Электропостоянный магнит - Electropermanent magnet

An электропостоянный магнит или же EPM это тип постоянный магнит в котором внешний магнитное поле может быть включен или выключен импульсом электрического тока в проводе, намотанном вокруг части магнита. Магнит состоит из двух секций, одна из которых «жесткая» (высокая принуждение ) магнитный материал и один из «мягких» (низкий принуждение ) материал. Направление намагничивания в последнем элементе можно переключить импульсом тока в проводе, намотанном вокруг первого. Когда магнитомягкие и твердые материалы имеют противоположные намагниченности, магнит не создает результирующего внешнего поля поперек своих полюсов, а когда их направление намагниченности совмещено, магнит создает внешнее магнитное поле.^[1][2]

До изобретения постоянного магнита^{[когда? ]} приложения, требующие контролируемого магнитного поля электромагниты, которые потребляют большое количество энергии при работе. Электропостоянные магниты не требуют источника питания для поддержания магнитного поля. Электропостоянные магниты с мощным редкоземельные магниты Используются как промышленные подъемные (тяговые) магниты для подъема тяжелых предметов из черных металлов; когда объект достигнет места назначения, магнит можно выключить, выпуская объект. Программируемые магниты также исследуются как средство создания самостроящихся структур.^[2][3]

Описание

Электропостоянный магнит - это особая конфигурация магнитных материалов, в которой внешнее магнитное поле можно включать и выключать с помощью импульса тока. EPM основан на обычной магнитной конфигурации, называемой магнитной защелкой (рисунок справа). Общий пример этой конфигурации сборки состоит из блока постоянного магнита с двумя пластинами из магнитомягких материалов (обычно из сплавов железа) с каждой стороны блока. Эти две пластины превышают размеры постоянного магнита. Поскольку пластины имеют более высокую проницаемость, чем воздух, они будут концентрировать магнитный поток постоянного магнита. Когда третья (внешняя) пластина с мягким магнитом соприкасается с двумя другими пластинами, магнитный поток будет ограничиваться пластинами с мягким магнитом, создавая замкнутую магнитную цепь, и магнитное поле, создаваемое магнитом, будет максимальным (приблизительно остаточная магнитная индукция) .^[2][4]

Между пластинами EPM есть как минимум два постоянных магнита. Магнитное поле, создаваемое EPM, создается постоянными магнитами, а не электрическими токами, и в этом основное отличие от электромагнитов. EPM использует только импульс тока для намагничивания одного из магнита в нужном направлении (включение и выключение внешнего магнитного поля защелки). После изменения направления магнита ток не требуется, и поле вернется в зависимости от постоянных магнитов.

Принцип электропостоянного магнита

Чтобы объяснить принцип работы EPM, представлена ​​конфигурация на следующем рисунке. Два постоянных магнита собраны с двумя U-образными (подковообразными) металлическими стержнями. Если северный полюс обоих магнитов направлен вверх, у нас будет конфигурация, описанная слева: железо U наверху будет видеть два северных полюса на своих концах и будет концентрировать силовые линии, но не сможет удерживать магнитное поле. Поток и поток будут проходить через воздух и будут пытаться найти другое железо U. В общей схеме железо U наверху станет северным полюсом большого магнита, а нижнее железо U станет южным полюсом. В этой конфигурации можно сказать, что есть большой магнит НА.

Представление конфигурации магнитной защелки, которая может включать и выключать внешнее магнитное поле, вращая один из магнитов.

Если мы повернем один из жестких магнитов (точка северного полюса вниз), железная буква U наверху увидит северный полюс и южный полюс. Другое железо U увидит с точностью до наоборот. Таким образом, почти весь магнитный поток будет сосредоточен внутри обеих железных U, создавая замкнутый контур для магнитного поля (из-за высокой проницаемости железа). Поскольку весь поток был заключен внутри структуры, магнитный поток снаружи стал практически отсутствующим. В этой конфигурации можно сказать, что большой магнит ВЫКЛЮЧЕННЫЙ.

Теперь мы можем двигаться вперед и вместо механического вращения одного из магнитов мы можем изменить направление его намагничивания. Для этого мы можем построить конфигурацию, показанную на следующем рисунке:

Принцип EPM. Представление конфигурации магнитной защелки, в которой внешнее магнитное поле может включаться и выключаться путем изменения направления намагничивания одного из магнитов на обратное под действием тока в катушке.

Катушка намотана вокруг одного из магнитов таким образом, что если мы введем достаточный ток (в импульсе) в соленоид, генерируемое внутри магнитное поле будет выше, чем собственная коэрцитивная сила магнита (${ displaystyle H_ {ci}}$). В этом случае постоянный магнит будет намагничен в направлении поля внутри соленоида. Применение того же импульса тока в противоположном направлении приведет к намагничиванию магнита в противоположном направлении. Следовательно, мы ведем себя так же, как при механическом вращении магнита. Эта конфигурация является концепцией электропостоянного магнита: с помощью импульса тока мы меняем направление намагничивания одного из магнитов, и мы включаем и выключаем внешнее магнитное поле.

Важно отметить, что оба магнита могут быть намотаны в одной и той же катушке, но необходимо, чтобы один из магнитов имел гораздо более низкую собственную коэрцитивную силу, чем другой, чтобы изменить направление их намагничивания без изменения направления намагничивания другого. Во время этого объяснения мы используем один магнит из NdFeB, а другой из AlNiCo, потому что оба материала имели одинаковую остаточную магнитную индукцию (около 1,3 Тл), но AlNiCo имеет более низкую внутреннюю коэрцитивную силу 50 кА / м, тогда как собственная коэрцитивная сила NdFeB составляет 1120 кА / м.

Анализ магнитной цепи

Используя анализ магнитной цепи, мы можем представить простой EPM, используя следующую схему:

Подробная и упрощенная схема магнитной цепи EPM.

Мы представляем два постоянных магнита из разных материалов (AlNiCo и NdFeB), а мягкий магнит изготовлен из Hiperco.^[5] Показано, что дополнительный сегмент hiperco замыкает цепь и дает лучшие результаты расчетов. Имеется воздушный зазор (по одному для каждой стороны EPM) для расчета магнитного потока и поля, создаваемого в воздухе, как функции расстояния зазора. Это приведет к получению выражения силы EPM (приложенной к дополнительному сегменту hiperco) как функции разделительного расстояния.

Концепция конструкции ЭПМ.

Для расчета значений компонентов в схеме мы будем предполагать, что все области в потоке имеют одинаковые размеры. Если выбранные магниты имели цилиндрическую форму, то площадь обтекания магнитов будет равна ${ Displaystyle А = пи cdot г ^ {2}}$ и блоки hiperco будут иметь квадратное сечение стороны ${ displaystyle s = r cdot { sqrt { pi}}}$ чтобы иметь такую ​​же площадь.

Для магнита AlNiCo мы можем рассчитать магнитодвижущую силу (МДС), сопротивление ${ Displaystyle { mathcal {R}}}$ и магнитный поток над этим магнитом как:

${ Displaystyle MMF_ {AlNiCo} = H_ {C-AlNiCo} cdot L_ {AlNiCo}}$

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

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

Для магнита NdFeB мы можем рассчитать магнитодвижущую силу (МДС), сопротивление ${ Displaystyle { mathcal {R}}}$ и магнитный поток над этим магнитом таким же образом:

${ Displaystyle MMF_ {NdFeB} = H_ {C-NdFeB} cdot L_ {NdFeB}}$

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

${ Displaystyle Phi _ {NdFeB} = { frac {MMF_ {NdFeB}} {{ mathcal {R}} _ {NdFeB}}}}$

Выражения для сопротивления ${ Displaystyle { mathcal {R}}}$ из зазора и гиперка также могут быть созданы:

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

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

Но магнитную цепь можно упростить, используя преобразования электрического источника и рассматривая все hiperco только в одном большом сопротивлении (в основном потому, что значение этих маленьких частей сопротивления незначительно по сравнению с сопротивлением постоянных магнитов). Упрощенный вариант магнитопровода был представлен справа на картинке выше:

Эквивалентное сопротивление (${ displaystyle { mathcal {R}} _ {эквивалент}}$) можно рассчитать на замену магнитов:

${ displaystyle { mathcal {R}} _ {эквивалент} = left ({ frac {1} {{ mathcal {R}} _ {NdFeB}}} + { frac {1} {{ mathcal { R}} _ {AlNiCo}}} right) ^ {- 1}}$

Для эквивалентного MMF будут два разных значения. Один, когда EPM включен и оба потока идут в одном направлении (сложение):

EPM ON:

${ Displaystyle цвет {зеленый} MMF_ {эквивалент} = { mathcal {R}} _ {эквивалент} cdot left ( Phi _ {NdFeB} + Phi _ {AlNiCo} right)}$

И еще один, когда EPM выключен, а магнитные потоки противоположны (вычитание)

EPM ВЫКЛ:

${ Displaystyle цвет {красный} MMF_ {эквивалент} = { mathcal {R}} _ {эквивалент} cdot left ( Phi _ {NdFeB} - Phi _ {AlNiCo} right)}$

Зная значение MMF для двух стадий EPM и эквивалентных компонентов, мы можем продолжить расчет магнитного потока и плотности магнитного потока (B):

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

${ displaystyle mathbf {B} _ {пробел} = { гидроразрыв { Phi _ {пробел}} {A}}}$

Исходная формула силы между двумя намагниченными поверхностями без окантовки хорошо известна и представлена ​​ниже. В формуле сила делится на 2. Поскольку мы собираемся вычислить силу для двух областей, соответствующих зазорам, уравнение для расчета силы как функции расстояния зазора выглядит так:

${ displaystyle mathbf {F} _ {(расстояние-разрыв)} = { frac {( mathbf {B} _ {gap}) ^ {2} cdot A} { mu _ {0}}}}$

Конструкция EPM

Изготовление катушки намагничивания

Расчетные параметры катушки намагничивания в EPM.

Первым и наиболее важным шагом является создание соленоида, который будет создавать магнитное поле для изменения намагниченности AlNiCo. Как упоминалось ранее, AlNiCo имеет внутреннюю коэрцитивную силу 50 кА / м, поэтому необходимо создать поле как минимум: ${ displaystyle B_ {apply} = mu _ {0} H_ {ci} = 62,8 мт}$. Для полного намагничивания материала рекомендуется проектировать поле, в 3 раза превышающее собственную коэрцитивную силу. На рисунке ниже показаны параметры конструкции катушки:

Следующим шагом для завершения проектирования является расчет поля B в средней точке катушки с использованием уравнений для толстых соленоидов.^[6] (зная:${ displaystyle B_ {z} = mu _ {0} H_ {z}}$):

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

Затем необходимо рассчитать длину провода и количество витков, которые мы собираемся использовать в соленоиде. Уравнения, предоставленные физикой Принстона ^[7] был использован, поэтому N - количество витков, а L - длина провода:

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

${ Displaystyle L_ {провод} = 0,515 cdot N cdot pi cdot (D_ {2} + D_ {1})}$

Используя таблицу AWG, предоставленную,^[8] для разных проводов можно создать таблицу с диаметром разных проводов и максимальным током, с которым они могут работать (Максимальный ток для передачи энергии).

Чтобы решить эту проблему, необходимо установить D1, длину соленоида на L и ток на максимальное значение, разрешенное для каждого провода. Это упростит задачу оптимизации, ведущую к вычислению Bz путем изменения D2. Это значение можно вычислить с помощью функции решателя в электронной таблице.

После этого можно включить параметры для сопротивления (сопротивление меди в мОм / м умножить на длину провода), мощность как ${ Displaystyle P = I ^ {2} cdot R}$ а напряжение как ${ Displaystyle V = P / I}$. Будет сгенерировано различное значение для каждого калибра провода AWG, и необходимо рассчитать напряжение и мощность для получения желаемого Bz при максимальном токе. При осмотре можно найти провод с минимальным энергопотреблением.

Последним шагом при проектировании катушки является построение поля B внутри катушки как функции положения внутри катушки. Мы будем использовать полную версию уравнения для толстых соленоидов^[6] и меняем z от -L / 2 до L / 2:

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

Расчет магнитной силы

Используя формулу для силы, упомянутую ранее, можно построить график силы как функцию расстояния зазора внешнего стержня hiperco. Были получены две кривые: одна для EPM в состоянии ON, а другая для EPM в состоянии OFF: если построить график этих сил вместе, можно наблюдать разницу по крайней мере на 4 порядка величины от EPM, когда он включен и выключен. (Этот график представляет собой пример EPM с двумя цилиндрическими магнитами - одним NdFeB и другим AlNiCo- диаметром и длиной 1 мм. Мягким магнитом является hiperco с стержнями квадратного сечения со стороной 0,889 мм, чтобы площадь магнитного потока была равна магниты):

График сил между EPM и внешним стержнем как функция расстояния между ними. Для включения и выключения EPM.

Мультифизическое моделирование

Пример EPM ${ displaystyle 300 mu m}$ к ${ displaystyle 400 мкм}$ представляет собой моделирование для проверки разницы в магнитном поле, когда EPM включен и выключен. Это моделирование было выполнено с использованием метода конечных элементов в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®. На рисунке ниже показано моделирование поля плотности магнитного потока (B) для EPM ON и OFF (с вычислением потока в этой конкретной плоскости) и ниже показаны несколько измерений плотности потока в поперечном сечении поверх EPM (ON и OFF также). Моделирование показало, что существует не менее 4 порядков разницы во внешних магнитных полях между двумя рабочими режимами, что подтверждает модель магнитной цепи.

Мультифизическое моделирование (COMSOL Multiphysics®) EPM для включения и выключения.

Приложения

Проект Ара

Project Ara - это открытая аппаратная инициатива Google по созданию модульного телефона, в котором все компоненты взаимозаменяемы и могут быть заменены, пока устройство включено. Первоначально было заявлено, что в проекте используются EPM в качестве метода крепления модулей телефона к его эндоскелету. Однако позже проект объявил, что ищут методы замены.^[9][10][11]

Похожие видео:

• Проект ARA
• EPM в проекте ARA

Проект был приостановлен 2 сентября 2016 года. Боб О’Доннелл из TECHnalysis Research сказал: «Это был научный эксперимент, который провалился, и они продолжают двигаться вперед».^[12]

Система доставки посылок дроном

Системы захвата для дронов были разработаны с использованием постоянных электромагнитов.^[13] для дронов начали использовать EPM для их конфигурации. Nicadrone - это начинающая компания, которая создает модульные схемы для интеграции с коммерческими дронами для удаленного приема и доставки посылок.

Похожие видео:

• ЭПМ для дронов: 1
• EPM для дронов: 2

Реконфигурируемая материя

Использование кубика с шести сторон и включения EPM на каждой стороне - это концепция, лежащая в основе этих роботов Pebbles, которые способны интерпретировать простую форму и воспроизводить ее, выбирая, какие блоки должны быть прикреплены к другому.^[14]

Похожие видео:

• Реконфигурируемая материя

Внешняя ссылка

• В Массачусетском технологическом институте (Массачусетский технологический институт) разрабатывают самослепляющие песчаные роботы BBC News, апрель 2012 г.
• Электропостоянный захват груза
• Нулевая статическая мощность Магниты для программируемых материалов
• Электропостоянные магнитные соединители и приводы

Смотрите также

• Магнит
• Электромагнит
• Магнитная база
• Переменный массив Хальбаха

Рекомендации