Как планетарный модуль роботизированного шарнира HONPINE JRM решает проблему повышения температуры при непрерывной работе?

По мере всё более широкого применения роботов на интеллектуальных предприятиях, в автоматизированной логистике, безлюдных инспекционных системах и специализированных операциях круглосуточная непрерывная работа становится распространённым требованием. Ожидания от роботов также меняются: от простого выполнения базовых движений к сохранению стабильной и надёжной производительности в течение длительных периодов эксплуатации.

Как ключевой компонент движения, тепловые характеристики модуля роботизированного шарнира напрямую влияют на стабильность работы всей роботизированной системы. Поэтому растущие требования к длительной работе при высоких нагрузках предъявляют более высокие требования к контролю температуры шарнира.

Для решения распространённой проблемы повышения температуры в роботизированных шарнирах HONPINE уделяет внимание базовой конструкции шарнирного модуля, а не использует преимущественно внешнее охлаждение в качестве корректирующей меры. С высокой эффективностью преобразования энергии и работой с низкими потерями в качестве ключевых целей проектирования HONPINE разрабатывает интегрированные модули роботизированных шарниров (планетарный шарнирный модуль JRM), предназначенные для низкого повышения температуры, высокой надёжности и масштабируемого производства, обеспечивая основные компоненты движения для роботизированных систем, работающих в сложных условиях.

При длительной работе с высокой нагрузкой потери в двигателе, трансмиссии и приводном блоке являются основными источниками накопления тепла внутри роботизированного шарнира. Компактная конструкция шарнирного модуля также ограничивает доступное пространство для рассеивания тепла, что делает управление тепловым режимом особенно сложным при непрерывной эксплуатации.

Для решения этой задачи HONPINE разработала собственный подход к управлению тепловым режимом, основанный на снижении потерь во всём шарнирном модуле и контроле тепловыделения у его источников. Начиная с базовой конструкции модуля, этот подход направлен на снижение тепловыделения и повышение тепловой стабильности при непрерывной работе.

1. Стратегия проектирования: контроль повышения температуры у источника

HONPINE сосредоточена на оптимизации основных тепловыделяющих компонентов модуля роботизированного шарнира, а не полагается исключительно на последующие меры охлаждения.

За счёт повышения эффективности двигателя, планетарного редуктора и приводного блока HONPINE снижает электромагнитные потери, потери на механическое трение и потери при переключении силовых устройств во время работы. Благодаря снижению тепловыделения у источника шарнирный модуль может поддерживать меньшее накопление тепла в своей компактной интегрированной конструкции.

Эта системная конструкция с низкими потерями предназначена для обеспечения стабильных тепловых характеристик при длительной непрерывной работе.

2. Оптимизация двигателя: многомерная электромагнитная конструкция

Двигатель является одним из основных тепловыделяющих компонентов модуля роботизированного шарнира. Потери в меди и потери в стали напрямую влияют на базовые характеристики повышения температуры модуля. Поэтому HONPINE оптимизирует двигатель по нескольким направлениям, включая конструкцию магнитной цепи, выбор материалов и процессы намотки, чтобы повысить эффективность электромагнитного преобразования энергии.

Электромагнитная конструкция

HONPINE оптимизирует комбинацию полюсов и пазов для повышения коэффициента обмотки, одновременно совершенствуя магнитную цепь и конструкцию воздушного зазора.

При работе на низкой скорости зубцовый момент контролируется в пределах 1% от номинального крутящего момента, что способствует сохранению плавности движения и стабильной работы на низкой скорости.

При работе на высокой скорости коэффициент гармонических искажений противо-ЭДС контролируется в пределах 1%, что способствует снижению потерь в стали и повышению эффективности при высокоскоростной работе.

Высокоэффективные материалы

В статоре и роторе используется высококачественная неориентированная электротехническая сталь толщиной 0.2 mm, что способствует снижению потерь на вихревые токи и улучшению характеристик магнитного насыщения.

В двигателе также используются высококачественные высокотемпературные постоянные магниты серии UH, обеспечивающие высокую остаточную магнитную индукцию и высокую коэрцитивную силу для снижения риска размагничивания при работе с высокой нагрузкой.

Ключевые материалы, включая электромагнитный провод, изоляционные компоненты и связующий клей, выбираются в высокотемпературном исполнении. Основные компоненты выдерживают температуру до 180°C, обеспечивая длительную непрерывную работу.

Процесс намотки

В двигателе используется автоматизированный процесс непрерывной многопазовой намотки, увеличивающий коэффициент заполнения пазов до 80%.

При одинаковых условиях выходного крутящего момента более высокий коэффициент заполнения пазов может способствовать снижению тепловыделения, связанного с током. Процесс намотки также сокращает количество паяных соединений, повышая общую эксплуатационную надёжность.

Благодаря этим комплексным оптимизациям двигатель достигает общего КПД до 92%, что способствует снижению тепловыделения в одном из основных источников тепла внутри шарнирного модуля.

3. Эффективность трансмиссии и привода: снижение потерь во всей силовой передаче

Помимо потерь в двигателе, механическое трение в планетарном редукторе и потери при переключении в приводном блоке также могут влиять на тепловые характеристики модуля роботизированного шарнира при непрерывной работе.

Эффективность планетарной трансмиссии

Со стороны трансмиссии HONPINE оптимизирует конструкцию и точность сопряжения планетарного редуктора.

КПД одноступенчатого планетарного редуктора может достигать 97%, тогда как КПД двухступенчатого планетарного редуктора сохраняется на уровне около 95% при заданных условиях эксплуатации.

Более высокая эффективность трансмиссии способствует снижению механических потерь и связанного с ними тепловыделения при зацеплении шестерён и трении.

Эффективность привода

Со стороны привода шарнирный модуль использует силовые устройства на нитриде галлия (GaN) третьего поколения.

По сравнению с традиционными силовыми устройствами устройства GaN могут значительно снижать потери проводимости и переключения. Приводной блок достигает общего рабочего КПД более 95%, что способствует снижению тепловыделения, связанного с высокочастотным электрическим переключением.

Благодаря согласованной оптимизации трансмиссии и приводных систем шарнирный модуль разработан для эффективной работы во всей силовой передаче.

4. Проверка при полной нагрузке: повышение температуры менее 1 K через 30 минут

Характеристики низких потерь и низкого повышения температуры, достигнутые за счёт теоретического проектирования, в конечном итоге должны быть подтверждены в реальных условиях нагрузки.

Для моделирования условий непрерывной работы роботов при высоких нагрузках HONPINE провела испытание «спина к спине» при полной нагрузке планетарного модуля роботизированного шарнира C6345.

Модуль C6345 имеет номинальный крутящий момент 12 N·m и номинальную скорость 120 rpm. Для воспроизведения непрерывной работы под нагрузкой использовалась сервосистема испытаний «спина к спине».

После 90 минут непрерывной работы при полной нагрузке шарнирный модуль достиг стабильного теплового равновесия.

При температуре окружающей среды 25°C разница повышения температуры через 30 минут была ниже 1 K, а конечная равновесная температура стабилизировалась на уровне 61.42°C.

Даже в условиях работы при полной нагрузке шарнирный модуль поддерживал стабильное тепловое равновесие, способствуя предотвращению непрерывного повышения температуры при длительной эксплуатации.

5. Базовые характеристики для длительной непрерывной работы роботов

От многомерной оптимизации двигателя и снижения электромагнитных потерь на уровне источника до повышения эффективности трансмиссии и приводных систем — HONPINE подходит к управлению тепловым режимом за счёт снижения тепловыделения во всём шарнирном модуле.

Испытание при полной нагрузке планетарного модуля роботизированного шарнира C6345 дополнительно демонстрирует его тепловое поведение в условиях непрерывной эксплуатации.

Сочетая высокий КПД двигателя, эффективную планетарную трансмиссию, высокоэффективную технологию привода GaN и системную конструкцию с низкими потерями, HONPINE разрабатывает планетарные модули роботизированных шарниров, предназначенные для снижения сложностей управления тепловым режимом для интеграторов роботизированных систем.

Этот подход предназначен для поддержки роботов, работающих в условиях длительных циклов, высоких нагрузок и непрерывного режима, обеспечивая стабильную тепловую основу для надёжного движения роботов.