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摘要：研究小组成功进行了不使用磁场或磁铁的铁电电机的实证实验，通过使用介电常数和极化度是普通材料1000倍以上的铁电向列相液晶代替空气，成功原本需要约10kV的驱动电压降低到几十V。

关键词：铁电电机、TEF（横向静电力）、铁电向列相液晶、驱动电压、电磁设备

要点

成功进行了使用有机铁电材料、无需稀土元素或磁场的铁电电机的驱动
通过介电常数和极化度比传统液晶高1000倍以上的铁电向列相液晶，可将驱动电压降低至传统的1/1000
从减少环境影响和实现资源自给两方面来看，有望成为下一代电机的新选择

概要

研究小组成功进行了不使用磁场或磁铁的铁电电机的实证实验。

铁电电机是一种静电电机，通过使用介电常数和极化度是普通材料1000倍以上的铁电向列相液晶代替空气，研究小组成功将原本需要约10kV的驱动电压降低到几十V。此外，利用垂直于施加电场的静电力，转子可以完全由塑料制成，从而实现了不使用金属的轻便简洁结构。

另一方面，目前广泛使用的电磁电机由于使用电磁铁或永磁体，重量较重且结构复杂，还需要大量的铜线和稀土元素，因此这对于高度依赖重要矿产资源进口的日本而言，已成为经济安全保障上的一大挑战。虽然传统的静电电机不使用磁场或磁铁，但其输出功率很小，约为电磁电机的1/1000到1/10000，因此仅限于特殊用途，而且由于电压高，还存在火灾或触电的风险。

铁电电机中使用的铁电向列相液晶由自然界中丰富存在的有机物组成，这对于资源有限的日本来说，是一种易于在社会中应用的材料。为实现全球碳循环型社会，在加速向电力能源转型的今天，不需要稀土元素且可低电压运行的铁电电机有望成为下一代技术，为实现可持续发展的社会做出贡献。

图1.利用在垂直于电场方向上工作的静电力（TEF）的铁电电机概念图

研究背景

近年来，为实现碳循环型社会，利用电力作为能源的重要性日益凸显，许多电磁电机和电磁致动器得到了广泛应用。然而，这些电磁设备使用了大量的铜和稀土元素，这对于依赖进口众多重要矿产资源的日本来说，已成为经济安全保障上的一大挑战。

静电设备是一种可替代或补充电磁设备的技术，但传统静电设备的输出功率仅为电磁设备的1/1000到1/10000，因此很少用于需要高输出功率的应用中。然而，2017年发现的铁电向列相液晶由于具有超过10,000的相对介电常数和几μC/cm²的极化度，作为一种能够实现与电磁设备相媲美的高输出功率和低电压驱动的材料，在静电设备领域引起了广泛关注。

研究小组此前已开发出一种可在室温附近较宽的温度范围内保持其铁电性的液晶材料系统，并证实了通过将其应用于双螺旋线圈型致动器的伸缩运动，可将静电设备的驱动电压降低至原来的1/1000。此次，研究小组将这项技术应用于旋转运动，成功实现了铁电电机的驱动。

研究成果

一般的静电设备利用在一对电极之间施加电压时产生的静电力（即电极相互吸引的力）。由于静电力往往随着电极间距的缩小而增强，大多数实用设备的电极间距为1毫米或更小，这使得利用电极间距变化的设备难以获得较大的位移。此外，由于至少需要让其中一个电极可移动，电极之间的接触容易发生短路，因此不适用于电机应用。

此次，研究小组回归到静电力的来源——麦克斯韦应力，重点关注了麦克斯韦应力中垂直于电场方向工作的应力分量。研究小组将这种垂直分量产生的力命名为TEF（横向静电力，图1），并构建了一个如图2所示的实验系统

当在电极上施加电压时，研究小组证实了液晶材料在电极间上升的现象，并成功实现了TEF的可视化和量化。例如，研究发现，在每毫米电极间距上仅施加20伏的电压，液晶就能上升约70mm。利用TEF，可以固定电极，从而显著降低短路的可能性。

图2.TEF的可视化实验装置（左图、右上图）及电场依赖性（右下图）

图3.所使用的铁电向列相液晶材料及其相序（重量比1:1的混合物）

虽然普通材料中也会产生TEF，但由于这种力极其微弱，无法达到肉眼可见的程度。本次使用的铁电向列相液晶（图3）具有约11,000（@100Hz）的介电常数和约6μC/cm²的极化，这非常大，因此其产生的TEF达到约1,000N/m²（@30V/mm），是传统材料的1,000倍以上（图2，右下图）。

基于这一结果，研究小组设计了一种如图4所示的三相电机，并制造了一个由定子三相24极、转子16极组成的试制机。利用TEF，无需磁场或磁体，只需在上下定子之间施加电压即可驱动转子旋转，因此转子无需金属，可以完全由塑料制成，从而实现更轻的重量和更低的惯性。此外，由于不需要滑环或碳刷等向转子供电的机构，因此结构也得到了简化。

研究小组在制造的试制机（图5）中填充铁电向列相液晶，并施加了幅值为60V、占空比为33%、频率为10Hz的三相脉冲波，实现了每分钟约40转的转速，成功实现了铁电电机的实证实验。

图4.根据铁电电机的转子和定子的CAD（左上图）制造的试制零件（左下图）和将转子组合到上定子上的状态（右图）

图5.试制的铁电电机的整体试图（左图：俯视图，右图：斜视图）

社会影响

迄今为止，将电能转化为动力的手段几乎完全依赖于电磁设备。然而，电磁铁和永磁体中使用了大量的铜、稀土元素等战略矿产资源，而确保这些资源的稳定供应已成为日本经济安全保障上的一大挑战。此次成功证实的铁电电机所使用的铁电向列相液晶由天然丰富存在的有机物构成，即使对于矿产资源有限的日本来说，也是一种易于在社会中应用的材料。

为实现全球碳循环型社会，汽车、工业机器人等领域的电气化进程正在加速，人们对电机的需求也日益增长。在这一背景下，从减少环境影响和实现资源自给两方面来看，无需稀土元素的铁电电机有望成为下一代电机的新选择。

未来展望

由于TEF产生的应力与电极间距无关，因此一个主要优势在于可以通过减薄转子/定子并使其多层化来轻松提高输出扭矩。虽然此次的试制机仅包含一对转子/定子，但未来通过多层化，有望进一步提高输出扭矩。

此外，由于其介电弛豫特性，本次所使用的铁电向列相液晶的脉冲频率上限预计为300Hz，驱动上限约为1,000转/分钟。为了进一步实现实用化，研究小组计划研究以下方法：通过提高液晶材料的极化度来提高输出功率；通过降低粘度和改善介电弛豫特性来提高转速；以及通过拓宽铁电向列相的温度范围来扩大可用温度范围。

电机和致动器是将电能转化为动能的设备，但从原理上讲，它们也可以将动能转化回电能，因此有望应用于能量回收领域。

https://www.isct.ac.jp/ja/news/wiaa9q94gxtr

https://doi.org/10.1002/apxr.202200017

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一种不依赖关键矿产资源的铁电电机驱动技术：利用有机铁电材料，驱动电压降低至传统水平的1/1000