전기영구자석

영구자석 또는 EPM은 영구 자석의 일종으로 자석의 일부를 감은 와이어에서 전류의 펄스에 의해 외부 자기장이 켜지거나 꺼질 수 있다.자석은 "강력"(강력성) 자성 재료와 "부드러운"(저강력) 자성 재료의 두 부분으로 구성된다.후자의 자화 방향은 전자를 중심으로 감은 와이어의 전류의 맥박에 의해 전환될 수 있다.자석처럼 부드럽고 단단한 물질에 반대되는 자석이 있을 때 자석은 극을 가로지르는 순 외부장을 생성하지 않는 반면 자석의 자화 방향이 정렬되면 외부 자기장을 생성한다.^[1][2]

전기영구 자석이 발명되기 전에 제어 가능한 자기장이 필요한 애플리케이션은 작동 시 많은 양의 전력을 소비하는 전자석을 필요로 했다.^[when?]영구 자석은 자기장을 유지하기 위해 전원을 필요로 하지 않는다.강력한 희토류 자석으로 만들어진 전기영구 자석은 무거운 철 금속 물체를 들어올리는 산업용 리프팅(트랙티브) 자석으로 사용된다. 물체가 목적지에 도착하면 자석을 꺼서 물체를 방출할 수 있다.프로그램 가능한 자석도 자기 구축 구조를 만드는 수단으로 연구되고 있다.^[2][3]

설명

전기영구자석은 전류 펄스를 적용하여 외부 자기장을 켜고 끌 수 있는 자성 물질의 특별한 구성이다.EPM은 마그네틱 래치(오른쪽 사진)라는 일반적인 자기 구성을 기반으로 한다.이 구성 어셈블리의 일반적인 예는 블록의 양쪽에 연성 자석 물질(일반적으로 철 합금)의 두 판이 있는 영구 자석 블록에 의해 구축된다.그 두 판은 영구 자석의 크기를 초과한다.플레이트는 공기보다 투과성이 높았기 때문에 영구 자석의 자속을 농축할 것이다.세 번째(외부) 소프트 자석 플레이트를 다른 두 플레이트에 접촉시키면 자속이 부드러운 자석 플레이트에 갇혀 폐쇄 자기회로를 생성하며 자석에 의해 생성되는 자기장은 최대(약 자석 리매넌스)가 된다.^[2][4]

EPM은 플레이트 사이에 최소 두 개의 영구 자석을 가지고 있다.EPM에 의해 생성되는 자기장은 전류가 아닌 영구 자석에 의해 생성되며 이것이 전자석과의 주요 차이점이다.EPM은 원하는 방향으로 자석 중 하나를 자기화하기 위해 전류의 펄스만을 사용한다(래치의 외부 자기장 켜기 및 끄기).자석의 방향을 바꾼 후에는 전류가 필요하지 않으며 필드가 영구 자석에 따라 되돌아간다.

전기영구자석원리

EPM의 원리를 설명하기 위해 다음 그림의 구성을 제시한다.두 개의 영구 자석은 두 개의 U자형 철봉으로 조립된다.만약 두 자석의 북극이 위를 향하고 있다면, 우리는 왼쪽에 있는 구성을 가지게 될 것이다.상단의 철 U는 북쪽 두 개의 끝부분을 보고 플럭스 라인을 집중시키겠지만 자속을 억제할 수 없고 플럭스가 공기를 통해 흘러 다른 철 U를 찾으려 할 것이다.일반 스키마에서 상단의 철 U는 큰 자석의 북극이 되고 하단의 철 U는 남극이 된다.이 구성에서는 큰 자석이 켜져 있다고 말할 수 있다.

단단한 자석(북극이 아래를 가리키고 있음) 하나를 돌리면 위에 있는 철 U가 북극과 남극을 보게 된다.다른 철제 U는 정반대로 볼 것이다.이렇게 하면 거의 모든 자속이 두 철 U의 내부에 집중되어 자기장을 위한 근접 회로가 형성될 것이다(철의 높은 투과성 때문이다).모든 유속이 구조물 내부에 갇혀 있기 때문에 외부의 자속은 거의 존재하지 않게 되었다.이 구성에서는 큰 자석이 꺼졌다고 말할 수 있다.

이제 우리는 앞으로 나아갈 수 있고 기계적으로 자석 중 하나를 회전시키는 대신에 자석의 자석화 방향을 뒤집을 수 있다.이를 위해 다음 그림에 구성을 빌드할 수 있다.

솔레노이드에 충분한 전류를 주입하면 내부에서 생성된 자기장이 자석의 고유 강제성(${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\$보다 높아지도록 코일을 자석 중 하나에 감는다.$$이 경우 영구 자석은 솔레노이드 내부의 필드 방향으로 자화된다.전류의 동일한 펄스를 반대 방향으로 가하면 자석이 반대 방향으로 자화된다.따라서 우리는 기계적으로 자석을 회전할 때와 같은 행동을 하게 된다.이 구성은 전기 영구 자석의 개념이다.우리는 전류의 펄스를 이용하여 자석 중 하나의 자석화 방향을 반대로 바꾸면 외부 자기장을 켜고 끌 것이다.

두 자석 모두 같은 코일에 감길 수 있다는 점을 언급하는 것도 중요하지만, 다른 자석의 자기화 방향을 바꾸지 않고 자기화 방향을 뒤집기 위해서는 자석 중 하나가 다른 자석보다 내적 강제성이 훨씬 낮아야 한다.이 설명에서 우리는 NdFeB로 만들어진 자석과 AlNiCo로 만들어진 자석을 사용한다. 왜냐하면 두 재료 모두 동일한 리마인턴스(약 1개)를 가지고 있기 때문이다.3T) 그러나 AlNiCo는 50kA/m의 내적 강제성이 낮은 반면 NdFeB는 1120kA/m의 내적 강제성을 가지고 있다.

자기 회로 분석

자기 회로 분석을 사용하여 다음과 같은 개략도를 사용하여 간단한 EPM을 나타낼 수 있다.

우리는 서로 다른 재료로 만들어진 영구 자석 2개(AlNiCo와 NdFeB)를 제시하며, 연성 자석은 Hiperco로 만들어진다.^[5]히페르코의 추가 세그먼트가 회로를 닫고 더 잘 계산된 결과를 얻는 것으로 나타난다.갭 거리의 함수로서 공기에서 생성되는 자기장과 자기장을 계산하기 위한 공극(EPM의 각 면에 하나씩)이 포함된다.이는 (하이퍼코의 추가 세그먼트에 대한) EPM의 힘을 분리 거리의 함수로서 표현하게 된다.

회로 내 구성 요소의 값을 계산하기 위해 흐름의 모든 영역이 동일한 치수를 갖는다고 가정한다.선택한 자석이 원통형 모양인 경우 자석의 흐름 $면적$은${\displaystyle }$A = ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle \cdot }$ ${\displaystyle {r\mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\$ A$=\pi \cdot$ r$^{2$}}이며$$, 히페르코 블록은 동일한 영역을 가지기$$ 위해 측면 $s{\displaystyle }$= ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \cdot }$ ⋅ ${\displaystyle \pi \sqrt{}}$ {$$\$displaysty s=r\sqrt {\\sqrt${\pi$$}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}.

AlNiCo 자석의 경우 $다음$과 같이 자력(MMF), 저항 R ${\$ 및$$ 자력 흐름을 계산할 수 있다.

${\displaystyle MMF_{AlNiCo}=H_{C-AlNiCo}\cdot L_{AlNiCo}}$

${\displaystyle {\mathcal{R}_{AlNiCo}={\frac {L_{AlNiCo}{\frac {B_{r-AlNiCo}}}}}}{H_{C-AlNiCo}}\cdot A}}$

${\displaystyle \Phi _{AlNiCo}={\frac {MMF_{AlNiCo}{{\mathcal{R}_{AlNiCo}}}}}}}}$

NdFeB 자석의 경우 MMF(자전력), 저항 $R{\displaystyle \mathcal{}}$ ${\$ 및$$ 자석 위의 자석 흐름을 동일한 방법으로 계산할 수 있다.

${\displaystyle MMF_{NdFeB}=H_{C-NdFeB}\cdot L_{NdFeB}}}$

${\displaystyle {\mathcal{R}_{NdFeB}={\frac {L_{NdFeB}{\frac {B_{r-NdFeB}}{H_{C-NdFeB}}}\cdot A}}}}}}}}}$

${\displaystyle \Phi _{NdFeB}={\frac {MMF_{NdFeB}}{{\mathcal{R}_{NdFeB}}}}}}}}}$

갭 및 히페르코에 대한$$ 저항 $R{\displaystyle \mathcal{}}$ ${\$에 대한 표현도 생성할 수 있다.

${\displaystyle {\mathcal{R}_{gap}={\frac {L_{gap}{\mu_{0}\cdot A}}}}$

${\displaystyle {\mathcal{R}_{hiperco}={\frac {L_{hiperco}{\mu_{r-hiperco}\cdot A}}}}$

그러나 자기 회로는 전기 소스 변환을 사용하고 모든 히페르코를 하나의 큰 거부감에서 고려함으로써 단순화될 수 있다(주로 그러한 작은 거부감의 조각의 가치는 영구 자석의 거부감에 비해 무시할 수 있기 때문이다).위의 그림에서 자성 회로의 단순화된 버전이 오른쪽에 제시되었다.

등가 거부감(${\displaystyle {\mathcal{}}_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ ${\displaystyle q_{}}$ ${\displaystyle u_{}}$ i v ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle l_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ n ${\displaystyle t_{}}$ ${\$을 계산하여 자석을 대체할 수 있다.

${\displaystyle {\mathcal{R}_{equivalent}=\왼쪽({\frac {1}{{\mathcal {R}_{NdFeB}}}}+{\frac {1}{\mathcal {R}_{AlNiCo}}}\right)^{-1}{-1}:{-1}$

등가 MMF의 경우 두 개의 다른 값이 있을 것이다.EPM이 켜져 있고 두 흐름이 동일한 방향(추가)에 있는 경우:

EPM ON:

${\displaystyle \color {green}MMF_{등가}={\mathcal {R}_{등가}}\cdot \왼쪽(\Phi _{NdFeB}+\Phi _{AlNiCo}\오른쪽)}$

그리고 EPM이 OFF이고 자속이 반대 방향(굴절)일 때 또 하나.

EPM OFF:

${\displaystyle \color {red}MMF_{equivalent}={\mathcal {R}_{equivalent}\cdot \왼쪽(\Phi_{NdFeB}-\Phi _{AlNiCo}\오른쪽)}$

EPM의 두 단계에 대한 MMF의 값과 그에 상응하는 성분의 값을 알면 우리는 자속과 자속 밀도(B)를 계속 계산할 수 있다.

${\displaystyle \Phi _{gap}={\frac {MMF_{equivalent}{2\cdot {\mathcal{R}}}}+{\mathcal {R}+{{hiperco}}+{\mathcal{R}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

${\displaystyle \mathbf {B} _{gap}={\frac {\Phi _{gap}}{{gap}}}{{\pap}}}}A}}$

프링 없이 두 자화된 표면 사이의 힘의 원래 공식은 잘 알려져 있으며, 아래에 제시되어 있다.공식에서 힘은 2로 나눈다.간격에 해당하는 두 영역의 힘을 계산하기 때문에 간격 거리의 함수로서 힘을 계산하는 방정식은 다음과 같다.

${\displaystyle \mathbf {F} _{(갭 거리)}}={\frac {(\mathbf {B} _{gap})^{2}\cdot A}{\mu _{0}}}}}}}}}}$

EPM 디자인

자화 코일 제작

첫 번째 가장 중요한 단계는 자기장을 만들어 알니코 자성을 역전시키는 솔레노이드를 설계하는 것이다.앞에서 언급한 바와 같이, AlNiCo는 50kA/m의 내재적 강제성을 가지고 있으므로 최소한 다음과 같은 필드($B{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle l_{}}$ y${\displaystyle {}_{}}$= ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ H ${\displaystyle c_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$= ${\displaystyle 62}$.${\displaystyle \mathrm{8m}}$T {\$displaystyle B_{appy}=\mu _{0})$를 생성해야 한다.$H_{ci}=62.8mT$ 내적인 강제성보다 3배 높은 필드를 설계하여 물질을 완전히 자화시키는 것이 좋다.아래 그림은 코일 설계 매개변수를 보여준다.

설계를 완료하기 위한 다음 단계는 두꺼운 솔레노이드에^[6] 대한 방정식을 사용하여 코일의 중간점에 있는 B 필드를 계산하는 것이다($$알기: ${\displaystyle B_{}}$ z${\displaystyle {}_{}}$= ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle H_{}}$ z ${\$

${\displaystyle H_{z}(0)={\frac {N\cdot i}{D_{2}-D_{1}}\cdot ln\왼쪽({\frac {D_{2}+{\sqrt{D_}}}}}{2}}}}+L^{2}}}}{D_{1}+{\sqrt {{D_{1}}^{2}+L^{2}}}}\오른쪽)}$

그러면 와이어의 길이와 솔레노이드에 사용할 턴 수를 계산해 볼 필요가 있다.프린스턴 물리학에 의해 제공된 방정식이 사용되었으므로 N은 턴 수이고 L은 와이어 길이:

${\displaystyle N={\frac {L}{d_{wire}}\cdot {\frac {\(D_{2}-D_{1}}}}{2\cdot d_{wire}}}}}}}}}}}\cdot d_{wire}}}}}}}}}}}.$

${\displaystyle L_{wire}=0.515\cdot N\cdot \pi \cdot (D_{2}+D_{1}})$

다른 와이어에 대해 ^[8]제공된 AWG 표를 사용하면 서로 다른 와이어의 직경과 처리할 수 있는 최대 전류(전원 전송을 위한 최대 전류)로 스프레드시트를 만들 수 있다.

이 문제를 해결하려면 D1, 솔레노이드 길이를 L로, 전류를 각 와이어에 허용되는 최대값으로 고정해야 한다.이것은 D2를 변경하여 Bz를 계산하는 최적화 문제를 단순화한다.스프레드시트에서 해결사 기능을 사용하여 이 값을 계산할 수 있다.

After this it is possible to include parameters for the resistance (cooper resistance in mΩ/m multiply by the wire length), the power as ${\displaystyle P=I^{2}\cdot R}$ and the voltage as ${\displaystyle V=P/I}$. A different value for each AWG wire gauge will be generated and the voltage and power to obtain최대 전류에서 원하는 Bz를 계산해야 한다.검사에 의해 최소한의 전력 소비로 와이어를 찾을 수 있다.

코일을 설계하는 마지막 단계는 코일 내부의 위치 함수로 코일 내부에 B 필드를 표시하는 것이다.두꺼운 솔레노이드에^[6] 대해 방정식의 전체 버전을 사용하고 -L/2와 L/2 사이에 z 변동을 만들 것이다.

${\displaystyle H_{z}(Z)={\frac {N\cdot i}{2L\cdot (D_{2}-D_{1})}}\cdot \left[(L+2z)\cdot ln\left({\frac {D_{2}+{\sqrt {{D_{2}}^{2}+(L+2z)^{2}}}}{D_{1}+{\sqrt {{D_{1}}^{2}+(L+2z)^{2}}}}}\right)+(L-2z)\cdot ln\left({\frac {D_{2}+{\sqrt {{D_{2}}^{2}+(L-2z)^{2}}}}{D_{1}+{\sqrt {{D_{1}}^{2}+(L-2z)^{2}}}}}\right)\right]}$

자기력 계산

앞에서 언급한 힘의 공식을 사용하여 힘을 외부 히페르코 바의 간격 거리의 함수로 표시할 수 있다.두 개의 곡선을 구했다: 하나는 ON 상태의 EPM이고 다른 하나는 OFF 상태의 EPM의 경우:이러한 힘을 함께 그림으로 그릴 경우 ON과 OFF일 때 EPM과의 최소 4개의 크기 차이를 관찰할 수 있다(이 그림은 두 개의 원통형 자석(NdFeB, 지름 1mm의 AlNiCo-)을 가진 EPM의 예다.연성 자석 재료는 0.889mm 측면의 정사각형 단면 바가 있는 히페르코로, 플럭스 면적이 자석에 있는 것과 동일하도록 한다.

다중물리학 시뮬레이션

EPM이 $[\displaystyle 300\m]$ x$$ $[\displaystyle 400\m]$의 예로는 EPM이 ON/OFF일 때 자기장의 차이를 검증하는 시뮬레이션이$$ 있다.이 시뮬레이션은 소프트웨어 COMSOL Multiphysics®에 의해 유한 요소 접근법을 사용하여 수행되었다.아래 그림은 EPM ON/OFF에 대한 자기 플럭스 밀도장(B)의 시뮬레이션(특정 평면의 플럭스를 계산함)과 아래는 EPM 상단에 있는 플럭스 밀도의 다중 단면 측정(ON 및 OFF도)을 보여준다.시뮬레이션 결과, 자기 회로 모델을 확인하는 두 운전모드 사이에 외부 자기장 차이가 최소 4배 이상 있는 것으로 나타났다.

적용들

프로젝트 아라

프로젝트 아라는 구글이 모든 부품을 교환할 수 있고 장치가 켜져 있는 동안 교체할 수 있는 모듈형 전화기를 만들려는 공개 하드웨어 이니셔티브였다.이 프로젝트는 원래 전화기의 모듈을 내골격에 고정시키는 방법으로 EPM을 사용하는 것으로 발표되었다.하지만 이 프로젝트는 나중에 그들이 대체 방법을 찾고 있다고 발표했다.^[9][10][11]

관련 동영상:

• 프로젝트 ARA
• 프로젝트 ARA의 EPM

이 사업은 2016년 9월 2일에 중단되었다.테크널리서치의 밥 오도넬은 "이것은 실패한 과학 실험이었고, 그들은 계속 나아가고 있다"^[12]고 말했다.

드론 패키지 배송 시스템

드론용 그립 시스템은 전기 영구 자석을 사용하여 개발되었다.^[13]드론이 환경설정에 EPM을 사용하기 시작했기 때문이다.니카드론은 원격으로 패키지를 픽업 및 배송하기 위해 상용 가능한 드론에 통합할 모듈 회로를 만드는 스타트업이다.

관련 동영상:

• 드론용 EPM: 1
• 드론용 EPM: 2

재구성 가능한 물질

6면의 주사위를 사용하고 양쪽에 EPM을 포함시키는 것은 이 페블스 로봇 뒤에 숨겨진 개념으로, 단순한 모양을 해석하고 다른 쪽에 어떤 블록을 부착해야 하는지를 선택하여 재생산할 수 있다.^[14]

관련 동영상:

• 재구성 가능한 물질

Logitech MX Master 3 마우스 스크롤 휠

이 마우스의 스크롤 휠은 "MagSpeed"라는 기술을 사용한다: 마우스는 일반적인 래치킹 느낌과 자유 회전 모드 사이를 빠르게 전환한다.로지텍 팀은 모드를 빠르게 전환하기 위해 코일에 동력을 공급하는 작은 회로를 설계하여 바퀴의 내부 구멍 안에 가만히 앉아 있는 EPM을 작동시켜 코일이 통과할 때 작은 이빨을 잡아당겨 사용자에게 기계적 멈춤쇠의 착각을 일으켰다.이 EPM은 전원이 차단된 상태에서도 계속 전원이 공급된다.자석을 사용하면 마우스 하드웨어의 이전 버전과 마찬가지로 시간이 지남에 따라 기계적 마모가 제거되며, 자석은 전기영구적이기 때문에 전환 모드를 제외하고 전력 소비량은 0이다.

관련 기사:

• Logitech MX Master 3 해체

외부 링크

• 2012년 4월, MIT BBC 뉴스에서 스스로 흠집을 내는 모래 로봇이 개발되고 있다.
• 전기영구식 카고 그리퍼
• 프로그래밍 가능한 매터를 위한 정전기 제로 자석
• 영구 자석 커넥터 및 액추에이터

참고 항목

• 자석
• 전자석
• 마그네틱 베이스
• 변수 Halbach 배열

참조