美国17岁少年Robert Sansone将目光投向电动汽车的电动机，他受视频启发，设计出无需稀土元素的新型同步磁阻电动机。他用3D打印机制作小比例模型，经多次失败后获得原型，虽距市场应用有差距，但证实了设计有效性，还获竞赛大奖，未来他希望推动电动汽车可持续发展。
整理 | 郑丽媛
出品 | 优快云（ID：优快云news）
提问：17 岁的你在干什么？
大多数人的17 岁应该在高中主攻学习，但有人 17 岁却已在课余时间完成了至少 60 个工程项目——只能说，人和人的 17 岁真的不一样，活脱脱一个“别人家的孩子”。网友感慨：“千万别让我妈看见。”
来自美国佛罗里达州皮尔斯堡中央高中的 Robert Sansone 就是这位传奇少年，或者也可以借用外媒对他的形容：“一位天生的工程师”。
从仿生手到高速跑鞋再到时速超过 70 英里的卡丁车，年仅 17 岁的 Sansone 已手握众多发明，而最近他将目光锁定在了电动汽车的心脏——“电动机”上。对此，Smithsonian 杂志的评价是：“这位 17 岁年轻人设计的电动机可能会改变整个电动汽车行业。”
（图片来自 Smithsonian 杂志）
一、初步设计方案 Get！
这个项目的起因可能要追溯到几年前，当时 Sansone 无意中看到了一个介绍关于电动汽车优缺点的视频，其中就讲到了电动机。
该视频指出，大多数电动汽车发动机需要用到由稀土元素制成的磁铁，但提取稀土元素在经济和环境方面的成本都很高，每公斤价格可达数百美元。
“我天生就对电动机感兴趣，曾多次在不同的机器人项目中使用。”那条视频指出的电动机缺点，给予了 Sansone 灵感：“我想解决它，并尝试设计一种不同的电动机。”
思及此，Sansone 想到了他曾听闻过一种无需稀土元素的电动机：同步磁阻电动机。考虑到目前这种电动机主要应用于泵和风扇，其本身功率不足以用于电动汽车， Sansone 便开始头脑风暴，寻思着要如何提高它的性能。
电动机的基本原理是，利用旋转的电磁场使转子旋转，而位于电机外部的固定线圈（定子）中会产生这些电磁场。而永磁电动机（需要用到稀土元素）和同步磁阻电动机的区别在于：
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在永磁电动机中，附着在旋转转子边缘的磁铁会产生磁场，该磁场会被旋转磁场的相反磁极所吸引，这种吸引力使转子旋转。
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相反，同步磁阻电动机则不使用磁铁，取而代之的是一个带有气隙的钢转子与旋转磁场对齐。其中磁阻或者说材料的磁性是这一过程的关键。当转子随着旋转磁场旋转时会产生扭矩，而随着凸极率、比或材料之间的磁性差异更大时，就会产生更大的扭矩。
结合相关资料、仔细考量过后，Sansone 在脑海中形成了对这款新型电动机的初步设计方案：可以取代气隙，将另一个磁场整合到电动机中，这或许将有助于增加凸极率以产生更大的扭矩。
二、凭借新型电动机原型，获得竞赛一等奖及 7.5 万美元奖金
初步方案有了之后，Sansone 便着手尝试做一些原型设计以验证这一设计是否真的有效。不过，Sansone 指出：“我没有大量资源来制造非常先进的电动机，所以只能用 3D 打印机制作一个小比例模型。”
Sansone 坦白，最初排查故障的过程十分难熬：“没有导师来帮助我，真的，所以每次电动机发生故障时，我都必须进行大量研究并尝试解决问题。”在反复失败 14 次后，Sansone 终于能把第 15 版电动机当做项目原型了。
据了解，该新型同步磁阻电动机原型由 3D 打印塑料、铜线和钢转子制成，使用各种仪表来测量功率，并用激光转速计来确定电动机的转速。成本相比用到稀土元素的电动机大幅降低，毕竟铜每公斤才 7.83 美元。
得到项目原型后，Sansone 还多次测试电动机的扭矩和效率，并与传统同步磁阻电动机作比较。最后 Sansone 得出其设计的新型电动机的极限为：在 300 RPM（每分钟转数）时，扭矩提高了 39%，效率提高了 31%；在 750 RPM 时，电动机效率提高了 37%——更高的 RPM 目前无法测试，因为项目原型是 3D 打印的，其本质是塑料，无法承受高转速下产生的高温。
这一数据显然距离投入市场还相差甚远：据 2016 年特斯拉首席电动机设计师 Konstantinos Laskaris 接受采访时表示，特斯拉 Model S 的电动机可以达到 18000 RPM。
尽管如此，Sansone 花费一年时间设计的这个新型同步磁阻电动机原型还是很有意义的。从本质上来讲，这个实验消除了所有其他变量，证实了扭矩和效率的提高与他设计更大的凸极率相关。此外，凭借这个电动机原型，Sansone 还获得了美国今年最大的国际高中 STEM 竞赛、Regeneron 国际科学与工程博览会（ISEF）一等奖和 7.5 万美元奖金。
三、“希望看到电动汽车完全可持续发展”
对此，电气和计算机工程教授 Heath Hofmann 评价道：“他（Sansone）绝对是在用正确的方式看待事情，这个研究有可能成为下一个大事件。”
不过，Heath Hofmann 也补充道，尽管同步磁阻电动机的材料成本大幅降低，但制造工艺是众所周知的复杂，所以高昂的制造成本是这类电动机广泛使用的一个障碍，也是 Sansone 发明的主要限制因素。
好在 Sansone 并不气馁，他表示：“用增材制造（如 3D 打印）等新技术，未来建造起来会更容易。”
目前，Sansone 正在设计其第 16 版电动机并进行 3D 建模，计划用更坚固的材料来制造，以便用更高的 RPM 来测试性能。如果之后这款新型同步磁阻电动机能持续在性能上有所提升，Sansone 将继续申请专利。
最后，Sansone 还透露了他下一阶段测试可能会与汽车公司接洽：“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，希望未来在我设计的新型电动机的帮助下，可以看到电动汽车完全可持续发展的那一天。”
参考链接：
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https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-17-year-old-designed-a-motor-that-could-potentially-transform-the-electric-car-industry-180980550/
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https://news.ycombinator.com/item?id=32426777
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