岁高中生手搓电动发动机获万元大奖手握余项发明

深度 | 2022-08-15 03:25:01| 37
岁高中生手搓电动发动机获万元大奖手握余项发明

原标题:17岁高中生手摇发动机获50万元大奖,自称天生工程爱好者,发明60多项。

这个17岁的男孩“用手摩擦发动机”,参加了ISEF最大的国际青少年科学竞赛,并获得了50万元的一等奖。获胜者罗伯特·桑松(Robert Sansone)高中尚未毕业,他说他想在未来改变电动汽车行业。

为什么这么说?他研究的电动发动机,不需要稀土

现在很多电动车的电动机大多需要稀土材料的永磁体,比如钕、钐、镝。但稀土不仅产量低而且价格贵,开采过程中对生态环境的破坏也不小。所有国家都在努力改进技术,减少发动机中的稀土含量。

钕磁铁

有一些发动机根本不需要稀土。除了前几代特斯拉产品使用的感应电机,还有一个同步磁阻电机。

但是这款发动机目前能达到的功率太小,满足不了电动汽车的需求。17岁少年桑松所做的是设计了一种新型同步磁阻电机,同时提高了它的转矩和效率,因此获得了大奖。

虽然桑松自己也知道自己的发动机功率远远不够,但最大的意义在于为同步磁阻电机的不断改进找到了一个可能的方向。网友看到这里也感叹道:

对于一个高中生来说,这是多么伟大的成就啊。想象一下未来几十年他对行业的贡献有多大。

只有15号样机成功了。

桑松属于天生对工程感兴趣的人,尤其是汽车和发动机。几年前,一个偶然的机会,他从介绍电动车的视频中得知,大部分电机都需要稀土,于是他想尝试解决这个问题。

他想到了没有稀土的同步磁阻电机,第一次头脑风暴想办法增加它的功率。要解决同步磁阻电机功率低的问题,首先要了解它的工作原理。传统电机一般是利用旋转电磁场使转子旋转,电磁场是由固定在电机外部的线圈(定子)产生的。

在永磁发动机中,旋转的转子边缘附着一块磁铁,会产生磁场,产生引力使转子旋转。但在同步磁阻电机中,用钢转子代替磁铁,在转子上切出空的气隙,使之与旋转磁场模型一致,转子会随着旋转磁场旋转。

在旋转的过程中,转子的磁阻(材料的磁性)尤为重要。转子与非磁性气隙的磁差越大,即凸极效应越强,转矩越大。同样,扭矩越大,电机功率越大。

换句话说,改变同步磁阻电机的功率,归根结底是一个凸极效应问题。

桑松是如何提高凸极效应的?从目前已知的信息可以得知,他去除了同步磁阻电机中的气隙,合并了另一个磁场,可以显著增强凸极效应。至于其他设计细节,桑松说他不会透露,因为他希望以后能为这项设计申请专利。

设计好电机后,桑松下一步会验证其可行性。但由于资源的限制,他在这个环节也遇到了很多麻烦。没有合适的材料来制作发动机,他只能用3D打印制作一个更小比例的模型。

再加上他没有导师指导,所以每次设备出现故障,桑松都是一个人研究解决。直到第15台样机,终于正常工作了。整机由3D打印塑料、铜线和钢转子制成。

随后,桑松用各种仪器来测量功率,激光转速表来测量电机的速度,然后将其重新配置成传统的同步磁阻电机进行比较。结论是,新设计在转速为300时,扭矩和效率分别提高了39%和31%。在每分钟750转时,它的效率提高了37%。

在后续测试中,发生了一件有趣的事情。桑松准备在更高转速下测量电机效率时,模型因过热而熔化。融化了…

因此,他没有继续比较更高速度下的效率。然而,参加被称为“青少年科学世界杯”的ISEF竞赛就足以赢得奖金。在演讲中,他表示,虽然这种新型发动机最初是为电动汽车设计的,但也可能用于工业设备和机器人。

对于一辆真正的有轨电车来说,桑松发动机的速度远远不够。也有网友指出,同步磁阻电机再怎么改进,效率也未必赶得上感应电机。

不过作为一部少年作品,还是让人印象深刻的。

业余时间完成60+工程项目的17岁学生。

除了发动机,桑松还做了很多发明,大多与汽车和速度有关。比如一辆只用一天时间造出来的车,能跑112 km/h。

还有一小时能跑35公里的高速跑鞋。博尔特冲刺最高时速45公里,桑松说跑鞋可以穿更久。

反正从小到大,他在业余时间完成的项目就数了60多个。不过这个发动机研究并不是业余的,而是他所在的高中为这个比赛开设的课程。只要报名,就有一年的时间选择自己的研究课题。

既然桑松拿了大奖,不代表发动机项目就结束了。目前,他正在测试发动机的第16代原型,这次他计划改用更强的材料来支持更高的转速。

对于这个实验,桑松不确定会不会成功。如果成功,他打算继续推进专利申请,并寻求与汽车公司的合作。我希望有一天,我的发动机可以成为电动汽车的首选设计。

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