Ohne die direkte Hilfe von Dutzenden Elektromotoren könnten Sie einen normalen Tag mit Sicherheit nicht überstehen. Sie finden sich in all Ihren Geräten, die nicht über eine Kurbel bedient werden, in den Klimaanlagen, die für Ihren Komfort sorgen, in den Pumpen, Ventilatoren und Fensterhebern Ihres Autos. Und obwohl es viele Arten von Elektromotoren gibt, nutzt jeder einzelne, vom 200-Kilowatt-Traktionsmotor in Ihrem Elektrofahrzeug bis zum Schrittmotor in Ihrer Quarzarmbanduhr, genau das gleiche physikalische Phänomen: Elektromagnetismus.
Seit Jahrzehnten lassen sich Ingenieure von den Vorzügen von Motoren verführen, die auf einem ganz anderen Prinzip basieren: der Elektrostatik. In einigen Anwendungen könnten diese Motoren laut experimentellen Analysen eine Gesamteffizienzsteigerung von 30 bis nahezu 100 Prozent bieten. Und was vielleicht noch besser ist: Sie würden nur billige und reichlich vorhandene Materialien verwenden und nicht die seltenen Erden, Spezialstahllegierungen und große Mengen Kupfer, die in herkömmlichen Motoren vorkommen.
„Die Elektrifizierung wirft Nachhaltigkeitsprobleme auf“, bemerkt Daniel Ludois, Professor für Elektrotechnik an der University of Wisconsin in Madison. Aber „ein elektrostatischer Motor benötigt nicht die Wicklungen, Magnete und kritischen Materialien wie eine herkömmliche Maschine.“
Diese Stärken führten dazu, dass Ludois ein Unternehmen, C-Motive Technologies, mitgründete, das elektrostatische Großmotoren baute. „Wir fertigen unsere Maschinen aus Aluminium und Kunststoff oder Glasfaser“, erklärt er. Ihr aktueller Prototyp ist in der Lage, ein Drehmoment von 18 Newtonmetern und eine Leistung von 360 Watt (0,5 PS) zu liefern, Eigenschaften, die sie als „die höchsten Drehmoment- und Leistungsmessungen für eine rotierende elektrostatische Maschine“ bezeichnen.
Die Ergebnisse werden in einem Papier mit dem Titel „Synchronous Electrostatic Machines for Direct Drive Industrial Applications“ vorgestellt, das auf der IEEE Energy Conversion 2024 Conference and Exposition vorgestellt wird, die vom 20. bis 24. Oktober in Phoenix, Arizona, stattfindet. In der Arbeit beschreiben Ludois und vier Kollegen eine von ihnen gebaute elektrostatische Maschine, die sie als die erste Maschine ihrer Art bezeichnen, die in der Lage ist, „eine Last anzutreiben, die industrielle Arbeit verrichtet, in diesem Fall ein Wasserpumpensystem mit konstantem Druck“.
Erhöhen Sie die Größe elektrostatischer Motoren
Die Maschine, die hundertmal leistungsstärker ist als jeder bisherige elektrostatische Motor, ist „in einem Bruchteil der Zeit mit luftgekühlten Magnetmaschinen konkurrenzfähig oder ihnen überlegen.“ [horsepower] „Die Skala“, fügen die Autoren hinzu. Laut dem Beratungsunternehmen Business Research Insights hat der globale Markt für Kleinmotoren einen Wert von mehr als 8,7 Milliarden US-Dollar.
Der 360-Watt-Motor von C-Motive verfügt über ein halbes Dutzend Rotoren und Statoren, die in dieser Schnittdarstellung gelb dargestellt sind.C-Motive-Technologien
Es war nicht einfach, die Makroskala zu erreichen. Elektrostatische Motoren gibt es schon seit Jahren, doch heute handelt es sich um winzige Einheiten, deren Leistung in Milliwatt gemessen wird. „Elektrostatische Motoren sind erstaunlich, sobald sie die Millimeterskala unterschreiten, und sie werden immer besser, je kleiner sie werden“, sagt Philip Krein, Professor für Elektrotechnik an der University of Illinois in Urbana-Champaign. „Sie sind in mancher Hinsicht besser als Magnetmotoren. » (Krein hat keine finanziellen Verbindungen zu C-Motive.)
Bei größeren Motoren ist das Gegenteil der Fall. „Auf der makroskopischen Skala gewinnt der Elektromagnetismus, das ist die klassische Antwort“, bemerkt Ludois. „Wir haben beschlossen, diese vorgefasste Meinung in Frage zu stellen. »
Für diese Suche ließen er und sein Team sich von einer weniger bekannten Leistung eines der Gründerväter der Vereinigten Staaten inspirieren. „Tatsache ist, dass Benjamin Franklin 1747 einen makroskopischen elektrostatischen Motor baute und demonstrierte“, erklärt Kerin. „Er benutzte den Motor tatsächlich als Bratpfanne, um einen Truthahn an einem Flussufer in Philadelphia zu grillen“ (eine Tatsache, die der verstorbene Historiker I. Bernard Cohen in seinem Buch von 1990 entdeckte). Die Wissenschaft von Benjamin Franklin ).
Kerin erklärt, dass die grundlegende Herausforderung bei dem Versuch, elektrostatische Motoren an die makroskopische Welt anzupassen, die Energiedichte ist. „Die Energiedichte, die mit einem elektrischen Feldsystem in Luft in einem vernünftigen Maßstab erreicht werden kann, ist viel niedriger (um mehrere Größenordnungen) als die Dichte, die mit einem elektromagnetischen System erreicht werden kann. » Hier bezieht sich der Ausdruck „in Luft“ auf das Volumen im Inneren des Motors, den sogenannten „Luftspalt“, in dem die Felder der Maschine (magnetisch beim herkömmlichen Motor, elektrisch beim elektrostatischen Motor) wirken. Es überlappt die Schlüsselkomponenten der Maschine: den Rotor und den Stator.
Beginnen wir damit, dies zu analysieren. Ein typischer Elektromotor funktioniert, weil ein rotierendes Magnetfeld, das in einer festen Struktur namens Stator installiert ist, mit dem Magnetfeld einer anderen Struktur namens Rotor in Kontakt kommt, wodurch sich dieser Rotor dreht. Die beteiligte Kraft wird Lorentzkraft genannt. Aber was eine elektrostatische Maschine dreht, ist eine ganz andere Kraft, die sogenannte Coulomb-Kraft. Es ist die anziehende oder abstoßende physikalische Kraft zwischen entgegengesetzten oder ähnlichen elektrischen Ladungen.
Überwindung des Luftspaltproblems
Der Motor von C-Motive verwendet nichtleitende Rotor- und Statorscheiben mit vielen dünnen, eng beieinander liegenden Leitern, die strahlenförmig von der Mitte der Scheibe nach außen verlaufen, wie die Speichen eines Fahrradlaufrads. Präzise zeitlich abgestimmte elektrostatische Ladungen, die auf diese „Speichen“ ausgeübt werden, erzeugen zwei Spannungswellen, eine im Stator und eine im Rotor. Der Phasenunterschied zwischen den Rotor- und Statorwellen wird synchronisiert und gesteuert, um das Drehmoment im Rotor zu maximieren, das durch diese Abfolge von Anziehung und Abstoßung zwischen den Speichen verursacht wird. Um möglichst viel Drehmoment herauszuholen, verfügt die Maschine über ein halbes Dutzend Rotoren und Statoren, die abwechselnd und wie CDs auf einer Achse gestapelt sind.
Der 360-Watt-Motor ist hundertmal leistungsstärker als bisherige elektrostatische Motoren, deren Leistungsabgabe typischerweise in Milliwatt gemessen wird.C-Motive-Technologien
Die Maschine wäre schwach, wenn das Dielektrikum zwischen den Ladungen Luft wäre. Als Dielektrikum hat Luft eine niedrige Permittivität, was bedeutet, dass ein elektrisches Feld in der Luft nicht viel Energie speichern kann. Luft hat außerdem eine relativ geringe Durchschlagsfeldstärke, was bedeutet, dass die Luft nur einem relativ schwachen elektrischen Feld standhalten kann, bevor sie zusammenbricht und in einem Lichtbogen Strom leitet. Eine der größten Herausforderungen des Teams bestand daher darin, eine dielektrische Flüssigkeit herzustellen, die eine viel höhere Permittivität und Durchschlagsfeldstärke als Luft aufweist und außerdem umweltfreundlich und ungiftig ist. Um die Reibung zu minimieren, musste diese Flüssigkeit außerdem eine sehr niedrige Viskosität aufweisen, da sich die Rotoren darin drehen würden. Ein Dielektrikum mit hoher Permittivität konzentriert das elektrische Feld zwischen entgegengesetzt geladenen Elektroden, wodurch mehr Energie im Raum zwischen ihnen gespeichert werden kann. Nachdem das C-Motive-Team über mehrere Jahre Hunderte von Kandidaten geprüft hatte, war es in der Lage, ein organisches flüssiges Dielektrikum mit niedriger Viskosität und einer relativen Dielektrizitätskonstante von etwa 20 % herzustellen. Zum Vergleich: Die relative Permittivität von Luft beträgt 1.
Eine weitere Herausforderung bestand darin, die für den Betrieb der Maschine erforderlichen 2.000 Volt bereitzustellen. Um die starken elektrischen Felder zwischen Rotoren und Statoren zu erzeugen, sind hohe Spannungen erforderlich. Um diese Felder präzise zu steuern, konnte C-Motive laut Ludois die Verfügbarkeit kostengünstiger und unglaublich leistungsstarker Leistungselektronik nutzen. Für ihren neuesten Motor haben sie ein Antriebssystem entwickelt, das auf leicht erhältlichen 4,5-Kilovolt-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate basiert, aber die Geschwindigkeit der Fortschritte bei Leistungshalbleitern bedeutet, dass die Auswahl zahlreich ist und in naher Zukunft noch zahlreicher werden wird.
Ludois erklärt, dass C-Motive derzeit einen 750-Watt-Motor (1 PS) in Anwendungen mit potenziellen Kunden testet. Die nächsten Maschinen werden im Bereich von 750 bis 3.750 Watt (1 bis 5 PS) liegen, fügt er hinzu. Sie werden leistungsstark genug für ein breites Anwendungsspektrum in der industriellen Automatisierung, Fertigung und HVAC sein.
Für Ludois war es ein lohnendes Abenteuer. „Für mich ist es ein kreativer Punkt, auf den ich stolz bin, mit meinem Team an etwas völlig Anderem zu arbeiten, von dem ich hoffe, dass es auf lange Sicht neue Wege für andere Beiträge eröffnet. »
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