17歲高中生想改變電動車產業,打造不需要稀土的電動車引擎、抱走科學競賽大獎

17歲高中生想改變電動車產業,打造不需要稀土的電動車引擎、抱走科學競賽大獎

17歲少年參加最大的國際性青少年科學競賽ISEF,捧走一等獎獎金。

獲獎者羅伯特·桑松(Robert Sansone),高中還未畢業,表示將來想去改變電動汽車行業。為什麼這麼說?他研究的這款電動引擎,不需要稀土。

17歲高中生想改變電動車產業,打造不需要稀土的電動車引擎、抱走科學競賽大獎

目前許多電動汽車用的電動引擎,大多需要稀土材料製成永磁體,如釹、釤、鏑。

而稀土不僅產量少價格貴,開採過程對生態環境的破壞也不小。各國都在想辦法改進工藝,減少引擎中的稀土用量。

釹磁鐵。

完全不需要稀土的引擎倒是也有,除了特斯拉前幾代產品用的感應馬達之外,還有一種是同步磁阻馬達(Synchronous Reluctance Motor)。但這種引擎目前能實現的功率太小,根本無法滿足電動汽車的需求。

這位17歲少年桑松所做的就是設計出了新款同步磁阻馬達,同時提高其扭矩和效率,並因此獲得大獎。

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雖然桑松自己也明白,他的馬達功率還遠遠不夠,不過最大的意義在於為持續改進同步磁阻馬達找到一條可能的方向。

網友看到這裡也紛紛感嘆:「對於一個高中生,這是多麼大的成就。想像一下,他在未來幾十年將為行業做出多少貢獻。」

做到第15個原型機才成功。

桑松屬於天生就對工程感興趣的人,特別是對汽車和引擎。

幾年前一次偶然機會,他從介紹電動汽車的視訊中得知大多數電動機都需要稀土,就想要嘗試解決這個問題。他想到了無需稀土的同步磁阻馬達,先以腦力激盪的方式尋找增強其功率的方法。要解決同步磁阻馬達的功率低下問題,先得瞭解它的工作原理。

傳統的馬達一般利用旋轉的電磁場使轉子轉動,電磁場由固定在馬達外部的線圈(定子)產生。

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在永磁體引擎中,旋轉轉子邊緣附著有一個磁鐵,它會產生一個磁場,產生引力使轉子旋轉。

而在同步磁阻馬達中,一個鋼製轉子取代了磁鐵,在轉子上切入空氣間隙,使其與旋轉磁場模型保持一致,轉子會隨著旋轉磁場轉動。

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在旋轉的過程中,轉子的磁阻(材料的磁性)顯得尤為重要。轉子和非磁性氣隙之間的磁性差異越大,即凸極效應越強時,扭矩就越大。

同樣的,扭矩越大,馬達的功率也就越大。

換句話來說,在同步磁阻馬達的基礎上改變其功率大小,歸根結底,就是一個凸極效應的問題。

桑松是怎麼來改進凸極效應的呢?

從目前已知的消息可以知道他去掉了同步磁阻馬達中的氣隙,合併了另外一個磁場,這個操作可以顯著地增強凸極效應。

關於其他的設計細節桑松表示就先不透露了,因為他希望之後為這款設計申請專利。

設計好之後,下一步桑松就要驗證其可行性了。

但由於資源的限制,他在這個環節也遇到了不少麻煩。沒有合適的材料來製造引擎,他只能用3D打印製作出一個更小的比例模型。

除此之外,他還沒有導師指導,因此每次設備失靈都是桑松獨自一人研究,排除故障。

直到第15台原型機,終於能正常運轉了。整台機器由3D列印的塑料、銅線和一個鋼製轉子製成。

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隨後,桑松用各種儀表測量功率,用雷射轉速計來測量馬達的轉速,然後將其重新配置為傳統的同步磁阻電動機進行比較。

得出的結論是新設計在轉速為300的情況下,扭矩提高了39% ,效率提高了31% 。在每分鐘750轉時,它的效率提高了37% 。

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在後續試驗期間,還發生了一件有趣的事,當桑松打算以更高轉速測量馬達的效率時,由於過熱,模型它熔化了,熔化了…

因此他也沒有繼續比較更高轉速之下的效率。

不過靠目前的成果參加有「青少年科學世界盃」之稱的ISEF比賽,也已足夠拿獎。

在參賽演講時,他講到雖然這個新型引擎最初是為電動汽車設計的,但也有可能用於工業設備和機器人等情境。

對於真正的電車來說,桑松這款引擎的轉速還遠遠不夠。

也有網友指出同步磁阻馬達無論怎麼改良,效率也可能追不上感應馬達。不過作為一個青少年作品,還是讓人深刻。

17歲仍是學生的年紀,他在業餘時間卻已經完成多達60個以上的工程計畫。

除了引擎,桑松搞的發明創造有不少,大多與車、速度有關。

比如只用1天時間搭出來的小車,能跑112公里/小時。

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還有穿上就能一小時跑35公里的高速跑鞋,博爾特衝刺的最高時速也就45公里,而且桑松表示靠跑鞋能堅持更長時間。

細數從小到大在業餘時間完成的計畫居然多達60個以上!

不過這次引擎研究倒不算業餘的,而是他所在高中為這屆比賽開設的課程,只要報名就有一年時間自主選擇研究課題。

如今桑松拿了大獎後,並不意味著引擎這個計畫就此結束。

目前他正在試驗引擎的第16代原型機,這次計畫改用更堅固的材料,以支撐更高的轉速。

對於這次試驗,桑松目前也不確定到底能不能成功。如果成功了他打算繼續推進專利申請,並尋求與汽車公司的合作。

「希望有一天,我的引擎能成為某款電動汽車的首選設計。」

 

Qbitai
作者

量子位(Qbitai)專注於人工智慧及前沿科技領域,提供技術研發趨勢、科技企業動態、新創公司報道等最新資訊,以及機器學習入門資源、電腦科學最新研究論文、開源程式碼和工具的相關報導。

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