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

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。

Sansone在第二个实验中验证了他的结果，根据他的项目介绍，他 “分离出了新设计产生磁突出性的理论原理”。基本上，这个实验消除了所有其他变量，并证实了扭矩和效率的提高与他的设计的更大突出比率有关。

Hofmann在谈到Sansone时说：“他看问题的方式绝对是正确的。有可能成为下一件大事。”虽然，他补充说，许多教授一生都在从事研究工作，而“他们最终接管世界的情况相当罕见”。

Hofmann说，同步磁阻电动机的材料很便宜，但机器很复杂，而且出了名的难以制造。因此，高昂的制造成本是其广泛使用的障碍--也是限制Sansone发明的一个主要因素。

Sansone同意，但他说 “有了像增材制造（如3D打印）这样的新技术，将来会更容易建造。”

Sansone现在正在为他的第16版电动机进行计算和3D建模，他计划用更坚固的材料来建造，这样他就可以在每分钟更高的转速下测试它。如果他的电动机继续保持高速和高效的性能，他说他将继续推进专利申请过程。

作为皮尔斯堡中央高中的一名高三学生，Sansone的梦想是进入麻省理工学院。他从ISEF获得的奖金将用于支付大学学费。

Sansone说，他原本并不打算参加比赛。但当他得知他的一门课允许他完成为期一年的研究项目和论文，主题由他自己选择时，他决定利用这个机会继续研究他的电机。

“我在想，如果我能够投入这么多精力，我不妨把它变成一个科学展项目，用它来竞争，”他解释说。在地区和州级比赛中表现出色后，他晋级ISEF。

Sansone正在等待他的下一阶段测试，然后再与任何汽车公司接触，但他希望有一天他的电动机将成为电动汽车的首选设计。

他说：“现有电动机中的稀土材料是破坏电动汽车可持续性的一个主要因素。看到有一天，由于我新颖的电动机设计的帮助，电动汽车完全可持续，将是梦想成真。”