Les constructeurs de machines de moulage par injection intègrent des servomoteurs synchrones pour des systèmes hydrauliques économes en énergie.

TL;DR :Les constructeurs de machines de moulage par injection remplacent les moteurs à induction traditionnels par Servomoteurs synchrones Dans les systèmes hydrauliques, il est possible de réaliser des économies d'énergie de 30 à 55 % par tonne de force de serrage. Cet article présente des données énergétiques de référence, des techniques de contrôle des ondulations de couple pour le moulage de parois minces à faible vitesse d'injection, les économies cumulées sur 12 mois réalisées dans trois usines européennes, la récupération d'énergie par freinage régénératif lors de modernisations hydrauliques et les exigences de conformité à la directive CEM pour les machines de moulage par injection à servocommande.

1. Comparaison de la consommation d'énergie : servomoteur synchrone vs moteur à induction par tonne de force de serrage

La méthode la plus directe pour évaluer l'avantage énergétique des servomoteurs synchrones en moulage par injection consiste à normaliser la consommation d'énergie par rapport à la force de fermeture de la machine. Une presse de 300 tonnes Machine de moulage par injection hydraulique Un système entraîné par un moteur à induction classique à vitesse fixe avec pompe à palettes consomme généralement entre 18 et 22 kW pendant le cycle de moulage. Le remplacement du moteur principal par un servomoteur synchrone réduit cette consommation à 8-12 kW pour une même force de fermeture, soit une réduction de 45 à 55 % selon le profil du cycle de moulage.

Nous chez Équipement intelligent servo Vicks (Ningbo) Nous avons testé ce référentiel sur plus de 40 configurations de presses à injecter dans notre usine de Fenghua, à Ningbo. Notre protocole de test mesure la consommation électrique sur un cycle de moulage complet (fermeture des mâchoires, injection, maintien, refroidissement et ouverture des mâchoires) à l'aide d'un enregistreur de consommation triphasé Fluke 1738 avec un intervalle d'échantillonnage de 0,1 seconde. Les résultats sont cohérents pour des presses de 50 à 1 000 tonnes.

Pour une machine de 150 tonnes fonctionnant à un cycle de 15 secondes avec du polypropylène, le moteur à induction consommait 9,8 kWh pour 100 cycles. Le moteur synchrone servomoteur-notreservomoteur synchroneLe modèle SSM-22kW, connecté à une pompe à engrenages à cylindrée fixe, a consommé 5,3 kWh pour 100 cycles dans des conditions identiques. Cela représente une économie d'énergie de 46 %. Les économies ont atteint 53 % sur la même machine exécutant un cycle ABS de 30 secondes avec un temps de refroidissement plus long, car… servomoteur L'arrêt complet a lieu pendant la phase de refroidissement, tandis que le moteur à induction continue de faire tourner la pompe au ralenti contre une soupape de décharge non chargée.

La raison pour laquelle les moteurs à induction sont moins performants dans cette application est simple : ils fonctionnent à une vitesse fixe proche de 1 450 tr/min (4 pôles à 50 Hz), quelle que soit la charge instantanée. Pendant les phases de maintien et de refroidissement, lorsque le système hydraulique ne nécessite que 10 à 20 % du débit maximal, le moteur à induction continue de tourner à plein régime et le débit excédentaire est dissipé sous forme de chaleur par la soupape de décharge. Un moteur synchrone servomoteur Elle adapte sa vitesse de rotation à la demande de débit précise à chaque phase, ne consommant de l'énergie qu'en proportion du couple requis.

Notre blog principal Ce document inclut un tableau comparatif détaillé portant sur six tailles de machines, avec des relevés d'analyse de puissance pour vérification. Ces données mettent clairement en évidence la consommation électrique continue du moteur à induction pendant la phase de refroidissement, contrairement à la consommation quasi nulle du servomoteur ; il s'agit là de l'observation la plus pertinente pour tout ingénieur industriel élaborant un plan de réduction de la consommation d'énergie.

Ces données de référence ont été reproduites de manière constante sur plusieurs marques de machines. Un constructeur taïwanais de presses à injecter a validé indépendamment notre chiffre d'économies de 46 % sur une machine de 180 tonnes effectuant un cycle PP de 20 secondes, confirmant ainsi que la réduction de la consommation d'énergie est indépendante du fabricant d'origine et dépend principalement du profil du cycle de moulage et du temps de refroidissement.

2. Contrôle des ondulations de couple à basses vitesses d'injection pour le moulage de parois minces

Le moulage de pièces à parois minces (épaisseur inférieure à 1,0 mm) exige des vitesses d'injection de l'ordre de 150 à 400 mm/s, associées à une distribution de couple extrêmement régulière, afin d'éviter les marques d'écoulement, les injections incomplètes et les déformations. À ces vitesses, le servomoteur fonctionne à environ 10 à 25 % de sa vitesse nominale, précisément dans la plage où les ondulations de couple dues à sa conception magnétique deviennent les plus problématiques.

Nos ingénieurs ont mesuré l'ondulation de couple sur 12 servomoteurs synchrones différents à l'aide d'un capteur de couple HBM T12 échantillonnant à 10 kHz. Les tests ont révélé que la géométrie des pôles du rotor et le nombre d'encoches du stator sont les principaux facteurs déterminant la régularité du couple à basse vitesse. Un moteur à 8 pôles et 48 encoches statoriques (courant dans les servomoteurs d'usage général) présente une ondulation de couple de 3,8 à 4,5 % à 200 tr/min et à 30 % du couple nominal. Notre configuration optimisée à 10 pôles et 60 encoches, développée spécifiquement pour les applications de moulage par injection, réduit cette ondulation à 1,2–1,8 % dans les mêmes conditions.

Cette amélioration repose sur deux caractéristiques de conception. Premièrement, le nombre plus élevé de pôles répartit le flux magnétique de manière plus uniforme, réduisant ainsi le couple de crantage dû à l'attraction entre les aimants permanents du rotor et les dents du stator. Deuxièmement, la disposition des enroulements à encoches fractionnaires (10 pôles associés à 60 encoches, soit un rapport de 6 encoches par paire de pôles) élimine les composantes harmoniques de bas ordre, responsables de l'ondulation de vitesse la plus visible dans la vis d'injection.

Nous avons validé l'effet pratique sur une presse à injecter de 280 tonnes produisant des boîtiers de lentilles en polycarbonate de 0,8 mm d'épaisseur. Avec un servomoteur standard à 8 pôles, la machine présentait une variation de poids de 2,1 % sur un moule à 48 cavités en raison d'irrégularités de remplissage. Après avoir remplacé le moteur par notre servomoteur synchrone (10 pôles, 60 emplacements), la variation de poids est tombée à 0,6 % et le taux de rebut est passé de 4,8 % à 0,9 % sur une série de production de 10 000 cycles.

Pour les constructeurs de presses à injecter qui évaluent les servomoteurs, nous recommandons de demander la valeur du couple de crantage (Nm crête à crête) et le pourcentage d'ondulation du couple au point de fonctionnement spécifique (couple-vitesse) de l'application à parois minces. Un couple de crantage inférieur à 0,5 % du couple nominal est le seuil que nous utilisons pour garantir des performances acceptables pour les applications à parois minces.

3. Économies d'énergie cumulées : données sur 12 mois provenant de trois usines européennes de moulage par injection

Entre janvier et décembre 2025, nous avons suivi la performance énergétique de trois usines européennes de moulage par injection ayant converti leurs systèmes hydrauliques, initialement équipés de moteurs à induction, en systèmes équipés de servomoteurs synchrones. Ces usines, situées en Allemagne, en Italie et en Pologne, produisent différents types de pièces : composants automobiles (Allemagne), boîtiers pour l’électronique grand public (Italie) et ferrures d’ameublement (Pologne). Chaque usine utilisait une configuration de machines et un rythme de production différents, ce qui nous a permis de constituer un ensemble de données complet pour évaluer la performance énergétique des servomoteurs dans diverses conditions de fonctionnement.

L'usine allemande a réalisé les économies absolues les plus importantes (810 MWh par an), soit environ 113 000 € au tarif industriel allemand de l'électricité (0,14 €/kWh). La modernisation a consisté à remplacer 12 moteurs à induction à vitesse fixe par des servomoteurs Vicks. servomoteurs synchrones et la mise à niveau des pompes hydrauliques, en passant de pompes à pistons à cylindrée variable à des pompes à engrenages à cylindrée fixe – une combinaison qui maximise les avantages de la commande de vitesse servo.

En moyenne, sur les trois usines, le délai de retour sur investissement était de 14 mois. Le délai le plus court (11 mois) a été enregistré dans l'usine polonaise en raison d'un nombre de cycles moyen par machine plus élevé. Le délai de retour sur investissement de l'usine allemande s'est étendu à 18 mois, principalement parce que trois grandes machines (650 tonnes) ont nécessité des modifications sur mesure des panneaux de commande, ce qui a augmenté le coût de la modernisation de 35 %.

Outre les économies d'énergie directes, les usines ont constaté des avantages indirects : la température de l'huile hydraulique a baissé de 8 à 12 °C en moyenne, car le servomoteur produit moins de chaleur résiduelle pendant les phases de maintien et de refroidissement, ce qui a permis d'allonger les intervalles de vidange d'huile de 4 000 à 7 000 heures de fonctionnement. La consommation d'eau de refroidissement du groupe hydraulique a diminué de 35 à 50 % dans les trois installations.

4. Récupération d'énergie de freinage régénératif dans les modernisations de systèmes hydrauliques

Lorsqu'un dispositif de serrage d'une presse à injecter s'ouvre ou que la vis d'injection se rétracte, le système hydraulique libère l'énergie stockée que le moteur à induction convertit en chaleur au niveau de la soupape de décharge. Un servomoteur synchrone à récupération d'énergie récupère cette énergie et la réinjecte dans le réseau électrique de l'usine pour alimenter d'autres équipements. Concrètement, cela transforme la chaleur perdue en énergie électrique utilisable.

Le potentiel de récupération d'énergie dépend du profil du cycle de moulage. Dans un cycle typique de fabrication de pièces automobiles — fermeture du moule (2 s), injection (1,5 s), maintien (6 s), refroidissement (8 s), ouverture du moule (1 s), démoulage (3 s) —, la récupération d'énergie se produit lors de la rétraction de la vis d'injection (0,5 s) et de la décélération à l'ouverture du moule (0,3 s). Sur une machine de 300 tonnes que nous avons instrumentée dans l'usine allemande, le freinage régénératif a permis de récupérer 0,18 kWh par cycle, soit environ 15 % de la consommation énergétique totale du cycle.

La mise en œuvre de la récupération d'énergie par régénération nécessite une architecture de bus CC partagée entre plusieurs machines ou un système d'entraînement régénératif raccordé au réseau. Pour la configuration à huit machines de l'usine italienne, nous avons installé un bus CC commun avec un système de freinage régénératif de 32 kW, dimensionné pour fournir 200 % de sa puissance de crête pendant 10 secondes. Au cours de la période de surveillance de 12 mois, le système a récupéré 83,6 MWh, une énergie qui était auparavant dissipée sous forme de chaleur d'huile hydraulique, nécessitant un refroidissement actif.

Deux aspects techniques sont essentiels à la réussite de la mise en œuvre. Premièrement, le banc de résistances du freinage régénératif doit être dimensionné pour supporter les pires cas de rétractions simultanées. L'analyse de l'usine italienne a révélé que, dans le pire des cas, trois rétractions de vis se chevauchant sur une période de 5 secondes, nécessitaient une capacité de dissipation maximale de 96 kW. Deuxièmement, la régulation de la tension du bus CC du servovariateur doit éviter les déclenchements en cas de surtension ; nous avons fixé le seuil d'activation du freinage régénératif à 720 V CC sur un bus CC nominal de 560 V, ce qui offre une marge de 28 % avant la limite de protection du variateur (800 V).

Notre servomoteur synchrone Les entraînements comprennent un système de freinage régénératif intégré avec des modes de récupération sélectionnables pour les applications de moulage par injection.

Le système détecte automatiquement le sens du flux d'énergie et bascule entre les modes moteur et régénératif en moins de 5 ms, assurant une transition en douceur pendant la phase de rétraction de la vis d'injection sans intervention de l'opérateur.

5. Conformité à la directive CEM pour les machines de moulage par injection à servocommande

Les constructeurs européens de machines de moulage par injection intégrant des servomoteurs synchrones doivent se conformer à la réglementation suivante : Directive CEM 2014/30/UE, et plus précisément les limites d'émission dans EN 55011 pour les environnements industriels (Groupe 1, Classe A) et les exigences d'immunité de EN 61000-6-2Les servomoteurs génèrent des interférences électromagnétiques conduites et rayonnées à la fréquence de commutation des IGBT (généralement de 4 à 16 kHz), susceptibles de se coupler aux systèmes de commande adjacents, aux câbles de capteurs et aux réseaux de bus de terrain. Sans filtrage adéquat, ces parasites de commutation peuvent entraîner une corruption du signal de retour de l'encodeur, des erreurs de communication avec l'automate programmable et des déclenchements intempestifs des relais de sécurité, provoquant ainsi des arrêts de production et annulant les économies d'énergie que le servomoteur était censé réaliser.

Dans notre laboratoire de pré-conformité CEM à Fenghua, nous avons effectué des mesures de champ proche sur un servovariateur et un moteur de 22 kW. La commutation des IGBT à 8 kHz a généré des émissions conduites de 82 dBµV à 150 kHz aux bornes d'entrée du variateur, dépassant ainsi la limite de 79 dBµV de la norme EN 55011 classe A. L'ajout d'un filtre secteur triphasé (40 A, inductance de mode commun de 2,2 mH) à l'entrée du variateur a permis de réduire les émissions conduites à 64 dBµV à 150 kHz, soit une marge de 15 dB en dessous de la limite.

En ce qui concerne les émissions rayonnées, le câble d'alimentation du moteur constitue l'antenne principale. Les câbles d'alimentation non blindés de 3 mètres reliant le variateur à notre servomoteur de 22 kW ont généré des champs rayonnés de 48 dBµV/m à 30 MHz à une distance de 10 mètres, dépassant ainsi la limite de 40 dBµV/m de la classe A. Le remplacement de ce câble par un câble blindé correctement terminé (tresse couvrant au minimum 85 %) a permis de réduire le champ rayonné à 36 dBµV/m, valeur largement inférieure à la limite requise.

Principales pratiques de conformité CEM que nous recommandons aux constructeurs de machines de moulage par injection :

• Installez un filtre CEM dédié sur chaque entrée de servovariateur, dimensionné pour un courant au moins 1,5 fois supérieur au courant nominal continu du variateur. L'inductance de la bobine de mode commun doit être de 1 à 3 mH par phase.
• Utilisez des câbles d'alimentation moteur blindés avec mise à la terre à 360° côté variateur et côté moteur. Évitez les connexions de masse en queue de cochon aux deux extrémités : elles augmentent l'impédance de mode commun de 10 à 20 fois par rapport à une borne de blindage de connecteur circulaire.
• Éloignez les câbles d'alimentation du moteur d'au moins 200 mm des câbles de commande, des câbles d'encodeur et des câbles de bus de terrain. Les câbles parallèles distants de moins de 100 mm augmentent considérablement le couplage inductif, ce qui dégrade la précision du retour d'information de l'encodeur.
• Installez des noyaux de ferrite sur les câbles de l'encodeur et de retour d'information à moins de 100 mm du connecteur du servomoteur. Choisissez un matériau de ferrite présentant une impédance supérieure à 200 Ω à la fréquence de commutation (généralement de 8 à 16 kHz pour le mode commun, mais les fréquences d'émission pertinentes se situent dans la plage conduite de 150 kHz à 30 MHz).
• Vérifiez que le système de liaison et de mise à la terre de la machine présente un plan de référence à faible impédance. Nous mesurons une impédance de terre inférieure à 0,1 Ω à 10 MHz entre tous les panneaux liés.

Pour les équipementiers exportant vers le marché européen, nous recommandons de réaliser des tests CEM complets auprès d'un organisme notifié avant la production en série. Le coût de la mise en conformité a posteriori du filtrage CEM après un défaut de conformité est généralement 3 à 5 fois supérieur à celui de son intégration dès la conception, d'après l'expérience de deux constructeurs de presses à injecter que nous avons accompagnés dans leur processus de certification CE.

Nous proposons un service gratuit de pré-analyse CEM aux clients OEM qui fournissent le schéma d'implantation de leur armoire de variateur, permettant d'identifier les problèmes de conformité potentiels avant la phase de test officielle.

Foire aux questions

Quel est le délai de retour sur investissement typique pour la conversion d'une machine de moulage par injection d'un moteur à induction à un servomoteur synchrone ?

D'après nos données sur 12 mois recueillies dans trois usines européennes, le délai de retour sur investissement simple varie de 11 à 18 mois, avec une moyenne pondérée de 14 mois. Ce délai dépend du nombre de cycles (un nombre plus élevé de cycles par an réduit le délai), des tarifs d'électricité locaux et de la proportion du temps de refroidissement dans le cycle de moulage où la fonction d'arrêt automatique du servomoteur génère les économies les plus importantes.

Est-il possible de moderniser les machines de moulage par injection existantes avec des servomoteurs synchrones, ou cela ne concerne-t-il que les machines neuves ?

La modernisation des machines existantes est une pratique courante. La conversion nécessite le remplacement du moteur à induction par un servomoteur synchrone de taille équivalente, l'ajout d'un servovariateur et l'installation d'une pompe à cylindrée fixe en remplacement de la pompe à pistons à cylindrée variable. L'automate programmable de la machine doit également être configuré pour fournir une référence de vitesse de 0 à 10 V ou via bus de terrain au servovariateur. Nous avons réalisé des modernisations sur des machines des marques Engel, KraussMaffei et Haitian.

Les servomoteurs synchrones nécessitent-ils un entretien différent de celui des moteurs à induction ?

Aucune différence significative n'est à signaler concernant la maintenance courante. Les servomoteurs synchrones sont équipés de roulements étanches dont la durée de vie L10 est équivalente à celle des roulements de moteurs à induction (généralement de 20 000 à 40 000 heures selon la vitesse et la charge). Le moteur ne nécessite aucun entretien des balais, car les moteurs synchrones à aimants permanents sont sans balais. Les condensateurs du bus CC du servovariateur ont une durée de vie limitée (généralement de 50 000 à 80 000 heures à 40 °C ambiant) et doivent être remplacés préventivement selon les préconisations du fabricant.

Que deviennent les économies d'énergie si le cycle de moulage comporte très peu de temps de refroidissement ?

Même en cycles rapides avec un refroidissement minimal, le servomoteur synchrone permet de réaliser des économies d'énergie de 30 à 40 % par rapport aux moteurs à induction, car il élimine la consommation d'énergie à vide pendant la phase de maintien. Lors d'un cycle d'encapsulation à parois fines de 5 secondes, le servomoteur réduit la consommation d'énergie pendant la phase de maintien de 2 secondes de 90 % de la valeur maximale à environ 15 %, tandis que le moteur à induction continue de faire fonctionner la pompe à plein débit malgré la soupape de décharge.

Existe-t-il des applications de moulage par injection pour lesquelles les servomoteurs synchrones sont déconseillés ?

Les servomoteurs synchrones ne sont pas recommandés pour les machines fonctionnant à des températures ambiantes extrêmes supérieures à 55 °C, sauf s'ils sont équipés d'aimants haute température (samarium-cobalt au lieu de néodyme). Les aimants en néodyme utilisés dans les servomoteurs standard commencent à perdre leur flux magnétique au-delà de 80 °C, ce qui correspond à une température ambiante d'environ 55 à 60 °C à pleine charge. Pour les environnements à haute température, nous proposons les moteurs de la série SSM-HT, équipés d'aimants en samarium-cobalt et conçus pour un fonctionnement continu à 120 °C.

Chez Vicks Servo Intelligent Equipment (Ningbo) Co., Ltd., nous sommes spécialisés dans la conception et la fabrication de servomoteurs synchrones pour le moulage par injection, les presses hydrauliques et l'automatisation industrielle en général. Notre usine de Fenghua, à Ningbo, dispose de lignes de production certifiées ISO 9001:2015 et réalise en interne l'équilibrage dynamique, la pré-conformité CEM et des tests de performance à pleine charge sur chaque moteur expédié. Contactez notre équipe d'ingénierie pour le dimensionnement spécifique à l'application et la prise en charge de l'intégration.