17歲少年改變電動車產業?美國少年設計無須稀土元素馬達獲George D. Yancopoulos Innovator Award發明家獎

17歲少年改變電動車產業?美國少年設計無須稀土元素馬達獲George D. Yancopoulos Innovator Award發明家獎
TC 2022/08/22

Robert Sansone是一位天生的工程師,這位來自佛羅里達州皮爾斯堡的發明家,在他的課餘時間至少完成過60個發明項目,而Robert Sansone只有年僅17歲。

幾年前,Robert Sansone看到了一段關於電動汽車優缺點的影片,該影片中解釋,大多數的電動汽車馬達都需要由稀土元素製成的磁鐵來做為材料,提取稀土元素無論在環境或是在經濟方面都佔了相當高成本因素,稀土元素每公斤可能都要數百美元,相較之下,銅每公斤的價格僅需7.83美元。

「我天生就對馬達有著相當大的興趣,」Robert Sansone談到,他曾經在不同的機器人科學比賽中使用不同的馬達發明,「對於永續性的問題上,我希望可以解決,並且嘗試設計一組不同的馬達。」

這位高中生聽說過一種不需要稀土材料的馬達──同步磁阻馬達,這種馬達目前用於泵浦系統與風扇系統上,缺點是本身的功率並不足以驅動電動車作為驅動馬達使用,Robert Sansone開始思考關於提高磁阻馬達性能的問題。

花了一年的時間,Robert Sansone創造了一種新型的同步磁阻馬達原型機,該馬達比現有設計具備更大的扭力與效能,原型作品由3D列印的塑料、銅線以及鋼製轉子組裝而成,並使用各類儀表進行監測,同時用上雷射轉速儀來確定馬達轉速,Robert Sansone的作品為他贏得了今年最大的國際高中STEM George D. Yancopoulos Innovator Award發明家一等獎,以及高達75,000美元的獎金。

電機工程教授Heath Hofmann對於Robert Sansone的發明解釋道,目前永磁馬達機組中所需要使用的包含釹、釤和鏑,當然這些元素也被使用在耳機等產品上,Hofmann在電動汽車領域相當有涉略,包含了TESLA開發推進驅動的演算法等項目都有參與。

「使用磁鐵做為應用項目的數量日漸增多,很多材料都必須要在中國開採,因此價格往往會取決於國際與中國的貿易狀況而定。」Hofmann補充道,因為TESLA最近才在汽車產品上使用了永磁體。馬達使用旋轉電磁場來旋轉轉子,由電機靜止的外部線圈產生電磁場,在永磁馬達中,附著在轉子邊緣的磁鐵會產生一個磁場,該磁場會被旋轉磁場的相反磁極吸引,接著利用這股相反的磁極吸引力讓轉子開始旋轉。而同步磁阻馬達並不使用磁鐵,取而代之的是一組帶有氣隙的鋼製轉子與之對齊的旋轉磁場,磁阻或母材的磁性會是這類型馬達的關鍵,當轉子開始與旋轉磁場同步旋轉時,會開始產生扭力。當凸極比或是材料之間的磁性差異變大時,就可以產生更大的扭力表現。

Robert Sansone認為他可以將另一個磁場整合到馬達內部,而不是使用氣隙,增加凸極比來求得更大的扭力,他的設計中還有一些機密零件,目前尚未能透露,因為他希望未來可以申請該項目的專利技術。

「一旦我有了這個最初的想法,我就必須要做一些原型設計來嘗試看看,證明我的想法是否有效。」Robert Sansone說,「我沒有大量的資源來製造非常先進的馬達技術,所以我不得不使用3D列印來做一個小一點的版本,一個等比例的模型。」

「我沒有指導老師來協助我,所以每次馬達發生故障,我都必須進行大量的研究並且嘗試解決問題。」

「最後,在第15台馬達上,我成功得到了一組可以運作的馬達機組。」

Robert Sansone測試了他的馬達扭力與功率,然後將其與傳統的同步磁阻馬達進行運行比較,新設計的機組在每分鐘300轉的情況下有效提升達39%的扭力與31%的功率,在750轉時則功率更突破至37%,目前他沒辦法以超過750轉的條件進行測試,因為僅以3D列印的塑料材料會過熱導致融化。

相比之下,TESLA Model S的馬達可以達到18,000轉,TESLA的馬達設計部門主管Konstantinos Laslaris在2016年接受電動汽車雜誌Charged採訪時解釋過相關內容,Robert Sansone這次的實驗證明了其結果,從本質上來說,Robert Sansone的實驗消除了其他變量,並證明了扭力與功率提高的原因與更大的凸極比呈正相關。

Robert Sansone會等到下一個階段的測試之後,才會嘗試與汽車公司接洽,但他希望有一天自己的馬達設計將會成為電動汽車的首選。

TC 資深編輯
去賽道練車還會忘記帶車的辣個男人。