Оказывается, Бенджамин Франклин в 1747 году придумал что-то интересное

Можно с уверенностью сказать, что вы не сможете прожить обычный день без использования десятков разных электродвигателей. Они есть во всех ваших бытовых приборах, которые не приводятся в действие с помощью рукоятки, в системах климат-контроля, обеспечивающих комфорт, а также в насосах, вентиляторах и системах управления стеклоподъёмниками вашего автомобиля. И хотя существует множество различных видов электродвигателей, каждый из них, от 200-киловаттного тягового двигателя в вашем электромобиле до шагового двигателя в ваших кварцевых наручных часах, использует одно и то же физическое явление: электромагнетизм.

Однако на протяжении десятилетий инженеров манили достоинства двигателей, основанных на совершенно ином принципе: электростатике. В некоторых приложениях эти двигатели могут предложить общее увеличение эффективности от 30 до почти 100 процентов, согласно экспериментальному анализу. И, что ещё лучше, в них будут использоваться только дешёвые и доступные материалы, а не редкоземельные элементы, специальные стальные сплавы и большое количество меди, как в обычных двигателях.

«Электрификация известна экологическими проблемами, — отмечает Дэниел Людуа, профессор электротехники Висконсинского университета в Мэдисоне. — Но электростатическому двигателю не нужны обмотки, не нужны магниты, и ему не нужны никакие критические материалы, которые нужны обычным машинам».

Такие преимущества побудили Людоиса основать компанию C-Motive Technologies для создания макромасштабных электростатических двигателей. «Мы делаем наши машины из алюминия, пластика или стекловолокна», — говорит он. Их текущий прототип способен выдавать крутящий момент до 18 ньютон-метров и мощность 360 ватт (0,5 лошадиной силы) — характеристики, которые, как они утверждают, являются «самыми высокими показателями крутящего момента и мощности для любой вращающейся электростатической машины».

О результатах сообщается в статье «Синхронные электростатические машины для промышленного применения с прямым приводом», которая будет представлена на Конгрессе и выставке IEEE по преобразованию энергии 2024 года, который пройдёт с 20 по 24 октября в Фениксе, штат Аризона. В статье Людуа и четверо его коллег описывают построенную ими электростатическую машину, которую они называют первой подобной машиной, способной «приводить в движение нагрузку, выполняющую промышленную работу, в данном случае — насосную систему с постоянным давлением».

Как сделать электростатические двигатели больше

Машина, которая в сотни раз мощнее любого предыдущего электростатического двигателя, «конкурирует с магнитными машинами с воздушным охлаждением мощностью до одной лошадиной силы или превосходит их». По данным консалтинговой компании Business Research Insights, мировой рынок двигателей с мощностью менее одной лошадиной силы составляет более 8,7 миллиарда долларов США.

Достичь макромасштаба было нелегко. Электростатические двигатели существуют уже много лет, но сегодня это крошечные устройства с выходной мощностью, измеряемой милливаттами. «Электростатические двигатели поражают воображение, как только вы опускаетесь ниже миллиметровой отметки, и они становятся все лучше и лучше, поскольку становятся все меньше и меньше, — говорит Филипп Крейн, профессор электротехники в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн. — Существует точка, при прохождении которой они становятся лучше магнитных двигателей». (Крейн не имеет никаких финансовых связей с компанией C-Motive).

Однако для больших двигателей верно обратное. «В макромасштабе электромагнетизм побеждает — таков ответ из учебника, — отмечает Людуа. — Мы решили бросить вызов этому утверждению».

Для этого он и его команда нашли вдохновение в малоизвестном достижении одного из отцов-основателей Соединённых Штатов. «Дело в том, что Бенджамин Франклин построил и продемонстрировал макроскопический электростатический двигатель в 1747 году, — говорит Крейн. — Он использовал этот двигатель в качестве вертела для приготовления индейки на гриле на берегу реки в Филадельфии» (этот факт обнаружил покойный историк И. Бернард Коэн для своей книги 1990 года «Наука Бенджамина Франклина»).

Крейн объясняет, что основной проблемой при попытке масштабирования электростатических двигателей до макромира является плотность энергии. «Плотность энергии, которую можно получить в воздухе в разумных масштабах с помощью системы электрического поля, намного, намного ниже — на много порядков ниже, чем плотность, которую можно получить с помощью электромагнитной системы». Здесь фраза «в воздухе» относится к объёму внутри двигателя, называемому «воздушным зазором», где разворачиваются поля машины (магнитное для обычного двигателя, электрическое для электростатического). Он находится между ключевыми компонентами машины: ротором и статором.

Давайте разберёмся, что это такое. Обычный электродвигатель работает потому, что вращающееся магнитное поле, созданное в неподвижной структуре, называемой статором, взаимодействует с магнитным полем другой структуры, называемой ротором, заставляя ротор вращаться. Эта сила называется силой Лоренца. Но то, что заставляет электростатическую машину вращаться, — это совершенно другая сила, называемая кулоновской. Это притягивающая или отталкивающая физическая сила между противоположными или подобными электрическими зарядами.

Преодоление проблемы воздушного зазора

В двигателе C-Motive используются непроводящие диски ротора и статора, на которые нанесено множество тонких, близко расположенных проводников, отходящих от центра диска, как спицы в велосипедном колесе. Точно рассчитанные по времени электростатические заряды, приложенные к этим «спицам», создают две волны напряжения — одну в статоре, другую в роторе. Разность фаз между волнами ротора и статора регулируется и контролируется, чтобы максимизировать крутящий момент в роторе, вызванный этой последовательностью притяжения и отталкивания между спицами. Чтобы получить максимальный крутящий момент, машина имеет по полдюжины роторов и статоров, чередующихся и уложенных друг на друга, как компакт-диски на шпинделе.

Машина была бы слабой, если бы диэлектриком между зарядами был воздух. Воздух обладает низкой диэлектрической постоянной, а это значит, что электрическое поле в воздухе не может накопить много энергии. Воздух также имеет относительно низкую напряжённость поля пробоя, то есть воздух может выдержать только довольно слабое электрическое поле, прежде чем оно разрушится и проведёт ток в виде пылающей дуги. Поэтому одной из самых сложных задач команды было создание диэлектрической жидкости, которая обладала бы гораздо большей проницаемостью и напряжённостью поля пробоя, чем воздух, и при этом была бы экологически чистой и нетоксичной. Чтобы свести к минимуму трение, эта жидкость также должна была обладать очень низкой вязкостью, поскольку роторы будут вращаться в ней. Диэлектрик с высокой проницаемостью концентрирует электрическое поле между противоположно заряженными электродами, позволяя накапливать больше энергии в пространстве между ними. После отбора сотен кандидатов в течение нескольких лет команде C-Motive удалось получить органический жидкий диэлектрик с низкой вязкостью и относительной диэлектрической проницаемостью в пределах 20 с небольшим. Для сравнения, относительная диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1.

Ещё одной проблемой было обеспечение напряжения в 2 000 вольт, необходимого для работы машины. Высокое напряжение необходимо для создания интенсивных электрических полей между роторами и статорами. По словам Людуа, чтобы точно контролировать эти поля, C-Motive смогла воспользоваться доступностью недорогой и потрясающе мощной силовой электроники. Для своего последнего двигателя они разработали систему привода на основе легкодоступных биполярных транзисторов с изолированным затвором на 4,5 киловольта, но скорость развития силовых полупроводников означает, что у них есть много привлекательных вариантов, а в ближайшем будущем их станет ещё больше.

Людуа сообщает, что сейчас C-Motive тестирует 750-ваттный (1 л.с.) двигатель в приложениях с потенциальными клиентами. Следующие машины будут в диапазоне от 750 до 3 750 ватт (от 1 до 5 л.с.), добавляет он. Они будут достаточно мощными для широкого спектра приложений в области промышленной автоматизации, производства, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Для Людуа это был интересный проект. «Для меня предметом творческой гордости является то, что я и моя команда работаем над чем-то радикально иным, что, я надеюсь, в долгосрочной перспективе откроет другие возможности для других людей».