17 岁高中生手搓发动机获 50 万元大奖,自称天生工程爱好者,已有 60 余项发明

17 岁少年“手搓发动机”,参加最大的国际性青少年科学竞赛 ISEF,捧走一等奖 50 万元奖金。获奖者罗伯特・桑松(Robert Sansone),高中还未毕业,表示将来想去改变电动汽车行业。
为什么这么说?他研究的这款电动发动机,不需要稀土。
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目前许多电动汽车用的电动发动机,大多需要稀土材料制成永磁体,如钕、钐、镝。而稀土不仅产量少价格贵,开采过程对生态环境的破坏也不小。各国都在想办法改进工艺,减少发动机中的稀土用量。
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△ 钕磁铁
完全不需要稀土的发动机倒是也有,除了特斯拉前几代产品用的感应电机之外,还有一种是同步磁阻电动机 (Synchronous Reluctance Motor)。
但这种发动机目前能实现的功率太小,根本无法满足电动汽车的需求。这位 17 岁少年桑松所做的就是设计出了新款同步磁阻电动机,同时提高其扭矩和效率,并因此获得大奖。
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虽然桑松自己也明白,他的发动机功率还远远不够,不过最大的意义在于为持续改进同步磁阻电动机找到一条可能的方向。网友看到这里也纷纷感叹:
对于一个高中生,这是多么大的成就。想象一下,他在未来几十年将为行业做出多少贡献。
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桑松属于天生就对工程感兴趣的人,特别是对汽车和发动机。几年前一次偶然机会,他从介绍电动汽车的视频中得知大多数电动机都需要稀土,就想要尝试解决这个问题。
他想到了无需稀土的同步磁阻电动机,先以头脑风暴的方式寻找增强其功率的方法。要解决同步磁阻电动机的功率低下问题,先得了解它的工作原理。传统的电动机一般利用旋转的电磁场使转子转动,电磁场由固定在电动机外部的线圈(定子)产生。
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在永磁体发动机中,旋转转子边缘附着有一个磁铁,它会产生一个磁场,产生引力使转子旋转。而在同步磁阻电动机中,一个钢制转子取代了磁铁,在转子上切入空气间隙,使其与旋转磁场模型保持一致,转子会随着旋转磁场转动。
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在旋转的过程中,转子的磁阻(材料的磁性)显得尤为重要。转子和非磁性气隙之间的磁性差异越大,即凸极效应越强时,扭矩就越大。同样的,扭矩越大,电动机的功率也就越大。
换句话来说,在同步磁阻电动机的基础上改变其功率大小,归根结底,就是一个凸极效应的问题。
桑松是怎么来改进凸极效应的呢?从目前已知的消息可以知道他去掉了同步磁阻电动机中的气隙,合并了另外一个磁场,这个操作可以显著地增强凸极效应。关于其他的设计细节桑松表示就先不透露了,因为他希望之后为这款设计申请专利。
设计好电动机之后,下一步桑松就要验证其可行性了。但由于资源的限制,他在这个环节也遇到了不少麻烦。没有合适的材料来制造发动机,他只能用 3D 打印制作出一个更小的比例模型。
除此之外,他还没有导师指导,因此每次设备失灵都是桑松独自一人研究,排除故障。直到第 15 台原型机,终于能正常运转了。整台机器由 3D 打印的塑料、铜线和一个钢制转子制成。
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随后,桑松用各种仪表测量功率,用激光转速计来测量电动机的转速,然后将其重新配置为传统的同步磁阻电动机进行比较。得出的结论是新设计在转速为 300 的情况下,扭矩提高了 39% ,效率提高了 31% 。在每分钟 750 转时,它的效率提高了 37%。
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在后续试验期间,还发生了一件有趣的事,当桑松打算以更高转速测量电动机的效率时,由于过热,模型它熔化了,熔化了…
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因此他也没有继续比较更高转速之下的效率。不过靠目前的成果参加有“青少年科学世界杯”之称的 ISEF 比赛,也已足够拿奖。在参赛演讲时,他讲到虽然这个新型发动机最初是为电动汽车设计的,但也有可能用于工业设备和机器人等场景。
对于真正的电车来说,桑松这款发动机的转速还远远不够。也有网友指出同步磁阻电机无论怎么改良,效率也可能追不上感应电机。
不过作为一个青少年作品,还是让人深刻。
17 岁高中生手搓发动机获 50 万元大奖,自称天生工程爱好者,已有 60 余项发明

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除了发动机,桑松搞的发明创造有不少,大多与车、速度有关。比如只用 1 天时间搭出来的小车,能跑 112 公里 / 小时。
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还有穿上就能一小时跑 35 公里的高速跑鞋,博尔特冲刺的最高时速也就 45 公里,而且桑松表示靠跑鞋能坚持更长时间。
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反正从小到大,在业余时间完成的项目他数了数得有 60 多个。不过这次发动机研究倒不算业余的,而是他所在高中为这届比赛开设的课程,只要报名就有一年时间自主选择研究课题。
如今桑松拿了大奖后,并不意味着发动机这个项目就此结束。目前他正在试验发动机的第 16 代原型机,这次计划改用更坚固的材料,以支撑更高的转速。
对于这次试验,桑松目前也不确定到底能不能成功。如果成功了他打算继续推进专利申请,并寻求与汽车公司的合作。希望有一天,我的发动机能成为某款电动汽车的首选设计。
参考链接:
[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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