Imán electropermanente

Un imán electropermanente o EPM es un tipo de imán permanente en el que el campo magnético externo se puede activar o desactivar mediante un pulso de corriente eléctrica en un cable que se enrolla alrededor de una parte del imán. El imán consta de dos secciones, una de material magnético "duro" (alta coercitividad ) y otra de material "blando" (baja coercitividad ). La dirección de magnetización en la última pieza se puede cambiar mediante un pulso de corriente en un cable que se enrolla alrededor de la primera. Cuando los materiales magnéticamente blandos y duros tienen magnetizaciones opuestas, el imán no produce un campo externo neto a través de sus polos, mientras que cuando su dirección de magnetización está alineada, el imán produce un campo magnético externo. ^{[1] [2]}

Antes de que se inventara el imán electropermanente, ^{[ ¿cuándo? ]} las aplicaciones que necesitaban un campo magnético controlable requerían electroimanes , que consumen grandes cantidades de energía cuando funcionan. Los imanes electropermanentes no requieren una fuente de energía para mantener el campo magnético. Los imanes electropermanentes fabricados con potentes imanes de tierras raras se utilizan como imanes de elevación (tracción) industriales para levantar objetos metálicos ferrosos pesados; cuando el objeto llega a su destino, el imán se puede apagar, liberando el objeto. También se están investigando los imanes programables como un medio para crear estructuras autoconstruibles. ^{[2] [3]}

Descripción

Un imán electropermanente es una configuración especial de materiales magnéticos donde el campo magnético externo se puede activar y desactivar aplicando un pulso de corriente. El EPM se basa en una configuración magnética común llamada pestillo magnético (imagen de la derecha). Un ejemplo general de este conjunto de configuración está formado por un bloque de imán permanente con dos placas de materiales magnéticos blandos (generalmente aleaciones de hierro) a cada lado del bloque. Esas dos placas superan las dimensiones del imán permanente. Debido a que las placas tienen una permeabilidad mayor que el aire, concentrarán el flujo magnético del imán permanente. Cuando se coloca una tercera placa de imán blando (externa) en contacto con las otras dos placas, el flujo magnético fluirá confinado en las placas magnéticas blandas creando un circuito magnético cerrado y el campo magnético producido por el imán será máximo (aproximadamente la remanencia del imán). ^{[2] [4]}

Un EPM tiene al menos dos imanes permanentes entre las placas. El campo magnético generado por el EPM es producido por los imanes permanentes, no por corrientes eléctricas, y esta es la principal diferencia con los electroimanes. Un EPM utiliza solo un pulso de corriente para magnetizar uno de los imanes en una dirección deseada (activando y desactivando el campo magnético externo del pestillo). Después de cambiar la dirección del imán, no se necesita corriente y el campo volverá a depender de los imanes permanentes.

Principio del imán electropermanente

Para explicar el principio del EPM, se presenta la configuración de la siguiente imagen. Se ensamblan dos imanes permanentes con dos barras de hierro en forma de U (herradura). Si el polo norte de ambos imanes está apuntando hacia arriba tendremos la configuración descrita a la izquierda: La U de hierro en la parte superior verá dos nortes en sus extremos y concentrará las líneas de flujo pero no podrá contener el flujo magnético y el flujo fluirá a través del aire e intentará encontrar la otra U de hierro. En un esquema general, la U de hierro en la parte superior se convertirá en un polo norte del imán grande y la U de hierro inferior se convertirá en un polo sur. En esta configuración podemos decir que hay un imán grande ON .

Representación de una configuración de pestillo magnético que puede activar y desactivar el campo magnético externo girando uno de los imanes.

Si giramos uno de los imanes duros (con el polo norte hacia abajo), la U de hierro de la parte superior verá un polo norte y un polo sur. La otra U de hierro verá exactamente lo contrario. De esta manera, casi todo el flujo magnético se concentrará dentro de ambas U de hierro, creando un circuito cerrado para el campo magnético (debido a la alta permeabilidad del hierro). Al tener todo el flujo confinado dentro de la estructura, el flujo magnético en el exterior se vuelve casi inexistente. En esta configuración podemos decir que el imán grande está APAGADO .

Ahora podemos avanzar y en lugar de rotar mecánicamente uno de los imanes podemos invertir la dirección de su magnetización. Para ello podemos construir la configuración de la siguiente imagen:

Principio EPM. Representación de una configuración de cierre magnético en la que el campo magnético externo puede activarse y desactivarse invirtiendo la dirección de magnetización de uno de los imanes por acción de la corriente en la bobina.

Una bobina se enrolla alrededor de uno de los imanes de forma que si inyectamos suficiente corriente (en un pulso) en el solenoide el campo magnético generado en su interior será mayor que la coercitividad intrínseca del imán ( ). Si este es el caso el imán permanente se magnetizará en la dirección del campo en el interior del solenoide. Aplicar el mismo pulso de corriente en sentido contrario provocará magnetizar el imán en sentido contrario. Por tanto, tenemos el mismo comportamiento que cuando giramos mecánicamente el imán. Esta configuración es el concepto de imán electropermanente: Mediante un pulso de corriente invertimos el sentido de magnetización de uno de los imanes y activaremos y desactivaremos el campo magnético externo. ${\displaystyle H_{ci}}$

Es importante mencionar que ambos imanes pueden estar enrollados en la misma bobina, pero es necesario que uno de los imanes tenga una coercitividad intrínseca mucho menor que el otro para poder invertir su dirección de magnetización sin cambiar la dirección de magnetización del otro. Durante esta explicación usamos un imán hecho de NdFeB y el otro hecho de AlNiCo porque ambos materiales tienen la misma remanencia (alrededor de 1.3T) pero AlNiCo tiene una coercitividad intrínseca menor de 50kA/m mientras que NdFeB tiene una coercitividad intrínseca de 1120kA/m.

Análisis de circuitos magnéticos

Utilizando un análisis de circuito magnético podemos representar un EPM simple utilizando el siguiente esquema:

Esquema detallado y simplificado del circuito magnético del EPM.

Presentamos dos imanes permanentes hechos de diferentes materiales (AlNiCo y NdFeB) y el imán blando está hecho de Hiperco . ^[5] Se muestra un segmento adicional de hiperco para cerrar el circuito y obtener mejores resultados calculados. Se incluye un espacio de aire (uno para cada lado del EPM) para calcular el flujo magnético y el campo generado en el aire en función de la distancia de separación. Esto conducirá a obtener una expresión de la fuerza del EPM (ejercida sobre el segmento adicional de hiperco) en función de la distancia de separación.

Concepto de diseño de un EPM.

Para el cálculo de los valores de los componentes del circuito asumiremos que todas las áreas del flujo tienen las mismas dimensiones. Si los imanes seleccionados tuvieran forma cilíndrica entonces el área del flujo para los imanes será y los bloques hiperco tendrán una sección de lado cuadrada para tener la misma área. ${\displaystyle A=\pi \cdot r^{2}}$ ${\displaystyle s=r\cdot {\sqrt {\pi }}}$

Para el imán de AlNiCo podemos calcular la fuerza magnetomotriz (MMF), la reluctancia y el flujo magnético sobre ese imán como: ${\displaystyle {\mathcal {R}}}$

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

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

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

Para el imán de NdFeB podemos calcular la fuerza magnetomotriz (FMM), la reluctancia y el flujo magnético sobre ese imán de la misma manera: ${\displaystyle {\mathcal {R}}}$

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

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

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

También se pueden generar expresiones para la reluctancia del gap y del hiperco: ${\displaystyle {\mathcal {R}}}$

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

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

Pero el circuito magnético se puede simplificar utilizando transformaciones de fuentes eléctricas y considerando todos los hiperco en una sola gran reluctancia (principalmente porque el valor de esas pequeñas porciones de reluctancia son despreciables en comparación con la reluctancia de los imanes permanentes). Una versión simplificada del circuito magnético se presentó a la derecha en la imagen de arriba:

Se puede calcular una reluctancia equivalente ( ) para reemplazar los imanes: ${\displaystyle {\mathcal {R}}_{equivalent}}$

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

Para el MMF equivalente, habrá dos valores diferentes. Uno cuando el EPM esté activado y ambos flujos tengan la misma dirección (suma):

EPM ENCENDIDO:

${\displaystyle \color {green}MMF_{equivalent}={\mathcal {R}}_{equivalent}\cdot \left(\Phi _{NdFeB}+\Phi _{AlNiCo}\right)}$

Y otro cuando el EPM está APAGADO y los flujos magnéticos están en dirección opuesta (resta)

EPM APAGADO:

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

Conociendo el valor de la MMF para las dos etapas del EPM y los componentes equivalentes, podemos continuar calculando el flujo magnético y la densidad de flujo magnético ( B ):

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

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

La fórmula original para la fuerza entre dos superficies magnetizadas sin franjas es bien conocida y se presenta a continuación. En la fórmula, la fuerza se divide por 2. Como vamos a calcular la fuerza para las dos áreas correspondientes a los espacios, la ecuación para calcular la fuerza en función de la distancia entre los espacios queda así:

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

Diseño de EPM

Fabricación de bobinas de magnetización

Parámetros de diseño para la bobina de magnetización en un EPM.

El primer paso y el más importante es diseñar el solenoide que creará el campo magnético para revertir la magnetización del AlNiCo. Como se mencionó anteriormente, el AlNiCo tiene una coercitividad intrínseca de 50 kA/m, por lo que es necesario crear un campo de al menos: . Se recomienda diseñar el campo 3 veces mayor que la coercitividad intrínseca para magnetizar completamente un material. La siguiente imagen muestra los parámetros de diseño de la bobina: ${\displaystyle B_{apply}=\mu _{0}H_{ci}=62.8mT}$

El siguiente paso para completar el diseño es calcular el campo B en el punto medio de la bobina utilizando las ecuaciones para solenoides gruesos ^[6] (sabiendo: ): ${\displaystyle B_{z}=\mu _{0}H_{z}}$

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

Luego, es necesario calcular la longitud del cable y el número de vueltas que vamos a utilizar en el solenoide. Se utilizaron las ecuaciones proporcionadas por la física de Princeton ^[7], por lo que N es el número de vueltas y L es la longitud del cable:

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

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

Utilizando la tabla AWG proporcionada por, ^[8] para diferentes cables, es posible crear una hoja de cálculo con el diámetro de los diferentes cables y la corriente máxima que pueden soportar (Amperios máximos para transmisión de potencia).

Para resolver este problema es necesario fijar D1, la longitud del solenoide en L y la corriente en el valor máximo permitido para cada cable. Esto simplifica el problema de optimización y lleva a calcular Bz modificando D2. Utilizando la función de resolución en la hoja de cálculo, se puede calcular este valor.

Después de esto, es posible incluir parámetros para la resistencia (resistencia del cobre en mΩ/m multiplicada por la longitud del cable), la potencia como y el voltaje como . Se generará un valor diferente para cada calibre de cable AWG y se deben calcular el voltaje y la potencia para obtener el Bz deseado a una corriente máxima. Mediante la inspección, es posible encontrar el cable con un consumo de energía mínimo. ${\displaystyle P=I^{2}\cdot R}$ ${\displaystyle V=P/I}$

El último paso para diseñar la bobina es trazar el campo B dentro de la bobina en función de la posición dentro de la bobina. Utilizaremos la versión completa de la ecuación para solenoides gruesos ^[6] y haremos que z varíe entre -L/2 y L/2:

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

Cálculos de fuerza magnética

Utilizando la fórmula de fuerza mencionada anteriormente, es posible trazar la fuerza en función de la distancia de separación de la barra externa de hiperco. Se obtuvieron dos curvas: una para el EPM en estado ON y otra para el EPM en estado OFF: Si trazamos juntas esas fuerzas, es posible observar la diferencia de al menos 4 órdenes de magnitud con el EPM cuando está ON y OFF (Esta gráfica es un ejemplo de EPM con dos imanes cilíndricos -uno de NdFeB y el otro de AlNiCo- de 1 mm de diámetro y longitud. El material blando del imán es hiperco con barras de sección cuadrada de lado 0,889 mm para hacer que el área de flujo sea igual a la de los imanes):

Gráfica de las fuerzas entre el EPM y la barra externa en función de la distancia entre ellos. Para EPM ON y OFF.

Simulaciones multifísicas

Se simula un ejemplo de un EPM de by para verificar la diferencia en el campo magnético cuando el EPM está encendido y apagado. Esta simulación se realizó utilizando el enfoque de elementos finitos mediante el software COMSOL Multiphysics®. La imagen a continuación muestra una simulación del campo de densidad de flujo magnético ( B ) para el EPM encendido y apagado (con un cálculo del flujo en ese plano específico) y a continuación se muestran múltiples mediciones de la sección transversal de la densidad de flujo sobre el EPM (también encendido y apagado). Las simulaciones mostraron que hay al menos 4 órdenes de magnitud de diferencia en los campos magnéticos externos entre los dos modos de operación, lo que confirma el modelo de circuito magnético. ${\displaystyle 300\mu m}$ ${\displaystyle 400\mu m}$

Simulación multifísica (COMSOL Multiphysics®) del EPM para etapa On y OFF.

Aplicaciones

Proyecto Ara

El Proyecto Ara fue una iniciativa de hardware abierto de Google para crear un teléfono modular en el que todos los componentes fueran intercambiables y pudieran reemplazarse mientras el dispositivo estuviera encendido. En un principio, se anunció que el proyecto utilizaría módulos EPM como método para sujetar los módulos del teléfono a su endoesqueleto. Sin embargo, el proyecto anunció más tarde que estaban buscando métodos de reemplazo. ^{[9] [10] [11]}

El proyecto se suspendió el 2 de septiembre de 2016. Bob O'Donnell de TECHnalysis Research dijo: “Este fue un experimento científico que fracasó y están avanzando”. ^[12]

Sistema de entrega de paquetes mediante drones

Se han desarrollado sistemas de agarre para drones utilizando imanes electropermanentes. ^[13] El OpenGrab EPM v3 de Nicadrone fue el primero de estos sistemas, pero ahora está obsoleto. Zubax Robotics, una empresa de I+D, desarrolló el FluxGrip EPM como el módulo de fijación de carga útil de próxima generación. ^[14]

Videos relacionados:

• EPM para drones: 1
• EPM para drones: 2
• Prueba del sistema FluxGrip EPM

Materia reconfigurable

Utilizando un dado de seis caras y en cada cara incluir un EPM es el concepto detrás de estos robots Pebbles que son capaces de interpretar una forma simple y reproducirla seleccionando qué bloques deben unirse a los otros. ^[15]

Videos relacionados:

• Materia reconfigurable

Rueda de desplazamiento del ratón Logitech MX Master 3

La rueda de desplazamiento de este ratón utiliza una tecnología llamada “MagSpeed”: el ratón cambia rápidamente entre una sensación típica de trinquete y un modo de giro libre. Para cambiar rápidamente entre modos, el equipo de Logitech diseñó un pequeño circuito que activa una bobina que activa un EPM, que se encuentra inmóvil dentro de la cavidad interna de la rueda, lo que hace que tire de los pequeños dientes a medida que pasan, dando al usuario la ilusión de un retén mecánico. Este EPM permanece activado incluso cuando se corta la alimentación. El uso de un imán elimina cualquier desgaste mecánico con el tiempo, como era el caso en las versiones anteriores del hardware del ratón, y como el imán es electropermanente, el consumo de energía es cero, excepto cuando se cambia de modo.

Artículo relacionado:

• Desmontaje del Logitech MX Master 3

Enlaces externos

• En el MIT se están desarrollando robots de arena autoesculpibles BBC News, abril de 2012.
• Pinza de carga electropermanente
• Potencia estática cero Archivado el 20 de abril de 2014 en Wayback Machine Imanes para ProgrammableMatter
• Conectores y actuadores magnéticos electropermanentes

Véase también

• Imán
• Electroimán
• Base magnética
• Matriz de Halbach variable

Referencias

1. Knaian, Ara Nerses (2010). Conectores y actuadores magnéticos electropermanentes: dispositivos y su aplicación en materia programable (Ph.D.). Instituto Tecnológico de Massachusetts. hdl :1721.1/60151.
2. Deyle, Travis (2010). "Imanes electropermanentes: imanes programables con consumo de energía estática cero que permiten los robots modulares más pequeños hasta el momento". HiZook Robotics News . HiZook. Archivado desde el original el 20 de abril de 2014. Consultado el 6 de abril de 2012 .
3. Hardesty, Larry (2012). "Arena autoesculpida". MIT News . MIT . Consultado el 6 de abril de 2012 .
4. Knaian, Ara Nerses (2010). Conectores y actuadores magnéticos electropermanentes: dispositivos y su aplicación en materia programable (Ph.D.). Instituto Tecnológico de Massachusetts. hdl :1721.1/60151.
5. Mentor. "https://www.emetor.com/edit/materials/hiperco-50-035mm/?cat=6&co=15, (2015).
6. Campo axial de un solenoide finito. "http://www.netdenizen.com/emagnet/solenoids/solenoidonaxis.htm, (2005).
7. Física de Princeton. "http://physics.princeton.edu/romalis/magnetometer/coildesign/, (2015).
8. Calibre de cables y límites de corriente_EOL. "https://www.eol.ucar.edu/rtf/facilities/isff/LOCAL_access_only/Wire_Size.htm Archivado el 11 de julio de 2014 en archive.today ", (2015).
9. Conferencia de desarrolladores del Proyecto Ara: " http://www.projectara.com/ara-developers-conference Archivado el 20 de abril de 2015 en Wayback Machine , (enero de 2015).
10. "Proyecto Ara: Nuevas direcciones" . Consultado el 22 de agosto de 2015 .
11. "Proyecto Ara: pruebas". 19 de agosto de 2015. Consultado el 22 de agosto de 2015 .
12. Love, Julia (2 de septiembre de 2016). "Google abandona el plan de fabricar un teléfono con piezas intercambiables". Reuters.com . Consultado el 14 de enero de 2017 .
13. Sistemas de agarre con imán electropermanente de nicadrone (2015).
14. Sistema de fijación de carga útil Zubax FluxGrip EPM" (2024).
15. Erico Guizzo "Los robots inteligentes Pebble le permitirán duplicar objetos sobre la marcha", IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE Spectrum Publicado el 28 de mayo de 2012.