不使用磁铁的高性能马达

不使用磁铁的高性能马达（一）：可产生强静电力的带电体2010/09/3000:00以往静电常常被应用于集尘器、碳粉打印机及臭氧发生器等。但因电荷移动导致电荷密度较低，所以应用领域有限。以往静电大多是因为动作带来的静电感应而产生电荷。因此电荷量较少,由此也获得不了较大的力。这也是因为技术人员并没有想过要封存由静电产生的电荷。本文提及的''带电体工程学〃与原来的静电利用方式不同。带电体工程学是在制造带电体时稳定地封入大量电荷。由此电荷密度可提高到1000倍以上。因库仑力与电荷量的二次方成正比，所以获得的电力可提高至原来的100万倍以上。由此，库仑力可以成为比磁力更大的力。只要能够保持稳定的带电状态，就可与磁铁一样用于广泛的领域。这便是可制造出高效马达或发电机的理由。不依赖于材料的物理特性目前，电磁马达几乎全部利用永久磁铁的磁力。因此，为了提高性能，必须提高永久磁铁的磁通密度。磁力如以下公式所示，与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，就必须使用属于稀少资源的稀土类金属。不过，稀土类金属目前存在由中国一家所垄断的问题，而且还出现了中国为抬高价格进行战略性减产的动向。因此，企业对不使用稀土类金属也可提高性能的马达需求强烈。与这种磁力依赖于物质所固有的磁通密度不同，库仑力依赖于电荷量。库仑力如下式所示，它不依赖于物质本身，而是通过增加电荷量来控制。关键的一点是库仑力不依赖于物质。下表对永久磁铁和库仑力的发生源一电荷进行了比较。不依赖于材料的物理性质，便意味着没有随时间的劣化问题，并可实现物理量的控制。的性依載年久劣化輙里量控制感子〔永典確铁〕有有用难.*Q无O无匚河能只要能提高电荷密度就可获得强大的力带电是指物质带有电荷的状态。但一般来说电荷容易移动，很难持续维持带电的状态。而且还存在湿度越高电荷就越容易向空气中扩散的特性。虽然目前已有使用高分子带电体的显示器方案，但带电量的变化是存在的难点。以前也有企业曾制成过静电马达。但只是性能较低的产品。产生的库仑力仅为数N左右。输出功率低的原因在于无法确保稳定的带电状态。目前，钕磁铁被公认为磁力最强的永久磁铁，但磁通密度也不过1特斯拉左右。lcm2面积时,磁铁表面只能产生398N的磁力。而且磁铁还存在随时间性能变化的问题，因此磁力也会变化。但电荷在本质上不存在随时间变化的问题。可以说，只要能够实现稳定的高密度带电，得到的库仑力就会不亚于磁力。在此，我们计算一下在直径10pm的带电球体上单层涂布1cm2面积上的库仑力。带电板的间隔为1mm。下图列出了直径10pm的带电球上每1cm3的电荷密度与库仑力之间的关系。虽是面电荷，但是按照假定为点电荷计算的，因此得到的数值要低于实际值。这里最重要的是1014个左右的密度范围。这是半导体制造过程中离子注入的一般密度。因此,只要防止离子注入后发生电荷脱离及侵入，便可实现高电荷密度，从而获得大库仑力。不过，电荷圭寸入绝缘体中时，因电荷会强充电，不移动的电荷会增加。这样会生产强大的排斥力，因此电荷注入存在极限。

带电体构造1带电体构造2Quarts可封入电荷的带电体构造Quarts综上所述，为了获得大库仑力，必须用不同于以往的做法来实现高密度的带电体。在此提出两个可实现稳定带电体构造的方案。第一个是以氧化绝缘体覆盖半导体及金属表面，实现带电稳定化的球体。绝缘体的厚度可由驱动电压来决定。第二个是向绝缘体本身注入离子的球体。比如，使用石英及陶瓷球体，将离子注入其100nm以上的深处。这样带电体可透明，并可降低材料成本。下面来考虑这两种带电体所使用的材料。首先，第一个球体采用表面由氧化物绝缘体覆盖的构造，但用于封入电荷的氧化物绝缘体必须形成大的禁带宽度(带隙，Eg)。具体而言，禁带宽度要达到6eV以上。可以满足这一条件的材料有Si(SiO2①Eg=8eV)及Al(A®oEg=6eV)。其他候选项还有Ti及Zn,不过是否能够封入电子还不得而知，因此在此不做讨论。另外，Si及Al是丰富的材料，因此不存在资源问题。如果有用其他的能够用SiO2及Al2O3覆膜包裹金属的技术的话，还有望扩大材料的选择范围。在Si方面，现已证实其表面氧化后的构造具有可长期保持电荷的性能。如果是EEPROM,即使氧化膜的厚度为约3nm左右，也可保持电子封入状态10年以上。因此，如果内部采用Si,并将SiO2覆膜设定为100nm左右，便有望在10年间保持电子稳定封入的状态。Si与SiO2覆膜的组合也许是目前电子封入的最佳材料。制造带电体时无需使用结晶物质。虽说一般认为带电体对杂质也不敏感，但尚需要通过实验加以确认。下面来说一下Al，Al的氧化膜也为众所周知的优质绝缘体。但在电子封入性能方面迄今并无研究，需要充分的验证。第二种绝缘体是注入离子的方法，但如上所述，可封入电荷的是石英及陶瓷等，并不适于像碱性玻璃那样对电而言的低质材料。虽然离子注入深度尽管需要达到lOOnm以上，但离子的注入不会使绝缘体质量下降。由于以往并无以无机物制造带电体的尝试，因此今后还要充分收集数据。利用石英及陶瓷制造带电体，未必一定要制成球体，还可如下图一样制成自由形状的带电体。（特邀撰稿人：山村信幸）可制成自由形状的带电体

憲sKQS/憲sKQS/点电荷间的库仑力从上图可以看出，只要有1016个/cm3以上的电荷密度，就可获得比钕磁铁更强的力场。不使用磁铁的高性能马达（二）：带电体的制造方法和带电方法的验证2010/10/0100:00在上二篇中，笔者介绍了实现高密度带电体后即可产生高库仑力的原理，并提出了可实现高密度带电体的物体。本文将具体介绍一下高密度带电体的制造方法。有多种方法可实现带电上一篇谈到，作为以氧化物绝缘体覆盖的球体带电体,Si具有有效性。球状Si已在球面半导体电路及太阳能电池领域实用化。太阳能电池目前使用的是球径为1mm的球状Si。球状Si的制造装置一般通过使Si从坩埚自由下落来生产球状Si,减小坩埚滴孔部分的孔径的话，便可制造出粒径较小的球状Si；增加滴孔的数量的话，还可提高生产效率。在下落途中通过等离子体使Si球带电，并施加电场的话，便有望按照粒径来进行分类。作为实现带电的方法，通常会首先想到电子束照射法，这是专门用于带负电的方法。向金属或半导体氧化后形成的球体照射电子束即可。要增加带电量，就必须提高加速电压。而这时必定会发生充电现象(ChargeUp)，在排斥力的影响下，荷电量存在极限。图1：电子束照射法的原理图。球体带负电。第二个是离子注入法，这是专门用于带正电的方法。在半导体领域，离子注入法是一项已知的技术。要想对注入的离子种类进行优化，还需要通过实验来确认。基本上是注入正离子。P离子注入的话，注入的是5价正离子。离子注入也会发生充电现象。电子束照射装置对防止带电体内部的充电现象不起作用。在半导体制造工序中，在离子状态下也会发生充电现象。这就是要想使离子嵌入Si结晶排列，还需要使之活性化的理由。本文以杂质浓度为基准进行的演算显示，离子集中存在于表面附近。这一状态下的离子运动状况只能通过实验来查明。第三个是掺入杂质进行熔融后照射电子束的方法。首先掺入杂质对硅进行熔融，制造球状硅,并对表面进行氧化。然后直接在内部保持电中和的状态下照射电子束。这样便可注入电子直至最外层电子达到8个，从而使杂质拥有满足价数的离子价。通过上述方法虽然可实现带电，但带电量存在极限。在照射电子束的方法中，带电量可通过对电子进行加速的电场的高低来控制。带电量会在电子无法突破球内电子群所具库仑斥力的地方终结。而离子注入法在注入后无需活性化即可直接以离子状态固定。进行RTA处理的话内部的离子分布可实现均匀化，但其效果不得而知。虽然这种方法也会发生充电现象，但离子较重，因此容易获得所希望的浓度。通过推算库仑力导入最佳方案下面来具体推算一下带电体具有何种程度的库仑力。假设在杂质浓度为1016/cm3的情况下，全部进行了离子化。为了便于计算，以直径为10pm的Si球为对象。使该Si球带电后，涂布在带电板上。涂布面积为lcm2,面间距离设定为1mm。图2：推算时使用的模型•硅中的杂质（电荷）数量直径为10pm的硅球的体积……523.6pm3直径10pm中的杂数数量（=电荷数量）……5.236x106个•1个硅球的电荷量与距离1mm时的斥力无电荷的电荷量……1.602x10-i9Coulomb库仑力F=q1・q2/4n&「2直径为10pm的硅球的电荷量……8.338x10-i3Coulomb直径为10pm的硅球间的斥力……6.324x10-9Newton•面积为1m2时的电荷量、距离1cm时的库仑力及电场强度（带电板之间的电场强度根据Gauss法则在E=a/2s0下施加）与面积为1m2时相当的总电荷量……8.338x10-3Coulomb距离1cm时的电场强度……4.737x108Volts/m距离1cm时的库仑力……3.973x108Newton在面状带电板上，即使是与点电荷相同的电荷量，库仑力也会呈5位数增大。这是因为电力线集中于带电板面间。带电板的库仑力与离子浓度之间的关系如下所示。从该图可以推断，目前的库仑力研究尚处于不到1010个/cm3的水平。由于并未封闭电荷，因此电荷会移动、减少，从而使效率下降。

1E+191£+181E+171E+I61E+151E+141E+131E+121E+111.E+1O1E+O91E+081E+O71E+061E+051E+041E+031E+021E+011E+00/库仑才](Newton》///f/r电戈刁强度rX///厂/ —亠 ■ —A....e m m e e e rn+ + + + + + +———亠 ——■--*■--■-一2 3 4 5 E 7 00离子浓度(个/co門m*1+gT.E+21:1E+20图3：带电板的库仑力与离子浓度之间的关系从图中可以看出，库仑引力容易提高，电场强度可轻松超过空气的绝缘耐压。而从中便可找到利用库仑力时的最佳方案。首先，一个方案是根据空气的绝缘耐压将电荷浓度设定在1013左右。不过这并不是说在利用库仑引力时就不必将电荷浓度设定为1014个/cm3。电荷浓度的调整也可通过混合高浓度带电的粒子和不带电的粒子来实现。不带电的粒子是绝缘体即可，可以使用高分子及低价材料，还可自由设定能够稳定生产的离子注入量。而在库仑斥力方面，不会因电场相互抵消而发生放电现象，在浓度上没有限制。在需要强力时，最好是只利用斥力。水分子离子是难敌对手下面来研究一下带电材料的使用方法。由于同电位带电的球体具有斥力，因此在保存及面状涂布时需要下一番工夫。在保存在瓶状容器中时，带电体会在斥力下反弹而浮于空中。杂质浓度在每1cm3为1016个时，5“mS粒子的上下距离以0.26mm最为合适。由于水平方向上的距离设定为无限远，因此具有适于保存的带电量。也许需要采取使容器保持逆电位来进行保存的手段。在涂布方面，粒子因库仑斥力的缘故而难以多层化，基本以单层涂布为主。在与带电粒子保持逆电位的面上进行散布后，利用强力粘合剂固定。必须在粘合剂硬化前保持正电位。估计在树脂中嵌入带电体的板材等也很实用。

HotPress以谍护片材上下夹住HotPress以谍护片材上下夹住电极板—带电球-树脂图4：带电体的树脂封装法示例无论制造时还是使用时，都需要注意可动电荷，尤其是水分子离子的吸附现象。正如高湿度下难以实施静电实验一样，湿气是静电的大敌。带电体表面附带有水分子的话就会被离子化，使带电体的总电荷量降低。即使将带电体封闭起来，也同样存在起因于电荷易于移动这一特性的弱点。制造时需要在干燥氮气环境下进行，封装时也要在干燥氮气中操作。水分子的存在不仅会使库仑力下降，而且还会导致空气的绝缘破坏电压下降。这种水分子离子的吸附可能成为难以对带电体加以应用的原因。作为对策，可以采取双层密封、采用除湿材料或强制除电等多种手段。对易于移动的电荷进行处理的带电体工程学，实际上就是针对外部可动电荷的一场拉锯战。（特邀撰稿人：山村信幸）不使用磁铁的高性能马达（三）：从马达到轴承的广泛应用2010/11/0800:00上篇中对于可产生高库仑力的高密度带电体的可能性，包括制造方法在内进行了验证。高密度带电体能够制造出来的话，目前应用磁铁之处则基本上可由高密度带电体替代。下面就以不使用稀土类金属的高性能马达为主，分析几个应用案例。发电机这里指的是无磁铁发电机。具体就是使交替涂布有正负带电球体的圆盘旋转，并以表面与该圆盘平行的状态设置电极。通过带电圆盘旋转，以相反的静电感应实现电荷感应。在下图中，旋转1圈会产生4次电流相位变化。这时与转速成比例移动的电荷量就会增加，从而使发电量增加。由于既不需要永久磁铁也不需要铜线等，因此可低成本制造。

电极板 帝电板发电机的原理另外，还可如下图所示轻松实现多级构造，因此发电量也容易增加。由于无启动负荷，所以在微风下也可发电。电极数量分割得越细，发电量就越大。多级发电机的构成

马达这里指的是无磁铁的马达。具体是向驱动电极施加脉冲，使交替涂布有正负带电球体的圆盘旋转。驱动所需动力可由库仑力提供。库仑引力和库仑斥力都对旋转起作用。电极板 带电板马达的原理在带电马达的旋转方向由对电极数量进行细分后使电位旋转获得。其中值得关注的是电场驱动这一点。另外，由于没有机械接触部分，因此还可实现10万rpm以上的高速旋转。设想只在产生库仑力时消耗电力。因此存在制造出接近理论极限的高效率马达的可能性。而且还有望减少热量的产生。向马达驱动电极施加脉冲（向右旋转）其课题在于如何将驱动电压控制在低水平上。通过马达多极化并增加面积，便可提高转矩，实现低电压驱动。而且一块电极的分割数量越多，转矩就越高。另外，还可实现只利用斥力的马达，由于不用担心放电破坏，因此通过使用1014个/cm3以上电荷浓度的带电体，便可制造出比使用钕磁铁的电磁马达更为强劲的带电马达。带电马达的特点总结如下。•可通过电极数量和施加电压来控制转矩•可通过施加脉冲的频率来控制转速•正反旋转的控制简单•启动时无过电流流过•旋转轴惯性旋转时成为发电机上述带电马达还有望成为便携终端使用的超小型马达。电磁马达以直径4mm为最小尺寸，带电马达可减至直径2mm。下图为超小型马达的概念图，驱动用电极设置在马达圆筒内。超小型电磁马达的效率会降至20%以下，而带电马达的效率不会下降。

马达內的百区动电扱马达內的百区动电扱超小型马达的概念图另外，在设计带电马达时，要确保可承受强大库仑力的机械强度，并对低电压驱动进行研究。需要注意使马达静止时的控制方法，以及电极、圆盘及转轴的机械强度。不过，在利用库仑引力时，电荷浓度存在最大为1013个/cm3的极限。虽然通过增加面积便可提高功率，但可选择利用库仑斥力。也就是说，还可制造只利用斥力的、无放电破坏的马达。下图就是只利用斥力的马达。通过向极性与带电体相同的电极施加电压，仅以斥力来驱动。

固定删饭徒转帝电板帯电体与电极的配置关系侧面戡面團囲莖电£圉疋电板帶範休堆转带电按因定电根扳疑转轴固定删饭徒转帝电板帯电体与电极的配置关系侧面戡面團囲莖电£圉疋电板帶範休堆转带电按因定电根扳疑转轴斥力马达的原理另外，上图还在右下部列出了带电体与电极的位置关系。F表示固定电极，M表示旋转带电体。从图中可以看出，是通过固定电极与带电体搭配的4个组合来产生斥力。即M1/F2、M2/F5、M3/F8、M4/F11。以该斥力使旋转板向右旋转。而且，M1/F3、M2/F6、M3/F9、M4/F12这些组合之间也会生产斥力。在旋转板的带电体部分与固定板的电极发生重叠的瞬间，斥力可能会使旋转停止。但这时只要在重叠瞬间使电极的电位为零即可解决问题。下图列出了斥力马达中带电体和电极板的构造。要想高效利用该构造的斥力，只要像图中一样使平行的面之间对置即可。不用说，斥力马达也可通过多极化来提高功率。雄转带电扳斥力帑电稱电萍L「移动方向雄转带电扳斥力帑电稱电萍L「移动方向固宦电松扳同毎电扱扳电4^缓］移动育向带电体和电极的构造3维加速度传感器这里指的是可利用库仑斥力使物体漂浮于空中。由于无需担心放电破坏，因此能够制造具有强劲斥力的、大型高灵敏度传感器。这样便可实现高灵敏度的3D加速度传感器。下图是二维加速度传感器的示例。在机壳拐角处涂布带电体，并在运转部分的拐角处涂布同极性的带电体。二维加速度传感器的构造另外，三维加速度传感器如下图所示在机壳内部放置立方体的运转部分。采用与三维加速度传感器基本相同的概念在拐角处涂布带电体。通过增加拐角处的带电体，加大内部空间的话，还可检测很小的加速度。

三维加速度传感器的构造做th即继电器三维加速度传感器的构造继电器是指通过电磁铁的力来吸引弹簧，使电接点开关的器件。不过，继电器通常使用电磁铁，因此整体体积较大。而通过采用以库仑力来吸引弹簧的构造，便可缩小继电器的体积。由于只需使带电面与电极面对置即可，因此容易实现薄型化。如右图所示，有望减薄至接点的厚度。另外，还可向使用磁铁的多种设备及装置进行推广。可考虑应用于带电线性马达车、传送带等搬运设备、空气轴承、扬声器、麦克风等多种领域。而且还有望推广至利用与磁性流体相同的原理，以胶体包裹带电粒子表面的流体密封等领域。结语在这里要重申的是，此次提出的“带电体工程学”与原来的继电器的构造静电利用方法不同。在制造带电体时要稳定封入大量电荷。通过封入电荷，可将电荷密度提高至以往方法的1000倍以上，从而获得增至100万倍以上的库仑