Gana tikras statymas, kad negalėtumėte ištverti įprastos dienos be tiesioginio dešimčių žmonių palaikymo elektros varikliai. Jie yra visuose jūsų prietaisuose, kurie nėra varomi rankiniu švaistikliu, klimato kontrolės sistemose, užtikrinančiose komfortą, ir jūsų automobilio siurbliuose, ventiliatoriuose ir langų valdikliuose. Ir nors yra daug įvairių elektros variklių, kiekvienas iš jų – nuo 200 kilovatų traukos variklio jūsų elektromobilyje iki žingsninio variklio jūsų kvarcinis rankinis laikrodisnaudoja tą patį fizikinį reiškinį: elektromagnetizmą.
Tačiau dešimtmečius inžinieriai žavėjosi variklių dorybėmis, paremtomis visiškai kitu principu: elektrostatika. Remiantis eksperimentine analize, kai kuriose programose šie varikliai gali padidinti bendrą efektyvumą nuo 30 procentų iki beveik 100 procentų. Ir, ko gero, dar geriau, jie naudotų tik pigias, gausias medžiagas, o ne retųjų žemių elementus, specialius plieno lydinius ir gausius vario kiekius, randamus įprastuose varikliuose.
„Elektrifikacija turi savo tvarumo iššūkių“, – pažymi Danielis Ludoiselektros inžinerijos profesorius Viskonsino universitete Madisone. Tačiau „elektrostatiniam varikliui nereikia apvijų, nereikia magnetų ir nereikia jokių svarbių medžiagų, kurių reikia įprastinei mašinai“.
Tokie pranašumai paskatino Ludois įkurti įmonę, C-Motive technologijossukurti makro masto elektrostatinius variklius. „Mes gaminame savo mašinas iš aliuminio ir plastiko arba stiklo pluošto“, – sako jis. Dabartinis jų prototipas gali užtikrinti net 18 niutonmetrų sukimo momentą ir 360 vatų (0,5 arklio galių) galią – charakteristikos, jų teigimu, yra „didžiausi sukimo momento ir galios matavimai bet kuriai besisukančiai elektrostatinei mašinai“.
Rezultatai pateikiami dokumente „Sinchroninės elektrostatinės mašinos, skirtos tiesioginės pavaros pramoninėms reikmėms“, kuris bus pristatytas 2024 m. IEEE energijos konversijos kongresas ir parodakuris vyks spalio 20–24 d. Finikso mieste, Arizo valstijoje. Straipsnyje Ludois ir keturi kolegos aprašo savo sukurtą elektrostatinę mašiną, kurią apibūdina kaip pirmąją tokią mašiną, galinčią „vairuoti krovinius, atliekančius pramoninius darbus. atveju, pastovaus slėgio siurblio sistema.
Didesni elektrostatiniai varikliai
Mašina, kuri yra šimtus kartų galingesnė už bet kurį ankstesnį elektrostatinį variklį, „konkuruoja su oru aušinamais magnetiniais mechanizmais arba yra pranašesnis už dalinę (arklio galių) skalę“, priduria autoriai. Pasaulinė dalinių arklio galių variklių rinka yra daugiau nei 8,7 mlrdteigia konsultacinė įmonė „Business Research Insights“.
„C-Motive“ 360 vatų variklis turi po pusšimtį rotorių ir statorių, kurie šioje iškirptoje iliustracijoje pavaizduoti geltonai.C-Motive technologijos
Pasiekti makro masto nebuvo lengva. Elektrostatiniai varikliai buvo prieinami daugelį metų, tačiau šiandien jie yra mažyčiai vienetai kurių išėjimo galia matuojama milivatais. “Elektrostatiniai varikliai yra nuostabūs, kai pasieksite maždaug milimetro skalę, ir jie tampa vis geresni ir geresni, kai jie tampa vis mažesni“, – sako Ilinojaus Urbana-Champaign universiteto elektrotechnikos profesorius Philipas Kreinas. „Yra kryžminimas, kuriame jie yra geresni už magnetinius variklius. (Krein neturi jokio finansinio ryšio su C-Motive.)
Tačiau didesnių variklių atveju yra atvirkščiai. „Makro mastu elektromagnetizmas laimi, yra vadovėlio atsakymas“, – pažymi Ludois. „Na, mes nusprendėme mesti iššūkį šiai išminčiai“.
Šiam ieškojimui jis ir jo komanda įkvėpimo sėmėsi iš mažiau žinomo vieno iš Jungtinių Valstijų įkūrėjų pasiekimų. „Faktas yra tas, kad Benjaminas Franklinas 1747 m. pastatė ir pademonstravo makroskopinį elektrostatinį variklį“, – sako Kreinas. „Jis iš tikrųjų naudojo variklį kaip kepsninę, norėdamas kepti kalakutą ant upės kranto Filadelfijoje“ (faktas, kurį atskleidė velionis istorikas I. Bernardas Cohenas savo 1990 m. Benjamino Franklino mokslas ).
Kerin paaiškina, kad pagrindinis iššūkis bandant pritaikyti elektrostatinius variklius į makro pasaulį yra energijos tankis. „Energijos tankis, kurį galite gauti ore protingu mastu naudojant elektrinio lauko sistemą, yra daug, daug mažesnis – daug dydžių mažesnis – nei tankis, kurį galite gauti naudojant elektromagnetinę sistemą. Čia frazė „ore“ reiškia variklio tūrį, vadinamą „oro tarpu“, kuriame yra naudojami mašinos laukai (įprastam varikliui – magnetiniai, elektrostatiniam – elektriniai). Jame yra pagrindiniai mašinos komponentai: rotorius ir statorius.
Išpakuosime tai. Įprastas elektros variklis veikia, nes besisukantis magnetinis laukas, sukurtas fiksuotoje struktūroje, vadinamoje statoriumi, susijungia su kitos struktūros, vadinamos rotoriumi, magnetiniu lauku, todėl šis rotorius sukasi. Dalyvaujanti jėga vadinama Lorenco jėga. Tačiau elektrostatinę mašiną verčia suktis visiškai kita jėga, vadinama Kulono jėga. Tai patraukli arba atstumianti fizinė jėga tarp priešingų ar panašių elektros krūvių.
Oro tarpo problemos įveikimas
C-Motive variklyje naudojami nelaidūs rotoriaus ir statoriaus diskai, ant kurių yra daug plonų, glaudžiai išdėstytų laidininkų, spinduliuojančių į išorę nuo disko centro, kaip dviračio rato stipinai. Tiksliai nustatyti elektrostatiniai krūviai, taikomi šiems „stipinams“, sukuria dvi įtampos bangas, vieną statoriuje ir kitą rotoriuje. Fazių skirtumas tarp rotoriaus ir statoriaus bangų yra nustatytas ir valdomas, kad būtų maksimaliai padidintas sukimo momentas rotoriuje, kurį sukelia ši stipinų traukos ir atstūmimo seka. Kad būtų galima išsukti kuo didesnį sukimo momentą, mašina turi po pusšimtį rotorių ir statorių, kintamų ir sukrautų kaip kompaktiniai diskai ant veleno.
360 vatų variklis yra šimtus kartų galingesnis nei ankstesni elektrostatiniai varikliai, kurių galia paprastai matuojama milivatais.C-Motive technologijos
Mašina būtų silpna, jei dielektrikas tarp įkrovų būtų oras. Kaip dielektrikas, oras turi mažą pralaidumą, o tai reiškia, kad elektrinis laukas ore negali sukaupti daug energijos. Oras taip pat turi santykinai mažą gedimo lauko stiprumą, o tai reiškia, kad oras gali palaikyti tik gana silpną elektrinį lauką, kol jis sugenda ir praleidžia srovę liepsnojančiu lanku. Taigi vienas didžiausių komandos iššūkių buvo gaminti dielektrinį skystį, kurio pralaidumas ir skilimo lauko stiprumas yra daug didesnis nei oro, be to, jis buvo nekenksmingas aplinkai ir netoksiškas. Siekiant sumažinti trintį, šis skystis taip pat turėjo būti labai mažo klampumo, nes jame suktųsi rotoriai. Dielektrikas su dideliu pralaidumu koncentruoja elektrinį lauką tarp priešingai įkrautų elektrodų, todėl erdvėje tarp jų galima sukaupti daugiau energijos. Per kelerius metus patikrinusi šimtus kandidatų, „C-Motive“ komandai pavyko pagaminti organinį skystą dielektriką, kurio klampumas ir mažas. santykinis leistinumas žemame 20-ajame dešimtmetyje. Palyginimui, santykinis oro laidumas yra 1.
Kitas iššūkis buvo tiekti 2000 voltų įtampą, reikalingą jų mašinai veikti. Norint sukurti intensyvius elektrinius laukus tarp rotorių ir statorių, reikalinga aukšta įtampa. Anot Ludois, siekdamas tiksliai valdyti šiuos laukus, C-Motive galėjo pasinaudoti nebrangios ir nuostabiai galingos galios elektronikos pranašumais. Savo naujausiam varikliui jie sukūrė pavaros sistemą, pagrįstą lengvai prieinama 4,5 kilovoltų izoliuoti dvipoliai tranzistoriaibet valdžios pažangos tempas puslaidininkiai reiškia, kad čia jie turi daug patrauklių pasirinkimų, o artimiausiu metu turės dar daugiau.
„Ludois“ praneša, kad „C-Motive“ dabar bando 750 vatų (1 AG) variklį, skirtą potencialiems klientams. Kiti jų įrenginiai bus nuo 750 iki 3750 vatų (1–5 AG), priduria jis. Jie bus pakankamai galingi, kad būtų galima pritaikyti įvairioms pramonės automatizavimo, gamybos ir šildymo, vėdinimo ir oro kondicionavimo srityse.
Tai buvo malonus pasivažinėjimas Ludois. „Mano kūrybinis pasididžiavimas yra tai, kad mano komanda ir aš dirbame ties kažkuo radikaliai skirtingu, kas, tikiuosi, ilgainiui atvers kitus būdus kitiems žmonėms prisidėti.
Iš jūsų svetainės straipsnių
Susiję straipsniai visame internete