整理 | 鄭麗媛

提問：17 歲的你在干什么？

大多數人的 17 歲應該在高中主攻學習，但有人 17 歲卻已在課余時間完成了至少 60 個工程項目——只能說，人和人的 17 歲真的不一樣，活脫脫一個 " 別人家的孩子 "。網友感慨：" 千萬別讓我媽看見。"

來自美國佛羅里達州皮爾斯堡中央高中的 Robert Sansone 就是這位傳奇少年，或者也可以借用外媒對他的形容：" 一位天生的工程師 "。

從仿生手到高速跑鞋再到時速超過 70 英里的卡丁車，年僅 17 歲的 Sansone 已手握眾多發明，而最近他將目光鎖定在了電動汽車的心臟—— " 電動機 " 上。對此，Smithsonian 雜志的評價是：" 這位 17 歲年輕人設計的電動機可能會改變整個電動汽車行業。"

（圖片來自 Smithsonian 雜志）

初步設計方案 Get！

這個項目的起因可能要追溯到幾年前，當時 Sansone 無意中看到了一個介紹關于電動汽車優缺點的視頻，其中就講到了電動機。

該視頻指出，大多數電動汽車發動機需要用到由稀土元素制成的磁鐵，但提取稀土元素在經濟和環境方面的成本都很高，每公斤價格可達數百美元。

" 我天生就對電動機感興趣，曾多次在不同的機器人項目中使用。" 那條視頻指出的電動機缺點，給予了 Sansone 靈感：" 我想解決它，并嘗試設計一種不同的電動機。"

思及此，Sansone 想到了他曾聽聞過一種無需稀土元素的電動機：同步磁阻電動機。考慮到目前這種電動機主要應用于泵和風扇，其本身功率不足以用于電動汽車， Sansone 便開始頭腦風暴，尋思著要如何提高它的性能。

電動機的基本原理是，利用旋轉的電磁場使轉子旋轉，而位于電機外部的固定線圈（定子）中會產生這些電磁場。而永磁電動機（需要用到稀土元素）和同步磁阻電動機的區別在于：

在永磁電動機中，附著在旋轉轉子邊緣的磁鐵會產生磁場，該磁場會被旋轉磁場的相反磁極所吸引，這種吸引力使轉子旋轉。

相反，同步磁阻電動機則不使用磁鐵，取而代之的是一個帶有氣隙的鋼轉子與旋轉磁場對齊。其中磁阻或者說材料的磁性是這一過程的關鍵。當轉子隨著旋轉磁場旋轉時會產生扭矩，而隨著凸極率、比或材料之間的磁性差異更大時，就會產生更大的扭矩。

結合相關資料、仔細考量過后，Sansone 在腦海中形成了對這款新型電動機的初步設計方案：可以取代氣隙，將另一個磁場整合到電動機中，這或許將有助于增加凸極率以產生更大的扭矩。

憑借新型電動機原型，獲得競賽一等獎及 7.5 萬美元獎金

初步方案有了之后，Sansone 便著手嘗試做一些原型設計以驗證這一設計是否真的有效。不過，Sansone 指出：" 我沒有大量資源來制造非常先進的電動機，所以只能用 3D 打印機制作一個小比例模型。"

Sansone 坦白，最初排查故障的過程十分難熬：" 沒有導師來幫助我，真的，所以每次電動機發生故障時，我都必須進行大量研究并嘗試解決問題。" 在反復失敗 14 次后，Sansone 終于能把第 15 版電動機當做項目原型了。

據了解，該新型同步磁阻電動機原型由 3D 打印塑料、銅線和鋼轉子制成，使用各種儀表來測量功率，并用激光轉速計來確定電動機的轉速。成本相比用到稀土元素的電動機大幅降低，畢竟銅每公斤才 7.83 美元。

得到項目原型后，Sansone 還多次測試電動機的扭矩和效率，并與傳統同步磁阻電動機作比較。最后 Sansone 得出其設計的新型電動機的極限為：在 300 RPM（每分鐘轉數）時，扭矩提高了 39%，效率提高了 31%；在 750 RPM 時，電動機效率提高了 37% ——更高的 RPM 目前無法測試，因為項目原型是 3D 打印的，其本質是塑料，無法承受高轉速下產生的高溫。

這一數據顯然距離投入市場還相差甚遠：據 2016 年特斯拉首席電動機設計師 Konstantinos Laskaris 接受采訪時表示，特斯拉 Model S 的電動機可以達到 18000 RPM。

盡管如此，Sansone 花費一年時間設計的這個新型同步磁阻電動機原型還是很有意義的。從本質上來講，這個實驗消除了所有其他變量，證實了扭矩和效率的提高與他設計更大的凸極率相關。此外，憑借這個電動機原型，Sansone 還獲得了美國今年最大的國際高中 STEM 競賽、Regeneron 國際科學與工程博覽會（ISEF）一等獎和 7.5 萬美元獎金。

" 希望看到電動汽車完全可持續發展 "

對此，電氣和計算機工程教授 Heath Hofmann 評價道：" 他（Sansone）絕對是在用正確的方式看待事情，這個研究有可能成為下一個大事件。"

不過，Heath Hofmann 也補充道，盡管同步磁阻電動機的材料成本大幅降低，但制造工藝是眾所周知的復雜，所以高昂的制造成本是這類電動機廣泛使用的一個障礙，也是 Sansone 發明的主要限制因素。

好在 Sansone 并不氣餒，他表示：" 用增材制造（如 3D 打印）等新技術，未來建造起來會更容易。"

目前，Sansone 正在設計其第 16 版電動機并進行 3D 建模，計劃用更堅固的材料來制造，以便用更高的 RPM 來測試性能。如果之后這款新型同步磁阻電動機能持續在性能上有所提升，Sansone 將繼續申請專利。

最后，Sansone 還透露了他下一階段測試可能會與汽車公司接洽：" 現有電動機中的稀土材料是破壞電動汽車可持續性的主要因素，希望未來在我設計的新型電動機的幫助下，可以看到電動汽車完全可持續發展的那一天。"