Пару лет назад Сансоне наткнулся на видео о преимуществах и недостатках электромобилей. В видеоролике объяснялось, что для большинства двигателей электромобилей требуются магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, извлечение которых может быть дорогостоящим как с финансовой, так и с экологической точки зрения. Необходимые редкоземельные материалы могут стоить сотни долларов за килограмм. Для сравнения, медь стоит 7,83 доллара за килограмм.
Я захотел решить проблему загрязнения и попробовать спроектировать другой перспективный двигатель.
Старшеклассник слышал об одном из типов электродвигателя — синхронном реактивном двигателе — в котором не используются редкоземельные материалы. Этот тип двигателя в настоящее время используется для насосов и вентиляторов, но сам по себе он недостаточно мощный, чтобы его можно было использовать в электромобиле. Итак, Сансоне начал мозговой штурм, пытаясь найти способы улучшить его производительность.
И да, мы забыли упомянуть, что Роберт Сансоне — это семнадцатилетний парень из Флориды.
Итак, в течение года Сансоне создал прототип нового синхронного реактивного двигателя, который обладал большей силой вращения (или крутящим моментом) и эффективностью, чем существующие. Прототип был изготовлен из пластика с помощью 3D-печатью, медных проводов и стального ротора и протестирован с использованием различных счетчиков для измерения мощности. Также был использован лазерный тахометр для определения частоты вращения двигателя. Эта работа принесла ему первую премию и выигрыш в размере 75 000 долларов на Международной научно-технической ярмарке Regeneron в этом году (ISEF), крупнейшем международном конкурсе для старшеклассников.
В менее «зелёных» двигателях с постоянными магнитами используются такие материалы, как неодим, самарий и диспрозий, которые пользуются большим спросом, поскольку используются в широкой линейки изделий, включая наушники и вкладыши, объясняет Хит Хофманн, профессор электротехники и вычислительной техники Мичиганского университета. Хофманн много работал над электромобилями, в том числе консультировался с Tesla по разработке алгоритмов управления для его силового привода.
“Количество товаров, в которых используются магниты, как кажется, становится все больше и больше”, — говорит он. “Многие материалы добываются в Китае, и поэтому цена часто может зависеть от нашего торгового статуса с Китаем”. Хофманн добавляет, что Tesla недавно начала использовать постоянные магниты в своих двигателях.
Электродвигатели используют вращающиеся электромагнитные поля для вращения ротора. Катушки провода в неподвижной внешней части двигателя, называемой статором, создают эти электромагнитные поля. В двигателях с постоянными магнитами магниты, прикрепленные к краю вращающегося ротора, создают магнитное поле, которое притягивается к противоположным полюсам вращающегося поля. Это притяжение и вращает ротор.
Синхронные реактивные двигатели не используют магниты. Вместо этого стальной ротор с вырезанными в нем воздушными зазорами выравнивается с вращающимся магнитным полем. Сопротивление, или магнетизм материала, является ключом к этому процессу. Когда ротор вращается вместе с вращающимся магнитным полем, создается крутящий момент. Больший крутящий момент создается, когда коэффициент полезного действия или разница в магнетизме между материалами (в данном случае сталью и немагнитными воздушными зазорами) больше.
Вместо использования воздушных зазоров Сансоне подумал, что мог бы включить в двигатель другое магнитное поле. Это увеличило бы этот коэффициент полезного действия и, в свою очередь, создало бы больший крутящий момент. В его конструкции есть и другие компоненты, но он не может раскрывать больше деталей, потому что надеется запатентовать эту технологию в будущем.
«Как только у меня появилась эта первоначальная идея, мне пришлось сделать несколько прототипов, чтобы попытаться понять, действительно ли эта компоновка будет работать”, — рассказывает Сансоне.
У меня нет тонны ресурсов для изготовления очень продвинутых двигателей, и поэтому мне пришлось сделать уменьшенную версию — масштабную модель — с помощью 3D-принтера.
Потребовалось несколько прототипов, прежде чем он смог протестировать свою разработку.
“На самом деле у меня не было наставника, который мог бы мне помочь, поэтому каждый раз, когда двигатель выходил из строя, мне приходилось проводить массу исследований и пытаться устранить неполадки”, — рассказывает парень. “Но в конце концов на 15-м варианте я смог получить рабочий прототип”.
Сансоне проверил свой двигатель на крутящий момент и эффективность, а затем перенастроил его для сравнения с более традиционный синхронный реактивный двигатель. Он обнаружил, что его новая конструкция обеспечивает на 39% больший крутящий момент и на 31% большую эффективность при 300 оборотах в минуту (об/мин). При 750 оборотах в минуту он работал с большей эффективностью на 37 процентов. Подросток не мог протестировать свой прототип при более высоких оборотах, потому что пластиковые детали перегрелись бы — урок, который он усвоил на собственном горьком опыте, когда один из прототипов расплавился прямо у него на столе.
Для сравнения, двигатель Tesla Model S может развивать скорость до 18 000 оборотов в минуту, объяснил главный конструктор двигателей компании Константинос Ласкарис в интервью 2016 года Кристиану Руоффу из журнала «Заряженные электромобили».
Сансоне подтвердил достигнутые результаты во втором эксперименте, в котором он “выделил теоретический принцип, согласно которому новый дизайн создает магнитную заметность”, согласно его презентации. По сути, этот эксперимент устранил все другие переменные и подтвердил, что улучшения в крутящем моменте и эффективности были связаны с большим коэффициентом полезного действия его конструкции.
”Он определенно смотрит на вещи правильно«, — говорит Хофманн. Тем не менее, он добавляет, что многие профессора работают над исследованиями всю свою жизнь, и “довольно редко бывает, что они в конечном итоге их изобретения захватывают интерес во всем мире”.
Хофманн считает, что материалы для синхронных реактивных двигателей дешевы, но сами машины сложны — прежде всего в изготовлении. Таким образом, высокие производственные затраты являются препятствием для их широкого использования и основным ограничивающим фактором для изобретения Сансоне.
Сансоне соглашается, однако настаивает, что “с новыми технологиями, такими как аддитивное производство [например, 3D-печать], было бы проще создать такие двигатели в будущем”.
Сансоне сейчас работает над расчетами и 3D-моделированием новой, 16-ой версии своего двигателя, который он планирует построить из более прочных материалов, чтобы протестировать его при более высоких оборотах в минуту. Если его двигатель продолжит работать с высокой скоростью и эффективностью, он считает, что продвинется вперед в процессе патентования.
Будучи старшеклассником Центральной средней школы Форт-Пирса, Сансоне мечтает поступить в Массачусетский технологический институт. Его выигрыш от ISEF пойдет на обучение в колледже. Так что перспективный двигатель — это еще и деньги. Но нельзя не отметить, что парень их вкладывает в обучение.
“Я подумал, что если я смогу вложить в это всю свою энергию, я мог бы с таким же успехом сделать это проектом научной ярмарки и поучавстваовать в конкурсе”, — объясняет он.
Сансоне ждет следующего этапа испытаний, прежде чем обращаться к каким-либо автомобильным компаниям, но он надеется, что однажды его двигатель станет более предпочтительным для электромобилей:
Редкоземельные материалы в существующих электродвигателях являются основным фактором, подрывающим экологичность электрокаров.
Увидеть день, когда электромобили станут полностью устойчивыми благодаря моему новому дизайну двигателя, было бы мечтой, ставшей реальностью.
Что ж, традиционно порадуемся хорошей новости и пожелаем парню успехов!
Использованы материалы:
https://www.youtube.com/watch?v=XMm_MRyILbY
https://projectboard.world/isef/project/etsd014—investigating-a-novel-electric-motor-design?utm_source=shareLink_share_82939&postID=322781
https://www.indiatimes.com/trending/human-interest/17-year-old-robert-sansone-designs-electric-motor-without-rare-earth-magnets-577089.html
