17 歲少年“手搓發(fā)動(dòng)機(jī)”，參加最大的國(guó)際性青少年科學(xué)競(jìng)賽 ISEF，捧走一等獎(jiǎng) 50 萬(wàn)元獎(jiǎng)金。獲獎(jiǎng)?wù)吡_伯特?桑松（Robert Sansone），高中還未畢業(yè)，表示將來(lái)想去改變電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)。
為什么這么說(shuō)？他研究的這款電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，不需要稀土。
目前許多電動(dòng)汽車(chē)用的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，大多需要稀土材料制成永磁體，如釹、釤、鏑。而稀土不僅產(chǎn)量少價(jià)格貴，開(kāi)采過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞也不小。各國(guó)都在想辦法改進(jìn)工藝，減少發(fā)動(dòng)機(jī)中的稀土用量。
△ 釹磁鐵
完全不需要稀土的發(fā)動(dòng)機(jī)倒是也有，除了特斯拉前幾代產(chǎn)品用的感應(yīng)電機(jī)之外，還有一種是同步磁阻電動(dòng)機(jī) （Synchronous Reluctance Motor）。
但這種發(fā)動(dòng)機(jī)目前能實(shí)現(xiàn)的功率太小，根本無(wú)法滿足電動(dòng)汽車(chē)的需求。這位 17 歲少年桑松所做的就是設(shè)計(jì)出了新款同步磁阻電動(dòng)機(jī)，同時(shí)提高其扭矩和效率，并因此獲得大獎(jiǎng)。
雖然桑松自己也明白，他的發(fā)動(dòng)機(jī)功率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不過(guò)最大的意義在于為持續(xù)改進(jìn)同步磁阻電動(dòng)機(jī)找到一條可能的方向。網(wǎng)友看到這里也紛紛感嘆：
對(duì)于一個(gè)高中生，這是多么大的成就。想象一下，他在未來(lái)幾十年將為行業(yè)做出多少貢獻(xiàn)。
做到第 15 個(gè)原型機(jī)才成功
桑松屬于天生就對(duì)工程感興趣的人，特別是對(duì)汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)。幾年前一次偶然機(jī)會(huì)，他從介紹電動(dòng)汽車(chē)的視頻中得知大多數(shù)電動(dòng)機(jī)都需要稀土，就想要嘗試解決這個(gè)問(wèn)題。
他想到了無(wú)需稀土的同步磁阻電動(dòng)機(jī)，先以頭腦風(fēng)暴的方式尋找增強(qiáng)其功率的方法。要解決同步磁阻電動(dòng)機(jī)的功率低下問(wèn)題，先得了解它的工作原理。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)一般利用旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁場(chǎng)由固定在電動(dòng)機(jī)外部的線圈（定子）產(chǎn)生。
在永磁體發(fā)動(dòng)機(jī)中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子邊緣附著有一個(gè)磁鐵，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，產(chǎn)生引力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。而在同步磁阻電動(dòng)機(jī)中，一個(gè)鋼制轉(zhuǎn)子取代了磁鐵，在轉(zhuǎn)子上切入空氣間隙，使其與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)模型保持一致，轉(zhuǎn)子會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的磁阻（材料的磁性）顯得尤為重要。轉(zhuǎn)子和非磁性氣隙之間的磁性差異越大，即凸極效應(yīng)越強(qiáng)時(shí)，扭矩就越大。同樣的，扭矩越大，電動(dòng)機(jī)的功率也就越大。
換句話來(lái)說(shuō)，在同步磁阻電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改變其功率大小，歸根結(jié)底，就是一個(gè)凸極效應(yīng)的問(wèn)題。
桑松是怎么來(lái)改進(jìn)凸極效應(yīng)的呢？從目前已知的消息可以知道他去掉了同步磁阻電動(dòng)機(jī)中的氣隙，合并了另外一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)操作可以顯著地增強(qiáng)凸極效應(yīng)。關(guān)于其他的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)桑松表示就先不透露了，因?yàn)樗Ｍ鬄檫@款設(shè)計(jì)申請(qǐng)專(zhuān)利。
設(shè)計(jì)好電動(dòng)機(jī)之后，下一步桑松就要驗(yàn)證其可行性了。但由于資源的限制，他在這個(gè)環(huán)節(jié)也遇到了不少麻煩。沒(méi)有合適的材料來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)，他只能用 3D 打印制作出一個(gè)更小的比例模型。
除此之外，他還沒(méi)有導(dǎo)師指導(dǎo)，因此每次設(shè)備失靈都是桑松獨(dú)自一人研究，排除故障。直到第 15 臺(tái)原型機(jī)，終于能正常運(yùn)轉(zhuǎn)了。整臺(tái)機(jī)器由 3D 打印的塑料、銅線和一個(gè)鋼制轉(zhuǎn)子制成。
隨后，桑松用各種儀表測(cè)量功率，用激光轉(zhuǎn)速計(jì)來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后將其重新配置為傳統(tǒng)的同步磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較。得出的結(jié)論是新設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時(shí)，它的效率提高了 37%。
在后續(xù)試驗(yàn)期間，還發(fā)生了一件有趣的事，當(dāng)桑松打算以更高轉(zhuǎn)速測(cè)量電動(dòng)機(jī)的效率時(shí)，由于過(guò)熱，模型它熔化了，熔化了…
因此他也沒(méi)有繼續(xù)比較更高轉(zhuǎn)速之下的效率。不過(guò)靠目前的成果參加有“青少年科學(xué)世界杯”之稱(chēng)的 ISEF 比賽，也已足夠拿獎(jiǎng)。在參賽演講時(shí)，他講到雖然這個(gè)新型發(fā)動(dòng)機(jī)最初是為電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)的，但也有可能用于工業(yè)設(shè)備和機(jī)器人等場(chǎng)景。
對(duì)于真正的電車(chē)來(lái)說(shuō)，桑松這款發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。也有網(wǎng)友指出同步磁阻電機(jī)無(wú)論怎么改良，效率也可能追不上感應(yīng)電機(jī)。
不過(guò)作為一個(gè)青少年作品，還是讓人深刻。
17 歲是學(xué)生，業(yè)余完成 60 + 工程項(xiàng)目
除了發(fā)動(dòng)機(jī)，桑松搞的發(fā)明創(chuàng)造有不少，大多與車(chē)、速度有關(guān)。比如只用 1 天時(shí)間搭出來(lái)的小車(chē)，能跑 112 公里 / 小時(shí)。
還有穿上就能一小時(shí)跑 35 公里的高速跑鞋，博爾特沖刺的最高時(shí)速也就 45 公里，而且桑松表示靠跑鞋能堅(jiān)持更長(zhǎng)時(shí)間。
反正從小到大，在業(yè)余時(shí)間完成的項(xiàng)目他數(shù)了數(shù)得有 60 多個(gè)。不過(guò)這次發(fā)動(dòng)機(jī)研究倒不算業(yè)余的，而是他所在高中為這屆比賽開(kāi)設(shè)的課程，只要報(bào)名就有一年時(shí)間自主選擇研究課題。
如今桑松拿了大獎(jiǎng)后，并不意味著發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)項(xiàng)目就此結(jié)束。目前他正在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的第 16 代原型機(jī)，這次計(jì)劃改用更堅(jiān)固的材料，以支撐更高的轉(zhuǎn)速。
對(duì)于這次試驗(yàn)，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(xù)推進(jìn)專(zhuān)利申請(qǐng)，并尋求與汽車(chē)公司的合作。希望有一天，我的發(fā)動(dòng)機(jī)能成為某款電動(dòng)汽車(chē)的首選設(shè)計(jì)。
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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