陳理輝*

（東莞市李群自動化技術(shù)有限公司，廣東 東莞）

引言

機(jī)器人的應(yīng)用需求呈不斷上升的趨勢；如何在機(jī)器人有限的空間內(nèi)滿足功率器件的散熱需求，已成為機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)突破點(diǎn)之一。為避免高溫引起的電子產(chǎn)品失效，必須對電力電子設(shè)備采用合理的散熱技術(shù)[1]。在保證系統(tǒng)功能的同時，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、體積小、高效和有效的散熱越來越受到機(jī)器人行業(yè)的重視[2]。伺服驅(qū)動器是機(jī)器人系統(tǒng)中的核心部件，將直流電轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電的過程中，會產(chǎn)生大量的熱量[3]。伺服驅(qū)動器需依靠散熱器將絕大部分熱量散發(fā)到外界熱層中[4]，其中因為發(fā)熱、散熱引起的可靠性問題是關(guān)注的焦點(diǎn)[5]。本文以伺服驅(qū)動器的散熱模型分析為起點(diǎn)，分析伺服驅(qū)動器在機(jī)器人腔體內(nèi)的散熱模型；并通過工程仿真的方式驗證了理論分析和計算的合理性和可行性；為機(jī)器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)的散熱設(shè)計提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 伺服驅(qū)動器熱系統(tǒng)

驅(qū)動器熱系統(tǒng)示意如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動器熱系統(tǒng)示意

1.1 驅(qū)動器熱系統(tǒng)等效模型(見圖2)

圖2 驅(qū)動器熱系統(tǒng)（帶外置散熱器）等效模型

根據(jù)熱阻-溫升公式分別計算：

1.2 驅(qū)動器散熱器熱阻計算

繼續(xù)計算圖3 熱阻分別為：

圖3 機(jī)器人腔體熱系統(tǒng)示意

2 機(jī)器人熱系統(tǒng)

機(jī)器人腔體熱系統(tǒng)示意見圖3。

與驅(qū)動器熱系統(tǒng)示意圖不同的是，機(jī)器人熱系統(tǒng)中多了兩項參數(shù)：[Rnp-a1]與[Ta1]。

2.1 機(jī)器人熱系統(tǒng)等效模型

機(jī)器人熱系統(tǒng)等效模型見圖4。

圖4 機(jī)器人熱系統(tǒng)等效模型

2.2 機(jī)器人散熱熱阻計算

計算圖4 中熱阻分別為：

化簡為：

因散熱器的熱阻Rnq-a≥0，公式（16）可得：ΔT≤0.26535*P；影響IGBT 的殼溫主要是腔體溫度與外環(huán)境溫度ΔTa 的溫升；只要改變機(jī)器人的散熱能力，就控制了IGBT 的殼溫極限；

在機(jī)器人模型設(shè)計中，可按照以下步驟評估散熱能力：a.由Ta1=Tc-0.26535*P 算出腔體允許最高溫度；b.由ΔTa=Ta1-Ta 算出腔體與外環(huán)境允許的最高溫升；c.由ΔTa、P 代入公式（17），估算機(jī)器人的外表面散熱熱阻；d.由Rn-a=0.5*Rnq-a等效實(shí)際機(jī)器人的散熱熱阻。

3 機(jī)器人散熱設(shè)計流程

第一步：機(jī)器人發(fā)熱器件發(fā)熱功率統(tǒng)計（見表1）

表1 機(jī)器人發(fā)熱器件發(fā)熱功率統(tǒng)計

第二步：計算功率器件允許的最大Ts3[外置散熱器高溫區(qū)域溫度]

公式：

注：根據(jù)邏輯電源產(chǎn)品規(guī)格書，其通?？梢詽M足需求，故在此忽略計算。

則功率器件最大Ts3 為：

第三步：計算非功率器件允許的最大Ts3[外置散熱器高溫區(qū)域溫度]

公式：

這里取：k=3（機(jī)器人外面有散熱鰭片，且加額外的風(fēng)扇，差距較大）；ka=0.1（主要通過金屬傳熱，空氣傳熱占發(fā)熱源的10%）；腔體環(huán)境溫度Ta1 最高為：85℃；

則：

第四步：評估機(jī)器人本體的最終散熱熱阻需求。

取兩個熱阻的最小值，機(jī)器人的外表面散熱熱阻不大于0.102K/W；

最后可得機(jī)器人的整體散熱熱阻

4 工程仿真與結(jié)論

為驗證本文計算推導(dǎo)的整體散熱熱阻是否合理，根據(jù)器件手冊的工作溫度范圍進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置[7]，為簡化仿真的模型，將發(fā)熱器件等效到一個驅(qū)動器內(nèi)，對此進(jìn)行仿真（見圖5）。

圖5 工程等效仿真

圖5 中，設(shè)定的環(huán)境溫度為60 °C，在仿真模型達(dá)到熱平衡后，經(jīng)過記錄和測量伺服驅(qū)動器關(guān)鍵器件的溫升，滿足器件的可工作范圍，更是符合了設(shè)計的需求；驗證了此計算過程的合理性和可行性。

通過理論的分析和計算指導(dǎo)，以及工程仿真，驗證了理論推導(dǎo)的合理性。這對機(jī)器人的散熱設(shè)計提供了理論保障和指導(dǎo)意義，通過理論分析，可在設(shè)計中思考如何根據(jù)實(shí)際工程的客觀限制因素，合理化地設(shè)計適合自身系統(tǒng)所使用的散熱器。