Het is redelijk veilig dat je een normale dag niet zou kunnen doorkomen zonder de directe ondersteuning van tientallen elektromotoren. Ze zitten in al uw apparaten die niet worden aangedreven door een handslinger, in de klimaatbeheersingssystemen die u comfortabel houden, en in de pompen, ventilatoren en raambedieningen van uw auto. En hoewel er veel verschillende soorten elektromotoren zijn, maken ze allemaal, van de tractiemotor van 200 kilowatt in uw elektrische voertuig tot de stappenmotor in uw quartz-polshorloge, gebruik van precies hetzelfde fysieke fenomeen: elektromagnetisme.
Decennia lang zijn ingenieurs echter gefascineerd door de deugden van motoren die gebaseerd zijn op een heel ander principe: elektrostatica. Volgens experimentele analyses kunnen deze motoren in sommige toepassingen algemene efficiëntiewinsten bieden, variërend van 30 procent tot bijna 100 procent. En misschien nog beter: ze zouden alleen goedkope, overvloedige materialen gebruiken, in plaats van de zeldzame aardmetalen, speciale staallegeringen en grote hoeveelheden koper die in conventionele motoren voorkomen.
“Elektrificatie brengt uitdagingen met zich mee op het gebied van duurzaamheid”, merkt Daniel Ludois op, hoogleraar elektrotechniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Maar “een elektrostatische motor heeft geen spoelen nodig, heeft geen magneten nodig en heeft geen van de kritische materialen nodig die een conventionele machine nodig heeft.”
Dergelijke voordelen brachten Ludois ertoe een bedrijf op te richten, C-Motive Technologies, om elektrostatische motoren op macroschaal te bouwen. “We maken onze machines van aluminium en plastic of glasvezel”, zegt hij. Hun huidige prototype kan maar liefst 18 Newtonmeter koppel en 360 watt (0,5 pk) vermogen leveren – eigenschappen die volgens hen ‘de hoogste koppel- en vermogensmetingen zijn van elke roterende elektrostatische machine’.
De resultaten worden gepubliceerd in het artikel “Synchronous Electrostatic Machines for Direct-Drive Industrial Applications”, dat zal worden gepresenteerd op het IEEE Power Conversion Congress and Exposition 2024, dat van 20 tot 24 oktober in Phoenix, Arizona wordt gehouden. In het artikel beschrijven Ludois en vier collega’s een elektrostatische machine die ze hebben gebouwd, die ze beschrijven als de eerste dergelijke machine die in staat is “een last te verplaatsen die industrieel werk doet, in dit geval een pompsysteem met constante druk.”
Toename van elektrostatische motoren
De machine, die honderden keren krachtiger is dan welke eerdere elektrostatische motor dan ook, ‘is concurrerend met of superieur aan luchtgekoelde magnetische machines tegen fractionele kosten. [horsepower] schaal”, voegen de auteurs toe. Volgens adviesbureau Business Research Insights bedraagt de mondiale markt voor motoren met fractionele pk’s ruim 8,7 miljard dollar.
De C-Motive-motor van 360 watt heeft elk een zestal rotoren en stators, in deze afbeelding in geel weergegeven.C-Motive-technologieën
Het bereiken van macroschaal was niet eenvoudig. Elektrostatische motoren zijn al jaren verkrijgbaar, maar tegenwoordig zijn het kleine eenheden met een vermogen gemeten in milliwatt. “Elektrostatische motoren zijn verbazingwekkend als je op millimeterschaal kijkt, en ze worden steeds beter naarmate ze kleiner en kleiner worden”, zegt Philip Krein, hoogleraar elektrotechniek aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign. “Er is een punt waarop ze beter zijn dan magnetische motoren.” (Krein heeft geen financiële banden met C-Motive.)
Voor grotere motoren geldt echter het tegenovergestelde. “Op macroschaal wint het elektromagnetisme, het antwoord is een leerboek”, merkt Ludois op. ‘Nou, we hebben besloten die wijsheid in twijfel te trekken.’
Voor deze zoektocht vonden hij en zijn team inspiratie in een minder bekende prestatie van een van de grondleggers van de Verenigde Staten. “Feit is dat Benjamin Franklin in 1747 een macroscopische elektrostatische motor bouwde en demonstreerde”, zegt Krein. “Hij gebruikte de motor feitelijk als barbecue om een kalkoen te grillen aan de rivieroever in Philadelphia” (een feit onthuld door wijlen historicus I. Bernard Cohen voor zijn boek uit 1990 De wetenschap van Benjamin Franklin ).
Kerin legt uit dat de grootste uitdaging bij het opschalen van elektrostatische motoren naar de macrowereld de energiedichtheid is. “De energiedichtheid die je op redelijke schaal in de lucht kunt krijgen met een elektrisch veldsysteem is veel, veel lager – vele ordes van grootte lager – dan de dichtheid die je kunt krijgen met een elektromagnetisch systeem.” Hier verwijst de uitdrukking “in de lucht” naar het volume in de motor, de “luchtspleet” genoemd, waar de velden van de machine (magnetisch voor een conventionele motor, elektrisch voor een elektrostatisch) worden verdeeld. Het bevindt zich op de belangrijkste componenten van de machine: de rotor en de stator.
Laten we het uitpakken. Een conventionele elektromotor werkt omdat een roterend magnetisch veld, geplaatst in een vaste structuur, de stator genaamd, in contact komt met het magnetische veld van een andere structuur, de rotor genaamd, waardoor die rotor gaat draaien. De kracht die daarbij betrokken is, wordt de Lorentzkracht genoemd. Maar wat een elektrostatische machine aandrijft, is een heel andere kracht, de Coulomb-kracht. Dit is de aantrekkende of afstotende fysieke kracht tussen tegengestelde of vergelijkbare elektrische ladingen.
Het probleem van de luchtspleet overwinnen
De C-Motive-motor maakt gebruik van niet-geleidende rotor- en statorschijven bedekt met vele dunne, dicht bij elkaar geplaatste geleiders die vanuit het midden van de schijf naar buiten uitstralen, zoals spaken in een fietswiel. Nauwkeurig getimede elektrostatische ladingen die op deze “spaken” worden aangebracht, creëren twee spanningsgolven, één in de stator en één in de rotor. Het faseverschil tussen de rotor- en statorgolven wordt getimed en gecontroleerd om het koppel in de rotor te maximaliseren, veroorzaakt door deze opeenvolging van aantrekking en afstoting tussen de spaken. Om er zoveel mogelijk koppel uit te persen, heeft de machine elk een zestal rotoren en stators, die elkaar afwisselen en als compact discs op een spil stapelen.
De motor van 360 watt is honderden keren krachtiger dan eerdere elektrostatische motoren, waarvan het vermogen doorgaans in milliwatt wordt gemeten.C-Motive-technologieën
De machine zou zwak zijn als het diëlektricum tussen de ladingen lucht was. Als diëlektricum heeft lucht een lage permittiviteit, wat betekent dat het elektrische veld in de lucht niet veel energie kan opslaan. Lucht heeft ook een relatief lage doorslagveldsterkte, wat betekent dat lucht slechts een tamelijk zwak elektrisch veld kan ondersteunen voordat het kapot gaat en stroom in de boog geleidt. Een van de grootste uitdagingen van het team was dus het produceren van een diëlektrische vloeistof met een veel hogere permittiviteit en doorslagveldsterkte dan lucht, en die bovendien milieuvriendelijk en niet-giftig was. Om wrijving te minimaliseren moest deze vloeistof ook een zeer lage viscositeit hebben, omdat de rotoren erin zouden draaien. Een diëlektricum met hoge permittiviteit concentreert het elektrische veld tussen de tegengesteld geladen elektroden, waardoor er meer energie kan worden opgeslagen in de ruimte ertussen. Na honderden kandidaten gedurende meerdere jaren te hebben beoordeeld, slaagde het C-Motive-team erin om in de lage jaren ’20 een organisch vloeibaar diëlektricum te produceren met een lage viscositeit en een relatieve permittiviteit. Ter vergelijking: de relatieve diëlektrische constante van lucht is 1.
Een andere uitdaging was het leveren van de 2.000 volt die hun machine nodig had. Hoge spanningen zijn nodig om intense elektrische velden tussen de rotor en de stator te creëren. Om deze velden nauwkeurig te kunnen controleren, kon C-Motive profiteren van de beschikbaarheid van goedkope en ongelooflijk capabele vermogenselektronica, zegt Ludois. Voor hun nieuwste motor hebben ze een aandrijfsysteem ontwikkeld dat is gebaseerd op direct verkrijgbare bipolaire transistors met geïsoleerde poort van 4,5 kilovolt, maar de snelle vooruitgang op het gebied van vermogenshalfgeleiders betekent dat ze hier veel aantrekkelijke keuzes hebben, en in de nabije toekomst zelfs nog meer.
Ludois meldt dat C-Motive de motor van 750 watt (1 pk) nu test in toepassingen bij potentiële klanten. Hun volgende machines zullen in het bereik van 750 tot 3.750 watt (1 tot 5 pk) liggen, voegt hij eraan toe. Ze zullen krachtig genoeg zijn voor een uitgebreid scala aan toepassingen in industriële automatisering, productie, verwarming, ventilatie en airconditioning.
Het was een bevredigende rit voor Ludois. “Voor mij is het een punt van creatieve trots dat mijn team en ik aan iets radicaal anders werken dat hopelijk op de lange termijn andere wegen zal openen voor andere mensen om bij te dragen.”
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet