不使用磁鐵的高性能馬達(一):可產(chǎn)生強靜電力的帶電體
以往靜電常常被應(yīng)用于集塵器、碳粉打印機及臭氧發(fā)生器等。但因電荷移動導(dǎo)致電荷密度較低,所以應(yīng)用領(lǐng)域有限。以往靜電大多是因為動作帶來的靜電感應(yīng)而產(chǎn)生電荷。因此電荷量較少,由此也獲得不了較大的力。這也是因為技術(shù)人員并沒有想過要封存由靜電產(chǎn)生的電荷。
本文提及的“帶電體工程學(xué)”與原來的靜電利用方式不同。帶電體工程學(xué)是在制造帶電體時穩(wěn)定地封入大量電荷。由此電荷密度可提高到1000倍以上。因庫侖力與電荷量的二次方成正比,所以獲得的電力可提高至原來的100萬倍以上。
由此,庫侖力可以成為比磁力更大的力。只要能夠保持穩(wěn)定的帶電狀態(tài),就可與磁鐵一樣用于廣泛的領(lǐng)域。這便是可制造出高效馬達或發(fā)電機的理由。
不依賴于材料的物理特性
目前,電磁馬達幾乎全部利用永久磁鐵的磁力。因此,為了提高性能,必須提高永久磁鐵的磁通密度。磁力如以下公式所示,與磁通密度的二次方成比例。
公式中的磁通密度就是材料所固有的物理特性。因此,要想提磁通密度,就必須使用屬于稀少資源的稀土類金屬。
不過,稀土類金屬目前存在由中國一家所壟斷的問題,而且還出現(xiàn)了中國為抬高價格進行戰(zhàn)略性減產(chǎn)的動向。因此,企業(yè)對不使用稀土類金屬也可提高性能的馬達需求強烈。
與這種磁力依賴于物質(zhì)所固有的磁通密度不同,庫侖力依賴于電荷量。庫侖力如下式所示,它不依賴于物質(zhì)本身,而是通過增加電荷量來控制。
關(guān)鍵的一點是庫侖力不依賴于物質(zhì)。下表對永久磁鐵和庫侖力的發(fā)生源——電荷進行了比較。不依賴于材料的物理性質(zhì),便意味著沒有隨時間的劣化問題,并可實現(xiàn)物理量的控制。
只要能提高電荷密度就可獲得強大的力
帶電是指物質(zhì)帶有電荷的狀態(tài)。但一般來說電荷容易移動,很難持續(xù)維持帶電的狀態(tài)。而且還存在濕度越高電荷就越容易向空氣中擴散的特性。雖然目前已有使用高分子帶電體的顯示器方案,但帶電量的變化是存在的難點。
以前也有企業(yè)曾制成過靜電馬達。但只是性能較低的產(chǎn)品。產(chǎn)生的庫侖力僅為數(shù)N左右。輸出功率低的原因在于無法確保穩(wěn)定的帶電狀態(tài)。
目前,釹磁鐵被公認(rèn)為磁力最強的永久磁鐵,但磁通密度也不過1特斯拉左右。1cm2面積時,磁鐵表面只能產(chǎn)生398N的磁力。而且磁鐵還存在隨時間性能變化的問題,因此磁力也會變化。
但電荷在本質(zhì)上不存在隨時間變化的問題??梢哉f,只要能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的高密度帶電,得到的庫侖力就會不亞于磁力。
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