從馬達到軸承的廣泛應用www.tool-tool.com

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上篇中對於可產生高庫侖力的高密度帶電體的可能性，包括製造方法在內進行了驗證。高密度帶電體能夠製造出來的話，目前應用磁鐵之處則基本上可由高密度帶電體替代。下面就以不使用稀土族金屬的高性能馬達為主，分析幾個應用案例。

發電機

這 裡指的是無磁鐵發電機。具體就是使交替塗佈有正負帶電球體的圓盤旋轉，並以表面與該圓盤平行的狀態設置電極。通過帶電圓盤旋轉，以相反的靜電感應實 現電荷感應。在下圖中，旋轉1圈會產生4次電流相位變化。這時與轉速成比例移動的電荷量就會增加，從而使發電量增加。由於既不需要永久磁鐵也不需要銅線 等，因此可低成本製造。

發電機的原理

另外，還可如下圖所示輕鬆實現多級構造，因此發電量也容易增加。由於無啟動負荷，所以在微風下也可發電。電極數量分割得越細，發電量就越大。

多級發電機的構成

馬達

這裡指的是無磁鐵的馬達。具體是向驅動電極施加脈衝，使交替塗佈有正負帶電球體的圓盤旋轉。驅動所需動力可由庫侖力提供。庫侖引力和庫侖斥力都對旋轉起作用。

馬達的原理

　 在帶電馬達的旋轉方向由對電極數量進行細分後使電位旋轉獲得。其中值得關注的是電場驅動這一點。另外，由於沒有機械接觸部分，因此還可實現10萬rpm 以上的高速旋轉。設想只在產生庫侖力時消耗電力。因此存在製造出接近理論極限的高效率馬達的可能性。而且還有望減少熱量的產生。

向馬達驅動電極施加脈衝（向右旋轉）

其課題在於如何將驅動電壓控制在低水準上。通過馬達多極化並增加面積，便可提高轉矩，實現低電壓驅動。而且一塊電極的分割數量越多，轉矩就越高。另外，還可實現只利用斥力的馬達，由於不用擔心放電破壞，因此通過使用10¹⁴個/cm³以上電荷濃度的帶電體，便可製造出比使用釹磁鐵的電磁馬達更為強勁的帶電馬達。

帶電馬達的特點總結如下。
·可通過電極數量和施加電壓來控制轉矩
·可通過施加脈衝的頻率來控制轉速
·正反旋轉的控制簡單
·啟動時無過電流流過
·旋轉軸慣性旋轉時成為發電機

上述帶電馬達還有望成為便攜終端使用的超小型馬達。電磁馬達以直徑4mm為最小尺寸，帶電馬達可減至直徑2mm。下圖為超小型馬達的概念圖，驅動用電極設置在馬達圓筒內。超小型電磁馬達的效率會降至20％以下，而帶電馬達的效率不會下降。

超小型馬達的概念圖

另外，在設計帶電馬達時，要確保可承受強大庫侖力的機械強度，並對低電壓驅動進行研究。需要注意使馬達靜止時的控制方法，以及電極、圓盤及轉軸的機械強度。

不過，在利用庫侖引力時，電荷濃度存在最大為10¹³個/cm³的極限。雖然通過增加面積便可提高功率，但可選擇利用庫侖斥力。也就是說，還可製造只利用斥力的、無放電破壞的馬達。下圖就是只利用斥力的馬達。通過向極性與帶電體相同的電極施加電壓，僅以斥力來驅動。

斥力馬達的原理

另 外，上圖還在右下部列出了帶電體與電極的位置關係。F表示固定電極，M表示旋轉帶電體。從圖中可以看出，是通過固定電極與帶電體搭配的4個組合來產 生斥力。即M1/F2、M2/F5、M3/F8、M4/F11。以該斥力使旋轉板向右旋轉。而且，M1/F3、M2/F6、M3/F9、M4/F12這些 組合之間也會生產斥力。在旋轉板的帶電體部分與固定板的電極發生重疊的瞬間，斥力可能會使旋轉停止。但這時只要在重疊瞬間使電極的電位為零即可解決問題。

下圖列出了斥力馬達中帶電體和電極板的構造。要想高效利用該構造的斥力，只要像圖中一樣使平行的面之間對置即可。不用說，斥力馬達也可通過多極化來提高功率。

帶電體和電極的構造

3維加速度感測器

這裡指的是可利用庫侖斥力使物體漂浮于空中。由於無需擔心放電破壞，因此能夠製造具有強勁斥力的、大型高靈敏度感測器。這樣便可實現高靈敏度的3D加速度感測器。下圖是2D加速度感測器的示例。在機殼拐角處塗佈帶電體，並在運轉部分的拐角處塗佈同極性的帶電體。

2D加速度感測器的構造

另外，3D加速度感測器如下圖所示在機殼內部放置立方體的運轉部分。採用與3D加速度感測器基本相同的概念在拐角處塗佈帶電體。通過增加拐角處的帶電體，加大內部空間的話，還可檢測很小的加速度。

3D加速度感測器的構造

繼電器

繼電器的構造

繼電器是指通過電磁鐵的力來吸引彈簧，使電接點開關的器件。不過，繼電器通常使用電磁鐵，因此整體體積較大。而通過採用以庫侖力來吸引彈簧的構造，便可縮小繼電器的體積。由於只需使帶電面與電極面對置即可，因此容易實現薄型化。如右圖所示，有望減薄至接點的厚度。

另外，還可向使用磁鐵的多種設備及裝置進行推廣。可考慮應用於帶電線性馬達車、輸送帶等搬運設備、空氣軸承、揚聲器、麥克風等多種領域。而且還有望推廣至利用與磁性流體相同的原理，以膠體包裹帶電粒子表面的流體密封等領域。

結語

在這裡要重申的是，此次提出的「帶電體工程學」與原來的靜電利用方法不同。在製造帶電體時要穩定封入大量電荷。通過封入電荷，可將電荷密度提高至以往方法的1000倍以上，從而獲得增至100萬倍以上的庫侖力。

帶 電體的最大特點是材料便宜且能夠大面積塗佈。因此可利用以往不使用的家間來提高庫侖力。通過加大面積，庫侖力便可產生比磁力更大的力。如果能夠保持 穩定的帶電狀態，就會存在與磁鐵一樣廣泛的應用領域。高效率的馬達及發電機對環保節能領域也很有吸引力。由於是幾乎沒有啟動負荷的發電機，因此可通過風速 只有1m的風來發電。另外，利用帶電體製造自動檔車型的扭矩轉換器的話，還可省去使用油壓的麻煩。

靜電是已經被研究透徹的成熟學科。此次只不過是提出了利用現有技術封入大量電荷的方案。原來的電磁馬達為電流控制，而帶電馬達是電場控制。這就像是雙極電晶體向MOS電晶體的進化。

帶 電體工程學剛剛被提出。帶電體本身還有望發現電荷封入效率更高的材料。但需要非常注意對帶電量、帶電面積·距離，以及驅動電壓等進行設計。特別是充 電和空氣中的離子捕獲對策，是尤為重要的技術訣竅。注入離子的話，隨著帶電量的增加，阻礙離子注入的斥力也會增大。在大量封入電荷方面還有很多未知的領域 即課題。只向球體內注入離子的話，電荷會在球體中局部存在。雖然通過激活處理有望實現均勻分佈，但其效果不得而知。而如果能夠實現均勻分佈的話，便可輕鬆 地進行工作分析。

另一方面，帶電量增加的話，帶電體就會產生強大電場。正帶電體與負帶電體之間還存在超越絕緣破壞強度的臨界帶電量。 不過，絕緣破壞(放電)現象會因前 端是針狀還是面狀而不同。放電是一種對帶電體進行破壞的現象，因此需要充分驗證。另外，相同極性的帶電體之間會產生斥力作用。由於相同極性之間不會生產放 電，因此可通過高離子濃度來提高斥力。不過，斥力過強的話，會使帶電體受到機械性破壞。所以，無論是引力還是斥力，都要求進行適度的帶電量及帶電面積設 計。

作為應用上的第一步，應當先從低負荷的便攜終端用馬達等開始進行開發。原因是有望實現超小型電磁馬達難以達成的低功耗化。我們期待這一新構思能夠推動工程學取得新的發展。（特邀撰稿人：山村 信幸）

引用出處：

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/auto/53609-20101015.html?ref=ML&start=2

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