静电电机达到宏观尺度

C-Motive Technologies

可以肯定的说，现如今如果没有几十台电动机的直接支持，你无法完整的度过一天的生活。这是为什么呢 —— 它们存在于你所有不由手摇曲柄供电的电器中（https://spectrum.ieee.org/tag/electric-motors），存在于让你保持舒适的气候控制系统中，也存在于你汽车的泵、风扇和窗户控制中。尽管有许多不同类型的电动机，但从电动汽车中的200千瓦牵引电机到石英手表中的步进电机（https://spectrum.ieee.org/quartz-watch），每一种电动机都利用了完全相同的物理现象：电磁。

然而，几十年来，工程师们一直被基于完全不同原理的电机的优点所吸引：静电。根据基于实验的分析，在某些应用中，这些电机可以提供从30%到接近100%的整体效率提升。而且，也许更好的是，他们只会使用廉价、丰富的材料，而不是稀土元素、特殊钢合金和传统电机中大量的铜。

威斯康星大学麦迪逊分校的电气工程教授Daniel Ludois指出：“电气化有其可持续性挑战。但是静电电机不需要绕组，不需要磁铁，也不需要传统机器所需的任何关键材料。”

这些优势促使Ludois与他人共同创立了一家名为C-Motive Technologies的公司，以制造大型静电电机。他说：“我们的机器是用铝、塑料或玻璃纤维制成的。” 他们目前的原型能够提供高达18牛顿米的扭矩和360瓦（0.5马力）的功率，他们声称这些特性是“任何旋转静电机器的最高扭矩和功率测量值”。

研究结果发表在一篇题为“用于直接驱动工业应用的同步静电机（Synchronous Electrostatic Machines for Direct Drive Industrial Applications，https://www.ieee-ecce.org/2024/）”的论文中，该论文将于10月20日至24日在亚利桑那州凤凰城举行的2024 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition上发表。在这篇论文中，Ludois和四位同事描述了他们建造的一台静电机器，他们将其描述为第一台能够“驱动负载执行工业工作的机器，在这种情况下是恒压泵系统”。

使静电电机更大

作者补充说，这台机器的功率是以前任何静电电机的数百倍，“在分数[马力]范围内与风冷磁力机械竞争或优于风冷磁力机械”。根据咨询公司Business Research Insights的数据，全球小马力电机市场超过87亿美元（https://www.businessresearchinsights.com/market-reports/industrial-fractional-horsepower-motors-market-111323）。

实现宏观规模并不容易。静电电机已经存在多年，但今天，这些都是功率输出以毫瓦为单位的微型电机。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电气工程教授Philip Krein说：“一旦你低于毫米级，静电电机就会变得很神奇，而且随着它们变得越来越小，它们会变得越来越好。在某种交叉点上，它们比磁力电机更好。”（https://phys.libretexts.org/Bookshelves/Electricity_and_Magnetism/Electromagnetics_and_Applications_(Staelin)/06%3A_Actuators_and_sensors_motors_and_generators/6.02%3A_Electrostatic_actuators_and_motors，Krein与C-Motive没有任何财务联系。）

然而，对于较大的电机，情况正好相反。Ludois指出：“在宏观尺度上，电磁学获胜 —— 这是教科书上的答案。我们决定挑战这种智慧。”

对于这一探索，他和他的团队从美国一项鲜为人知的成就中找到了灵感。Krein说：“事实上，本杰明·富兰克林在1747年建造并演示了一台宏观静电电机。” 他实际上是用这台电机作为烤架，在费城的河岸上烤火鸡”（已故历史学家I.Bernard Cohen在1990年出版的《本杰明·富兰克林的科学》一书中发现了这一事实，https://www.hup.harvard.edu/books/9780674066595）。

Krein解释说，试图将静电电机扩展到宏观世界的根本挑战是能量密度。“用电场系统在空气中以合理的比例获得的能量密度比用电磁系统获得的密度低得多，低很多个数量级。这里的“空气中”一词是指电机内的体积，称为“气隙”，机器的磁场（传统电机的磁场，静电电机的电场）部署在这里。它跨越了机器的关键部件：转子和定子。

让我们把它拆开。传统电动机的工作原理是，在称为定子的固定结构中建立的旋转磁场与称为转子的另一种结构的磁场啮合，导致转子旋转。所涉及的力称为洛伦兹力。但是，使静电机器运转的是一种完全不同的力，称为库仑力。这是相反或相似电荷之间的吸引力或排斥力。

克服气隙问题

C-Motive的电机使用不导电的转子和定子盘，其上沉积了许多从盘中心向外辐射的薄而紧密的导体，就像自行车车轮上的辐条一样。施加在这些“辐条”上的精确定时的静电荷会产生两波电压，一波在定子上，另一波在转子上。转子和定子波之间的相位差被定时和控制，以最大化由辐条之间的这种吸引和排斥序列引起的转子扭矩。为了进一步尽可能多地拧出扭矩，该机器有六个转子和定子，它们像光盘一样交替堆叠在主轴上。

如果电荷之间的电介质是空气，机器就会很弱。作为电介质，空气的介电常数较低，这意味着空气中的电场不能储存太多能量。空气的击穿场强也相对较低，意味着空气在击穿并在炽热的电弧中传导电流之前只能支持相当弱的电场。因此，该团队面临的最大挑战之一是生产一种介电流体，其介电常数和击穿场强比空气高得多，并且对环境友好且无毒。为了尽量减少摩擦，这种流体还必须具有非常低的粘度，因为转子会在其中旋转。具有高介电常数的电介质将电场集中在带相反电荷的电极之间，使更多的能量能够存储在它们之间的空间中。在几年内筛选了数百名候选材料后，C-Motive团队成功地生产出了一种低粘度、相对介电常数在20秒内的有机液体电介质（https://www.engineeringtoolbox.com/relative-permittivity-d_1660.html）。为了进行比较，空气的相对电容率为1。

另一个挑战是为他们的机器提供运行所需的2000伏电压。高压是在转子和定子之间产生强电场所必需的。据Ludois介绍，为了精确控制这些领域，C-Motive能够利用廉价且功能强大的电力电子设备。对于他们最近的电机，他们开发了一种基于现成的4.5千伏绝缘栅双极晶体管的驱动系统（https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors/discrete-igbts/xpt/high-voltage_xpt/ixyh30n450hv.aspx），但功率半导体的进步速度意味着他们在这里有很多有吸引力的选择，在不久的将来还会有更多的选择。

Ludois报道称，C-Motive目前正在与潜在客户一起测试750瓦（1马力）电机的应用。他补充道，他们的下一台机器将在750到3750瓦（1到5马力）的范围内。这些将足够强大，可以在工业自动化、制造业以及供暖、通风和空调等领域扩大应用范围。

这对Ludois来说是一次令人满意的旅程。“对我来说，创造性自豪的一点是，我和我的团队正在研究一些截然不同的东西，我希望从长远来看，这将为其他人做出贡献开辟其他途径。”