静電モーターが電磁モーターに挑戦

この結果は、アリゾナ州フェニックスで10月20日から24日まで開催される2024 IEEEエネルギー変換会議および博覧会で発表される論文「直接駆動産業用同期静電機械」で報告されています。この論文では、ルドワ氏と4人の同僚が、彼らが構築した静電機械について説明しており、同機械は「産業作業を実行する負荷、この場合は定圧ポンプシステムを駆動できる」初の機械であると説明されています。

静電モーターの大型化

この機械は、これまでの静電モーターの何百倍も強力で、「空冷式磁気機械と同等かそれ以上の性能」がある。 [horsepower] 著者らは、「小馬力モーターの世界市場は87億ドル以上だ」と付け加えている。コンサルタント会社ビジネス・リサーチ・インサイツによると。

C-Motive の 360 ワット モーターには、この断面図で黄色で示されているローターとステーターがそれぞれ 6 個ずつあります。C-Motiveテクノロジーズ

マクロスケールの実現は容易ではありませんでした。静電モーターは何年も前から販売されていましたが、現在では出力がミリワット単位の小型ユニットになっています。「静電モーターは、ミリメートルスケール以下になると驚異的で、小型化が進むにつれてどんどん良くなります」とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の電気工学教授フィリップ・クライン氏は言います。「磁気モーターよりも優れている点があります」。(クライン氏は C-Motive 社と金銭的なつながりはありません。)

しかし、より大きなモーターの場合は、その逆になります。「マクロスケールでは、電磁気が勝つというのが教科書的な答えです」とルドワ氏は指摘します。「そこで、私たちはその知恵に挑戦してみることにしました。」

この探求のために、彼と彼のチームは、アメリカ合衆国建国の父の一人のあまり知られていない功績からインスピレーションを得た。「ベンジャミン・フランクリンは1747年にマクロな静電モーターを製作し、それを実証しました」とクライン氏は言う。「彼は実際にそのモーターをフィラデルフィアの川岸で七面鳥を焼くためのロティサリーとして使いました」（この事実は、故歴史家I・バーナード・コーエンが1990年に出版した著書『フランクリンの七面鳥』で明らかにされた）。 ベンジャミン・フランクリンの科学 ）。

クライン氏は、静電モーターをマクロの世界にスケールアップしようとする際の根本的な課題はエネルギー密度であると説明する。「電界システムで妥当なスケールで空気中に得られるエネルギー密度は、電磁気システムで得られる密度よりはるかに低く、桁違いに低いのです。」ここでの「空気中」という表現は、モーター内部の「エアギャップ」と呼ばれる空間を指し、この空間に機械のフィールド（従来のモーターの場合は磁場、静電モーターの場合は電気）が展開される。この空間は、機械の主要部品であるローターとステーターにまたがっている。

それを詳しく見てみましょう。従来の電気モーターは、固定子と呼ばれる固定構造に設定された回転磁界が、回転子と呼ばれる別の構造の磁界と相互作用して回転子を回転させることによって動作します。この力はローレンツ力と呼ばれます。しかし、静電機械を回転させる力は、クーロン力と呼ばれるまったく異なる力です。これは、反対または同じ電荷間の物理的な引力または反発力です。

エアギャップ問題の克服

C-Motive のモーターは、非導電性のローター ディスクとステーター ディスクを使用しています。これらのディスクには、自転車の車輪のスポークのように、ディスクの中心から外側に向かって放射状に薄く密集した多数の導体が配置されています。これらの「スポーク」に正確にタイミングを合わせて静電気を流すと、ステーターとローターに 2 つの電圧波が生成されます。ローター波とステーター波の位相差は、スポーク間の吸引と反発の連続によってローターに生じるトルクが最大になるようにタイミングを合わせて制御されます。さらに、できるだけ多くのトルクを引き出すために、このマシンにはローターとステーターがそれぞれ 6 個ずつあり、スピンドルにコンパクト ディスクのように交互に積み重ねられています。

360 ワットのモーターは、出力が通常ミリワット単位で測定される従来の静電モーターよりも数百倍強力です。C-Motiveテクノロジーズ

電荷間の誘電体が空気であれば、この機械は弱々しいものとなるでしょう。誘電体である空気は誘電率が低いため、空気中の電界は多くのエネルギーを蓄えることができません。また、空気は絶縁破壊電界強度が比較的低いため、空気は絶縁破壊してアーク放電で電流を伝導するまで、かなり弱い電界しか支えることができません。そのため、チームの最大の課題の 1 つは、空気よりもはるかに高い誘電率と絶縁破壊電界強度を持ち、環境に優しく無毒な誘電流体を生産することでした。摩擦を最小限に抑えるために、この流体はローターがその中で回転するため、非常に低い粘度も必要でした。誘電率の高い誘電体は、反対に帯電した電極間の電界を集中させ、それらの間の空間により多くのエネルギーを蓄えることができます。数年にわたって何百もの候補をスクリーニングした後、C-Motive チームは、粘度が低く、比誘電率が 20 台前半の有機液体誘電体を生産することに成功しました。比較のために、空気の比誘電率は 1 です。

もう 1 つの課題は、マシンの動作に必要な 2,000 ボルトの供給でした。ローターとステーターの間に強力な電界を作り出すには、高電圧が必要です。ルドワ氏によると、これらの電界を正確に制御するために、C-Motive は安価で驚くほど高性能なパワー エレクトロニクスを活用できました。最新のモーターでは、すぐに入手できる 4.5 キロボルトの絶縁ゲート バイポーラ トランジスタをベースにした駆動システムを開発しましたが、パワー半導体の進歩の速さを考えると、魅力的な選択肢が数多くあり、近い将来にはさらに選択肢が増えるでしょう。

ルドワ氏によると、C-Motive 社は現在、潜在顧客を対象に 750 ワット (1 馬力) のモーターをテストしている。同社の次のマシンは 750 ～ 3,750 ワット (1 ～ 5 馬力) の範囲になるという。これらは、産業オートメーション、製造、暖房、換気、空調など、幅広い用途に十分なパワーを持つ。

ルドワにとって、これは満足のいく道のりでした。「私にとって、クリエイティブな誇りは、私のチームと私が、根本的に異なる何かに取り組んでいることです。長期的には、他の人々が貢献できる別の道が開かれることを願っています。」