المحركات الكهروستاتيكية تتحدى المحركات الكهرومغناطيسية

تم الإبلاغ عن النتائج في ورقة بحثية بعنوان “الآلات الكهروستاتيكية المتزامنة للتطبيقات الصناعية ذات الدفع المباشر”، والتي سيتم تقديمها في مؤتمر ومعرض IEEE لتحويل الطاقة لعام 2024، والذي سيعقد في الفترة من 20 إلى 24 أكتوبر في فينيكس، أريزونا. يصف لودويس وأربعة من زملائه الآلة الكهروستاتيكية التي بنوها، والتي وصفوها بأنها أول آلة من نوعها قادرة على “قيادة حمولة تؤدي أعمالًا صناعية، في هذه الحالة، نظام مضخة الضغط الثابت”.

جعل المحركات الكهروستاتيكية أكبر

الآلة، التي هي أقوى بمئات المرات من أي محرك إلكتروستاتيكي سابق، “تنافس أو تتفوق على الآلات المغناطيسية المبردة بالهواء في الجزء الجزئي” [horsepower] ويضيف المؤلفون. تبلغ قيمة السوق العالمية للمحركات ذات القدرة الحصانية الجزئية أكثر من 8.7 مليار دولار أمريكي، وفقًا لشركة Business Research Insights الاستشارية.

يحتوي محرك C-Motive بقدرة 360 واط على ستة دوارات وأعضاء ساكنة، كما هو موضح باللون الأصفر في هذا الرسم التوضيحي المقطوع.تقنيات C-الدافع

لم يكن تحقيق النطاق الكلي أمرًا سهلاً. لقد كانت المحركات الكهروستاتيكية متاحة منذ سنوات، ولكنها اليوم عبارة عن وحدات صغيرة يتم قياس خرج الطاقة بها بالمللي واط. يقول فيليب كرين، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة إلينوي أوربانا شامبين: “المحركات الكهروستاتيكية مذهلة عندما تنخفض إلى أقل من مقياس المليمتر، وتتحسن كلما أصبحت أصغر فأصغر”. “هناك تقاطع تكون فيه هذه المحركات أفضل من المحركات المغناطيسية.” (ليس لدى Krein أي علاقة مالية بشركة C-Motive.)

أما بالنسبة للمحركات الأكبر حجما، فإن العكس هو الصحيح. يقول لودوا: “على المستوى الكلي، تفوز الكهرومغناطيسية، وهذا هو الحل الأمثل”. “حسنًا، لقد قررنا تحدي هذه الحكمة.”

وقد وجد هو وفريقه الإلهام في هذا المسعى من إنجاز أقل شهرة لأحد الآباء المؤسسين للولايات المتحدة. يقول كرين: “الحقيقة هي أن بنجامين فرانكلين قام ببناء وعرض محرك كهروستاتيكي مجهري في عام 1747”. “لقد استخدم المحرك في الواقع كمشوية لشواء الديك الرومي على ضفة نهر في فيلادلفيا” (حقيقة اكتشفها المؤرخ الراحل آي برنارد كوهين في كتابه الصادر عام 1990) علم بنيامين فرانكلين ).

يوضح كيرين أن التحدي الأساسي في محاولة توسيع نطاق المحركات الكهروستاتيكية إلى العالم الكلي هو كثافة الطاقة. “إن كثافة الطاقة التي يمكنك الحصول عليها في الهواء على نطاق معقول باستخدام نظام المجال الكهربائي هي أقل بكثير – أقل بكثير من حيث الحجم – من الكثافة التي يمكنك الحصول عليها باستخدام نظام كهرومغناطيسي.” تشير عبارة “في الهواء” هنا إلى الحجم داخل المحرك، والذي يسمى “فجوة الهواء”، حيث يتم نشر مجالات الآلة (المغناطيسية للمحرك التقليدي، والكهربائية للمحرك الكهروستاتيكي). فهو يمتد بين المكونات الرئيسية للآلة: الدوار والجزء الثابت.

دعونا فك ذلك. يعمل المحرك الكهربائي التقليدي لأن المجال المغناطيسي الدوار، الموجود في هيكل ثابت يسمى الجزء الثابت، يتفاعل مع المجال المغناطيسي لهيكل آخر يسمى الدوار، مما يتسبب في دوران هذا الدوار. القوة المعنية تسمى قوة لورنتز. لكن ما يجعل الآلة الكهروستاتيكية تدور هي قوة مختلفة تمامًا، تسمى قوة كولوم. هذه هي القوة الفيزيائية الجاذبة أو التنافرية بين الشحنات الكهربائية المتضادة أو المتشابهة.

التغلب على مشكلة فجوة الهواء

يستخدم محرك C-Motive أقراصًا دوارة غير موصلة للكهرباء وأقراصًا ثابتة تم وضع العديد من الموصلات الرفيعة والمتباعدة بشكل وثيق تشع إلى الخارج من مركز القرص، مثل المتحدث في عجلة الدراجة. تؤدي الشحنات الكهروستاتيكية المطبقة في توقيت دقيق على هذه “الأضلاع” إلى إنشاء موجتين من الجهد، واحدة في الجزء الثابت والأخرى في العضو الدوار. يتم توقيت فرق الطور بين موجات الجزء المتحرك والجزء الثابت والتحكم فيه لتعظيم عزم الدوران في الجزء المتحرك الناتج عن تسلسل الجذب والتنافر بين المتحدث. لمزيد من عصر أكبر قدر ممكن من عزم الدوران، تحتوي الآلة على ستة من كل من الدوارات والأعضاء الساكنة، بالتناوب والمكدسة مثل الأقراص المدمجة على المغزل.

يعد المحرك بقوة 360 واط أقوى بمئات المرات من المحركات الكهروستاتيكية السابقة، والتي يتم قياس خرج الطاقة بها بشكل عام بالمللي واط.تقنيات C-الدافع

ستكون الآلة ضعيفة إذا كان العازل بين الشحنات هو الهواء. باعتباره عازلًا، يتمتع الهواء بسماحية منخفضة، مما يعني أن المجال الكهربائي في الهواء لا يمكنه تخزين الكثير من الطاقة. يتمتع الهواء أيضًا بقوة مجال انهيار منخفضة نسبيًا، مما يعني أن الهواء لا يمكنه دعم سوى مجال كهربائي ضعيف إلى حد ما قبل أن ينهار ويوصل التيار في قوس ملتهب. لذلك كان أحد أكبر التحديات التي واجهها الفريق هو إنتاج سائل عازل يتمتع بقدرة أعلى بكثير على السماحية وقوة مجال الانهيار من الهواء، وكان أيضًا صديقًا للبيئة وغير سام. ولتقليل الاحتكاك، كان يجب أيضًا أن يتمتع هذا السائل بلزوجة منخفضة جدًا، لأن الدوارات ستدور فيه. يعمل العازل ذو السماحية العالية على تركيز المجال الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية المشحونة بشكل معاكس، مما يتيح تخزين طاقة أكبر في الفراغ بينهما. وبعد فحص مئات المرشحين على مدار عدة سنوات، نجح فريق C-Motive في إنتاج عازل سائل عضوي ذو لزوجة منخفضة وسماحية نسبية في العشرينات المنخفضة. للمقارنة، السماحية النسبية للهواء هي 1.

وكان التحدي الآخر يتمثل في توفير 2000 فولت التي تحتاجها أجهزتهم للعمل. تعتبر الفولتية العالية ضرورية لإنشاء مجالات كهربائية مكثفة بين الدوارات والأعضاء الساكنة. للتحكم بدقة في هذه المجالات، تمكنت شركة C-Motive من الاستفادة من توفر إلكترونيات الطاقة غير المكلفة وذات القدرة الهائلة، وفقًا للودوا. بالنسبة لأحدث محرك لديهم، فقد طوروا نظام قيادة يعتمد على ترانزستورات ثنائية القطب معزولة بقدرة 4.5 كيلو فولت متاحة بسهولة، لكن معدل التقدم في أشباه موصلات الطاقة يعني أن لديهم العديد من الخيارات الجذابة هنا، وسيكون لديهم المزيد في المستقبل القريب.

أفاد Ludois أن C-Motive تقوم الآن باختبار محرك بقدرة 750 واط (1 حصان) في التطبيقات مع العملاء المحتملين. ويضيف أن أجهزتهم التالية ستكون في حدود 750 إلى 3750 واط (من 1 إلى 5 حصان). وستكون هذه قوية بما يكفي لمجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات الأتمتة الصناعية والتصنيع والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء.

لقد كانت رحلة ممتعة للودوا. “بالنسبة لي، فإن نقطة الفخر الإبداعي هي أنني وفريقي نعمل على شيء مختلف جذريًا، وآمل، على المدى الطويل، أن يفتح مجالات أخرى أمام الآخرين للمساهمة”.