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焦點關注：美國一17歲男孩設計了一種可能改變電動汽車行業的電動機

2022-08-15 16:41:13 來源：cnBeta.COM

據史密森學會雜志報道，Robert Sansone是一位天生的工程師。從電子手到高速跑鞋，以及時速超過70英里的卡丁車，這位來自佛羅里達州皮爾斯堡的發明家估計他在業余時間至少完成了60個工程項目。而他只有17歲。

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幾年前， Sansone看到一個關于電動汽車的優點和缺點的視頻。該視頻解釋說，大多數電動汽車電動機需要由稀土元素制成的磁鐵，而這些元素的提取在經濟上和環境上都是昂貴的。所需的稀土材料每公斤可達數百美元。相比之下，銅的價值是每公斤7.83美元。

“我對電動機有著天然的興趣，”Sansone說，他曾在不同的機器人項目中使用過這些電動機。“有了這個可持續性問題，我想解決它，并嘗試設計一個不同的電動機。”

這位高中生聽說過一種電動機--同步磁阻電動機，它不使用這些稀土材料。這種電動機目前用于泵和風扇，但它本身的功率還不足以用于電動汽車。因此，Sansone開始集思廣益，想辦法提高其性能。

在一年的時間里，Sansone創造了一個新型同步磁阻電動機的原型，它比現有的電動機具有更大的旋轉力或扭矩和效率。該原型由3D打印的塑料、銅線和一個鋼制轉子制成，并使用各種儀表測量功率和激光轉速計確定電動機的旋轉速度。他的工作為他贏得了今年Regeneron國際科學與工程博覽會（ISEF）的一等獎，以及75000美元的獎金，這是最大的國際高中STEM競賽。

密歇根大學電氣和計算機工程教授Heath Hofmann解釋說，可持續性較差的永磁電動機使用釹、釤和鏑等材料，這些材料的需求量很大，因為它們被用于許多不同的產品，包括耳機和耳塞。Hofmann在電動汽車方面做了大量的工作，包括為特斯拉提供咨詢，為其推進器開發控制算法。

“使用磁鐵的應用數量似乎越來越多，”他說。Hofmann補充說，特斯拉最近開始在其電動機中使用永磁電動機。

電動機使用旋轉的電磁場來旋轉轉子。電動機外部固定部分的電線線圈，稱為定子，產生這些電磁場。在永磁電動機中，附著在旋轉的轉子邊緣的磁鐵產生一個磁場，被吸引到旋轉磁場上的相反極。這種吸引力使轉子旋轉。

同步磁阻電動機不使用磁鐵。相反，一個有空氣間隙的鋼制轉子與旋轉的磁場保持一致。磁阻，或一種材料的磁性，是這個過程的關鍵。當轉子隨著旋轉的磁場旋轉時，就會產生扭矩。當突出比率，或材料（在這種情況下，鋼和非磁性氣隙）之間的磁性差異較大時，會產生更多的扭矩。

Sansone認為，他可以將另一個磁場納入電動機，而不是使用氣隙。這將增加這個突出比率，反過來，產生更多的扭矩。他的設計還有其他組件，但他不能透露更多細節，因為他希望將來能為這項技術申請專利。

“一旦我有了這個最初的想法，那么我就必須做一些原型設計，以嘗試并看看這個設計是否真的能發揮作用，”Sansone說。“我沒有大量的資源來制造非常先進的電機，因此我不得不使用3D打印機制造一個較小的版本--比例模型。”

在他能夠測試他的設計之前，他完成了數個原型。他說：“我沒有一個導師來幫助我，真的，所以每次電動機失敗，我不得不做大量的研究，并試圖解決出錯的問題。但最終在第15個電動機上，我能夠得到一個工作原型。”

Sansone測試了他的電動機的扭矩和效率，然后將其重新配置為更傳統的同步磁阻電動機來進行比較。他發現，他的新設計在300 RPM時，表現出39%的扭矩和31%的效率。在750 RPM時，它的效率提高了37%。他無法在更高的轉速下測試他的原型，因為塑料件會過熱--當其中一個原型在他的桌子上融化時，他得到了慘痛的教訓，他告訴Crimson Education制作的播客節目《Top of the Class》。

相比之下，特斯拉的Model S電動機可以達到18000 RPM，該公司的主要電動機設計師 Konstantinos Laskaris在2016年接受電動汽車雜志《Charged》的Christian Ruoff采訪時解釋道。

Sansone在第二個實驗中驗證了他的結果，根據他的項目介紹，他 “分離出了新設計產生磁突出性的理論原理”。基本上，這個實驗消除了所有其他變量，并證實了扭矩和效率的提高與他的設計的更大突出比率有關。

Hofmann在談到Sansone時說：“他看問題的方式絕對是正確的。有可能成為下一件大事。”雖然，他補充說，許多教授一生都在從事研究工作，而“他們最終接管世界的情況相當罕見”。

Hofmann說，同步磁阻電動機的材料很便宜，但機器很復雜，而且出了名的難以制造。因此，高昂的制造成本是其廣泛使用的障礙--也是限制Sansone發明的一個主要因素。

Sansone同意，但他說 “有了像增材制造（如3D打印）這樣的新技術，將來會更容易建造。”

Sansone現在正在為他的第16版電動機進行計算和3D建模，他計劃用更堅固的材料來建造，這樣他就可以在每分鐘更高的轉速下測試它。如果他的電動機繼續保持高速和高效的性能，他說他將繼續推進專利申請過程。

作為皮爾斯堡中央高中的一名高三學生，Sansone的夢想是進入麻省理工學院。他從ISEF獲得的獎金將用于支付大學學費。

Sansone說，他原本并不打算參加比賽。但當他得知他的一門課允許他完成為期一年的研究項目和論文，主題由他自己選擇時，他決定利用這個機會繼續研究他的電機。

“我在想，如果我能夠投入這么多精力，我不妨把它變成一個科學展項目，用它來競爭，”他解釋說。在地區和州級比賽中表現出色后，他晉級ISEF。

Sansone正在等待他的下一階段測試，然后再與任何汽車公司接觸，但他希望有一天他的電動機將成為電動汽車的首選設計。

他說：“現有電動機中的稀土材料是破壞電動汽車可持續性的一個主要因素。看到有一天，由于我新穎的電動機設計的幫助，電動汽車完全可持續，將是夢想成真。”

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