Hersteller von Spritzgießmaschinen integrieren synchrone Servomotoren für energieeffiziente Hydrauliksysteme

TL;DR:Hersteller von Spritzgießmaschinen ersetzen herkömmliche Induktionsmotoren durch Synchron-Servomotoren In Hydrauliksystemen werden Energieeinsparungen von 30–55 Prozent pro Tonne Schließkraft erzielt. Dieser Artikel präsentiert Vergleichsdaten zum Energieverbrauch, Verfahren zur Drehmomentwelligkeitsregelung beim Dünnwandspritzgießen mit niedrigen Einspritzgeschwindigkeiten, die kumulierten Einsparungen über 12 Monate aus drei europäischen Werken, die Rückgewinnung von Bremsenergie bei hydraulischen Nachrüstungen sowie die Anforderungen der EMV-Richtlinie für servogesteuerte Spritzgießmaschinen.

1. Vergleich des Energieverbrauchs: Synchron-Servomotor vs. Induktionsmotor pro Tonne Klemmkraft

Der direkteste Weg, den Energievorteil von Synchron-Servomotoren beim Spritzgießen zu bewerten, besteht darin, den Stromverbrauch auf die Schließkraft der Maschine zu normieren. Eine 300-Tonnen-Maschine Hydraulische Spritzgießmaschine Ein herkömmlicher Drehstrommotor mit fester Drehzahl und Flügelzellenpumpe benötigt während des Formzyklus typischerweise 18–22 kW. Durch den Einsatz eines Synchron-Servomotors anstelle des Antriebsmotors lässt sich diese Leistungsaufnahme bei gleicher Schließkraft auf 8–12 kW reduzieren – eine Einsparung von 45 bis 55 Prozent, abhängig vom Formzyklusprofil.

Wir bei Vicks Servo Intelligent Equipment (Ningbo) Wir haben diesen Benchmark an über 40 verschiedenen Spritzgießmaschinenkonfigurationen in unserem Werk in Fenghua, Ningbo, getestet. Unser Testprotokoll misst den Stromverbrauch während eines kompletten Spritzgießzyklus – Schließung, Einspritzen, Nachfüllen, Abkühlen und Öffnen der Schließung – mit einem dreiphasigen Leistungslogger Fluke 1738 und einem Abtastintervall von 0,1 Sekunden. Die Ergebnisse sind für Maschinengrößen von 50 bis 1.000 Tonnen konsistent.

Bei einer 150-Tonnen-Maschine, die mit Polypropylen einen 15-Sekunden-Zyklus durchführt, verbrauchte der Induktionsmotor 9,8 kWh pro 100 Zyklen. Der Synchronmotor Servomotor-unserSynchron-ServomotorDas Modell SSM-22kW, angeschlossen an eine Zahnradpumpe mit festem Fördervolumen, verbrauchte unter identischen Bedingungen 5,3 kWh pro 100 Zyklen. Das entspricht einer Energieeinsparung von 46 Prozent. Die Einsparungen erhöhten sich auf 53 Prozent bei derselben Maschine, die einen 30-sekündigen ABS-Zyklus mit längerer Kühlzeit durchführte, da… Servomotor Während der Kühlphase stoppt die Pumpe vollständig, während der Induktionsmotor die Pumpe im Leerlauf gegen ein unbelastetes Überdruckventil weiter antreibt.

Der Grund für die unzureichende Leistung von Induktionsmotoren in dieser Anwendung ist einfach: Sie laufen unabhängig von der momentanen Last mit einer konstanten Drehzahl von etwa 1450 U/min (4-polig bei 50 Hz). Während Halte- und Kühlphasen, in denen das Hydrauliksystem nur 10–20 Prozent des Spitzendurchflusses benötigt, dreht der Induktionsmotor weiterhin mit voller Drehzahl, und der überschüssige Durchfluss wird als Wärme über das Druckbegrenzungsventil abgeführt. Ein Synchronmotor hingegen… Servomotor Die Drehzahl wird exakt an den Durchflussbedarf in jeder Phase angepasst, wobei die Leistung nur proportional zum benötigten Drehmoment aufgenommen wird.

Unser Top-Blog Enthält eine detaillierte Vergleichstabelle für sechs Maschinengrößen mit Leistungsanalysator-Aufzeichnungen zur Verifizierung. Die Messdaten zeigen deutlich den kontinuierlichen Stromverbrauch des Induktionsmotors während der Kühlphase im Vergleich zum nahezu null Stromverbrauch des Servomotors – die wichtigste Erkenntnis für jeden Anlageningenieur, der ein Konzept zur Energieeinsparung erarbeitet.

Diese Vergleichsdaten wurden konsistent für verschiedene Maschinenmarken reproduziert. Ein Hersteller von Spritzgießmaschinen in Taiwan bestätigte unabhängig unsere Angabe von 46 Prozent Energieeinsparung bei einer 180-Tonnen-Maschine mit einem 20-Sekunden-PP-Zyklus. Dies bestätigt, dass die Energieeinsparung unabhängig vom ursprünglichen Maschinenhersteller ist und primär vom Profil des Spritzgießzyklus und dem Anteil der Kühlzeit abhängt.

2. Drehmomentwelligkeitskontrolle bei niedrigen Einspritzgeschwindigkeiten für Dünnwandformteile

Dünnwandiges Spritzgießen – Teile mit einer Wandstärke unter 1,0 mm – erfordert Einspritzgeschwindigkeiten im Bereich von 150–400 mm/s mit einer besonders gleichmäßigen Drehmomentabgabe, um Fließmarken, unvollständige Füllung und Verzug zu vermeiden. Bei diesen Geschwindigkeiten arbeitet der Servomotor mit etwa 10–25 Prozent seiner Nenndrehzahl, genau in dem Bereich, in dem Drehmomentwelligkeit aufgrund der Magnetkonstruktion des Motors am problematischsten wird.

Unsere Ingenieure haben die Drehmomentwelligkeit von zwölf verschiedenen Synchron-Servomotoren mit einem HBM T12-Drehmomentaufnehmer bei einer Abtastrate von 10 kHz gemessen. Die Tests ergaben, dass die Polgeometrie des Rotors und die Anzahl der Statornuten die Hauptfaktoren für die Drehmomentstabilität bei niedrigen Drehzahlen sind. Ein Motor mit acht Polen und 48 Statornuten (üblich bei Allzweck-Servos) weist bei 200 U/min und 30 % des Nenndrehmoments eine Drehmomentwelligkeit von 3,8–4,5 % auf. Unsere optimierte Konfiguration mit zehn Polen und 60 Nuten – speziell für Spritzgussanwendungen entwickelt – reduziert diese unter identischen Bedingungen auf 1,2–1,8 %.

Die Verbesserung beruht auf zwei Konstruktionsmerkmalen. Erstens verteilt die höhere Polzahl den magnetischen Fluss gleichmäßiger und reduziert so das Rastmoment, das durch die Anziehung zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Statorzähnen entsteht. Zweitens eliminiert die Wicklungsanordnung mit Bruchnuten (10 Pole gepaart mit 60 Nuten ergeben ein Verhältnis von 6 Nuten pro Polpaar) die niederfrequenten Oberschwingungen, die die deutlichsten Drehzahlschwankungen in der Einspritzschnecke verursachen.

Wir validierten die praktische Wirkung an einer 280-Tonnen-Spritzgießmaschine zur Herstellung von Polycarbonat-Linsengehäusen mit 0,8 mm Wandstärke. Mit einem Standard-8-poligen Servomotor wies die Maschine aufgrund von Füllungleichmäßigkeiten eine Gewichtsabweichung von 2,1 Prozent über ein 48-fach-Werkzeug auf. Nach dem Austausch des Motors durch unseren Synchron-Servomotor (10-polig, 60-nutig), die Gewichtsabweichung sank auf 0,6 Prozent und die Ausschussrate fiel bei einer Produktionsserie von 10.000 Zyklen von 4,8 Prozent auf 0,9 Prozent.

Für Hersteller von Spritzgießmaschinen, die Servomotoren evaluieren, empfehlen wir, den Rastmomentwert (Nm Spitze-Spitze) und die Drehmomentwelligkeit in Prozent am spezifischen Drehzahl-Drehmoment-Punkt anzufordern, an dem die Dünnwandanwendung eingesetzt wird. Ein Rastmoment unter 0,5 Prozent des Nenndrehmoments gilt als Grenzwert für eine akzeptable Leistung bei Dünnwandanwendungen.

3. Kumulierte Energieeinsparungen: 12-Monats-Daten aus drei europäischen Spritzgusswerken

Zwischen Januar und Dezember 2025 untersuchten wir die Energieeffizienz von drei europäischen Spritzgusswerken, die ihre Hydrauliksysteme von Induktionsmotorantrieben auf Synchron-Servomotorantriebe umgestellt hatten. Die Werke in Deutschland, Italien und Polen repräsentieren unterschiedliche Produktbereiche: Automobilkomponenten (Deutschland), Gehäuse für Unterhaltungselektronik (Italien) und Möbelbeschläge (Polen). Jedes Werk nutzte einen anderen Maschinenmix und eine andere Produktionsrate, wodurch wir einen umfassenden Datensatz zur Bewertung der Energieeffizienz von Servomotoren unter verschiedenen Betriebsbedingungen erhielten.

Das deutsche Werk erzielte die höchsten absoluten Einsparungen (810 MWh jährlich), was bei einem deutschen Industriestrompreis von 0,14 €/kWh etwa 113.000 € entspricht. Die Modernisierung umfasste den Austausch von zwölf drehzahlfesten Induktionsmotoren durch Vicks Servo-Motoren. Synchron-Servomotoren und die Umrüstung der Hydraulikpumpen von Verstellkolbenpumpen auf Festverdränger-Zahnradpumpen – eine Kombination, die den Nutzen der Servodrehzahlregelung maximiert.

Im Durchschnitt aller drei Werke betrug die einfache Amortisationszeit 14 Monate. Die kürzeste Amortisationszeit (11 Monate) wurde im polnischen Werk aufgrund höherer durchschnittlicher Zyklenzahlen pro Maschine verzeichnet. Im deutschen Werk verlängerte sich die Amortisationszeit auf 18 Monate, hauptsächlich weil an drei großen Maschinen (650 Tonnen) kundenspezifische Anpassungen am Antriebspanel erforderlich waren, die die Nachrüstungskosten um 35 Prozent erhöhten.

Neben den direkten Energieeinsparungen berichteten die Anlagen von weiteren Vorteilen: Die Hydrauliköltemperatur sank im Durchschnitt um 8–12 °C, da der Servomotor während der Halte- und Kühlphasen weniger Abwärme erzeugte. Dadurch verlängerten sich die Ölwechselintervalle von 4.000 auf 7.000 Betriebsstunden. Der Kühlwasserverbrauch der Hydraulikaggregate ging in allen drei Anlagen um 35–50 Prozent zurück.

4. Rückgewinnung regenerativer Bremsenergie bei der Nachrüstung von Hydrauliksystemen

Wenn sich die Schließe einer Spritzgießmaschine öffnet oder die Einspritzschnecke zurückfährt, gibt das Hydrauliksystem gespeicherte Energie ab, die der Induktionsmotor über das Überdruckventil in Wärme umwandelt. Ein Synchron-Servomotor mit regenerativer Antriebseinheit kann diese Energie zurückgewinnen und in den Gleichstromzwischenkreis der Anlage einspeisen, um sie von anderen Geräten nutzen zu lassen. So wird zuvor ungenutzte Abwärme in nutzbare elektrische Energie umgewandelt.

Das Energierückgewinnungspotenzial hängt vom Profil des Formgebungszyklus ab. In einem typischen Zyklus für ein Automobilbauteil – Schließung (2 s), Einspritzen (1,5 s), Nachhalten (6 s), Abkühlen (8 s), Öffnung der Schließung (1 s), Teileentnahme (3 s) – erfolgen die regenerativen Ereignisse während des Rückzugs der Einspritzschnecke (0,5 s) und der Verzögerung beim Öffnen der Form (0,3 s). An einer 300-Tonnen-Maschine, die wir im deutschen Werk ausgestattet haben, wurden durch regeneratives Bremsen 0,18 kWh pro Zyklus gewonnen, was etwa 15 Prozent des gesamten Energieverbrauchs des Zyklus entspricht.

Die Implementierung regenerativer Energierückgewinnung erfordert eine gemeinsame DC-Bus-Architektur für mehrere Maschinen oder eine netzgekoppelte regenerative Antriebseinheit. Für die Konfiguration des italienischen Werks mit acht Maschinen installierten wir einen gemeinsamen DC-Bus mit einer 32-kW-Rekuperationsbremse, die für 10 Sekunden auf 200 % der Spitzenleistung ausgelegt ist. Im 12-monatigen Überwachungszeitraum gewann das System 83,6 MWh zurück – Energie, die zuvor als Abwärme des Hydrauliköls verloren ging und aktive Kühlung erforderte.

Zwei technische Aspekte sind für eine erfolgreiche Implementierung entscheidend. Erstens muss die Widerstandsbank für die regenerative Bremsung so dimensioniert sein, dass sie auch bei gleichzeitigem Einfahren der Spindel im ungünstigsten Fall eine maximale Verlustleistung von 96 kW erfordert. Die Analyse des italienischen Werks ergab, dass im ungünstigsten Fall drei Spindeleinfahrten innerhalb von fünf Sekunden gleichzeitig erfolgen können. Zweitens muss die Gleichspannungsregelung des Servoantriebs ein Auslösen durch Überspannung verhindern. Wir haben die Aktivierungsschwelle für die regenerative Bremsung auf 720 V DC bei einer Nennspannung von 560 V DC festgelegt, wodurch eine Sicherheitsreserve von 28 Prozent vor der Schutzgrenze des Antriebs von 800 V entsteht.

Unser Synchron-Servomotor Die Antriebe verfügen über eine integrierte regenerative Bremssteuerung mit wählbaren Rückgewinnungsmodi für Spritzgussanwendungen.

Das System erkennt automatisch die Richtung des Energieflusses und schaltet innerhalb von 5 ms zwischen Motor- und Regenerationsmodus um, wodurch ein nahtloser Übergang während der Einspritzschrauben-Rückzugsphase ohne Eingriff des Bedieners gewährleistet wird.

5. Einhaltung der EMV-Richtlinie für servogesteuerte Spritzgießmaschinen

Europäische Hersteller von Spritzgießmaschinen, die Synchron-Servomotoren integrieren, müssen die folgenden Normen erfüllen: EMV-Richtlinie 2014/30/EUinsbesondere die Emissionsgrenzwerte in EN 55011 für industrielle Umgebungen (Gruppe 1, Klasse A) und die Anforderungen an die Störfestigkeit von EN 61000-6-2Servoantriebe erzeugen leitungsgebundene und abgestrahlte elektromagnetische Störungen mit der Schaltfrequenz der IGBTs – typischerweise 4–16 kHz –, die in benachbarte Steuerungssysteme, Sensorkabel und Feldbusnetzwerke einkoppeln können. Ohne geeignete Filterung können die Schaltgeräusche zu Störungen der Encoder-Rückmeldung, SPS-Kommunikationsfehlern und Fehlauslösungen von Sicherheitsrelais führen. All dies verursacht Produktionsstillstände, die die durch den Servomotor angestrebten Energieeinsparungen zunichtemachen.

In unserem EMV-Vorprüfungslabor bei Fenghua führten wir Nahfeldmessungen an einer 22-kW-Servoantriebs-Motor-Kombination durch. Das Schalten der IGBTs mit 8 kHz erzeugte an den Eingangsklemmen des Antriebs leitungsgebundene Störaussendungen von 82 dBµV bei 150 kHz, was den Grenzwert der EN 55011 Klasse A von 79 dBµV überschritt. Durch Hinzufügen eines dreiphasigen Netzfilters (40 A Nennstrom, 2,2 mH Gleichtaktinduktivität) am Antriebeingang konnten die leitungsgebundenen Störaussendungen auf 64 dBµV bei 150 kHz reduziert werden, wodurch eine Unterschreitung des Grenzwerts um 15 dB erreicht wurde.

Bei abgestrahlten Emissionen ist das Motorstromkabel die dominierende Antenne. Ungeschirmte 3 Meter lange Stromkabel zwischen dem Antrieb und unserem 22-kW-Servomotor erzeugten in 10 Metern Entfernung bei 30 MHz eine abgestrahlte Feldstärke von 48 dBµV/m, was den Grenzwert von 40 dBµV/m der Klasse A erneut überschritt. Der Austausch des Kabels gegen ein fachgerecht konfektioniertes, geschirmtes Kabel (mindestens 85 % Geflechtschirmung) reduzierte die abgestrahlte Feldstärke auf 36 dBµV/m und lag damit deutlich unter dem zulässigen Grenzwert.

Wichtige EMV-Konformitätspraktiken, die wir Herstellern von Spritzgießmaschinen empfehlen:

• Installieren Sie an jedem Servoantriebseingang einen separaten EMV-Netzfilter, der für mindestens das 1,5-fache des Dauerstroms des Antriebs ausgelegt ist. Die Gleichtaktdrosselinduktivität sollte 1–3 mH pro Phase betragen.
• Verwenden Sie geschirmte Motorstromkabel mit 360°-Erdung an Antrieb und Motor. Vermeiden Sie Erdungsanschlüsse an beiden Enden – diese erhöhen die Gleichtaktimpedanz um das 10- bis 20-Fache im Vergleich zu einer Schirmklemme mit Rundstecker.
• Verlegen Sie die Motorstromkabel mindestens 200 mm von Steuerkabeln, Geberkabeln und Feldbuskabeln entfernt. Parallele Verlegungen unter 100 mm Abstand erhöhen die induktive Kopplung erheblich, was die Genauigkeit der Geberrückmeldung beeinträchtigt.
• Montieren Sie Ferritkerne an den Encoder- und Rückmeldekabeln innerhalb von 100 mm vom Servoantriebsstecker. Wählen Sie ein Ferritmaterial mit einer Impedanz von über 200 Ω bei der Schaltfrequenz (typischerweise 8–16 kHz für den Gleichtaktpfad, die relevanten Emissionsfrequenzen liegen jedoch im leitungsgebundenen Bereich von 150 kHz bis 30 MHz).
• Prüfen Sie, ob das Erdungssystem der Maschine eine niederohmige Referenzebene aufweist. Wir messen eine Erdungsimpedanz unter 0,1 Ω bei 10 MHz zwischen allen verbundenen Paneelen.

Für OEMs, die in den europäischen Markt exportieren, empfehlen wir, vor der Serienproduktion eine vollständige EMV-Prüfung durch eine benannte Stelle durchführen zu lassen. Die Kosten für die nachträgliche EMV-Filterung nach einem Verstoß gegen die Konformitätsanforderungen sind in der Regel 3- bis 5-mal so hoch wie die Kosten für eine von Anfang an integrierte Filterung. Diese Erfahrung basiert auf den Daten zweier Spritzgießmaschinenhersteller, die wir im Rahmen ihres CE-Zertifizierungsprozesses beraten haben.

Wir bieten OEM-Kunden, die uns ihre Zeichnung des Antriebsschranklayouts zur Verfügung stellen, einen kostenlosen EMV-Vorab-Scan-Service an, der dabei hilft, potenzielle Konformitätsprobleme vor der eigentlichen Testphase zu identifizieren.

Häufig gestellte Fragen

Wie lange ist die typische Amortisationszeit für die Umrüstung einer Spritzgießmaschine von Induktions- auf Synchron-Servomotor?

Basierend auf unseren 12-monatigen Daten aus drei europäischen Werken liegt die einfache Amortisationszeit zwischen 11 und 18 Monaten, mit einem gewichteten Durchschnitt von 14 Monaten. Die Amortisationszeit hängt von der Anzahl der Zyklen (höhere Zyklen pro Jahr verkürzen die Amortisationszeit), den lokalen Strompreisen und dem Anteil der Kühlzeit im Formzyklus ab, bei dem die Leerlauf-Stopp-Funktion des Servomotors die größten Einsparungen erzielt.

Können bestehende Spritzgießmaschinen mit Synchron-Servomotoren nachgerüstet werden, oder ist dies nur bei Neumaschinen möglich?

Die Nachrüstung bestehender Maschinen ist Standard. Der Umbau erfordert den Austausch des Induktionsmotors gegen einen Synchron-Servomotor gleicher Baugröße, die Ergänzung eines Servoantriebs und den Einbau einer Festförderpumpe anstelle der Verstellpumpe. Die SPS der Maschine muss zudem so konfiguriert werden, dass sie dem Servoantrieb eine 0–10-V- oder Feldbus-Drehzahlvorgabe ausgibt. Wir haben bereits Nachrüstungen an Maschinen von Engel, KraussMaffei und Haitian durchgeführt.

Benötigen Synchron-Servomotoren eine andere Wartung als Induktionsmotoren?

Es gibt keinen wesentlichen Unterschied im Wartungsaufwand. Synchron-Servomotoren verfügen über gekapselte Lager mit der gleichen L10-Lebensdauer wie Induktionsmotorlager (typischerweise 20.000–40.000 Stunden, abhängig von Drehzahl und Last). Da Permanentmagnet-Synchronmotoren bürstenlos sind, ist keine Bürstenwartung erforderlich. Die DC-Zwischenkreiskondensatoren des Servoantriebs haben eine begrenzte Lebensdauer – typischerweise 50.000–80.000 Stunden bei 40 °C Umgebungstemperatur – und sollten vorsorglich gemäß den Herstellerangaben ausgetauscht werden.

Was geschieht mit den Energieeinsparungen, wenn der Formzyklus eine sehr kurze Abkühlzeit aufweist?

Selbst bei schnellen Zyklen mit minimaler Kühlung erzielt der Synchron-Servomotor im Vergleich zu Induktionsmotoren eine Energieeinsparung von 30–40 Prozent, da er den Leerlaufverbrauch während der Haltephase eliminiert. In einem 5-Sekunden-Zyklus für die Dünnwandverpackung reduziert der Servomotor die Leistungsaufnahme während der 2-sekündigen Haltephase von 90 Prozent des Spitzenwerts auf etwa 15 Prozent, während der Induktionsmotor die Pumpe weiterhin mit vollem Förderstrom gegen das Überdruckventil betreibt.

Gibt es Spritzgussanwendungen, bei denen synchrone Servomotoren nicht empfehlenswert sind?

Für Maschinen, die bei extremen Umgebungstemperaturen über 55 °C betrieben werden, sind Synchron-Servomotoren nicht empfehlenswert, es sei denn, der Motor ist mit Hochtemperaturmagneten (Samarium-Kobalt statt Neodym) ausgestattet. Die in Standard-Servomotoren verwendeten Neodym-Magnete verlieren ab einer Magnettemperatur von 80 °C an magnetischem Fluss, was unter Volllast einer Umgebungstemperatur von ca. 55–60 °C entspricht. Für Hochtemperaturumgebungen bieten wir Motoren der Serie SSM-HT mit Samarium-Kobalt-Magneten an, die für den Dauerbetrieb bei einer Magnettemperatur von 120 °C ausgelegt sind.

Wir von Vicks Servo Intelligent Equipment (Ningbo) Co., Ltd. sind spezialisiert auf die Entwicklung und Fertigung von Synchron-Servomotoren für Spritzguss, Hydraulikpressen und allgemeine industrielle Automatisierungsanwendungen. Unser Werk in Fenghua, Ningbo, verfügt über nach ISO 9001:2015 zertifizierte Produktionslinien mit hauseigener dynamischer Wuchtung, EMV-Vorabprüfung und Volllast-Leistungsprüfung für jeden ausgelieferten Motor. Kontaktieren Sie unser Ingenieurteam. für anwendungsspezifische Dimensionierung und Integrationsunterstützung.