Electro-Permanent Magnet
- 다른 이름: EPM, electropermanent magnet, switchable permanent magnet
- 카테고리: Actuation & drivetrain › Motors
- 태그: magnetic-actuation, grippers, modular-robotics, low-power, swarm-robotics
짧은 전류 펄스로 켜거나 끌 수 있고 그 뒤에는 전력 없이 상태를 유지하는 자석 조립체로, 그리퍼, 래치, 모듈형 로봇 커넥터에 쓰인다.
정의
전자영구자석(electro-permanent magnet, EPM)은 짧은 전기 펄스로 고정 상태와 해제 상태를 전환할 수 있고, 그 뒤에는 지속적인 전력 없이 그 상태를 유지하는 자기 장치이다. 켜고 끌 수 있는 전자석의 편리함과 전력 없이 고정하는 영구자석의 장점을 결합한다.
일반적인 EPM은 코일 안에 두 종류의 영구자석 재료를 함께 배치한다. 하나는 네오디뮴 철 붕소(NdFeB) 같은 경자성 자석으로, 자화 방향이 고정되어 있다. 다른 하나는 알니코 같은 반경자성 자석으로, 충분히 강한 자기장으로 자화 방향을 반전시킬 수 있다. 코일에 전류 펄스를 흘리면 반경자성 자석의 자화가 뒤집힌다. 두 자석이 같은 방향을 향하면 합쳐진 자속이 폴피스를 통해 밖으로 나가 강자성 표면이나 짝이 되는 자석으로 들어가고, 장치는 고정된다. 두 자석이 반대 방향을 향하면 자속이 장치 내부에서 순환하고 외부로는 거의 나가지 않으므로 해제된다.
에너지는 전환할 때만 쓰이므로 EPM은 배터리로 구동되는 로봇과 소형 로봇에 적합하다. 모듈을 서로 잠가 연결하는 커넥터로 모듈형 로봇과 자가 재구성 로봇에, 드론의 그리퍼와 퍼칭(perching) 메커니즘에, 그리고 강철 표면에 붙는 소형 로봇에 사용되어 왔다. 대형 전자영구 리프팅 자석은 산업 현장에서 강판을 옮기는 데에도 쓰인다.
EPM에는 실용적인 제약이 있다. 전환에는 짧은 시간 동안 높은 전류 펄스가 필요하므로, 구동 전자 회로에는 보통 H-브리지와 커패시터 또는 다른 펄스원이 포함된다. 고정력은 작은 공극에도 급격히 떨어지고 대상의 재질, 두께, 표면 마감에 따라 달라지며, 장치는 강자성 재료나 다른 자석만 붙잡을 수 있다.
중요한 이유
전력을 소비하지 않고 무언가를 붙잡아 두는 능력은 소형 로봇, 배터리 구동 로봇, 모듈형 로봇에 중요하다. 전자영구자석은 전자석처럼 계속 에너지를 끌어 쓰고 열을 내지 않으면서도 전환 가능한 부착을 제공한다.
주요 응용
- 모듈형 로봇과 자가 재구성 로봇의 커넥터
- 드론과 소형 로봇용 그리퍼와 퍼칭 메커니즘
- 강철 구조물에 붙어 그 위를 이동하는 로봇
- 강판과 부품의 산업용 리프팅
실제 사례
모듈형 로봇이나 군집 플랫폼을 설계하는 팀은 유닛 사이의 커넥터로 EPM을 쓸 수 있다. 필요한 고정력에 맞춰 자석 재료와 코일 권선을 고르고, 로봇의 배터리에서 커패시터를 거쳐 전환 전류를 짧게 공급하는 펄스 드라이버를 설계하며, 여러 공극과 표면 조건에서 고정력을 시험한다. 제어 펌웨어는 한 방향으로 펄스를 보내 잠그고 반대 방향으로 보내 해제하며, 그 사이에는 자석이 전류를 전혀 쓰지 않는다.
흔한 오해
- EPM은 고정을 유지하려면 전력이 필요하다 — 전류는 전환하는 동안에만 흐르고, 그 뒤에는 자석만으로 고정한다
- EPM은 어떤 재료에도 작동한다 — 강자성 표면이나 짝이 맞는 자석만 붙잡는다
- 정격 고정력은 모든 조건에서 적용된다 — 공극, 도장, 거친 표면, 얇은 재료가 있으면 힘이 급격히 떨어진다
알아야 할 사람
- 그리퍼와 래칭 메커니즘을 설계하는 하드웨어 엔지니어
- 모듈형 로봇과 군집 로봇 연구자
- 퍼칭과 페이로드 투하를 다루는 드론 엔지니어
관련 기술
- 전자석(Electromagnet)
- 네오디뮴 자석(Neodymium Magnet)
- 자석 그리퍼(Magnetic Gripper)
- H-브리지 드라이버(H-Bridge Driver)
- 모듈형 로봇(Modular Robotics)
관련 용어
관련 프로젝트
- Aerostack2: ROS 2 framework for autonomous multi-drone systems and swarm robotics