年僅17歲已有60余項發(fā)明，國外天才高中生憑借3D打印手攢發(fā)動機獲50萬元大獎

2022年8月13日，南極熊獲悉，國外17歲天才少年“手攢發(fā)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(yè)，表示將來想去改變電動汽車行業(yè)。為什么這么說？他研究的這款電動發(fā)動機，不需要稀土。

目前許多電動汽車用的電動發(fā)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(chǎn)量少價格貴，開采過程對生態(tài)環(huán)境的破壞也不小。各國都在想辦法改進工藝，減少發(fā)動機中的稀土用量。

△釹磁鐵

完全不需要稀土的發(fā)動機倒是也有，除了特斯拉前幾代產(chǎn)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(fā)動機目前能實現(xiàn)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(fā)動機功率還遠遠不夠，不過最大的意義在于為持續(xù)改進同步磁阻電動機找到一條可能的方向。網(wǎng)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(yè)做出多少貢獻。

做了第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(fā)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(shù)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(tǒng)的電動機一般利用旋轉(zhuǎn)的電磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，電磁場由固定在電動機外部的線圈（定子）產(chǎn)生。

在永磁體發(fā)動機中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子邊緣附著有一個磁鐵，它會產(chǎn)生一個磁場，產(chǎn)生引力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。而在同步磁阻電動機中，一個鋼制轉(zhuǎn)子取代了磁鐵，在轉(zhuǎn)子上切入空氣間隙，使其與旋轉(zhuǎn)磁場模型保持一致，轉(zhuǎn)子會隨著旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動。

在旋轉(zhuǎn)的過程中，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(jié)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(guān)于其他的設計細節(jié)桑松表示就先透露了，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(huán)節(jié)也遇到了不少麻煩。沒有合適的材料來制造發(fā)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(zhuǎn)了。整臺機器由3D打印的塑料、銅線和一個鋼制轉(zhuǎn)子制成。

隨后，桑松用各種儀表測量功率，用激光轉(zhuǎn)速計來測量電動機的轉(zhuǎn)速，然后將其重新配置為傳統(tǒng)的同步磁阻電動機進行比較。得出的結(jié)論是新設計在轉(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，它的效率提高了37% 。在后續(xù)試驗期間，還發(fā)生了一件有趣的事，當桑松打算以更高轉(zhuǎn)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(xù)比較更高轉(zhuǎn)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(fā)動機最初是為電動汽車設計的，但也有可能用于工業(yè)設備和機器人等場景。對于真正的電車來說，桑松這款發(fā)動機的轉(zhuǎn)速還遠遠不夠。也有網(wǎng)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。

網(wǎng)友表示：“不過作為一個青少年作品，還是讓人深刻。”

17歲是學生，業(yè)余完成60+工程項目。除了發(fā)動機，桑松搞的發(fā)明創(chuàng)造有不少，大多與車、速度有關(guān)。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(yè)余時間完成的項目他數(shù)了數(shù)得有60多個。不過這次發(fā)動機研究倒不算業(yè)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(fā)動機這個項目就此結(jié)束。目前他正在試驗發(fā)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(zhuǎn)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(xù)推進專利申請，并尋求與汽車公司的合作。

桑松最后表示：“希望有一天，我的發(fā)動機能成為某款電動汽車的首選設計�！�

參考閱讀：

[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