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

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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。

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。