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有望變革電動車行業(yè)?美17歲高中生設(shè)計無需稀土的磁阻電動機(jī),贏得50萬大獎

發(fā)布人:機(jī)器之心 時間:2022-08-14 來源:工程師 發(fā)布文章
這位少年簡直是美國「稚暉君」!


Robert Sansone 是一位天生的工程師。從仿生手臂到高速跑鞋,再到時速超過 70 英里的卡丁車,這位來自佛羅里達(dá)州皮爾斯堡的發(fā)明家在自己的業(yè)余時間已經(jīng)完成了至少 60 個工程項(xiàng)目,而他只有 17 歲。
幾年前,Sansone 看到了一則關(guān)于電動車優(yōu)劣勢的視頻,其中講到大多數(shù)電動車的電動機(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 對電動機(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。因此,對于上述可持續(xù)性問題,他希望設(shè)計一個不同的電動機(jī)。
這位高中生聽說過一種不使用稀土材料的電動機(jī)——同步磁阻電動機(jī)。這種電動機(jī)目前用于泵和風(fēng)扇,但其本身的功率不足以用于電動車。因此,Sansone 開始頭腦風(fēng)暴,試圖提高同步磁阻電動機(jī)的性能。
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在一年時間里,Sansone 成功制作了一種全新同步磁阻電動機(jī)的原型,比現(xiàn)有同類電動機(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,并使用各種儀表測量功率,使用激光轉(zhuǎn)速儀確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這個原型機(jī)為他奪得了今年最大國際中學(xué)生 STEM 競賽—再生元國際科學(xué)與工程大獎賽(ISEF)的一等獎和 7.5 萬美元的獎金。
圖片圖源:https://www.youtube.com/watch?v=nQTvRWizivw
制作思路和過程
密歇根大學(xué)一位電氣與計算機(jī)工程教授 Heath Hofmann 解釋稱,可持續(xù)性較差的永磁電動機(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)量越來越多,特斯拉最近也開始在其電動機(jī)中使用永磁材料。
同步磁阻電動機(jī)不使用磁鐵,取而代之的是一個與旋轉(zhuǎn)磁場對齊的具有氣隙的鋼轉(zhuǎn)子。當(dāng)鋼轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場一起旋轉(zhuǎn)時會產(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,產(chǎn)生的扭矩也就更大。
Sansone 認(rèn)為可以不使用氣隙,而將另一個磁場整合到電動機(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),他希望將來為這項(xiàng)技術(shù)申請專利。
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有了這個想法后,Sansone 開始著手準(zhǔn)備一些原型,以驗(yàn)證這一設(shè)計是否有效。但是 Sansone 缺乏資源來制造先進(jìn)的電動機(jī),因此他使用 3D 打印制作縮小版的電動機(jī)。
在測試之前,有幾個原型已經(jīng)被 Sansone 制作出來。
不過這一過程,沒有老師指導(dǎo),每次遇到電動機(jī)故障,Sansone 必須做大量的研究進(jìn)行排除,最終,在第 15 個原型機(jī)上,Sansone 成功了。
之后 Sansone 開始測試電動機(jī)的扭矩和效率。他發(fā)現(xiàn)新設(shè)計的電動機(jī)在 300 RPM(revolutions per minute)時,扭矩提高了 39%,效率提高了 31%。在 750 RPM 時,效率提高了 37%。不過更高的 RPM,Sansone 沒有測試,因?yàn)樗芰辖M件會過熱熔化,曾經(jīng)他也嘗試過更高的 RPM,但是溫度過高導(dǎo)致原型熔化,給 Sansone 帶來慘痛的教訓(xùn)。
相比之下,特斯拉的 Model S 電動機(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)計息息相關(guān)。
Hofmann 評價道:Sansone 絕對是在用正確的方式看待事情,這一設(shè)計有可能引領(lǐng)下一個大事件。不過,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障礙,也是 Sansone 遇到的一個主要限制因素。不過隨著 3D 打印等新技術(shù)的發(fā)展,未來這一制造過程會變得很容易。
Sansone 現(xiàn)在正在為他的第 16 版電動機(jī)進(jìn)行計算和 3-D 建模,他計劃用更堅固的材料制造電動機(jī),以便以更高 RPM 進(jìn)行測試。如果在更高的 RPM 下,他的電動機(jī)繼續(xù)以高速和高效運(yùn)行,Sansone 將繼續(xù)申請專利。
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作為一名即將升入高三的學(xué)生,Sansone 的夢想是進(jìn)入 MIT。他從 ISEF 獲得的獎金將用于支付大學(xué)學(xué)費(fèi)。Sansone 表示,最初他并沒有參加比賽的計劃,但當(dāng)他得知在一門課程中允許他完成一個為期一年的研究項(xiàng)目時,他決定利用這個機(jī)會繼續(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科學(xué)項(xiàng)目去競爭?!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,贏得一等獎和 7.5 萬美元的獎金。
Sansone 正在等待下一階段的測試,之后再與汽車公司接觸,但他希望有一天他的電動機(jī)將成為電動汽車的設(shè)計選擇。
「現(xiàn)有電動機(jī)中的稀土材料是破壞電動汽車可持續(xù)性的主要因素,在我新穎的設(shè)計幫助下,我們將會看到電動汽車完全可持續(xù)發(fā)展的那一天會夢想成真?!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/


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