有望變革電動車行業？美17歲高中生設計無需稀土的磁阻電動機，贏得50萬大獎

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，這位來自佛羅里達州皮爾斯堡的發明家在自己的業余時間已經完成了至少 60 個工程項目，而他只有 17 歲。
幾年前，Sansone 看到了一則關于電動車優劣勢的視頻，其中講到大多數電動車的電動機需要稀土元素制成的磁鐵。但是，提取稀土元素在經濟和環境方面的成本都很高。所需要的稀土材料每千克都要花費數百美元，相比之下，每千克銅只需要 7.83 美元。
Sansone 對電動機有著天然的興趣，他曾在不同的機器人項目中使用過。因此，對于上述可持續性問題，他希望設計一個不同的電動機。
這位高中生聽說過一種不使用稀土材料的電動機——同步磁阻電動機。這種電動機目前用于泵和風扇，但其本身的功率不足以用于電動車。因此，Sansone 開始頭腦風暴，試圖提高同步磁阻電動機的性能。

在一年時間里，Sansone 成功制作了一種全新同步磁阻電動機的原型，比現有同類電動機擁有更大的旋轉力（扭矩）和效率。該原型由 3D 打印塑料、銅線和鋼轉子制成，并使用各種儀表測量功率，使用激光轉速儀確定電動機的轉速。這個原型機為他奪得了今年最大國際中學生 STEM 競賽—再生元國際科學與工程大獎賽（ISEF）的一等獎和 7.5 萬美元的獎金。
圖源：https://www.youtube.com/watch?v=nQTvRWizivw
制作思路和過程
密歇根大學一位電氣與計算機工程教授 Heath Hofmann 解釋稱，可持續性較差的永磁電動機通常使用釹、釤和鏑等需求量大的材料，它們可以用于耳機和耳塞等很多不同的產品中。隨著使用磁鐵的應用數量越來越多，特斯拉最近也開始在其電動機中使用永磁材料。
同步磁阻電動機不使用磁鐵，取而代之的是一個與旋轉磁場對齊的具有氣隙的鋼轉子。當鋼轉子與旋轉磁場一起旋轉時會產生扭矩，當凸極比或鋼與非磁性氣隙之間的磁性差更大時，產生的扭矩也就更大。
Sansone 認為可以不使用氣隙，而將另一個磁場整合到電動機中。這將增加凸極比，進而產生更大扭矩。他在設計中還使用了其他組件，但不便透露更多細節，他希望將來為這項技術申請專利。

有了這個想法后，Sansone 開始著手準備一些原型，以驗證這一設計是否有效。但是 Sansone 缺乏資源來制造先進的電動機，因此他使用 3D 打印制作縮小版的電動機。
在測試之前，有幾個原型已經被 Sansone 制作出來。
不過這一過程，沒有老師指導，每次遇到電動機故障，Sansone 必須做大量的研究進行排除，最終，在第 15 個原型機上，Sansone 成功了。
之后 Sansone 開始測試電動機的扭矩和效率。他發現新設計的電動機在 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，因為塑料組件會過熱熔化，曾經他也嘗試過更高的 RPM，但是溫度過高導致原型熔化，給 Sansone 帶來慘痛的教訓。
相比之下，特斯拉的 Model S 電動機可以達到 18000 RPM。此外，Sansone 還進行了一次實驗，這個實驗排除其他變量，并證實扭矩和效率的提高與他的設計息息相關。
Hofmann 評價道：Sansone 絕對是在用正確的方式看待事情，這一設計有可能引領下一個大事件。不過，許多教授一生都在從事研究工作，但最終結果令世界震驚的很少。
Hofmann 表示同步磁阻電動機的材料很便宜，但機器復雜，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 打印等新技術的發展，未來這一制造過程會變得很容易。
Sansone 現在正在為他的第 16 版電動機進行計算和 3-D 建模，他計劃用更堅固的材料制造電動機，以便以更高 RPM 進行測試。如果在更高的 RPM 下，他的電動機繼續以高速和高效運行，Sansone 將繼續申請專利。

作為一名即將升入高三的學生，Sansone 的夢想是進入 MIT。他從 ISEF 獲得的獎金將用于支付大學學費。Sansone 表示，最初他并沒有參加比賽的計劃，但當他得知在一門課程中允許他完成一個為期一年的研究項目時，他決定利用這個機會繼續研究。
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項目去競爭?！筍ansone 在地區和州的比賽中表現出色，之后成功的進入 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將成為電動汽車的設計選擇。
「現有電動機中的稀土材料是破壞電動汽車可持續性的主要因素，在我新穎的設計幫助下，我們將會看到電動汽車完全可持續發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/