17 岁少年重塑电动汽车“心脏”，还手握 60+ 个工程项目！网友：“千万别让我妈看见”

整理 | 郑丽媛

提问：17 岁的你在干什么？

大多数人的 17 岁应该在高中主攻学习，但有人 17 岁却已在课余时间完成了至少 60 个工程项目——只能说，人和人的 17 岁真的不一样，活脱脱一个 " 别人家的孩子 "。网友感慨：" 千万别让我妈看见。"

来自美国佛罗里达州皮尔斯堡中央高中的 Robert Sansone 就是这位传奇少年，或者也可以借用外媒对他的形容：" 一位天生的工程师 "。

从仿生手到高速跑鞋再到时速超过 70 英里的卡丁车，年仅 17 岁的 Sansone 已手握众多发明，而最近他将目光锁定在了电动汽车的心脏—— " 电动机 " 上。对此，Smithsonian 杂志的评价是：" 这位 17 岁年轻人设计的电动机可能会改变整个电动汽车行业。"

（图片来自 Smithsonian 杂志）

初步设计方案 Get！

这个项目的起因可能要追溯到几年前，当时 Sansone 无意中看到了一个介绍关于电动汽车优缺点的视频，其中就讲到了电动机。

该视频指出，大多数电动汽车发动机需要用到由稀土元素制成的磁铁，但提取稀土元素在经济和环境方面的成本都很高，每公斤价格可达数百美元。

" 我天生就对电动机感兴趣，曾多次在不同的机器人项目中使用。" 那条视频指出的电动机缺点，给予了 Sansone 灵感：" 我想解决它，并尝试设计一种不同的电动机。"

思及此，Sansone 想到了他曾听闻过一种无需稀土元素的电动机：同步磁阻电动机。考虑到目前这种电动机主要应用于泵和风扇，其本身功率不足以用于电动汽车， Sansone 便开始头脑风暴，寻思着要如何提高它的性能。

电动机的基本原理是，利用旋转的电磁场使转子旋转，而位于电机外部的固定线圈（定子）中会产生这些电磁场。而永磁电动机（需要用到稀土元素）和同步磁阻电动机的区别在于：

在永磁电动机中，附着在旋转转子边缘的磁铁会产生磁场，该磁场会被旋转磁场的相反磁极所吸引，这种吸引力使转子旋转。

相反，同步磁阻电动机则不使用磁铁，取而代之的是一个带有气隙的钢转子与旋转磁场对齐。其中磁阻或者说材料的磁性是这一过程的关键。当转子随着旋转磁场旋转时会产生扭矩，而随着凸极率、比或材料之间的磁性差异更大时，就会产生更大的扭矩。

结合相关资料、仔细考量过后，Sansone 在脑海中形成了对这款新型电动机的初步设计方案：可以取代气隙，将另一个磁场整合到电动机中，这或许将有助于增加凸极率以产生更大的扭矩。

凭借新型电动机原型，获得竞赛一等奖及 7.5 万美元奖金

初步方案有了之后，Sansone 便着手尝试做一些原型设计以验证这一设计是否真的有效。不过，Sansone 指出：" 我没有大量资源来制造非常先进的电动机，所以只能用 3D 打印机制作一个小比例模型。"

Sansone 坦白，最初排查故障的过程十分难熬：" 没有导师来帮助我，真的，所以每次电动机发生故障时，我都必须进行大量研究并尝试解决问题。" 在反复失败 14 次后，Sansone 终于能把第 15 版电动机当做项目原型了。

据了解，该新型同步磁阻电动机原型由 3D 打印塑料、铜线和钢转子制成，使用各种仪表来测量功率，并用激光转速计来确定电动机的转速。成本相比用到稀土元素的电动机大幅降低，毕竟铜每公斤才 7.83 美元。

得到项目原型后，Sansone 还多次测试电动机的扭矩和效率，并与传统同步磁阻电动机作比较。最后 Sansone 得出其设计的新型电动机的极限为：在 300 RPM（每分钟转数）时，扭矩提高了 39%，效率提高了 31%；在 750 RPM 时，电动机效率提高了 37% ——更高的 RPM 目前无法测试，因为项目原型是 3D 打印的，其本质是塑料，无法承受高转速下产生的高温。

这一数据显然距离投入市场还相差甚远：据 2016 年特斯拉首席电动机设计师 Konstantinos Laskaris 接受采访时表示，特斯拉 Model S 的电动机可以达到 18000 RPM。

尽管如此，Sansone 花费一年时间设计的这个新型同步磁阻电动机原型还是很有意义的。从本质上来讲，这个实验消除了所有其他变量，证实了扭矩和效率的提高与他设计更大的凸极率相关。此外，凭借这个电动机原型，Sansone 还获得了美国今年最大的国际高中 STEM 竞赛、Regeneron 国际科学与工程博览会（ISEF）一等奖和 7.5 万美元奖金。

" 希望看到电动汽车完全可持续发展 "

对此，电气和计算机工程教授 Heath Hofmann 评价道：" 他（Sansone）绝对是在用正确的方式看待事情，这个研究有可能成为下一个大事件。"

不过，Heath Hofmann 也补充道，尽管同步磁阻电动机的材料成本大幅降低，但制造工艺是众所周知的复杂，所以高昂的制造成本是这类电动机广泛使用的一个障碍，也是 Sansone 发明的主要限制因素。

好在 Sansone 并不气馁，他表示：" 用增材制造（如 3D 打印）等新技术，未来建造起来会更容易。"

目前，Sansone 正在设计其第 16 版电动机并进行 3D 建模，计划用更坚固的材料来制造，以便用更高的 RPM 来测试性能。如果之后这款新型同步磁阻电动机能持续在性能上有所提升，Sansone 将继续申请专利。

最后，Sansone 还透露了他下一阶段测试可能会与汽车公司接洽：" 现有电动机中的稀土材料是破坏电动汽车可持续性的主要因素，希望未来在我设计的新型电动机的帮助下，可以看到电动汽车完全可持续发展的那一天。"