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。
来源:Smithsonion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。
来源:Smithsonion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。
来源:AnElectricMotor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。
来源:AutoEvoluition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。
(同步磁阻电机截面)来源:WatElectrical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。
来源:AutoEvolution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。
来源:AutoEvolution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。”
来源:Hack Club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。
来源:AEM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。
来源:Linquip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。
来源:Linquip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。
来源:Magnax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。
来源:Stanford Magnets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。
来源:Pmlindia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。”
本文来自微信公众号:超电实验室 (ID:SuperEV-Lab),作者:王磊