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

别人的17岁已经能够发明一种可能改变电车行业的电机。

来自美国佛罗里达州皮尔斯堡的罗伯特·桑松开发了一种新型同步磁阻电机原型，由3D打印塑料，铜线和钢转子制成。

这款新电机最大的亮点是不需要使用稀土材料，比现有的同类电机扭矩更大，效率更高。

要知道，大多数电车的电动机都需要稀土元素制成的磁铁如果要提取这种稀土元素，环保成本和经济成本都很高，每公斤稀土就要几百块钱

新电机一旦脱离稀有元素的限制，成本和经济性无疑会得到全面提升。

凭借这个不需要稀土磁铁的样机，桑松获得了今年最大的国际中学生STEM竞赛——regene Ron国际科学与工程大奖赛的一等奖，获得了7.5万美元的奖金。

01别人家的孩子

桑松像一个天生的工程师，原本是做电子机械手的他还制作了时速超过70英里的卡丁车，并在业余时间完成了至少60个工程项目

他看了一段电动车优缺点的视频后发现，大部分电动车电机都需要稀土元素制成的磁铁。

可是，磁铁并不容易获得，这也是破坏电动汽车可持续性的重要因素，包括特斯拉在其电机中使用永磁体。

永磁电机本身可持续性差，应用广泛从长远来看，不利于环境的可持续发展

目前，不使用稀土材料的同步磁阻电机由于自身功率限制，大多适用于泵和风扇，而不能用于电动汽车，因此宋三开始想尽一切办法提高电机性能。

即使没有稀土磁体，同步磁阻电机也可以具有与永磁电机相同的效率，甚至更好。

一旦有了这个想法，我就要做一些原型设计，看看这个设计是否真的能行得通桑松开始尝试在没有任何条件的情况下，用3D打印机制作一个小样机

桑松的方法也得到了密歇根大学电子和计算机工程教授希斯·霍夫曼的认可。

桑松正在用正确的方式看待事物，这个想法将成为行业的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，制造难度很大有了3D打印技术，可以让电机制造更容易

事实证明，通过一系列操作，桑松已经建成了性能优于永磁电机的新型同步磁阻电机样机。

作为皮尔斯堡中心高中的学生，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，桑松一开始并没有打算拿这台电机参加比赛，而是在得知会帮他完成论文后才决定参加。

接下来，桑松将为他的电机申请专利，测试后将与汽车公司谈判他希望有一天他的电机能成为电动车的首选

这是什么型号的发动机。

电机的工作原理是磁场作用于电流，使电机转动。

在永磁电机中，磁体产生的磁场被旋转磁场的相反磁极吸引，这种吸引使电机旋转。

而同步磁阻电机不需要磁铁，本质上是一种带磁阻的同步电机通过钢制转子和空气之间的间隙工作，当转子伴随着旋转磁场旋转时，就会产生转矩

磁极比或钢转子与非磁性气隙之间的磁差越大，产生的转矩越大。

桑松的天才想法在此展现他的设计有更深层次的想法他认为可以在电机中集成另一个磁场，用次级磁场代替气隙来代替气隙这样可以增加电机的凸极比，进而产生更大的转矩

他在第二次实验中证实了他的结果。

在新设计的电机中，每分钟300转时，扭矩增加了39%，效率增加了31%在每分钟750转时，效率提高了37%

但是，桑松没有测试更高的转数，因为塑料部件会过热熔化我不能在更高的转速下测试它，因为塑料部件会过热，比如我桌子上的一个原型就熔化了

相比之下，特斯拉的Model S电机转速可达18000转/分。

另外桑松还做了一个实验，排除了其他变量，证明了扭矩和效率的提高和他的设计有直接关系。

如果能给他更好更耐热的材料，提高的效率可能更明显。

其实他的设计里还有其他成分，但他不能透露更多细节他表示希望将来能为这项技术申请专利但是，在申请技术专利之前，细节是保密的

当然，过程并没有那么容易在完成设计之前，他已经制作了许多原型我没有导师帮我每次电机出故障，我都要做大量的研究，努力解决出问题的地方但最终，在第15个电机上，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台样机，并计划用更坚固和耐热的材料制作样机，以测试更高的转速。

03永磁电机会被取代吗。

新能源汽车的电机类型主要分为DC电机，交流异步电机，永磁同步电机和开关磁阻电机目前市场上的电机大多以永磁同步电机为主

永磁电机主要由两部分组成，一部分是机壳，因其保持静止而被称为定子，另一部分是转子，通常在定子内部旋转，有时在外部旋转。

以稀土为原料的永磁体虽然可以自己产生连续磁场，从而产生高转矩密度，但光是成本就说服了很多人比如从2020年6月到2021年8月，磁铁最重要的元素钕的价格直接翻倍

在这种背景下，不仅是桑松，很多创业公司和专业人士都在积极推动传统电机的革新。

例如，比利时的初创公司Magnax通过重新思考电机中的电磁相互作用，并使用无轭轴流设计，进行了创新。

通过这种设计，可以降低马达的重量，尺寸和成本最重要的是，定子只需要大约60%的铜，转子只需要大约80%的磁性材料

这也使得电机的功率密度比传统内燃机高4倍该公司表示，计划在2022年开始年产25，000辆汽车

此外，包括美国Powdermet和Turntide Technologies在内的其他初创公司也在设计一种不依赖永磁体的电机不仅是初创企业，宝马，丰田和大众等原始设备制造商也在试图减少电机中永磁体的使用

一个趋势是，这些公司设计的电机，包括桑松设计的电机，都在抛弃一个大多数电机都有的部件——永磁体。

虽然很多团队都在推动电机创新，但也有不同的声音。

美国威斯康星州密尔沃基市马奎特大学的电气和计算机工程教授Ayman EL—Refaie正在与通用汽车公司合作开发一种无稀土传动系统虽然他发现无稀土永磁电机存在潜在需求，但要实现这一目标仍有难度

在他看来，去掉永磁体设计并不容易在增加机器尺寸以弥补功率损失时，使用不含稀土材料的磁铁会有永久退磁的风险

德国卡尔斯鲁厄理工学院的混合动力汽车教授马丁·多佩尔鲍尔说得更直接他表示，目前还没有脱离永磁体的趋势，因为永磁体的功率密度最高，性能最好，大部分企业都会使用

这些公司开发了永磁电机的替代品，但只有当稀土价格再次上涨时，它们才会需要它们。