Wie bewältigt das Planeten-Robotergelenkmodul HONPINE JRM den Temperaturanstieg im Dauerbetrieb?

Da Roboter zunehmend in Smart Factories, der automatisierten Logistik, unbemannten Inspektionen und Spezialanwendungen eingesetzt werden, wird ein kontinuierlicher 24/7-Betrieb zu einer gängigen Anforderung. Auch die Erwartungen an Roboter entwickeln sich weiter: von der bloßen Ausführung grundlegender Bewegungen hin zur Aufrechterhaltung einer stabilen und zuverlässigen Leistung über lange Betriebszeiträume.

Als zentrale Bewegungskomponente beeinflusst das thermische Verhalten eines Robotergelenkmoduls direkt die Betriebsstabilität des gesamten Robotersystems. Steigende Anforderungen an einen lang andauernden Betrieb unter hoher Last stellen daher höhere Anforderungen an die Temperaturregelung der Gelenke.

Um der häufigen Herausforderung des Temperaturanstiegs in Robotergelenken zu begegnen, konzentriert sich HONPINE auf die grundlegende Konstruktion des Gelenkmoduls, anstatt sich primär auf externe Kühlung als Korrekturmaßnahme zu verlassen. Mit hoher Energieumwandlungseffizienz und verlustarmem Betrieb als wesentlichen Entwicklungszielen entwickelt HONPINE integrierte Robotergelenkmodule (JRM Planetary Joint Module), die für geringen Temperaturanstieg, hohe Zuverlässigkeit und skalierbare Produktion ausgelegt sind und zentrale Bewegungskomponenten für Robotersysteme unter anspruchsvollen Bedingungen bereitstellen.

Bei lang andauerndem Betrieb unter hoher Last sind Verluste des Motors, des Getriebes und der Antriebseinheit wesentliche Quellen der Wärmeakkumulation in einem Robotergelenk. Die kompakte Struktur eines Gelenkmoduls begrenzt zudem den verfügbaren Raum zur Wärmeabfuhr, wodurch das Wärmemanagement insbesondere im Dauerbetrieb zu einer Herausforderung wird.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat HONPINE einen selbst entwickelten Wärmemanagementansatz entwickelt, der auf der Reduzierung von Verlusten im gesamten Gelenkmodul und der Kontrolle der Wärmeentstehung an ihren Quellen basiert. Ausgehend von der grundlegenden Konstruktion des Moduls zielt dieser Ansatz darauf ab, die Wärmeentwicklung zu verringern und die thermische Stabilität im Dauerbetrieb zu verbessern.

1. Entwicklungsstrategie: Temperaturanstieg an der Quelle kontrollieren

HONPINE konzentriert sich auf die Optimierung der primären wärmeerzeugenden Komponenten desRobotergelenkmoduls, anstatt sich ausschließlich auf nachgelagerte Kühlmaßnahmen zu verlassen.

Durch Effizienzverbesserungen bei Motor, Planetengetriebe und Antriebseinheit reduziert HONPINE elektromagnetische Verluste, mechanische Reibungsverluste und Schaltverluste von Leistungsbauelementen während des Betriebs. Durch die Verringerung der Wärmeentstehung an der Quelle kann das Gelenkmodul innerhalb seiner kompakten integrierten Struktur eine geringere Wärmeakkumulation aufrechterhalten.

Diese verlustarme Auslegung auf Systemebene soll ein stabiles thermisches Verhalten bei lang andauerndem Dauerbetrieb unterstützen.

2. Motoroptimierung: Mehrdimensionale elektromagnetische Auslegung

Der Motor ist eine der primären wärmeerzeugenden Komponenten eines Robotergelenkmoduls. Kupferverluste und Eisenverluste wirken sich direkt auf die grundlegenden Eigenschaften des Temperaturanstiegs des Moduls aus. HONPINE optimiert den Motor daher in mehreren Bereichen, einschließlich Magnetkreisauslegung, Materialauswahl und Wicklungsverfahren, um die Effizienz der elektromagnetischen Energieumwandlung zu verbessern.

Elektromagnetische Auslegung

HONPINE optimiert die Pol-Nut-Kombination zur Verbesserung des Wicklungsfaktors und verfeinert gleichzeitig den Magnetkreis sowie die Luftspaltstruktur.

Für den Betrieb bei niedriger Drehzahl wird das Rastmoment auf weniger als 1 % des Nenndrehmoments begrenzt, was zu einer gleichmäßigen Bewegung und einem stabilen Betrieb bei niedriger Drehzahl beiträgt.

Für den Betrieb bei hoher Drehzahl wird der Oberschwingungsverzerrungsgrad der Gegen-EMK auf weniger als 1 % begrenzt, was zur Reduzierung von Eisenverlusten und zur Verbesserung der Effizienz im Hochgeschwindigkeitsbetrieb beiträgt.

Hochleistungsmaterialien

Stator und Rotor verwenden 0.2 mm hochwertiges nicht kornorientiertes Elektroband, was zur Verringerung von Wirbelstromverlusten und zur Verbesserung der magnetischen Sättigungseigenschaften beiträgt.

Der Motor verwendet außerdem hochwertige hochtemperaturbeständige Permanentmagnete der UH-Serie, die eine hohe Remanenzflussdichte und hohe Koerzitivfeldstärke bieten, um das Risiko einer Entmagnetisierung unter Betriebsbedingungen mit hoher Last zu reduzieren.

Wichtige Materialien, einschließlich des elektromagnetischen Drahts, der Isolierkomponenten und des Klebstoffs, werden in hochtemperaturbeständigen Ausführungen ausgewählt. Die Kernkomponenten halten Temperaturen von bis zu 180°C stand und unterstützen damit einen lang andauernden Dauerbetrieb.

Wicklungsverfahren

Der Motor verwendet ein automatisiertes kontinuierliches Mehrnutwicklungsverfahren, das den Nutfüllfaktor auf 80% erhöht.

Unter gleichen Drehmomentbedingungen kann ein höherer Nutfüllfaktor dazu beitragen, die strombedingte Wärmeentwicklung zu verringern. Das Wicklungsverfahren reduziert zudem die Anzahl der Lötstellen und verbessert dadurch die gesamte Betriebszuverlässigkeit.

Durch diese kombinierten Optimierungen erreicht der Motor einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 92%, was dazu beiträgt, die Wärmeentwicklung an einer der primären Wärmequellen innerhalb des Gelenkmoduls zu reduzieren.

3. Getriebe- und Antriebseffizienz: Verluste im gesamten Antriebsstrang reduzieren

Neben Motorverlusten können auch mechanische Reibung im Planetengetriebe und Schaltverluste in der Antriebseinheit das thermische Verhalten eines Robotergelenkmoduls im Dauerbetrieb beeinflussen.

Effizienz des Planetengetriebes

Auf der Getriebeseite optimiert HONPINE die Struktur und die Abstimmungsgenauigkeit des Planetengetriebes.

Der Wirkungsgrad des einstufigen Planetengetriebes kann bis zu 97% erreichen, während der Wirkungsgrad des zweistufigen Planetengetriebes unter den angegebenen Betriebsbedingungen bei etwa 95% liegt.

Ein höherer Getriebewirkungsgrad trägt dazu bei, mechanische Verluste und die damit verbundene Wärmeentwicklung durch Zahneingriff und Reibung zu reduzieren.

Antriebseffizienz

Auf der Antriebsseite verwendet das Gelenkmodul Leistungsbauelemente aus Galliumnitrid (GaN) der dritten Generation.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsbauelementen können GaN-Bauelemente Leitungs- und Schaltverluste deutlich reduzieren. Die Antriebseinheit erreicht einen Gesamtbetriebswirkungsgrad von mehr als 95%, was zur Verringerung der Wärmeentwicklung infolge hochfrequenter elektrischer Schaltvorgänge beiträgt.

Durch die koordinierte Optimierung der Getriebe- und Antriebssysteme ist das Gelenkmodul auf einen effizienten Betrieb über den gesamten Antriebsstrang ausgelegt.

4. Volllastvalidierung: Temperaturanstieg nach 30 Minuten unter 1 K

Die durch die theoretische Auslegung erzielten verlustarmen Eigenschaften und der geringe Temperaturanstieg müssen letztlich unter tatsächlichen Lastbedingungen verifiziert werden.

Um die kontinuierlichen Betriebsbedingungen von Robotern unter anspruchsvollen Lasten zu simulieren, führte HONPINE einen Volllast-Back-to-Back-Test am Planeten-Robotergelenkmodul C6345 durch.

Das Modul C6345 verfügt über ein Nenndrehmoment von 12 N·m und eine Nenndrehzahl von 120 rpm. Zur Nachbildung eines kontinuierlichen Betriebs unter Last wurde ein Servo-Back-to-Back-Prüfaufbau verwendet.

Nach 90 Minuten kontinuierlichem Volllastbetrieb erreichte das Gelenkmodul ein stabiles thermisches Gleichgewicht.

Bei einer Umgebungstemperatur von 25°C lag die Temperaturanstiegsdifferenz nach 30 Minuten unter 1 K, während sich die endgültige Gleichgewichtstemperatur bei 61.42°C stabilisierte.

Selbst unter Volllastbedingungen hielt das Gelenkmodul ein stabiles thermisches Gleichgewicht aufrecht und trug dazu bei, einen kontinuierlichen Temperaturanstieg während eines lang andauernden Betriebs zu verhindern.

5. Grundlegende Leistungsfähigkeit für den lang andauernden Dauerbetrieb von Robotern

Von der mehrdimensionalen Motoroptimierung und der quellenbasierten Reduzierung elektromagnetischer Verluste bis hin zu Effizienzverbesserungen in Getriebe- und Antriebssystemen verfolgt HONPINE beim Wärmemanagement den Ansatz, die Wärmeentwicklung im gesamten Gelenkmodul zu reduzieren.

Der Volllasttest des Planeten-Robotergelenkmoduls C6345 zeigt zudem dessen thermisches Verhalten unter kontinuierlichen Betriebsbedingungen.

Durch die Kombination aus hohem Motorwirkungsgrad, effizientem Planetengetriebe, hocheffizienter GaN-Antriebstechnologie und verlustarmer Auslegung auf Systemebene entwickelt HONPINE Planeten-Robotergelenkmodule, die darauf ausgelegt sind, die Herausforderungen des Wärmemanagements für Systemintegratoren von Robotern zu reduzieren.

Dieser Ansatz soll Roboter im lang andauernden Betrieb unter hoher Last und im Dauerbetrieb unterstützen und gleichzeitig eine stabile thermische Grundlage für zuverlässige Roboterbewegungen schaffen.