机器之心报道

机器之心编辑部

这位少年简直是美国「稚晖君」！

Robert Sansone 是一位天生的工程师。从仿生手臂到高速跑鞋，再到时速超过 70 英里的卡丁车，这位来自佛罗里达州皮尔斯堡的发明家在自己的业余时间已经完成了至少 60 个工程项目，而他只有 17 岁。

几年前，Sansone 看到了一则关于电动车优劣势的视频，其中讲到大多数电动车的电动机需要稀土元素制成的磁铁。但是，提取稀土元素在经济和环境方面的成本都很高。所需要的稀土材料每千克都要花费数百美元，相比之下，每千克铜只需要 7.83 美元。

Sansone 对电动机有着天然的兴趣，他曾在不同的机器人项目中使用过。因此，对于上述可持续性问题，他希望设计一个不同的电动机。

这位高中生听说过一种不使用稀土材料的电动机——同步磁阻电动机。这种电动机目前用于泵和风扇，但其本身的功率不足以用于电动车。因此，Sansone 开始头脑风暴，试图提高同步磁阻电动机的性能。

在一年时间里，Sansone 成功制作了一种全新同步磁阻电动机的原型，比现有同类电动机拥有更大的旋转力（扭矩）和效率。该原型由 3D 打印塑料、铜线和钢转子制成，并使用各种仪表测量功率，使用激光转速仪确定电动机的转速。这个原型机为他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）的一等奖和 7.5 万美元的奖金。

图源：https://www.youtube.com/watch?v=nQTvRWizivw

制作思路和过程

密歇根大学一位电气与计算机工程教授 Heath Hofmann 解释称，可持续性较差的永磁电动机通常使用钕、钐和镝等需求量大的材料，它们可以用于耳机和耳塞等很多不同的产品中。随着使用磁铁的应用数量越来越多，特斯拉最近也开始在其电动机中使用永磁材料。

同步磁阻电动机不使用磁铁，取而代之的是一个与旋转磁场对齐的具有气隙的钢转子。当钢转子与旋转磁场一起旋转时会产生扭矩，当凸极比或钢与非磁性气隙之间的磁性差更大时，产生的扭矩也就更大。

Sansone 认为可以不使用气隙，而将另一个磁场整合到电动机中。这将增加凸极比，进而产生更大扭矩。他在设计中还使用了其他组件，但不便透露更多细节，他希望将来为这项技术申请专利。

有了这个想法后，Sansone 开始着手准备一些原型，以验证这一设计是否有效。但是 Sansone 缺乏资源来制造先进的电动机，因此他使用 3D 打印制作缩小版的电动机。

在测试之前，有几个原型已经被 Sansone 制作出来。

https://www.linkedin.com/posts/robert-sansone-62116b1b7_electricmotors-designandbuild-progress-activity-6941443747691847680-Gg85/

不过这一过程，没有老师指导，每次遇到电动机故障，Sansone 必须做大量的研究进行排除，最终，在第 15 个原型机上，Sansone 成功了。

“现有电机中的稀土材料是破坏电动汽车可持续性的一个主要因素，”Sansone指出。“如果有一天借助我新颖的发动机设计实现电动汽车的完全可持续发展，我将梦想成真。”

之后 Sansone 开始测试电动机的扭矩和效率。他发现新设计的电动机在 300 RPM（revolutions per minute）时，扭矩提高了 39%，效率提高了 31%。在 750 RPM 时，效率提高了 37%。不过更高的 RPM，Sansone 没有测试，因为塑料组件会过热熔化，曾经他也尝试过更高的 RPM，但是温度过高导致原型熔化，给 Sansone 带来惨痛的教训。

相比之下，特斯拉的 Model S 电动机可以达到 18000 RPM。此外，Sansone 还进行了一次实验，这个实验排除其他变量，并证实扭矩和效率的提高与他的设计息息相关。

虽然制造同步磁阻电机所需的材料成本更低，但设计的复杂性和制造成本仍然是电动汽车广泛使用的障碍。不过，随着3D打印等增材技术的进步，Sansone 的设计可能会塑造未来的行业。

Hofmann 评价道：Sansone 绝对是在用正确的方式看待事情，这一设计有可能引领下一个大事件。不过，许多教授一生都在从事研究工作，但最终结果令世界震惊的很少。

Hofmann 表示同步磁阻电动机的材料很便宜，但机器复杂，难以制造。因此，高昂的制造成本是阻碍它们广泛使用的一个障碍，也是 Sansone 遇到的一个主要限制因素。不过随着 3D 打印等新技术的发展，未来这一制造过程会变得很容易。

Sansone 现在正在为他的第 16 版电动机进行计算和 3-D 建模，他计划用更坚固的材料制造电动机，以便以更高 RPM 进行测试。如果在更高的 RPM 下，他的电动机继续以高速和高效运行，Sansone 将继续申请专利。

作为一名即将升入高三的学生，Sansone 的梦想是进入 MIT。他从 ISEF 获得的奖金将用于支付大学学费。Sansone 表示，最初他并没有参加比赛的计划，但当他得知在一门课程中允许他完成一个为期一年的研究项目时，他决定利用这个机会继续研究。

Sansone 表示：「我在想，如果我投入了这么多精力，我还不如把它变成一个科学项目去竞争。」Sansone 在地区和州的比赛中表现出色，之后成功的进入 ISEF，赢得一等奖和 7.5 万美元的奖金。

Sansone 正在等待下一阶段的测试，之后再与汽车公司接触，但他希望有一天他的电动机将成为电动汽车的设计选择。

「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，在我新颖的设计帮助下，我们将会看到电动汽车完全可持续发展的那一天会梦想成真。」Sansone 表示。

原文链接：

https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-17-year-old-designed-a-motor-that-could-potentially-transform-the-electric-car-industry-180980550/

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原标题：《有望变革电动车行业？美17岁高中生设计无需稀土的磁阻电动机，赢得50万大奖》

磁阻电机

https://baike.baidu.com/item/磁阻电机/8530070

一种连续运行的电气传动装置
磁阻电机是一种连续运行的电气传动装置，其结构及工作原理与传统的交、直流电动机有很大的区别。它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩。
中文名 磁阻电机 外文名 Reluctance motor 分    类 电气传动装置 原    理 磁阻最小原理 发    动电流 性    质 电机
目录
1 简介
2 结构原则
3 磁阻效应
4 永磁电机
5 直流电机
6 交流电机
简介编辑 播报
主要是横轴与纵轴磁导不同，依靠这种磁导的变化产生同步转矩 (亦称磁阻力矩) 维持电机以某一特定的同步转速运行。磁阻力矩的产生可用图1中磁力线被扭斜的形象加以描述。

图1
图1
当磁阻式同步电动机转子的d轴与定子的磁极中心线重合时，磁力线和d轴平行通 过气隙，转子。但当转子处于图1 (b) 所示的位置时，磁力线被扭斜，而磁力线 的闭合回路磁阻应最小，所以产生一个切向力F，在切向力F的作用下，转子沿逆时 针方向转动，力求回到图1 (a) 的状态。当定子为三相或二相或单相电容分相运 行时，在空间产生一个旋转磁场，旋转磁场的旋转相当图4.3-1中定子磁极N、S在空 间旋转，转子不动则定子磁极和转子之间必然出现图1 (b) 所示的状态，切向力 F必然产生，所以在F作用下转子沿旋转磁场方向旋转。
磁阻式同步电动机定子结构和普通的同步电机或异步电机相同，主要采用两相绕组或单相电容分相启动或运行的单相绕组。
所谓“磁阻最小原理”，即：“磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。 [1]
结构原则

在转子旋转时，磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以，该电动机的定、转子均采用双凸极结构，并用硅钢片叠制而成。在每个定子磁极上都装有简单的集中绕组，并把径向相对的两个定子磁极上的绕组以串联或并联的方式构成一相。在转子上无任何绕组，也无永磁体。按照电动机的相数，可分为奇数相和偶数相。按照电动机的磁路结构，可分为两极型长磁路结构和四极型短磁路结构。按照电动机的通电励磁模式，有单相励磁和多相励磁之分。
磁阻效应编辑 播报
磁阻效应是指电阻在磁场中增加的现象。磁阻效应在半导体中尤为显著。效应的大小通常用电阻的改变量和电阻本身的比值来量度：

ρ0和ρB分别为无磁场和有磁场时的电阻。一般来说，磁阻的大小与电流所沿的晶向及电流和磁场的相对取向有关。电流和磁场互相垂直时的磁阻称为横向磁阻；而电流与磁场平行时则称为纵向磁阻。
在磁场中，由于Lorentz力的作用，一般来说载流子的运动将发生偏转，这是产生磁阻效应的原因。但在等能面为球形的简单能带的情形下，纵向磁阻为零。因为在此情形下，漂移速度与磁场平行. 磁场的存在并不改变载流子的漂移运动，但横向磁阻一般不为零。在横向磁场下，作漂移运动的载流子同时受到Lorentz力和由Hall电场产生的静电力的作用。这两种力的作用在总体上相互抵消，使横向电流为零。 但在动量弛豫时间依赖于能量的情形下，不同能量的载流子有不同的平均(漂移)速度，所受Lorentz力的大小并不相同。只是某一特定能量(平均速度)的载流子所受Lorentz力与静电力完全抵消。高于和低于此能量(平均速度)者，所受合力分别指向相反的方向，使载流子的漂移运动向两边偏转。 这将导至电流减小，即导至横向磁阻效应。但应指出在简单能带情形下，当弛豫时间与能量无关时，横向磁阻为零。 [2]
永磁电机
是磁阻电机的另一种形式。它与普通磁阻电机的区别在于，在每个电机齿上安装有永磁体。电机运行时当定子绕组产生的磁场与永磁体磁场方向相同时，磁场可以从齿部流通。而当定子绕组产生的磁场与永磁体磁场相反时，齿的内部形成了回路，磁场无法通过齿部。这样就好像是磁路的开关，因此得名。开关磁阻电机的优点在于，电机的最大转矩将由于存在永磁体而增大。但每一个周期，永磁体的功率都为0。即永磁体并不提供能量，而且这种电机的转矩脉动将有所增加。
直流电机

参考资料
1.  朱曰莹,赵桂范,杨娜.电动汽车用开关磁阻电机驱动系统设计及优化[J].电工技术学报,2014,29(11):88-98.
2.  张宗盛,王秀和,杨玉波.新型混合励磁磁通切换型磁阻电机的变结构磁路模型[J].中国电机工程学报,2014,34(21):3467-3474.
3.  吴红星,赵凯岐,王胜劲,程树康.一种新型混合励磁开关磁阻电机[J].电工技术学报,2013,28(07):56-63.
4.  聂兵.开关磁阻电机的工作原理分析[J].工业控制计算机,2011,24(05):105-107.