不使用磁铁的高性能马达.doc

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1、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

2、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

3、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——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。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

4、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。1cm2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10μm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10μm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101

5、4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，电荷封入绝缘体中时，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2可封入电荷的带电体构造　　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

6、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（SiO2のEg≒8eV)及Al（Al2O3のEg≒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。

7、　　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