Electro-Permanent Magnet
- 別名: EPM, electropermanent magnet, switchable permanent magnet
- カテゴリ: Actuation & drivetrain › Motors
- タグ: magnetic-actuation, grippers, modular-robotics, low-power, swarm-robotics
短い電流パルスでオンまたはオフに切り替えられ、その後は電力なしで状態を保つ磁石アセンブリ。グリッパー、ラッチ、モジュール型ロボットのコネクタに使われる。
定義
エレクトロパーマネント磁石（Electro-permanent magnets、EPM）は、短い電気パルスで保持と解放を切り替えられ、その後は連続的な電力なしにその状態を保つ磁気デバイスである。オンとオフを切り替えられる電磁石の利便性と、永久磁石の電力ゼロでの保持を兼ね備えている。
典型的な EPM は、コイルの中に 2 種類の永久磁石材料を組み合わせる。一方は硬質磁石で、ネオジム鉄ボロン（NdFeB）などのように磁化が固定されたままである。もう一方は半硬質磁石で、アルニコ（alnico）などのように十分に強い磁場で磁化を反転できる。コイルに電流パルスを流すと半硬質磁石が反転する。両方の磁石が同じ向きのとき、合成された磁束はポールピースを通って外へ出て、強磁性体の表面や相手側の磁石に入り、デバイスは保持する。逆向きのときは磁束がデバイス内部を循環して外部にはほとんど届かないため、解放する。
エネルギーを使うのは切り替えのときだけなので、EPM はバッテリー駆動のロボットや小型ロボットに適している。モジュール型ロボットや自己再構成ロボットではモジュール同士を結合するコネクタとして、ドローンではグリッパーやパーチング（止まり）機構として、また鋼製の表面に吸着する小型ロボットで使われてきた。大型のエレクトロパーマネント式リフティングマグネットは、産業分野で鋼板の搬送にも使われている。
EPM には実用上の制約がある。切り替えには短時間の大電流パルスが必要なため、駆動回路には通常 H ブリッジと、コンデンサなどのパルス源が含まれる。保持力はわずかなエアギャップでも急激に低下し、対象の材質、厚さ、表面仕上げに依存する。また、このデバイスが保持できるのは強磁性体か別の磁石だけである。
重要な理由
電力を消費せずに物を保持できることは、小型、バッテリー駆動、モジュール型のロボットにとって価値が大きい。エレクトロパーマネント磁石は、電磁石のような常時のエネルギー消費と発熱なしに、切り替え可能な吸着を実現する。
主な用途
- モジュール型ロボットや自己再構成ロボットのコネクタ
- ドローンや小型ロボットのグリッパーとパーチング機構
- 鋼構造物に吸着してその上を移動するロボット
- 鋼板や部品の産業用リフティング
実際の使われ方
モジュール型ロボットや群ロボットのプラットフォームを設計するチームは、ユニット間のコネクタとして EPM を使うことがある。必要な保持力に合わせて磁石材料とコイルの巻線を選び、ロボットのバッテリーからコンデンサを介して切り替え電流を短時間流すパルスドライバを設計し、さまざまなエアギャップと表面条件で保持力を試験する。制御ファームウェアは、結合するときは一方向に、解放するときは逆方向にパルスを送り、その間、磁石は電流を消費しない。
よくある誤解
- EPM は保持し続けるために電力が必要である — 電流を流すのは切り替えのときだけで、その後は磁石だけで保持する
- EPM はどんな材料にも効く — 保持できるのは強磁性体の表面か、対応する磁石だけである
- 定格保持力はどんな条件でも当てはまる — 保持力はエアギャップ、塗装、粗い表面、薄い材料によって急激に低下する
知っておくべき人
- グリッパーやラッチ機構を設計するハードウェアエンジニア
- モジュール型ロボットや群ロボットの研究者
- パーチングやペイロード投下に取り組むドローンエンジニア
関連技術
- 電磁石（Electromagnet）
- ネオジム磁石（Neodymium Magnet）
- 磁気グリッパー（Magnetic Gripper）
- H ブリッジドライバ（H-Bridge Driver）
- モジュール型ロボティクス（Modular Robotics）
関連用語
関連プロジェクト
- Aerostack2: ROS 2 framework for autonomous multi-drone systems and swarm robotics