Robert Sansone

17歲的你,可能還在煩惱升學、規劃出國旅遊的行程、或跟三五好友相約健身運動。然而,年僅 17 歲的美國少年 Robert Sansone 卻已準備好改寫電動車的發展歷史!

電動車雖然已經經過相當長時間的發展,但是除了大家所熟知的電池、電網、充電基礎設施等,是造成電動車遲遲不能大放異彩的原因,電動車的電動馬達也是另外一個問題所在。幾年前,Robert Sansone 看到一支影片分析電動車的優勢與劣勢,裡面就提到了電動馬達的問題。

就技術面來說,電動馬達已屬相當成熟,但是目前主流仍是「永磁馬達」(permanent magnet motors),需要使用稀土元素(rare-earth elements)製成的磁鐵作為材料,其開採過程對環境的負擔大,製造成本也相當高。

相較於稀土元素每公斤的成本為數百美元,每公斤的銅僅需要7.83美元。另外,其稀少性也是一個問題,許多稀土資源大多自中國開採,因此面對國際政治環境的快速變化,稀土元素的價格會受到相當大的波動。

同步磁阻馬達成本相對低,但不夠強勁

Robert Sansone 表示,自己天生就對電動馬達感興趣,當時曾經聽過一種稱為「同步磁阻馬達」(synchronous reluctance motors)的電動馬達。

同步磁阻馬達的運作方式如下:切有氣隙的鋼製轉子(steel rotor)隨著定子(stator)產生的磁場旋轉,凸極比(saliency ratio)越高,或材料之間的磁性差異性愈高,其所產生的扭矩就愈大。

同步磁阻馬達雖然不需要使用釹、釤、鏑等稀土元素,但是其最大的問題在於動力不夠強勁,大多只能用於幫浦、風扇等方面;因此,這一位年僅17歲的高中生就在思考,是不是可以改善提升「同步磁阻馬達」的性能,提供電動車使用?

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歷經多次修正,扭力、效能皆更強大

經過一年的時間,歷經無數次的失敗經驗與修正後,Robert Sansone 終於在第 15 次成功地打造出一款全新的同步磁阻馬達模型。

同時,經過各項測試,確認扭力、性能效率皆較市面上現有的同步磁阻馬達具有更強大的扭力和性能效率:在轉速為 300 rpm 的情境下,扭力較現有的同步磁阻馬達高出 39% ,性能效率高出 31% ;在轉速為 750 rpm 的情境下,性能效率則高出 37% 。

Robert Sansone 究竟是怎麼成功改良現有的同步磁阻馬達?這一點他語帶保留,只透漏在概念上,是在馬達中加入另外一個磁場,至於使用的其他元件等細節,則不便多說,因未來他將提出專利申請。

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研發同步磁阻馬達獲獎,盼申請專利

這一項作品已讓 Robert Sansone 榮獲今年國際科學與工程博覽會(Regeneron International Science and Engineering Fair 2022,ISEF 2022)競賽的首獎,獲得7萬5000美金(約新台幣233萬元)的獎金。

過去,Robert Sansone 僅能透過 3D 列印塑膠將這一款模型以縮小比例製成,因缺乏相關資源與他人的指導,沒有辦法再提高測試的極限。

至今,他已著手進行打造第 16 款模型,在獲得相關獎金的挹注後,未來會改採用更堅固的材質製造,以達到更高的測試極限。

Robert Sansone 表示,若第16款模型測試成功,他會申請專利。雖然美國這一位高中生所設計的同步磁阻馬達現階段仍然無法取代永磁馬達,但是他的研發若順利成功,極有可能突破電動車現在的發展限制。

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本文開放合作夥伴轉載,資料來源:Smithsonian Magazine、autoevolution、Yahoo!、SUPERMOTO8,首圖來源:Society for Science