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焦點關(guān)注：美國一17歲男孩設(shè)計了一種可能改變電動汽車行業(yè)的電動機(jī)

據(jù)史密森學(xué)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(dá)州皮爾斯堡的發(fā)明家估計他在業(yè)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(guān)于電動汽車的優(yōu)點和缺點的視頻。該視頻解釋說，大多數(shù)電動汽車電動機(jī)需要由稀土元素制成的磁鐵，而這些元素的提取在經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上都是昂貴的。所需的稀土材料每公斤可達(dá)數(shù)百美元。相比之下，銅的價值是每公斤7.83美元。

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

這位高中生聽說過一種電動機(jī)--同步磁阻電動機(jī)，它不使用這些稀土材料。這種電動機(jī)目前用于泵和風(fēng)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(chuàng)造了一個新型同步磁阻電動機(jī)的原型，它比現(xiàn)有的電動機(jī)具有更大的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子制成，并使用各種儀表測量功率和激光轉(zhuǎn)速計確定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。他的工作為他贏得了今年Regeneron國際科學(xué)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(xué)電氣和計算機(jī)工程教授Heath Hofmann解釋說，可持續(xù)性較差的永磁電動機(jī)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(chǎn)品，包括耳機(jī)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(jìn)器開發(fā)控制算法。

“使用磁鐵的應(yīng)用數(shù)量似乎越來越多，”他說。Hofmann補(bǔ)充說，特斯拉最近開始在其電動機(jī)中使用永磁電動機(jī)。

電動機(jī)使用旋轉(zhuǎn)的電磁場來旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。電動機(jī)外部固定部分的電線線圈，稱為定子，產(chǎn)生這些電磁場。在永磁電動機(jī)中，附著在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子邊緣的磁鐵產(chǎn)生一個磁場，被吸引到旋轉(zhuǎn)磁場上的相反極。這種吸引力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

同步磁阻電動機(jī)不使用磁鐵。相反，一個有空氣間隙的鋼制轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)的磁場保持一致。磁阻，或一種材料的磁性，是這個過程的關(guān)鍵。當(dāng)轉(zhuǎn)子隨著旋轉(zhuǎn)的磁場旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生扭矩。當(dāng)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(chǎn)生更多的扭矩。

Sansone認(rèn)為，他可以將另一個磁場納入電動機(jī)，而不是使用氣隙。這將增加這個突出比率，反過來，產(chǎn)生更多的扭矩。他的設(shè)計還有其他組件，但他不能透露更多細(xì)節(jié)，因為他希望將來能為這項技術(shù)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(shè)計，以嘗試并看看這個設(shè)計是否真的能發(fā)揮作用，”Sansone說。“我沒有大量的資源來制造非常先進(jìn)的電機(jī)，因此我不得不使用3D打印機(jī)制造一個較小的版本--比例模型。”

在他能夠測試他的設(shè)計之前，他完成了數(shù)個原型。他說：“我沒有一個導(dǎo)師來幫助我，真的，所以每次電動機(jī)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(jī)上，我能夠得到一個工作原型。”

Sansone測試了他的電動機(jī)的扭矩和效率，然后將其重新配置為更傳統(tǒng)的同步磁阻電動機(jī)來進(jìn)行比較。他發(fā)現(xiàn)，他的新設(shè)計在300 RPM時，表現(xiàn)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(zhuǎn)速下測試他的原型，因為塑料件會過熱--當(dāng)其中一個原型在他的桌子上融化時，他得到了慘痛的教訓(xùn)，他告訴Crimson Education制作的播客節(jié)目《Top of the Class》。

相比之下，特斯拉的Model S電動機(jī)可以達(dá)到18000 RPM，該公司的主要電動機(jī)設(shè)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(jié)果，根據(jù)他的項目介紹，他 “分離出了新設(shè)計產(chǎn)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(shè)計的更大突出比率有關(guān)。

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(bǔ)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(dāng)罕見”。

Hofmann說，同步磁阻電動機(jī)的材料很便宜，但機(jī)器很復(fù)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(fā)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(shù)，將來會更容易建造。”

Sansone現(xiàn)在正在為他的第16版電動機(jī)進(jìn)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(zhuǎn)速下測試它。如果他的電動機(jī)繼續(xù)保持高速和高效的性能，他說他將繼續(xù)推進(jìn)專利申請過程。

作為皮爾斯堡中央高中的一名高三學(xué)生，Sansone的夢想是進(jìn)入麻省理工學(xué)院。他從ISEF獲得的獎金將用于支付大學(xué)學(xué)費。

Sansone說，他原本并不打算參加比賽。但當(dāng)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(jī)會繼續(xù)研究他的電機(jī)。

“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(xué)展項目，用它來競爭，”他解釋說。在地區(qū)和州級比賽中表現(xiàn)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(jī)將成為電動汽車的首選設(shè)計。

他說：“現(xiàn)有電動機(jī)中的稀土材料是破壞電動汽車可持續(xù)性的一個主要因素。看到有一天，由于我新穎的電動機(jī)設(shè)計的幫助，電動汽車完全可持續(xù)，將是夢想成真。”

關(guān)鍵詞： 美國一17歲男孩設(shè)計了一種可能改變電動汽車行業(yè)的電