17歲高中生手搓發動機獲50萬元大獎，自稱天生工程愛好者，已有60余項發明
改進無稀土電機，扭矩增加39%
Pine 夢晨 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
17歲少年“手搓發動機”，參加最大的國際性青少年科學競賽ISEF，捧走一等獎50萬元獎金。
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。
為什么這么說？
他研究的這款電動發動機，不需要稀土。
目前許多電動汽車用的電動發動機，大多需要稀土材料制成永磁體，如釹、釤、鏑。
而稀土不僅產量少價格貴，開采過程對生態環境的破壞也不小。各國都在想辦法改進工藝，減少發動機中的稀土用量。
△釹磁鐵
完全不需要稀土的發動機倒是也有，除了特斯拉前幾代產品用的感應電機之外，還有一種是同步磁阻電動機?（Synchronous Reluctance Motor）。
但這種發動機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電動機，同時提高其扭矩和效率，并因此獲得大獎。
雖然桑松自己也明白，他的發動機功率還遠遠不夠，不過最大的意義在于為持續改進同步磁阻電動機找到一條可能的方向。
網友看到這里也紛紛感嘆：
對于一個高中生，這是多么大的成就。想象一下，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
桑松屬于天生就對工程感興趣的人，特別是對汽車和發動機。
幾年前一次偶然機會，他從介紹電動汽車的視頻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電動機，先以頭腦風暴的方式尋找增強其功率的方法。
要解決同步磁阻電動機的功率低下問題，先得了解它的工作原理。
傳統的電動機一般利用旋轉的電磁場使轉子轉動，電磁場由固定在電動機外部的線圈（定子）產生。
在永磁體發動機中，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。
而在同步磁阻電動機中，一個鋼制轉子取代了磁鐵，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。
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，電動機的功率也就越大。
換句話來說，在同步磁阻電動機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。
桑松是怎么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電動機中的氣隙，合并了另外一個磁場，這個操作可以顯著地增強凸極效應。
關于其他的設計細節桑松表示就先不透露了，因為他希望之后為這款設計申請專利。
設計好電動機之后，下一步桑松就要驗證其可行性了。
但由于資源的限制，他在這個環節也遇到了不少麻煩。
沒有合適的材料來制造發動機，他只能用3D打印制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臺原型機，終于能正常運轉了。
整臺機器由3D打印的塑料、銅線和一個鋼制轉子制成。
隨后，桑松用各種儀表測量功率，用激光轉速計來測量電動機的轉速，然后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% 。
在后續試驗期間，還發生了一件有趣的事，當桑松打算以更高轉速測量電動機的效率時，由于過熱，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“青少年科學世界杯”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發動機最初是為電動汽車設計的，但也有可能用于工業設備和機器人等場景。
對于真正的電車來說，桑松這款發動機的轉速還遠遠不夠。
也有網友指出同步磁阻電機無論怎么改良，效率也可能追不上感應電機。
不過作為一個青少年作品，還是讓人深刻。
17歲是學生，業余完成60+工程項目
除了發動機，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。
還有穿上就能一小時跑35公里的高速跑鞋，博爾特沖刺的最高時速也就45公里，而且桑松表示靠跑鞋能堅持更長時間。
反正從小到大，在業余時間完成的項目他數了數得有60多個。
不過這次發動機研究倒不算業余的，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。
如今桑松拿了大獎后，并不意味著發動機這個項目就此結束。
目前他正在試驗發動機的第16代原型機，這次計劃改用更堅固的材料，以支撐更高的轉速。
對于這次試驗，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，并尋求與汽車公司的合作。
希望有一天，我的發動機能成為某款電動汽車的首選設計。
參考鏈接：
[1]https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-17-year-old-designed-a-motor-that-could-potentially-transform-the-electric-car-industry-180980550/
[2]https://news.ycombinator.com/item?id=32426777
[3]https://www.youtube.com/watch?v=XMm_MRyILbY
[4]https://projectboard.world/isef/project/etsd014—investigating-a-novel-electric-motor-design
[5]https://www.linkedin.com/in/robert-sansone-62116b1b7
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