Electro-Permanent Magnet
- Auch genannt: EPM, electropermanent magnet, switchable permanent magnet
- Kategorie: Actuation & drivetrain › Motors
- Schlagwörter: magnetic-actuation, grippers, modular-robotics, low-power, swarm-robotics
Eine Magnetbaugruppe, die sich mit einem kurzen Stromimpuls ein- oder ausschalten lässt und ihren Zustand danach ohne Strom hält; eingesetzt in Greifern, Verriegelungen und Verbindern modularer Roboter.
Definition
Elektropermanentmagnete (Electro-Permanent Magnets, EPMs) sind magnetische Bauteile, die sich mit einem kurzen elektrischen Impuls zwischen Halten und Lösen umschalten lassen und danach ohne Dauerstrom in diesem Zustand bleiben. Sie verbinden den Komfort eines Elektromagneten, der sich ein- und ausschalten lässt, mit dem stromlosen Halten eines Permanentmagneten.
Ein typischer EPM kombiniert zwei Arten von Permanentmagnetmaterial in einer Spule. Das eine ist ein Hartmagnet, etwa Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), dessen Magnetisierung fest bleibt. Das andere ist ein halbharter Magnet, etwa Alnico, dessen Magnetisierung sich durch ein ausreichend starkes Feld umkehren lässt. Ein Stromimpuls durch die Spule polt den halbharten Magneten um. Zeigen beide Magnete in dieselbe Richtung, tritt ihr gemeinsamer Fluss über die Polschuhe nach außen in eine ferromagnetische Oberfläche oder einen Gegenmagneten, und das Bauteil hält. Zeigen sie in entgegengesetzte Richtungen, zirkuliert der Fluss im Inneren des Bauteils, nur wenig gelangt nach außen, und es löst.
Da nur beim Umschalten Energie verbraucht wird, eignen sich EPMs für batteriebetriebene und kleine Roboter. Sie wurden in modularen und selbstrekonfigurierenden Robotern als Verbinder eingesetzt, die Module miteinander verriegeln, in Greifern und Perching-Mechanismen für Drohnen sowie in kleinen Robotern, die sich an Stahloberflächen festhalten. Große Elektropermanent-Lasthebemagnete werden auch industriell zum Bewegen von Stahlblechen eingesetzt.
EPMs haben praktische Einschränkungen. Das Umschalten erfordert kurzzeitig einen hohen Stromimpuls, daher enthält die Ansteuerelektronik meist eine H-Brücke und einen Kondensator oder eine andere Impulsquelle. Die Haltekraft fällt bei jedem Luftspalt stark ab und hängt von Material, Dicke und Oberflächengüte des Ziels ab, und das Bauteil hält nur ferromagnetisches Material oder einen anderen Magneten.
Warum es wichtig ist
Etwas zu halten, ohne Strom zu verbrauchen, ist für kleine, batteriebetriebene und modulare Roboter wertvoll. Elektropermanentmagnete ermöglichen schaltbares Anhaften ohne den ständigen Energiebedarf und die Wärme eines Elektromagneten.
Wichtige Anwendungen
- Verbinder in modularen und selbstrekonfigurierenden Robotern
- Greifer und Perching-Mechanismen für Drohnen und kleine Roboter
- Roboter, die sich an Stahlkonstruktionen festhalten und darauf bewegen
- Industrielles Heben von Stahlblechen und Bauteilen
In der Praxis
Ein Team, das einen modularen Roboter oder eine Schwarmplattform entwirft, könnte EPMs als Verbinder zwischen den Einheiten einsetzen. Es wählt Magnetmaterialien und Spulenwicklungen für die benötigte Haltekraft, entwirft einen Impulstreiber, der den Umschaltstrom kurz aus dem Akku des Roboters über einen Kondensator liefert, und testet die Haltekraft bei verschiedenen Luftspalten und Oberflächenzuständen. Die Steuerungs-Firmware sendet einen Impuls in eine Richtung zum Verriegeln und in die entgegengesetzte Richtung zum Lösen, und dazwischen ziehen die Magnete keinen Strom.
Häufige Missverständnisse
- Ein EPM braucht Strom, um weiter zu halten — er nimmt nur beim Umschalten Strom auf und hält danach allein mit den Magneten
- EPMs funktionieren mit jedem Material — sie halten nur ferromagnetische Oberflächen oder einen passenden Magneten
- Die Nennhaltekraft gilt unter allen Bedingungen — die Kraft fällt bei Luftspalt, Lack, rauen Oberflächen oder dünnem Material stark ab
Wer das wissen sollte
- Hardware-Ingenieure, die Greifer und Verriegelungsmechanismen entwerfen
- Forschende in modularer Robotik und Schwarmrobotik
- Drohnen-Ingenieure, die an Perching und Nutzlastabwurf arbeiten
Verwandte Technologien
- Elektromagnet (Electromagnet)
- Neodym-Magnet (Neodymium Magnet)
- Magnetischer Greifer (Magnetic Gripper)
- H-Brücken-Treiber (H-Bridge Driver)
- Modulare Robotik (Modular Robotics)
Verwandte Begriffe
Verwandte Projekte
- Aerostack2: ROS 2 framework for autonomous multi-drone systems and swarm robotics