Los motores electrostáticos desafían a los motores electromagnéticos.

Estoy bastante seguro de que no puedes pasar un día laborable sin el apoyo directo de docenas de motores eléctricos. Están en todos sus electrodomésticos que no requieren manivela. Está en los controles de clima que lo mantienen cómodo y en las bombas, ventiladores y controles de las ventanas de su automóvil. Y aunque existen muchos tipos de motores eléctricos, Cada categoría abarca desde el motor de tracción eléctrico de 200 kW de su coche eléctrico hasta el motor paso a paso de su reloj de pulsera de cuarzo. Todos ellos hacen uso del mismo fenómeno físico, el electromagnetismo, sin embargo, desde hace décadas. Los ingenieros están fascinados por las virtudes de los motores, que emplean un principio completamente diferente (la electricidad estática) en algunas aplicaciones. Estos motores pueden aumentar la eficiencia general del 30 por ciento a casi el 100 por ciento, según el análisis experimental. Y quizás incluso mejor que eso. Utilizan sólo materiales baratos y abundantes. En lugar de utilizar elementos de tierras raras Aleaciones de acero especiales y la gran cantidad de cobre que se encuentra en los motores en general. “La electricidad plantea desafíos en materia de sostenibilidad”, afirma Daniel Ludois, profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Wisconsin en Madison, pero “los motores electrostáticos no necesitan devanados. No necesito un imán. Y no requiere ningún material importante. que requieren las máquinas convencionales”. Esta ventaja llevó a Ludois a cofundar C-Motive Technologies para crear un motor electrostático a macroescala. «Construimos nuestras máquinas con aluminio, plástico o fibra de vidrio», afirma. Su prototipo actual puede ofrecer un par de hasta 18 Nm y una potencia de 360 ​​vatios (0,5 caballos de fuerza), una característica que, según afirman, es. «Medidas de par y potencia máxima para cualquier máquina electrostática giratoria» Los resultados se informan en el artículo. “Máquinas electrostáticas síncronas para aplicaciones industriales de accionamiento directo” que se presentarán en el Congreso y Exposición de Conversión de Energía IEEE 2024, que tendrá lugar del 20 al 24 de octubre en Phoenix, Arizona. En el artículo, Ludois y cuatro colegas describen una máquina electrostática que construyeron. que describen como la primera máquina que puede “Conducir cargas industriales En este caso, se trata de un sistema de bomba de presión constante”. Esto permite que las máquinas con motores electrostáticos más grandes, que son cientos de veces más potentes que los motores electrostáticos anteriores, sean “competitivas o incluso superiores a las máquinas magnéticas enfriadas por aire a una fracción del costo”. [horsepower] tamaño”, añade el autor. Según la consultora Business Research Insights, el mercado mundial de motores fraccionarios vale más de 8.700 millones de dólares. El motor de 360 ​​vatios de C-Motive tiene media docena de rotores y estatores cada uno. La tecnología C-Motive, que se muestra en amarillo en esta ilustración recortada, logra esto. El nivel macro no es fácil. Los motores electrostáticos existen desde hace muchos años. Pero en la actualidad es una unidad pequeña. con la potencia de salida medida en milivatios “Los motores electrostáticos son sorprendentes cuando están por debajo del milímetro. Y el motor seguirá mejorando. Se hacen cada vez más pequeños”, afirmó Philip Krein, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Illinois. Urbana-Champaign «tiene un mejor cruce que los motores magnéticos» (Krein no tiene vínculos financieros con C-Motive). Sin embargo, para los motores más grandes, ocurre lo contrario. “A nivel macro El electromagnetismo prevalece como respuesta de manual”, observa Ludois. “Decidimos desafiar esa sabiduría” para esta misión. Él y su equipo encontraron inspiración en los logros poco conocidos de uno de los padres fundadores de Estados Unidos. “La verdad es Benjamín. Franklin construyó y demostró un motor electrostático gigantesco en 1747”, dice Krein. “De hecho, usó el motor como asador para asar un pavo en la orilla de un río en Filadelfia (hecho descubierto por los historiadores I. Bernard Cohen para Science de Benjamin Franklin). Libro en 1990) El efecto macroscópico de un motor electrostático es su densidad de energía. “La densidad de energía que se puede obtener en el aire a niveles razonables con un sistema de campo eléctrico es mucho menor. que es mucho menor Esto es menor que la densidad que se obtendría con un sistema electromagnético”. Aquí la frase «en el aire» se refiere al volumen dentro del motor, conocido como «espacio de aire», donde se aplica el campo magnético de la máquina. (Imanes para motores generales electricidad para motores electrostáticos) Abarca los componentes principales de la máquina: el rotor y el estator. Un motor eléctrico convencional funciona gracias a un campo magnético giratorio montado en una estructura fija llamada estator. junto con el campo magnético de otra estructura llamada rotor Hacer girar el rotor La fuerza involucrada se llama fuerza de Lorentz. Pero lo que hace girar una máquina electrostática es una fuerza completamente diferente. Se llama fuerza de Coulomb. Es la fuerza física de atracción o repulsión entre cargas eléctricas opuestas o similares. Para superar el problema del entrehierro, los motores C-Motive utilizan un rotor no conductor y un disco de estator que han acumulado una gran cantidad de conductores eléctricos delgados estrechamente espaciados que irradian desde el centro del disco. Al igual que los radios de una rueda de bicicleta, una carga electrostática sincronizada con precisión aplicada a estos «radios» crea dos ondas de voltaje. Una onda está en el estator y otra onda en el rotor. La diferencia de fase entre las ondas del rotor y del estator se cronometra y controla para aumentar el par en el rotor que se genera mediante la secuencia de fuerzas de atracción y repulsión entre los radios de la rueda. Apretar lo máximo posible. La máquina tiene media docena de rotores y estatores cada uno. Alternándose y apilándose como discos compactos en un eje, el motor de 360 ​​vatios es cientos de veces más potente que las generaciones anteriores de motores electrostáticos, con una potencia de salida que normalmente se mide en milivatios. Las máquinas con tecnología C-Motive se debilitan si la electricidad se debilita. Las cargas son aire. porque es un dielectrico Por lo tanto, el aire tiene un valor permisivo bajo. Esto significa que el campo eléctrico del aire no puede almacenar mucha energía. El aire también tiene una intensidad de campo eléctrico de colapso relativamente baja. Esto significa que el aire sólo puede soportar campos eléctricos relativamente débiles antes de colapsar y transportar corriente en el arco ardiente. Por lo tanto, uno de los mayores desafíos del equipo es producir un fluido dieléctrico con una permitividad y una intensidad de campo de ruptura mucho mayores que el aire. También es ecológico y no tóxico. para reducir la fricción Este fluido también debe tener una viscosidad muy baja. Esto se debe a que en él gira el rotor. Los dieléctricos de alta permitividad centralizan el campo eléctrico entre electrodos con cargas opuestas. Esto permite almacenar más energía en el espacio entre esos electrodos. Después de seleccionar cientos de candidatos a lo largo de los años, el equipo de C-Motive logró producir un dieléctrico líquido orgánico con baja viscosidad y permitividad relativa de alrededor de 20 grados para comparar. La permitividad relativa del aire es 1. Otro desafío es suministrar los 2000 voltios que la máquina necesita para funcionar. Se requiere alto voltaje para crear un fuerte campo eléctrico entre el rotor y el estator. Para controlar con precisión estos campos, C-Motive pudo aprovechar la disponibilidad de una electrónica de potencia económica e increíblemente capaz, según Ludois, para su último motor. Desarrollaron un sistema de accionamiento utilizando transistores bipolares de puerta aislada de 4,5 kV fácilmente disponibles. Pero el ritmo de progreso en los semiconductores significa que tienen muchas opciones interesantes aquí. Con más por venir en el futuro cercano, Ludois informa que C-Motive está probando actualmente un motor de 750 vatios (1 caballo de fuerza) en uso con clientes potenciales. Sus próximas máquinas estarán en el rango de 750 a 3.750 vatios (de 1 a 5 caballos de fuerza), añadió. Serán lo suficientemente potentes para una amplia gama de aplicaciones en automatización industrial, fabricación y calefacción. Ventilación y aire acondicionado Ha sido un viaje alegre para Ludois: “Para mí, el orgullo creativo es que mi equipo y yo estamos trabajando en algo completamente diferente. Lo cual espero a largo plazo Abrirá otros canales para que otros participen”. De los artículos de su sitio web Artículos relacionados en la web.