Představte si elektromotor, který přeměňuje elektřinu na točivou sílu s využitím nikoliv magnetických polí, ale polí elektrických. Zní to jako unikátní novinka? Převratné to rozhodně je, novinka tak úplně zase ne. Když se to tak vezme, molekulární elektrostatické motory fungují v buňkách už od jejich vzniku, tedy nějakých 3,5 miliardy let a ránu od statické elektřiny asi dostal úplně každý. První makroskopické elektrostatické motory postavili v polovině 18. století skotský benediktýn a vynálezce Andrew Gordon a americký státník, vydavatel a přírodovědec Benjamin Franklin. Elektrostatické motory ale nikdy nepřevládly a vlády se chopily elektromotory založené na magnetismu.
Není v tom žádná velká záhada. Magnetismus je v porovnání s elektrostatickými poli uživatelsky příjemnější. Vyskytuje se v dostupných přírodních materiálech a k jeho použití postačí relativně jednoduché technologické dovednosti. Teď jsme ale už o něco dál, nežli v polovině 18. století a pokrok v materiálech a strojních technologiích podle všeho zase vrací elektrostatické motory do hry. V současnosti se s nimi můžeme setkat například v mikroelektromechanických systémech (MEMS), protože v mikroskopických velikostech fungují snadněji. Na scénu teď ale přicházejí i elektrostatické motory, které jsou vidět pouhým okem.
Vývojem prakticky využitelných elektrostatických motorů, které nespoléhají na magnetická pole, ale manipulují s elektrickými poli, se od roku 2011 zabývá Dan Ludois z Wisconsinské univerzity v Madisonu. Pokud nakonec s kolegy uspěje, tak se odehraje průlom v konstrukci běžných elektromotorů. Elektrostatické motory by měly být významně lehčí, levnější a snadněji provozovatelné, s nižšími nároky na údržbu.
Ludoisův motor zahrnuje statické a rotující desky, které jsou udržovány v nepatrné vzdálenosti od sebe na vzduchovém polštáři. Do statických desek přichází elektřina a vytváří tak elektrostatické pole, které při vhodné manipulaci elektrického náboje nutí pohyblivé desky rotovat. Klíčovou roli podle Ludoise hraje elektronika, která ovládá vysokonapěťová elektrická pole i technologii se vzduchem udržující desky motoru od sebe.
Uvedený elektrostatický motor vyvíjí startup C-Motive Technologies při Wisconsinské univerzitě, jehož se Ludois stal spoluzakladatelem už jako doktorand. První praktickou aplikací motoru se nejspíš stane generátor pro větrné turbíny, na jehož konstrukci získali vývojáři grant programu Small Business Innovation Research od americké vládní grantové agentury National Science Foundation (NSF). Průlomový koncept elektrostatického motoru podpořili i fondy Wisconsinské univerzity v rámci G. Steven Burrill Business Plan Competition a Weinert Applied Ventures, stejně jako Wisconsin Alumni Research Foundation. Snad se zajímavé technologii elektrostatického motoru bude dařit i nadále.
Video: Graduate Student Profile: Dan Ludois, Electrical Engineering. Kredit: EngineeringUW
Literatura
University of Wisconsin News 8. 9. 2014, Wikipedia (Electrostatic motor).
Diskuze:
Japonský prototyp - co umí
Aleš Fifka,2014-09-17 08:01:22
Ďáblův advokát (=obhájce klasických elektromotorů) by měl namítnout:
Vzorek je se jmenovitým výkonem 100 W. Bohužel není uvedeno napájecí napětí. U tak malého motorku je účinnost 95% vynikající, ale velké motory (stovky kW) s kotvou nakrátko mohou mít účinnost i lepší.
Napájecí zdroj, předpokládejme vysokonapěťový, má mimo jiné i svou nenulovou pořizovací cenu a hlavně svou účinnost. Část energie nebude mařena v tom inovativním motoru, ale ve zdroji.
Vzorek má v sobě kluzné kontakty, tedy jakýsi komutátor. Pohyblivé mechanické kontakty jsou slabým bodem všech motorů, zejména kvůli svému opotřebení, nutnosti kontrol, údržby, výměn.
Z Coulombova zákona (velikost síly působící mezi dvěma elektricky nabitými tělesy) plyne, že k dosažení měřitelného silového působení musíme vzdálenost mezi tělesy minimalizovat a použít co největší možné napětí. Limitem je elektrická pevnost dielektrika=průrazné napětí. Můžeme použít jen napětí jisté výše, i kdybychom dokázali vyrobit vyšší. To nás limituje výkonově - s vazbou na rozměry stroje.
Od funkčního vzorku 100 W ke spolehlivé konstrukci pro větrné elektrárny (např. 1 MW), instalované kdesi v pobřežním šelfu kilometry od pobřeží a provozované s minimem údržby, je velmi dlouhá cesta.
Ale třeba je cílem C-Motive Technologies postavit úplně jiný a ještě mnohem lepší elektrostatický motor.
Prvou aplikáciou motora je generátor pre veterné…
Roman Horváth,2014-09-17 06:30:41
Bude to nejaký podporný systém do veternej elektrárne alebo ten motor samotný dokáže rekuperovať?
Zajímavé
Petr Hájek,2014-09-16 15:06:05
Ale v čem je výhoda elektrostatických motorů oproti klasickým magnetickým?
Vojtěch Kocián,2014-09-16 16:24:55
V běžných prostředích jde především o nižší hmotnost a absenci drahých magnetických materiálů. Další výhodou je schopnost pracovat v prostředí silných magnetických polí nebo v prostředí, kde jsou magnetická pole nežádoucí. Nevýhodou je nutnost použití vysokého napětí a na něj dimenzované řídící elektroniky.
Tady je jeden pěkný prototyp z Japonska i s PR článečkem:
http://www.shinsei-motor.com/English/techno/
Martin V,2014-09-17 09:36:29
V běžných prostředích bude výhodou maximálně ta nižší hmotnost, nic víc.
V neběžných prostředích (vakuum, extra silné magnetické pole) vidím nějakou využitelnost, ale přesto pro většinu aplikací bude elektrostatický motor/generátor nepoužitelný.
Petr Hájek,2014-09-17 13:50:58
Takže zrovna do té větrné elektrárny je ten projekt nejspíš situován jen kvůli grantu, protože "ekologie"je moderní zaklínadlo...
Martin V,2014-09-17 15:29:06
Osobně si myslím, že o ekologii tu nejde, že větrnou elektrárnu zvolili proto, že to pro ně bude nejsnáze realizovatelné, měřitelné.
Vakuum?
Vojtěch Kocián,2014-09-17 22:31:27
Nejsem na to až takový expert, ale jak je to s tím vakuem? Kvůli chlazení? Jinak by elektromagnetický motor ve vakuu fungovat měl. I to chlazení jde zařídit, ale pravda, není to až tak jednoduché.
U větrné elektrárny bych jako výhodu viděl i tu hmotnost. Přece jenom nemuset dimenzovat stožár na vrtuli a navíc ještě těžký motor/generátor, který bude dávat systému nepříjemnou dynamiku, nemusí být od věci. Vysokonapěťová elektronika může být dole. Totéž by platilo pro vozidla, ale na to elektrostatická technologie asi dlouho mít nebude.
k panu Kociánu
Ondi Vo,2014-09-18 03:08:18
Sloup (pylon) větrné elektrárny je namáhán zejména tlakem větru a dynamikou listů rotoru. Váha generátoru v gondole je spíš pozitivním, vibrace tlumícím prvkem. Lehký generátor tedy nepřinese obzvláštní výhody. Cena mědi může hrát nějakou roli.
O vakuu jsem v tom článku nečet, ba naopak je zmíněno, že kotouče rotoru klouzají po kotoučích statoru na vzduchovém polštáři. A pak, tam kde je je přeměňován elektrický výkon na mechanický určitě ke ztrátám dojde, tedy k zahřívání a kotouče budou muset nějak to teplo odvádět.
Tak mi v této souvislosti napadlo, jak jsou chlazeny elektrické motorky ve vakuu na Měsíci, nebo na Marsu. Asi vyzářením do okolí, ostatně jako i chladič termoelektrického generátoru marsovských vozítek.
Martin V,2014-09-18 10:37:38
O práci ve vakuu se píše v odkazu od pana Kociána na elektrostatický motorek japonských vývojářů.
Elektromagnetický stroj by ve vakuu asi fungovat měl, chlazení se podle mě řeší tak, že je stroj prostě mnohem méně využitý, předimenzovaný.
Co se týče motorků na Měsíci a Marsu, předpokládám že mají maximální stupeň krytí, takže jediná možnost jak je chladit je vyzařováním do okolí přes kostru.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
