年僅17歲已有60余項(xiàng)發(fā)明,，國(guó)外天才高中生憑借3D打印手?jǐn)�發(fā)動(dòng)機(jī)獲50萬(wàn)元大獎(jiǎng)

2022年8月13日，南極熊獲悉,，國(guó)外17歲天才少年“手?jǐn)�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)。

做了第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)桑松表示就先透露了，因?yàn)樗�希望之后為這款設(shè)計(jì)申請(qǐng)專利,。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)。

網(wǎng)友表示：“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,、速度有關(guān)。比如只用1天時(shí)間搭出來(lái)的小車,，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)專利申請(qǐng),，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(dòng)機(jī)能成為某款電動(dòng)汽車的首選設(shè)計(jì),。”

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