)沒有動(dòng)作的狀態(tài)稱為待機(jī)狀態(tài)。在以下的情況下，注塑機(jī)是處于待機(jī)狀態(tài)的。
1.當(dāng)冷卻時(shí)間比塑化時(shí)間長，多出來的冷卻時(shí)間中，注塑機(jī)是處于待機(jī)狀態(tài)的。產(chǎn)品越厚，待機(jī)狀態(tài)時(shí)間便越長。
2.機(jī)械手取出成品/水口時(shí)。
3.半自動(dòng)操作時(shí)操作員打開安全門取出成品/水口或插件時(shí)。異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵在待機(jī)狀態(tài)時(shí)是恒速轉(zhuǎn)動(dòng)但沒有流量的，但在一臺(tái)11kW的注塑機(jī)上測出電機(jī)的電流是7A，比11kW電機(jī)的24A額定電流是一個(gè)大的比例（29%）。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵在待機(jī)狀態(tài)時(shí)是不轉(zhuǎn)動(dòng)的。
虛耗的只是伺服電機(jī)（電子）驅(qū)動(dòng)器的能量。以11kW伺服電機(jī)為例，電流不到1A。油溫作指示伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵的節(jié)能效果，從壓力油油溫可見一班。采用一臺(tái)50噸注塑機(jī)注塑單腔的航空杯，在華南的夏季及沒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(jié)能的指示，這一點(diǎn)是連異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵都望塵莫及的。電機(jī)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(jī)的輸入功率是用電的功率。
電機(jī)的輸出功率是轉(zhuǎn)動(dòng)的功率。在理想的沒有損失的情況下，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(jī)在額定負(fù)荷時(shí)效率約90%，但在負(fù)荷低于50%時(shí)，效率大幅下降，也就是前述的待機(jī)狀態(tài)消耗29%額定電流的原因。有英國公司提供“節(jié)能寶”在異步電機(jī)低負(fù)荷時(shí)降低供應(yīng)電壓，從而減少銅線圈產(chǎn)生過量的磁通，降低損失，達(dá)節(jié)能之效。留意電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，故不影響注塑周期。
能節(jié)能多少？
據(jù)某伺服電機(jī)供應(yīng)商的資料，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵比傳統(tǒng)定量泵節(jié)能60%，比變量泵節(jié)能40%。另一供應(yīng)商則聲稱節(jié)能50%以上。其實(shí)能節(jié)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(jī)時(shí)間都有關(guān)系，是不能一概而論的。大致來講，壁厚越大，伺服電機(jī)的節(jié)能便越多。壁厚大時(shí)，保壓時(shí)間便長，待機(jī)時(shí)間亦長，便能更節(jié)約。瓶坯的注塑便屬于這類。
如冷流道的直徑大于壁厚，冷卻時(shí)間便由流道直徑來支配。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(jī)的節(jié)能便有限。達(dá)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(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵注塑機(jī)來生產(chǎn)，因周期大部分以全速全壓進(jìn)行，能節(jié)省的浪費(fèi)有限。甚至伺服電機(jī)的加速減速會(huì)延長了注塑周期。周期5-8秒的產(chǎn)品，可以用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵注塑機(jī)來生產(chǎn)。周期8秒以上的產(chǎn)品、冷卻時(shí)間比塑化時(shí)間長、注射時(shí)間超過3秒、螺桿轉(zhuǎn)速在70%以下、采用機(jī)械手取出、采用半自動(dòng)操作都推薦使用“節(jié)能寶”或伺服電機(jī)注塑機(jī)來生產(chǎn)。
齒輪泵對(duì)柱塞泵
注塑機(jī)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(nèi)壁，進(jìn)行其從油箱吸油，向出口泵油的工作。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于離心力下降，內(nèi)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(jī)使用。配合伺服電機(jī)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(gòu)造較簡單，成本不高，噪音不大，對(duì)油污的容隱度則較大。柱塞泵的容積效率在95%左右。它的構(gòu)造精密，對(duì)油污的容隱度不高，噪音亦較大。
但其變量特性可用來降低對(duì)伺服電機(jī)的扭矩負(fù)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。這在油研公司的雙排量設(shè)計(jì)發(fā)揮了出來。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(zhuǎn)為小排量，降低在低速時(shí)伺服電機(jī)的大電流產(chǎn)生的發(fā)熱。此功能連全電機(jī)也做不到。如不用雙排量的話，保壓及高壓合模會(huì)超越原排量的壓力流量范圍，但仍在虛線的超載范圍內(nèi)，可以作短暫保壓及高壓合模。如鎖模方法是采用機(jī)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(jī)油泵不停地工作來維持鎖模力。雙排量的小排量能提供長時(shí)間的保壓及高壓合模。
伺服電機(jī)的限制
伺服電機(jī)在“低轉(zhuǎn)速”時(shí)的反電勢（counteremf）較“高轉(zhuǎn)速”時(shí)低，電流增加使線圈過分發(fā)熱。這在長時(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(jī)的高轉(zhuǎn)速來舒緩這個(gè)問題。選購注塑機(jī)時(shí)還要留意伺服電機(jī)功率是否過小。大的注塑機(jī)需要大的電機(jī)/油泵來驅(qū)動(dòng)，但大的伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)子便有大的慣性，不能達(dá)到0.05秒從0到2000rpm的要求。如以日本的兩家伺服電機(jī)帶油泵的供應(yīng)商為例，最大的電機(jī)也只有15kW。
更大的注塑機(jī)只能將兩個(gè)或以上伺服電機(jī)/油泵合流來驅(qū)動(dòng)，便既能達(dá)到油流量的要求，亦能達(dá)到反應(yīng)時(shí)間的要求。有一臺(tái)3500噸的注塑機(jī)是采用10套伺服電機(jī)/油泵合流來驅(qū)動(dòng)的。伺服電機(jī)的成本高，是否值得采用就要看產(chǎn)品而定（參考前一節(jié)），亦要看目前的注塑機(jī)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(nèi)，便是值得的。標(biāo)準(zhǔn)度及其他優(yōu)點(diǎn)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸配有編碼器，與驅(qū)動(dòng)器一同提供轉(zhuǎn)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(biāo)而油泵轉(zhuǎn)速只是正比于注射速度，伺服電機(jī)只達(dá)到速度半閉環(huán)的控制，但當(dāng)然已比開環(huán)控制精準(zhǔn)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的油泵在出口處配有壓力傳感器，與驅(qū)動(dòng)器一同提供壓力的閉環(huán)控制。
這樣的話，伺服電機(jī)驅(qū)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(zhǔn)的速度及壓力控制是穩(wěn)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(wěn)定性。油溫不高亦可以節(jié)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(jī)狀態(tài)），體積小及重量輕等。電熱的節(jié)能基于同樣原理，料筒上的電熱瓦能夠節(jié)能，只能從減少浪費(fèi)著手。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(fèi)。料筒上的電熱瓦用熱傳導(dǎo)方式經(jīng)料筒壁向料筒內(nèi)的塑料加熱。
同時(shí)，電熱瓦亦以輻射及對(duì)流方式流失，浪費(fèi)了熱能。裝了保溫綿的保溫罩能減少流失。從操作方面節(jié)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)扇的車間要避免風(fēng)扇吹到料筒/保溫罩，否則強(qiáng)制對(duì)流不但增加流失，還影響了料筒的溫度，產(chǎn)品便不穩(wěn)定。靠近冷水環(huán)的一段電熱不要設(shè)置太高溫。此段的熱能還能用傳導(dǎo)方式往冷水環(huán)方向流失能量。革命自從發(fā)明了注塑機(jī)后，注塑機(jī)經(jīng)歷過幾個(gè)技術(shù)性的革命。往復(fù)螺桿是早期的一個(gè)創(chuàng)新，將塑化及注射功能組合起來，降低了注塑機(jī)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(diào)設(shè)置，注塑參數(shù)還能記憶起來，方便下次調(diào)出來再用。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(fèi)不無關(guān)系。第五個(gè)創(chuàng)新應(yīng)算是全電機(jī)的推出。由于沒有油溫的影響，它將穩(wěn)定性大幅提高。精準(zhǔn)、并行動(dòng)作、省電、減少噪音、沒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(jī)驅(qū)動(dòng)油泵在注塑機(jī)上的應(yīng)用。節(jié)能及3/4閉環(huán)、減少噪音等的優(yōu)點(diǎn)近乎全電機(jī)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。總結(jié)節(jié)能的本質(zhì)在于減少浪費(fèi)。當(dāng)注塑機(jī)動(dòng)作不是全速時(shí)，降低流量便能減少浪費(fèi)。新的技術(shù)如變量泵及伺服電機(jī)能夠降低流量。
伺服電機(jī)與異步電機(jī)基本上有以下分別，使前者能在注塑機(jī)上發(fā)揮其節(jié)能作用。在低負(fù)荷時(shí)（含待機(jī)狀態(tài)），異步電機(jī)的效率很低，便做成浪費(fèi)。異步電機(jī)是恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的，但伺服電機(jī)能變速，包含待機(jī)狀態(tài)的仃轉(zhuǎn)，便能減少了摩擦及低效率的浪費(fèi)。不是任何產(chǎn)品都適宜用伺服電機(jī)帶油泵的注塑機(jī)來生產(chǎn)，就如不是任何產(chǎn)品都要用全電機(jī)來生產(chǎn)一樣。定量泵及變量泵機(jī)還有其存在的價(jià)值。是否采用此技術(shù)要計(jì)算投資回本期來作出決定。操作員的培訓(xùn)及電熱的節(jié)能亦需留意.
