HONPINE JRM遊星ロボット関節モジュールは、連続運転時の温度上昇にどのように対応しますか？

ロボットがスマートファクトリー、自動物流、無人検査、特殊作業などにますます導入される中、24時間365日の連続稼働が一般的な要件となりつつあります。ロボットに対する期待も、基本動作を単に完了することから、長時間の稼働にわたり安定かつ信頼性の高い性能を維持することへと変化しています。

中核となる動作部品であるロボット関節モジュールの熱性能は、ロボットシステム全体の動作安定性に直接影響します。そのため、長時間かつ高負荷での稼働に対する要求の高まりにより、関節の温度制御にはより高い性能が求められています。

ロボット関節における温度上昇という一般的な課題に対応するため、HONPINEは、是正措置として主に外部冷却に依存するのではなく、関節モジュールの基礎設計に注力しています。高いエネルギー変換効率と低損失動作を主要な設計目標として、HONPINEは、低温度上昇、高信頼性、拡張可能な生産を実現する統合型ロボット関節モジュール（JRM Planetary Joint Module）を開発し、厳しい条件下で稼働するロボットシステムに中核となる動作部品を提供しています。

長時間・高負荷の稼働時には、モーター、伝達機構、駆動ユニットから生じる損失が、ロボット関節内の熱蓄積の主な原因となります。関節モジュールのコンパクトな構造は、利用可能な放熱スペースも制限するため、連続稼働時の熱管理は特に困難になります。

この課題に対応するため、HONPINEは、関節モジュール全体の損失低減と発熱源での熱発生制御に基づく自社開発の熱管理アプローチを開発しました。モジュールの基礎設計から着手することで、連続稼働時の発熱を抑え、熱安定性の向上を目指しています。

1. 設計戦略：発熱源で温度上昇を制御

HONPINEは、下流側の冷却対策だけに依存するのではなく、ロボット関節モジュールの主要な発熱部品の最適化に注力しています。

モーター、遊星減速機、駆動ユニット全体の効率を向上させることで、HONPINEは動作中の電磁損失、機械摩擦損失、パワーデバイスのスイッチング損失を低減します。発熱源での熱発生を抑制することにより、関節モジュールはコンパクトな一体構造内での熱蓄積をより低く維持できます。

このシステムレベルの低損失設計は、長時間の連続稼働において安定した熱性能を支えることを目的としています。

2. モーター最適化：多次元電磁設計

モーターは、ロボット関節モジュールにおける主要な発熱部品の一つです。銅損および鉄損は、モジュールの基本的な温度上昇特性に直接影響します。そのためHONPINEは、電磁エネルギー変換効率を高めるために、磁気回路設計、材料選定、巻線プロセスなど複数の側面からモーターを最適化しています。

電磁設計

HONPINEは、磁気回路とエアギャップ構造を最適化しながら、極数・スロット数の組み合わせを最適化して巻線係数を向上させています。

低速運転では、コギングトルクを定格トルクの1%以内に制御し、滑らかな動作と安定した低速運転の維持に貢献します。

高速運転では、逆起電力の高調波歪率を1%以内に制御し、鉄損の低減と高速運転時の効率向上に貢献します。

高性能材料

固定子と回転子には、0.2 mmの高グレード無方向性電磁鋼板を使用し、渦電流損失の低減と磁気飽和特性の向上に貢献します。

モーターにはUHシリーズの高グレード耐高温永久磁石も使用しており、高い残留磁束密度と保磁力により、高負荷の動作条件下での減磁リスクを低減します。

電磁線、絶縁部品、接着剤を含む主要材料には耐高温仕様を採用しています。中核部品は最高180°Cの温度に耐え、長時間の連続稼働を支えます。

巻線プロセス

モーターには自動多スロット連続巻線プロセスを採用し、スロット充填率を80%まで高めています。

同一のトルク出力条件下では、より高いスロット充填率により、電流に起因する発熱の低減に貢献できます。また、巻線プロセスによりはんだ接合部の数を減らし、全体的な動作信頼性を向上させます。

これらの最適化を組み合わせることで、モーターは最大92%の総合効率を実現し、関節モジュール内の主要な発熱源の一つにおける熱発生の低減に貢献します。

3. 伝達・駆動効率：パワートレイン全体の損失低減

モーター損失に加え、遊星減速機における機械摩擦や駆動ユニットにおけるスイッチング損失も、連続稼働時のロボット関節モジュールの熱性能に影響を及ぼす可能性があります。

遊星伝達効率

伝達側では、HONPINEは遊星減速機の構造と組み合わせ精度を最適化しています。

単段遊星減速機の効率は最大97%に達し、二段遊星減速機の効率は、規定の動作条件下で約95%を維持します。

伝達効率の向上は、機械損失ならびに歯車のかみ合いと摩擦に伴う発熱の低減に貢献します。

駆動効率

駆動側では、関節モジュールに第3世代の窒化ガリウム（GaN）パワーデバイスを採用しています。

従来のパワーデバイスと比較して、GaNデバイスは導通損失とスイッチング損失を大幅に低減できます。駆動ユニットは95%を超える総合動作効率を実現し、高周波の電気的スイッチングに伴う発熱の低減に貢献します。

伝達システムと駆動システムを協調して最適化することで、関節モジュールはパワートレイン全体での高効率動作を実現するよう設計されています。

4. 全負荷検証：30分後の温度上昇は1 K未満

理論設計によって実現した低損失・低温度上昇特性は、最終的に実際の負荷条件下で検証される必要があります。

高負荷環境下で動作するロボットの連続運転条件をシミュレートするため、HONPINEはC6345遊星ロボット関節モジュールに対して全負荷バック・トゥ・バック試験を実施しました。

C6345モジュールの定格トルクは12 N·m、定格速度は120 rpmです。サーボ・バック・トゥ・バック試験装置を用いて、連続負荷運転を再現しました。

90分間の連続全負荷運転後、関節モジュールは安定した熱平衡状態に達しました。

周囲温度25°Cの条件下で、30分後の温度上昇差は1 K未満であり、最終平衡温度は61.42°Cで安定しました。

全負荷の動作条件下でも、関節モジュールは安定した熱平衡を維持し、長時間運転中の継続的な温度上昇の防止に貢献します。

5. 長時間連続ロボット稼働のための基盤性能

HONPINEは、多次元的なモーター最適化、発熱源レベルでの電磁損失低減から、伝達・駆動システム全体の効率向上まで、関節モジュール全体の熱発生を低減することで熱管理に取り組んでいます。

C6345遊星ロボット関節モジュールの全負荷試験は、連続運転条件下における熱挙動をさらに示しています。

高いモーター効率、高効率な遊星伝達、高効率GaN駆動技術、およびシステムレベルの低損失設計を組み合わせることで、HONPINEはロボットシステムインテグレーターの熱管理課題を低減するよう設計された遊星ロボット関節モジュールを開発しています。

このアプローチは、長時間、高負荷、連続デューティの条件下で稼働するロボットを支えるとともに、信頼性の高いロボット動作のための安定した熱的基盤を提供することを目的としています。