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美国一17岁男孩设计了一种可能改变电动汽车行业的电动机

据史密森学会杂志报道,Robert Sansone是一位天生的工程师。从电子手到高速跑鞋,以及时速超过70英里的卡丁车,这位来自佛罗里达州皮尔斯堡的发明家估计他在业余时间至少完成了60个工程项目。而他只有17岁。

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几年前, Sansone看到一个关于电动汽车的优点和缺点的视频。该视频解释说,大多数电动汽车电动机需要由稀土元素制成的磁铁,而这些元素的提取在经济上和环境上都是昂贵的。所需的稀土材料每公斤可达数百美元。相比之下,铜的价值是每公斤7.83美元。

“我对电动机有着天然的兴趣,”Sansone说,他曾在不同的机器人项目中使用过这些电动机。“有了这个可持续性问题,我想解决它,并尝试设计一个不同的电动机。”

这位高中生听说过一种电动机--同步磁阻电动机,它不使用这些稀土材料。这种电动机目前用于泵和风扇,但它本身的功率还不足以用于电动汽车。因此,Sansone开始集思广益,想办法提高其性能。

在一年的时间里,Sansone创造了一个新型同步磁阻电动机的原型,它比现有的电动机具有更大的旋转力或扭矩和效率。该原型由3D打印的塑料、铜线和一个钢制转子制成,并使用各种仪表测量功率和激光转速计确定电动机的旋转速度。他的工作为他赢得了今年Regeneron国际科学与工程博览会(ISEF)的一等奖,以及75000美元的奖金,这是最大的国际高中STEM竞赛。

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密歇根大学电气和计算机工程教授Heath Hofmann解释说,可持续性较差的永磁电动机使用钕、钐和镝等材料,这些材料的需求量很大,因为它们被用于许多不同的产品,包括耳机和耳塞。Hofmann在电动汽车方面做了大量的工作,包括为特斯拉提供咨询,为其推进器开发控制算法。

“使用磁铁的应用数量似乎越来越多,”他说。Hofmann补充说,特斯拉最近开始在其电动机中使用永磁电动机。

电动机使用旋转的电磁场来旋转转子。电动机外部固定部分的电线线圈,称为定子,产生这些电磁场。在永磁电动机中,附着在旋转的转子边缘的磁铁产生一个磁场,被吸引到旋转磁场上的相反极。这种吸引力使转子旋转。

同步磁阻电动机不使用磁铁。相反,一个有空气间隙的钢制转子与旋转的磁场保持一致。磁阻,或一种材料的磁性,是这个过程的关键。当转子随着旋转的磁场旋转时,就会产生扭矩。当突出比率,或材料(在这种情况下,钢和非磁性气隙)之间的磁性差异较大时,会产生更多的扭矩。

Sansone认为,他可以将另一个磁场纳入电动机,而不是使用气隙。这将增加这个突出比率,反过来,产生更多的扭矩。他的设计还有其他组件,但他不能透露更多细节,因为他希望将来能为这项技术申请专利。

“一旦我有了这个最初的想法,那么我就必须做一些原型设计,以尝试并看看这个设计是否真的能发挥作用,”Sansone说。“我没有大量的资源来制造非常先进的电机,因此我不得不使用3D打印机制造一个较小的版本--比例模型。”

在他能够测试他的设计之前,他完成了数个原型。他说:“我没有一个导师来帮助我,真的,所以每次电动机失败,我不得不做大量的研究,并试图解决出错的问题。但最终在第15个电动机上,我能够得到一个工作原型。”

Sansone测试了他的电动机的扭矩和效率,然后将其重新配置为更传统的同步磁阻电动机来进行比较。他发现,他的新设计在300 RPM时,表现出39%的扭矩和31%的效率。在750 RPM时,它的效率提高了37%。他无法在更高的转速下测试他的原型,因为塑料件会过热--当其中一个原型在他的桌子上融化时,他得到了惨痛的教训,他告诉Crimson Education制作的播客节目《Top of the Class》。

相比之下,特斯拉的Model S电动机可以达到18000 RPM,该公司的主要电动机设计师 Konstantinos Laskaris在2016年接受电动汽车杂志《Charged》的Christian Ruoff采访时解释道。

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Sansone在第二个实验中验证了他的结果,根据他的项目介绍,他 “分离出了新设计产生磁突出性的理论原理”。基本上,这个实验消除了所有其他变量,并证实了扭矩和效率的提高与他的设计的更大突出比率有关。

Hofmann在谈到Sansone时说:“他看问题的方式绝对是正确的。有可能成为下一件大事。”虽然,他补充说,许多教授一生都在从事研究工作,而“他们最终接管世界的情况相当罕见”。

Hofmann说,同步磁阻电动机的材料很便宜,但机器很复杂,而且出了名的难以制造。因此,高昂的制造成本是其广泛使用的障碍--也是限制Sansone发明的一个主要因素。

Sansone同意,但他说 “有了像增材制造(如3D打印)这样的新技术,将来会更容易建造。”

Sansone现在正在为他的第16版电动机进行计算和3D建模,他计划用更坚固的材料来建造,这样他就可以在每分钟更高的转速下测试它。如果他的电动机继续保持高速和高效的性能,他说他将继续推进专利申请过程。

作为皮尔斯堡中央高中的一名高三学生,Sansone的梦想是进入麻省理工学院。他从ISEF获得的奖金将用于支付大学学费。

Sansone说,他原本并不打算参加比赛。但当他得知他的一门课允许他完成为期一年的研究项目和论文,主题由他自己选择时,他决定利用这个机会继续研究他的电机。

“我在想,如果我能够投入这么多精力,我不妨把它变成一个科学展项目,用它来竞争,”他解释说。在地区和州级比赛中表现出色后,他晋级ISEF。

Sansone正在等待他的下一阶段测试,然后再与任何汽车公司接触,但他希望有一天他的电动机将成为电动汽车的首选设计。

他说:“现有电动机中的稀土材料是破坏电动汽车可持续性的一个主要因素。看到有一天,由于我新颖的电动机设计的帮助,电动汽车完全可持续,将是梦想成真。”

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