17 岁天才少年手搓电机：不用稀土磁铁，效能提高 30%，获奖 52 万

发布时间:2022-10-21 10:00

别人的 17 岁，已经能发明出可能改变电车行业的电机了。

来自美国佛罗里达州皮尔斯堡的罗伯特・桑松（Robert Sansone），研发了一种新型同步磁阻电机原型，该原型机由 3D 打印的塑料、铜线和钢转子制成。

这种新型电机最大的亮点，就是不需要使用稀土材料，还比现有同类电动机拥有更大的扭矩和效率。

要知道，大多数电车的电动机，都需要由稀土元素制成的磁铁，想要提取这种稀土元素，在环保和经济方面的成本都很高，每千克稀土都要花费数百美元。

而新型电机一旦脱离稀有元素的限制，在成本和经济性上无疑会全面提升。

凭借这个不需要稀土磁铁的原型机，桑松夺得了今年最大国际中学生 STEM 竞赛 — 再生元国际科学与工程大奖赛（ISEF）的一等奖，并获得了 7.5 万美元（约 51.9 万人民币）的奖金。

01 别人家的孩子

桑松就像一位天生的工程师，最初制作过电子机械手，他还制造过时速超过 70 英里的卡丁车，在业余时间至少完成了 60 个工程项目。

在看过一则电动车存在的优劣势视频后，他发现大多数电动车的电动机需要稀土元素制成的磁铁。

然而磁铁并不易得，而且这也是破坏电动汽车可持续性的一个重要因素，包括特斯拉也在其电机中使用永磁体。

永磁电机本身的可续性就较差，再加上用途广泛。从长远来看，并不利于环境可持续发展。

目前不使用稀土材料的电动机 —— 同步磁阻电机，由于本身的功率限制，大多适用于泵和风扇，并不能用于电动汽车，所以桑松开始想方设法提高电机性能。

就是即便没有稀土磁铁的情况下，同步磁阻电机也能具备永磁电机一样的效率，甚至更优。

“一旦我有了这个想法，就必须得做一些原型设计，看看这个设计是否真的能发挥作用。” 桑松在没有条件的情况下，开始尝试用 3D 打印机制造一个小的原型机。

桑松的做法也得到了密歇根大学电气和计算机工程教授希思・霍夫曼（Heath Hofmann）的认可。

“桑松正以正确的方式看待事情，并且这一想法会成为（电机）行业下一件大事。” 霍夫曼认为，同步磁阻电机的材料很便宜，但机器很复杂，而且制造起来非常困难。用 3D 打印技术，能让电机制造更容易。

事实证明，桑松通过一系列的操作，打造出了比永磁电机性能更优的新型同步磁阻电动机的原型。

作为一名皮尔斯堡中央高中的学生，桑松的梦想是进入麻省理工学院。他从 ISEF 获得的奖金，也将用于大学学费。

有意思的是，最初桑松并没有计划拿这个电机参赛，当得知参赛后会帮助他完成论文后，才决定参加。

接下来，桑松将会为自己的电机申请专利，在完成测试后将会与汽车公司谈判，他希望有一天他的电机将成为电动汽车的首选电机。

02 这是一台什么电机？

电动机工作原理，是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

在永磁电动机中，磁铁产生的磁场会被旋转磁场的相反磁极所吸引，这种吸引力让电机转动。

不过同步磁阻电机（Synchronous Reluctance Motor）不需要磁铁，其本质上是具有磁阻性质的同步电机。通过钢转子与空气间隙工作，当转子与旋转磁场一起旋转时，就会产生扭矩。

凸极比或钢转子与非磁性气隙之间的磁性差越大，产生的扭矩也就越大。

桑松的天才想法就在这里展现出来的，他的设计有更深一层的思路，他认为可以将另一个磁场整合到电机中，用二次磁场取代空气间隙，而不是使用气隙。这可以增加电机的凸极比，进而产生更大的扭矩。

他在第二次实验中就验证了他的结果。

在其新设计的电动机中，每分钟 300 转时，扭矩提高了 39%，效率提高了 31%。在每分钟 750 转时，效率提高了 37%。

不过桑松并没有测试更高的转数，因为塑料组件会过热熔化。“我无法在更高的转速下测试它，因为塑料件会过热，比如其中一个原型在我的桌子上融化了。”

相比之下，特斯拉的 Model S 电动机，每分钟转速可以达到 18000 转。

此外，桑松还进行了一次实验，这个实验排除其他变量，证实了扭矩和效率的提高与他的设计有着直接关系。

如果能给他更好、更耐热的材料，提高的效率可能更明显。

其实他的设计还有其他组件，但不能透露更多细节，他表示希望将来为这项技术申请专利。但在申请技术专利之前，细节是保密的。

当然过程也不是那么容易，在完成设计之前，他已经做了许多个原型。“我没有一个导师来帮助我，每次电动机失败后，不得不做大量的研究，并试图解决出错的问题。但最终在第 15 个电动机上，我终于做出了一个工作原型。”

所以桑松现在正在制作他的第 16 个原型机，计划用更坚固耐热的材料制造原型，以测试更高的转速。

03 永磁体电机会不会被替代？

新能源汽车的电机类型主要分为直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，目前市面上大多的电机，都是以永磁同步电机为主。

永磁同步电机主要由两部分组成，一个是外壳，因为其保持静止，所以被称作定子，一个转子，通常在定子内旋转，有时在外面旋转。

这种电机虽然以稀土为原材料的永磁体可以自行创造连续磁场，从而产生高扭矩密度，不过单是成本，就已经劝退了不少人。比如从 2020 年 6 月至 2021 年 8 月，磁铁最重要的元素 —— 钕的价格直接翻了一番。

在这个背景下，不止桑松，很多创业公司正和专业人士也在积极推动对传统电机的创新。

比如比利时初创公司 Magnax，所做的创新是重新思考电机内的电磁相互反应，使用了无轭轴流设计。

通过这个设计，可以减少电机重量、尺寸和成本。而且最重要的是，定子只需要 60% 左右的铜，转子只需 80% 左右的磁性材料。

这也使得该电机比传统内燃机功率密度高 4 倍。该公司称其计划于 2022 年开始每年生产 25000 台电机。

除此之外，其他初创公司，包括美国 Powdermet 和 Turntide Technologies 公司，也在设计一种不依赖永磁体的电机。不止初创企业，包括宝马、丰田以及大众等这些主机厂，也在想方设法减少对电机中对永磁体的使用。

一个趋势是，这些公司设计的电机包括桑松（Sansone）设计的电机，正在摒弃了大多数电机都有的一个组件 —— 永磁体。

虽然不少团队正在推动电机创新，但也有不一样的声音。

美国威斯康星州密尔沃基的马凯特大学（Marquette University）电气和计算机工程学教授 Ayman EL-Refaie 正和通用汽车公司合作，开发不含稀土的传动系统。尽管他发现了无稀土永磁电机有潜在需求，但是实现这个目标依然困难。

在他看来，移出永磁体的设计并非易事，加大机器尺寸以弥补功率损失时，使用不含稀土材料的磁体将有永久退磁的风险。

德国卡尔斯鲁厄理工学院混合动力电汽车专业教授 Martin Doppelbauer 更为直接，他表示目前没有看到脱离永磁体的趋势，因为永磁体功率密度最高、性能最佳，大多数企业都会使用。

“这些企业开发永磁电机的替代品，但在稀土价格再次上涨时才会需要他们。”