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伺服電機驅動油泵的原理、構成及選擇

發布時間：2012-11-06

伺服電機驅動油泵的原理、構成及選擇近年來，節能已成為全球制造業討論的重要話題之一。根據國際能源機構（IEA）公布的數據，受多年來經濟快速增長的影響，中國已成為世界*大的能源消費國之一，因此，提高能源的使用效率在中國顯得尤為迫切。

繼空調、冰箱等家用電器行業實施能耗標簽后，注塑機行業也開始了悄無聲息的節能**。就注塑機的發展史而言，可以說是一段節能探索的歷史：在從定量泵向變量泵、電子變量泵、變頻直到現在的伺服電機驅動油泵的方向發展的過程中，注塑機行業一直在節能的軌道上不斷前行。

自注塑機問世后，主要經歷了以下幾次大的變革：

1.往復螺桿的使用，將塑化及注射功能組合在一起，顯著降低了注塑機的成本；

2.比例壓力閥、比例流量閥和微處理器的廣泛應用；

3.變量泵的廣泛采用；

4.全電機的推出；

5.伺服電機驅動油泵在注塑機上的應用。

實際上，多年以前，就有一些行業人士建議將伺服永磁同步電機應用于注塑機中，但是，由于當時電機高昂的價格和注塑機特殊的工況，使這一提議無法廣泛實施。然而，隨著節能呼聲的日益高漲，伺服電機的優勢也越發凸顯，不可否認，其在注塑機中的應用已成為未來發展的新趨勢。為幫助大家對伺服電機有更深入的了解，特在此對其工作原理、結構及選型進行詳細介紹。

伺服電機驅動油泵的原理

如圖1所示，伺服電機驅動油泵的基本原理為：伺服驅動器接收從注塑機控制器傳來的壓力和流量信號，驅動伺服電機以設定的轉速運行。當系統達到設定的壓力時，電機繼續以一定的轉速運行以保證系統必要的壓力。在此過程中，轉速信號和壓力信號分別通過伺服電機內部的旋轉變壓器和油路上的壓力傳感器反饋給驅動器，驅動器遵循壓力優先的原則進行動態控制。

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圖1 伺服電機驅動油泵原理圖

一般，交流永磁伺服電機的尾端配有旋轉編碼器，它可將信號反饋給伺服驅動器，以形成流量的閉環控制。但是，由于螺桿的注射速度才是閉環控制的目標，而油泵轉速只是正比于注射速度，所以只能達到速度半閉環控制。當然，相對于開環控制，這要**得多。

伺服電機驅動油泵系統的構成

一般，伺服電機驅動油泵系統包括：伺服電機、油泵、驅動器、壓力傳感器、濾波器和制動電阻。對于多個泵的系統，特別是5組或者10組的伺服系統，通常會使用并流和分流相結合的控制方案。

1.多泵并流

多泵并流的原理如圖2所示。這種控制方案是采用一套伺服驅動器作為主驅動，其余伺服驅動器作為從驅動，以實現并聯工作。同時，系統電腦輸出一組流量和壓力的模擬量信號。

圖2 多泵并流原理圖

通常，多泵并流方案可以在兩種狀態下工作。**種狀態，主驅動器和從驅動器通過互相之間的通信，以相同的轉速運行，并輸出相同的流量；**種狀態，主驅動器單獨運行，從驅動器不工作（一般用在保壓工作段）。

2．多泵分流

多泵分流的原理如圖3所示。這種控制方案的特點是，多套伺服驅動器既可以在多泵并流模式下工作，也可以在多泵分流模式下工作。在分流狀態下，系統電腦輸出多組流量和壓力模擬量信號。

圖3 多泵分流原理圖

在圖3中，通過①、②、③和④電磁閥的得電狀態分別實現泵2并流、分流以及泵3并流、分流的控制。當進行并流控制時，從驅動器接受的壓力、流量指令以及壓力反饋無效；當進行分流控制時，從驅動器接受的CAN通信指令無效。

這種分流控制方式比較靈活，在開合模時可以使用兩個泵，另一個泵獨立出來做頂針或者中子的動作。注射時，所有油泵一起工作，以保證注射速率。當達到保壓狀態時，又可以切換到一個主泵工作的狀態。從理論上講，注射完畢后，熔膠動作可以和開模同步完成，但兩者所需的流量都比較大。若要同時實現，就必須增加泵的數量，從而使成本提高。當然，對于生產效率要求十分高的企業，可以采用這樣的配置。但一般情況下，熔膠和開模*好分開動作，而不要同步運行。

交流永磁伺服電機的選擇

在選擇油泵時，需要綜合考慮油泵的壓力、排量和類型。一般，油泵的壓力必須大于或等于系統壓力P1(kg/cm2),油泵每轉的排量為：l(ml/rev)=Q(L/min)×1000/Vmax(r/min)。根據實際生產需要，當壓力和排量都選定之后，就可以根據不同的使用特性來選擇油泵類型（見表）。

從表中可以看出，葉片泵不在所選類型之中，原因是，其正常運行需要一定的轉速支持，而伺服電機在高壓狀態下的轉速很低，難以滿足要求。

在選擇交流永磁伺服電機時，應重點注意電機的特性曲線。如圖4所示。當電機的轉速超過額定轉速后，隨著電機轉速的提升，電機扭矩逐漸下降。當轉速超過額定轉速的150%后，電機扭矩呈現急劇下降的趨勢。因此，該轉速不能作為伺服電機的工作轉速，且其*高轉速應為額定轉速的140%。需要強調的是，伺服電機在額定轉速附近的工作狀態*好，轉速超過額定轉速后，電流會急劇增加，不利于節能。

圖4 伺服電機特性曲線

此外，在配置伺服電機時，還需要恰當地選定其額定扭矩，一般可按如下步驟進行：

注塑機*大輸出功率：

P2max(kW)=P1(kg/cm2)×0.9807(kg/cm2/bar)×Q(L/min)

電機*大輸出功率：

P3max(kW)= P2max(kW)/80%

伺服電機*大輸出扭矩：

Tmax(Nm)=P3max(kW)×9550/Vmax(r/min)

由于注塑機在保壓時需要連續輸出高扭矩，根據伺服電機的特性曲線（如圖4所示），伺服電機總體工作狀態處于（S1 100℃ DT）與(S3 20℃ 5MIN)之間，所以選定電機*高扭矩為額定扭矩的180%。

伺服電機額定扭矩：

Tn(Nm)=Tmax(Nm)/180%

伺服電機選型完畢后，可以向供應商索取對應電機的力矩常數Kt（Nm/A）,該值與伺服電機工藝、材料以及電機額定轉速相關。

另外，伺服驅動器保壓時的電流可以按照能量轉換效率的93%進行換算：

Imax（A）= Tmax(Nm)/Kt(Nm/A)/93%

根據該數值應小于伺服驅動器額定輸出電流的150%的原則，可以得到伺服驅動的容量。在選擇伺服電機時，通過以上數據的確定，結合實際生產需要，綜合油泵的壓力、排量等各項因素，便可有針對性地進行選擇。

當然，伺服電機驅動油泵也存在一些缺陷，例如，不能有效地利用電機制動時產生的能量，從而造成了能量的損失。另外，伺服驅動對電路有很大的干擾，會影響電子尺的測量精度。因此，需要我們不斷努力，對這些不足進行改進。

值得一提的是，對于某些制品而言，伺服電機驅動油泵的節能效果非常明顯，然而，在大型或超大型機器上，其應用并不廣泛。理論上，伺服電機的節能效率與產品的壁厚、保壓和冷卻時間有很大的關系，壁厚越大其節能效果越好。而大型機器一般都生產壁厚制品，如汽車保險杠、儀表盤之類，所需的冷卻時間較長，如果伺服電機驅動油泵能在此得到成功應用，其節能效果將非常可觀。當然，不是任何產品都適**用帶有伺服電機驅動油泵的注塑機來進行生產，定量泵及變量泵注塑系統也有其存在的價值。

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