수십 개의 전기 모터의 직접적인 지원 없이는 일반적인 하루를 보낼 수 없을 것입니다. 전기 모터는 핸드 크랭크로 구동되지 않는 모든 가전제품, 편안함을 유지해주는 기후 조절 시스템, 자동차의 펌프, 팬, 창문 제어 장치에 들어 있습니다. 그리고 전기 모터에는 여러 종류가 있지만, 전기 자동차의 200킬로와트 트랙션 모터부터 스테퍼 모터까지 모든 종류의 전기 모터가 있습니다. 쿼츠 손목시계정확히 동일한 물리적 현상, 즉 전자기력을 이용합니다.
그러나 수십 년 동안 엔지니어들은 완전히 다른 원리인 정전기에 기반한 모터의 장점에 매료되었습니다. 실험 기반 분석에 따르면 일부 응용 분야에서 이러한 모터는 30%에서 거의 100%에 이르는 전반적인 효율성을 높일 수 있습니다. 그리고 아마도 더 나은 점은 기존 모터에서 발견되는 희토류 원소, 특수 강철 합금 및 다량의 구리 대신 저렴하고 풍부한 재료만 사용한다는 것입니다.
“전기화에는 지속 가능성 문제가 있습니다.”라고 언급했습니다. 다니엘 루도이스매디슨에 있는 위스콘신 대학교의 전기공학 교수. 하지만 “정전기 모터는 권선이 필요 없고, 자석이 필요 없으며, 기존 기계에 필요한 중요한 재료가 필요 없습니다.”
이러한 이점 때문에 Ludois는 회사를 공동 창립하게 되었습니다. C-모티브 테크놀로지스거시적 규모의 정전 모터를 제작합니다. “우리는 알루미늄과 플라스틱 또는 유리 섬유로 기계를 만듭니다.”라고 그는 말합니다. 그들의 현재 프로토타입은 최대 18뉴턴 미터의 토크와 360와트(0.5마력)의 전력을 제공할 수 있습니다. 그들은 이것이 “회전하는 정전 기계에 대한 가장 높은 토크와 전력 측정”이라고 주장합니다.
결과는 2024년 “직접 구동 산업 응용 분야를 위한 동기 정전기 기계”라는 논문에 보고되었습니다. IEEE 에너지 변환 회의 및 박람회애리조나주 피닉스에서 10월 20일부터 24일까지 개최됩니다. 논문에서 루도이스와 동료 4명은 자신들이 만든 정전기 기계를 설명하는데, 그들은 이 기계를 “산업 작업을 수행하는 부하, 이 경우 정압 펌프 시스템을 구동할 수 있는” 최초의 기계라고 설명합니다.
정전 모터를 더 크게 만들기
이 기계는 이전의 모든 정전기 모터보다 수백 배 더 강력하며 분수 수준에서 공랭식 자기 기계와 경쟁하거나 더 우수합니다. [horsepower] 저자는 “규모”라고 덧붙였습니다. 분수 마력 모터의 글로벌 시장은 87억 달러 이상컨설팅 회사 Business Research Insights에 따르면,
매크로 규모를 달성하는 것은 쉽지 않았습니다. 정전기 모터는 수년 동안 사용 가능했지만 오늘날에는 작은 단위 전력 출력은 밀리와트로 측정됩니다.정전 모터 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 전기공학 교수인 필립 크라인은 “밀리미터 스케일 이하로 내려가면 놀랍고, 점점 더 작아질수록 점점 더 좋아집니다.”라고 말합니다. “자기 모터보다 더 나은 교차점이 있습니다.” (크라인은 C-Motive와 재정적으로 연결되어 있지 않습니다.)
그러나 더 큰 모터의 경우 그 반대가 사실입니다. “거시적 규모에서 전자기력이 승리합니다. 교과서적인 답입니다.”라고 Ludois는 말합니다. “음, 우리는 그 지혜에 도전하기로 결정했습니다.”
이 탐구를 위해 그와 그의 팀은 미국의 건국의 아버지 중 한 사람의 덜 알려진 업적에서 영감을 얻었습니다. “사실은 벤저민 프랭클린이 1747년에 거시적인 정전기 모터를 만들어서 시연했다는 것입니다.”라고 Krein은 말합니다. “그는 실제로 모터를 로티세리로 사용하여 필라델피아의 강둑에서 칠면조를 구웠습니다.”(고인이 된 역사가 I. Bernard Cohen이 1990년 저서에서 밝힌 사실) 벤자민 프랭클린의 과학 ).
Krein은 정전 모터를 거시 세계로 확장하려는 시도에서 근본적인 과제는 에너지 밀도라고 설명합니다. “전기장 시스템을 사용하여 적당한 규모에서 공기 중에서 얻을 수 있는 에너지 밀도는 전자기 시스템으로 얻을 수 있는 밀도보다 훨씬, 훨씬 낮습니다. 수십 배 더 낮습니다.” 여기서 “공기 중”이라는 문구는 모터 내부의 부피, 즉 “공기 갭”을 말하며, 여기서 기계의 필드(기존 모터의 경우 자기장, 정전 모터의 경우 전기장)가 배치됩니다. 기계의 핵심 구성 요소인 로터와 스테이터를 가로지릅니다.
그것을 풀어봅시다. 기존의 전기 모터는 고정된 구조인 스테이터에 설정된 회전 자기장이 로터라는 다른 구조의 자기장과 맞물려 로터가 회전하기 때문에 작동합니다. 관련된 힘을 로렌츠 힘이라고 합니다. 하지만 정전기 기계를 돌아가게 하는 것은 쿨롱 힘이라고 하는 완전히 다른 힘입니다. 이것은 반대 또는 유사한 전기적 전하 사이의 인력 또는 반발력입니다.
에어갭 문제 극복
C-Motive의 모터는 비전도성 로터와 스테이터 디스크를 사용하는데, 디스크의 중심에서 바깥쪽으로 방사되는 얇고 간격이 좁은 도체가 많이 증착되어 있습니다. 이는 자전거 바퀴의 스포크와 같습니다. 이러한 “스포크”에 적용된 정확한 타이밍의 정전기 전하가 스테이터와 로터에 각각 하나씩 두 개의 전압파를 생성합니다. 로터와 스테이터 파동 사이의 위상 차이는 스포크 사이의 이러한 인력과 반발의 시퀀스로 인해 로터에서 발생하는 토크를 최대화하도록 타이밍이 맞춰지고 제어됩니다. 가능한 한 많은 토크를 추가로 짜내기 위해 이 기계는 로터와 스테이터를 각각 6개씩 가지고 있으며, 스핀들의 콤팩트 디스크처럼 번갈아가며 쌓입니다.
전하 사이의 유전체가 공기라면 기계는 약할 것입니다. 유전체로서 공기는 유전율이 낮아 공기의 전기장은 많은 에너지를 저장할 수 없습니다. 또한 공기는 파괴 전계 강도가 비교적 낮아 공기는 파괴되어 타오르는 아크에서 전류를 전도하기 전에 상당히 약한 전기장만 견딜 수 있습니다. 따라서 팀의 가장 큰 과제 중 하나는 공기보다 유전율과 파괴 전계 강도가 훨씬 높고 환경 친화적이며 무독성인 유전체 유체를 생산하는 것이었습니다. 마찰을 최소화하기 위해 이 유체는 점도가 매우 낮아야 했습니다. 로터가 그 안에서 회전하기 때문입니다. 유전율이 높은 유전체는 반대 전하 전극 사이에 전기장을 집중시켜 그 사이 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 수년에 걸쳐 수백 개의 후보를 검토한 후 C-Motive 팀은 점도가 낮고 비유전율 20대 초반입니다. 비교를 위해 공기의 상대 유전율은 1입니다.
또 다른 과제는 기계를 작동하는 데 필요한 2,000볼트를 공급하는 것이었습니다. 회전자와 고정자 사이에 강렬한 전기장을 생성하려면 고전압이 필요합니다. Ludois에 따르면, 이러한 전기장을 정밀하게 제어하기 위해 C-Motive는 저렴하고 놀라울 정도로 성능이 뛰어난 전력 전자 장치를 활용할 수 있었습니다. 가장 최근의 모터의 경우, 그들은 쉽게 구할 수 있는 4.5킬로볼트 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터하지만 전력 반도체의 발전 속도 덕분에 매력적인 선택의 폭이 넓어졌고 가까운 미래에는 더욱 늘어날 것입니다.
Ludois는 C-Motive가 현재 잠재 고객을 대상으로 750와트(1마력) 모터를 테스트하고 있다고 보도했습니다. 그는 다음 기계는 750~3,750와트(1~5마력) 범위에 속할 것이라고 덧붙였습니다. 이 제품은 산업 자동화, 제조, 난방, 환기 및 공조 분야에서 다양한 용도로 사용할 수 있을 만큼 강력할 것입니다.
루도이스에게는 만족스러운 여정이었습니다. “저에게 있어 창의적인 자부심의 요점은 저와 제 팀이 근본적으로 다른 것을 작업하고 있다는 것입니다. 저는 장기적으로 다른 사람들이 기여할 수 있는 다른 길을 열어주기를 바랍니다.”