有望变革电动车行业？美17岁高中生设计无需稀土的磁阻电动机，赢得50万大奖

这位少年简直是美国「稚晖君」！

Robert Sansone 是一位天生的工程师。从仿生手臂到高速跑鞋，再到时速超过 70 英里的卡丁车，这位来自佛罗里达州皮尔斯堡的发明家在自己的业余时间已经完成了至少 60 个工程项目，而他只有 17 岁。
几年前，Sansone 看到了一则关于电动车优劣势的视频，其中讲到大多数电动车的电动机需要稀土元素制成的磁铁。但是，提取稀土元素在经济和环境方面的成本都很高。所需要的稀土材料每千克都要花费数百美元，相比之下，每千克铜只需要 7.83 美元。
Sansone 对电动机有着天然的兴趣，他曾在不同的机器人项目中使用过。因此，对于上述可持续性问题，他希望设计一个不同的电动机。
这位高中生听说过一种不使用稀土材料的电动机——同步磁阻电动机。这种电动机目前用于泵和风扇，但其本身的功率不足以用于电动车。因此，Sansone 开始头脑风暴，试图提高同步磁阻电动机的性能。

在一年时间里，Sansone 成功制作了一种全新同步磁阻电动机的原型，比现有同类电动机拥有更大的旋转力（扭矩）和效率。该原型由 3D 打印塑料、铜线和钢转子制成，并使用各种仪表测量功率，使用激光转速仪确定电动机的转速。这个原型机为他夺得了今年最大国际中学生 STEM 竞赛—再生元国际科学与工程大奖赛（ISEF）的一等奖和 7.5 万美元的奖金。
图源：https://www.youtube.com/watch?v=nQTvRWizivw
制作思路和过程
密歇根大学一位电气与计算机工程教授 Heath Hofmann 解释称，可持续性较差的永磁电动机通常使用钕、钐和镝等需求量大的材料，它们可以用于耳机和耳塞等很多不同的产品中。随着使用磁铁的应用数量越来越多，特斯拉最近也开始在其电动机中使用永磁材料。
同步磁阻电动机不使用磁铁，取而代之的是一个与旋转磁场对齐的具有气隙的钢转子。当钢转子与旋转磁场一起旋转时会产生扭矩，当凸极比或钢与非磁性气隙之间的磁性差更大时，产生的扭矩也就更大。
Sansone 认为可以不使用气隙，而将另一个磁场整合到电动机中。这将增加凸极比，进而产生更大扭矩。他在设计中还使用了其他组件，但不便透露更多细节，他希望将来为这项技术申请专利。

有了这个想法后，Sansone 开始着手准备一些原型，以验证这一设计是否有效。但是 Sansone 缺乏资源来制造先进的电动机，因此他使用 3D 打印制作缩小版的电动机。
在测试之前，有几个原型已经被 Sansone 制作出来。
不过这一过程，没有老师指导，每次遇到电动机故障，Sansone 必须做大量的研究进行排除，最终，在第 15 个原型机上，Sansone 成功了。
之后 Sansone 开始测试电动机的扭矩和效率。他发现新设计的电动机在 300 RPM（revolutions per minute）时，扭矩提高了 39%，效率提高了 31%。在 750 RPM 时，效率提高了 37%。不过更高的 RPM，Sansone 没有测试，因为塑料组件会过热熔化，曾经他也尝试过更高的 RPM，但是温度过高导致原型熔化，给 Sansone 带来惨痛的教训。
相比之下，特斯拉的 Model S 电动机可以达到 18000 RPM。此外，Sansone 还进行了一次实验，这个实验排除其他变量，并证实扭矩和效率的提高与他的设计息息相关。
Hofmann 评价道：Sansone 绝对是在用正确的方式看待事情，这一设计有可能引领下一个大事件。不过，许多教授一生都在从事研究工作，但最终结果令世界震惊的很少。
Hofmann 表示同步磁阻电动机的材料很便宜，但机器复杂，难以制造。因此，高昂的制造成本是阻碍它们广泛使用的一个障碍，也是 Sansone 遇到的一个主要限制因素。不过随着 3D 打印等新技术的发展，未来这一制造过程会变得很容易。
Sansone 现在正在为他的第 16 版电动机进行计算和 3-D 建模，他计划用更坚固的材料制造电动机，以便以更高 RPM 进行测试。如果在更高的 RPM 下，他的电动机继续以高速和高效运行，Sansone 将继续申请专利。

作为一名即将升入高三的学生，Sansone 的梦想是进入 MIT。他从 ISEF 获得的奖金将用于支付大学学费。Sansone 表示，最初他并没有参加比赛的计划，但当他得知在一门课程中允许他完成一个为期一年的研究项目时，他决定利用这个机会继续研究。
Sansone 表示：「我在想，如果我投入了这么多精力，我还不如把它变成一个科学项目去竞争。」Sansone 在地区和州的比赛中表现出色，之后成功的进入 ISEF，赢得一等奖和 7.5 万美元的奖金。
Sansone 正在等待下一阶段的测试，之后再与汽车公司接触，但他希望有一天他的电动机将成为电动汽车的设计选择。
「现有电动机中的稀土材料是破坏电动汽车可持续性的主要因素，在我新颖的设计帮助下，我们将会看到电动汽车完全可持续发展的那一天会梦想成真。」Sansone 表示。
原文链接：https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-17-year-old-designed-a-motor-that-could-potentially-transform-the-electric-car-industry-180980550/