有望變革電動(dòng)車行業(yè)？美17歲高中生設(shè)計(jì)無(wú)需稀土的磁阻電動(dòng)機(jī)，贏得50萬(wàn)大獎(jiǎng)

這位少年簡(jiǎn)直是美國(guó)「稚暉君」！

Robert Sansone 是一位天生的工程師。從仿生手臂到高速跑鞋，再到時(shí)速超過(guò) 70 英里的卡丁車，這位來(lái)自佛羅里達(dá)州皮爾斯堡的發(fā)明家在自己的業(yè)余時(shí)間已經(jīng)完成了至少 60 個(gè)工程項(xiàng)目，而他只有 17 歲。
幾年前，Sansone 看到了一則關(guān)于電動(dòng)車優(yōu)劣勢(shì)的視頻，其中講到大多數(shù)電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)需要稀土元素制成的磁鐵。但是，提取稀土元素在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的成本都很高。所需要的稀土材料每千克都要花費(fèi)數(shù)百美元，相比之下，每千克銅只需要 7.83 美元。
Sansone 對(duì)電動(dòng)機(jī)有著天然的興趣，他曾在不同的機(jī)器人項(xiàng)目中使用過(guò)。因此，對(duì)于上述可持續(xù)性問(wèn)題，他希望設(shè)計(jì)一個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)。
這位高中生聽(tīng)說(shuō)過(guò)一種不使用稀土材料的電動(dòng)機(jī)——同步磁阻電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)目前用于泵和風(fēng)扇，但其本身的功率不足以用于電動(dòng)車。因此，Sansone 開(kāi)始頭腦風(fēng)暴，試圖提高同步磁阻電動(dòng)機(jī)的性能。

在一年時(shí)間里，Sansone 成功制作了一種全新同步磁阻電動(dòng)機(jī)的原型，比現(xiàn)有同類電動(dòng)機(jī)擁有更大的旋轉(zhuǎn)力（扭矩）和效率。該原型由 3D 打印塑料、銅線和鋼轉(zhuǎn)子制成，并使用各種儀表測(cè)量功率，使用激光轉(zhuǎn)速儀確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這個(gè)原型機(jī)為他奪得了今年最大國(guó)際中學(xué)生 STEM 競(jìng)賽—再生元國(guó)際科學(xué)與工程大獎(jiǎng)賽（ISEF）的一等獎(jiǎng)和 7.5 萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。
圖源：https://www.youtube.com/watch?v=nQTvRWizivw
制作思路和過(guò)程
密歇根大學(xué)一位電氣與計(jì)算機(jī)工程教授 Heath Hofmann 解釋稱，可持續(xù)性較差的永磁電動(dòng)機(jī)通常使用釹、釤和鏑等需求量大的材料，它們可以用于耳機(jī)和耳塞等很多不同的產(chǎn)品中。隨著使用磁鐵的應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多，特斯拉最近也開(kāi)始在其電動(dòng)機(jī)中使用永磁材料。
同步磁阻電動(dòng)機(jī)不使用磁鐵，取而代之的是一個(gè)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)齊的具有氣隙的鋼轉(zhuǎn)子。當(dāng)鋼轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭矩，當(dāng)凸極比或鋼與非磁性氣隙之間的磁性差更大時(shí)，產(chǎn)生的扭矩也就更大。
Sansone 認(rèn)為可以不使用氣隙，而將另一個(gè)磁場(chǎng)整合到電動(dòng)機(jī)中。這將增加凸極比，進(jìn)而產(chǎn)生更大扭矩。他在設(shè)計(jì)中還使用了其他組件，但不便透露更多細(xì)節(jié)，他希望將來(lái)為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)專利。

有了這個(gè)想法后，Sansone 開(kāi)始著手準(zhǔn)備一些原型，以驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)是否有效。但是 Sansone 缺乏資源來(lái)制造先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)，因此他使用 3D 打印制作縮小版的電動(dòng)機(jī)。
在測(cè)試之前，有幾個(gè)原型已經(jīng)被 Sansone 制作出來(lái)。
不過(guò)這一過(guò)程，沒(méi)有老師指導(dǎo)，每次遇到電動(dòng)機(jī)故障，Sansone 必須做大量的研究進(jìn)行排除，最終，在第 15 個(gè)原型機(jī)上，Sansone 成功了。
之后 Sansone 開(kāi)始測(cè)試電動(dòng)機(jī)的扭矩和效率。他發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)在 300 RPM（revolutions per minute）時(shí)，扭矩提高了 39%，效率提高了 31%。在 750 RPM 時(shí)，效率提高了 37%。不過(guò)更高的 RPM，Sansone 沒(méi)有測(cè)試，因?yàn)樗芰辖M件會(huì)過(guò)熱熔化，曾經(jīng)他也嘗試過(guò)更高的 RPM，但是溫度過(guò)高導(dǎo)致原型熔化，給 Sansone 帶來(lái)慘痛的教訓(xùn)。
相比之下，特斯拉的 Model S 電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到 18000 RPM。此外，Sansone 還進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)排除其他變量，并證實(shí)扭矩和效率的提高與他的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。
Hofmann 評(píng)價(jià)道：Sansone 絕對(duì)是在用正確的方式看待事情，這一設(shè)計(jì)有可能引領(lǐng)下一個(gè)大事件。不過(guò)，許多教授一生都在從事研究工作，但最終結(jié)果令世界震驚的很少。
Hofmann 表示同步磁阻電動(dòng)機(jī)的材料很便宜，但機(jī)器復(fù)雜，難以制造。因此，高昂的制造成本是阻礙它們廣泛使用的一個(gè)障礙，也是 Sansone 遇到的一個(gè)主要限制因素。不過(guò)隨著 3D 打印等新技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)這一制造過(guò)程會(huì)變得很容易。
Sansone 現(xiàn)在正在為他的第 16 版電動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算和 3-D 建模，他計(jì)劃用更堅(jiān)固的材料制造電動(dòng)機(jī)，以便以更高 RPM 進(jìn)行測(cè)試。如果在更高的 RPM 下，他的電動(dòng)機(jī)繼續(xù)以高速和高效運(yùn)行，Sansone 將繼續(xù)申請(qǐng)專利。

作為一名即將升入高三的學(xué)生，Sansone 的夢(mèng)想是進(jìn)入 MIT。他從 ISEF 獲得的獎(jiǎng)金將用于支付大學(xué)學(xué)費(fèi)。Sansone 表示，最初他并沒(méi)有參加比賽的計(jì)劃，但當(dāng)他得知在一門(mén)課程中允許他完成一個(gè)為期一年的研究項(xiàng)目時(shí)，他決定利用這個(gè)機(jī)會(huì)繼續(xù)研究。
Sansone 表示：「我在想，如果我投入了這么多精力，我還不如把它變成一個(gè)科學(xué)項(xiàng)目去競(jìng)爭(zhēng)?！筍ansone 在地區(qū)和州的比賽中表現(xiàn)出色，之后成功的進(jìn)入 ISEF，贏得一等獎(jiǎng)和 7.5 萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。
Sansone 正在等待下一階段的測(cè)試，之后再與汽車公司接觸，但他希望有一天他的電動(dòng)機(jī)將成為電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)選擇。
「現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)中的稀土材料是破壞電動(dòng)汽車可持續(xù)性的主要因素，在我新穎的設(shè)計(jì)幫助下，我們將會(huì)看到電動(dòng)汽車完全可持續(xù)發(fā)展的那一天會(huì)夢(mèng)想成真?！筍ansone 表示。
原文鏈接：https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-17-year-old-designed-a-motor-that-could-potentially-transform-the-electric-car-industry-180980550/