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焦點(diǎn)關(guān)注：美國(guó)一17歲男孩設(shè)計(jì)了一種可能改變電動(dòng)汽車行業(yè)的電動(dòng)機(jī)

2022-08-15 16:41:13 來(lái)源：cnBeta.COM

據(jù)史密森學(xué)會(huì)雜志報(bào)道，Robert Sansone是一位天生的工程師。從電子手到高速跑鞋，以及時(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)明家估計(jì)他在業(yè)余時(shí)間至少完成了60個(gè)工程項(xiàng)目。而他只有17歲。

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幾年前， Sansone看到一個(gè)關(guān)于電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的視頻。該視頻解釋說(shuō)，大多數(shù)電動(dòng)汽車電動(dòng)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(jià)值是每公斤7.83美元。

“我對(duì)電動(dòng)機(jī)有著天然的興趣，”Sansone說(shuō)，他曾在不同的機(jī)器人項(xiàng)目中使用過(guò)這些電動(dòng)機(jī)。“有了這個(gè)可持續(xù)性問(wèn)題，我想解決它，并嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)。”

這位高中生聽說(shuō)過(guò)一種電動(dòng)機(jī)--同步磁阻電動(dòng)機(jī)，它不使用這些稀土材料。這種電動(dòng)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(dòng)汽車。因此，Sansone開始集思廣益，想辦法提高其性能。

在一年的時(shí)間里，Sansone創(chuàng)造了一個(gè)新型同步磁阻電動(dòng)機(jī)的原型，它比現(xiàn)有的電動(dòng)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(gè)鋼制轉(zhuǎn)子制成，并使用各種儀表測(cè)量功率和激光轉(zhuǎn)速計(jì)確定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。他的工作為他贏得了今年Regeneron國(guó)際科學(xué)與工程博覽會(huì)（ISEF）的一等獎(jiǎng)，以及75000美元的獎(jiǎng)金，這是最大的國(guó)際高中STEM競(jìng)賽。

密歇根大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Heath Hofmann解釋說(shuō)，可持續(xù)性較差的永磁電動(dòng)機(jī)使用釹、釤和鏑等材料，這些材料的需求量很大，因?yàn)樗鼈儽挥糜谠S多不同的產(chǎn)品，包括耳機(jī)和耳塞。Hofmann在電動(dòng)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(lái)越多，”他說(shuō)。Hofmann補(bǔ)充說(shuō)，特斯拉最近開始在其電動(dòng)機(jī)中使用永磁電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)使用旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)來(lái)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。電動(dòng)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(chǎng)。在永磁電動(dòng)機(jī)中，附著在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子邊緣的磁鐵產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，被吸引到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上的相反極。這種吸引力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

同步磁阻電動(dòng)機(jī)不使用磁鐵。相反，一個(gè)有空氣間隙的鋼制轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)保持一致。磁阻，或一種材料的磁性，是這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵。當(dāng)轉(zhuǎn)子隨著旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的扭矩。

Sansone認(rèn)為，他可以將另一個(gè)磁場(chǎng)納入電動(dòng)機(jī)，而不是使用氣隙。這將增加這個(gè)突出比率，反過(guò)來(lái)，產(chǎn)生更多的扭矩。他的設(shè)計(jì)還有其他組件，但他不能透露更多細(xì)節(jié)，因?yàn)樗Ｍ麑?lái)能為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)專利。

“一旦我有了這個(gè)最初的想法，那么我就必須做一些原型設(shè)計(jì)，以嘗試并看看這個(gè)設(shè)計(jì)是否真的能發(fā)揮作用，”Sansone說(shuō)。“我沒(méi)有大量的資源來(lái)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(gè)較小的版本--比例模型。”

在他能夠測(cè)試他的設(shè)計(jì)之前，他完成了數(shù)個(gè)原型。他說(shuō)：“我沒(méi)有一個(gè)導(dǎo)師來(lái)幫助我，真的，所以每次電動(dòng)機(jī)失敗，我不得不做大量的研究，并試圖解決出錯(cuò)的問(wèn)題。但最終在第15個(gè)電動(dòng)機(jī)上，我能夠得到一個(gè)工作原型。”

Sansone測(cè)試了他的電動(dòng)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(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行比較。他發(fā)現(xiàn)，他的新設(shè)計(jì)在300 RPM時(shí)，表現(xiàn)出39%的扭矩和31%的效率。在750 RPM時(shí)，它的效率提高了37%。他無(wú)法在更高的轉(zhuǎn)速下測(cè)試他的原型，因?yàn)樗芰霞?huì)過(guò)熱--當(dāng)其中一個(gè)原型在他的桌子上融化時(shí)，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(dòng)機(jī)可以達(dá)到18000 RPM，該公司的主要電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師 Konstantinos Laskaris在2016年接受電動(dòng)汽車雜志《Charged》的Christian Ruoff采訪時(shí)解釋道。

Sansone在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了他的結(jié)果，根據(jù)他的項(xiàng)目介紹，他 “分離出了新設(shè)計(jì)產(chǎn)生磁突出性的理論原理”。基本上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)消除了所有其他變量，并證實(shí)了扭矩和效率的提高與他的設(shè)計(jì)的更大突出比率有關(guān)。

Hofmann在談到Sansone時(shí)說(shuō)：“他看問(wèn)題的方式絕對(duì)是正確的。有可能成為下一件大事。”雖然，他補(bǔ)充說(shuō)，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(jiàn)”。

Hofmann說(shuō)，同步磁阻電動(dòng)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(gè)主要因素。

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

Sansone現(xiàn)在正在為他的第16版電動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算和3D建模，他計(jì)劃用更堅(jiān)固的材料來(lái)建造，這樣他就可以在每分鐘更高的轉(zhuǎn)速下測(cè)試它。如果他的電動(dòng)機(jī)繼續(xù)保持高速和高效的性能，他說(shuō)他將繼續(xù)推進(jìn)專利申請(qǐng)過(guò)程。

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

Sansone說(shuō)，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(xiàng)目和論文，主題由他自己選擇時(shí)，他決定利用這個(gè)機(jī)會(huì)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(gè)科學(xué)展項(xiàng)目，用它來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，”他解釋說(shuō)。在地區(qū)和州級(jí)比賽中表現(xiàn)出色后，他晉級(jí)ISEF。

Sansone正在等待他的下一階段測(cè)試，然后再與任何汽車公司接觸，但他希望有一天他的電動(dòng)機(jī)將成為電動(dòng)汽車的首選設(shè)計(jì)。

他說(shuō)：“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)性的一個(gè)主要因素。看到有一天，由于我新穎的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的幫助，電動(dòng)汽車完全可持續(xù)，將是夢(mèng)想成真。”

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