17‐летний парень разработал двигатель, потенциально способный изменить индустрию электромобилей / Хабр
Исследование Роберта Сэнсона может проложить путь к производству электромобилей без редкоземельных магнитов. Подробности — к старту нашего флагманского курса по Data Science.
Роберт Сэнсон — прирождённый инженер. Изобретатель из Форт‐Пирса, Флорида, посчитал, что в свободное время завершил не менее 60 инженерных проектов: от аниматронных рук до скоростных беговых ботинок и картинга, который может развивать скорость более 112 километров в час. И ему всего 17.
Роберт Сэнсон со своим новым синхронным реактивным двигателемПару лет назад Сэнсон наткнулся на ролик о преимуществах и недостатках электромобилей. В видео объясняли, что для большинства двигателей электромобилей нужны магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, добыча которых может стоить дорого 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 США за килограмм.
«Интерес к электродвигателям у меня врождённый, — рассказывает Сэнсон, который использовал их в различных проектах по робототехнике. — Я хотел разрешить проблему экологичного производства и разработать другой двигатель».
Старшеклассник слышал о типе электродвигателя — синхронном реактивном двигателе, в котором эти редкоземельные материалы не используются. Этот тип двигателя используется для насосов и вентиляторов, но он недостаточно мощный для электромобиля. Сэнсон начал мозговой штурм, чтобы повысить его мощность.
За год Сэнсон создал прототип нового синхронного реактивного двигателя с крутящим моментом и эффективностью больше, чем у существующих двигателей. Прототип изготовлен из пластика, медных проводов и стального ротора и протестирован различными измерителями мощности. Скорость вращения двигателей определялась лазерным тахометром. В этом году работа принесла Сэнсону первую премию и $75 000 на Международной научно‐технической ярмарке Regeneron (ISEF) — крупнейшем [в США] конкурсе в науке, технологиях, инженерии и математике для старшеклассников.
Постоянные магниты двигателей состоят из неодима, самария и диспрозия. Эти материалы используются во многих продуктах широкого потребления, включая наушники и наушники‐вкладыши, объясняет профессор электротехники и вычислительной техники в университете Мичигана Хит Хофманн. Хофманн много работал над электромобилями, в том числе консультировал Tesla в области разработки алгоритмов управления их силовым приводом.
«Кажется, количество приложений магнитов становится всё больше и больше, — говорит он. — Многие материалы добываются в Китае, поэтому цена часто может зависеть от нашего торгового статуса с Китаем». Хофманн добавляет, что Tesla в своих двигателях недавно начала использовать постоянные магниты.
Для вращения ротора электродвигатели задействуют вращающиеся электромагнитные поля. Эти электромагнитные поля создаёт статор — катушки проволоки в неподвижной внешней части двигателя. В двигателях с постоянными магнитами магниты, прикреплённые к краю вращающегося ротора, создают магнитное поле, которое притягивается к противоположным полюсам вращающегося поля.
Это притяжение раскручивает ротор.
В синхронных реактивных двигателях магнитов нет. Стальной ротор с прорезанными в нём воздушными зазорами выравнивается с вращающимся магнитным полем. Ключ к такому выравниванию — магнитное сопротивление. Крутящий момент создаётся, когда ротор и магнитное поле вращаются вместе, а увеличивается, когда увеличивается разница в магнетизме материалов — здесь это сталь и немагнитный воздушный зазор.
Сэнсон решил, что вместо воздушных зазоров может включить в двигатель другое магнитное поле. Это увеличило бы соотношение предельной и наименьшей индуктивности и, в свою очередь, увеличило крутящий момент. В конструкции есть и другие компоненты, но изобретатель не может раскрыть больше: в будущем он надеется запатентовать технологию.
В тестах на крутящий момент и эффективность новый двигатель превзошёл традиционный синхронный реактивный двигатель аналогичной конструкции.
«Как только у меня появилась эта первоначальная идея, мне пришлось сделать несколько прототипов, чтобы проверить, будет ли эта конструкция работать на самом деле, — говорит Сэнсон.
— У меня нет огромного количества ресурсов для создания очень продвинутых двигателей, поэтому мне пришлось сделать уменьшенную версию — модель в масштабе — с помощью 3D‐принтера».
Прежде чем он смог проверить конструкцию, потребовалось несколько прототипов.
«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 устранять неполадки, — говорит он. — Но в итоге я смог получить работающий прототип на 15‐м двигателе».
Сэнсон проверил крутящий момент и эффективность своего двигателя, а затем — для сравнения — изменил его конфигурацию так, чтобы он работал как более традиционный синхронный реактивный двигатель. Он обнаружил, что при 300 оборотах в минуту его новая конструкция даёт крутящий момент больше на 39% и на 31% повышает эффективность.
При 750 об./мин эффективность увеличилась на 37%. Он не мог тестировать прототип при более высоких оборотах: пластиковые детали перегревались.
Этот урок он усвоил на собственном горьком опыте, когда один из прототипов расплавился прямо на столе, рассказывает он подкасту Top of the Class.
Для сравнения: двигатель Tesla Model S может развивать скорость до 18 000 об./мин, объяснил главный конструктор двигателей компании Константинос Ласкарис в интервью 2016 года Кристиану Руоффу для журнала об электромобилях Charged.
Сэнсон подтвердил свои результаты во втором эксперименте, где «выделил теоретический принцип, согласно которому новая конструкция создаёт явно выраженные магнитные полюса». По сути, этот эксперимент исключил все другие переменные и подтвердил, что улучшения крутящего момента и эффективности в его конструкции коррелируют с бо́льшим отношением предельной и наименьшей индуктивностей.
«Он определённо правильно смотрит на вещи, — говорит Хофманн о Сэнсоне. — Есть потенциал, это может стать следующей вехой». Однако он добавляет, что многие профессора работают над исследованиями всю свою жизнь, и «в конечном счёте они довольно редко завоёвывают мир».
Хофманн говорит, что материалы для синхронных реактивных двигателей недороги, но машины сложные и, как известно, производить их трудно. Таким образом, препятствие для их широкого применения и основное ограничение для изобретения Сэнсона — высокие производственные затраты.
Сэнсон соглашается с Хофманном, но говорит: «с новыми технологиями (например, 3D‐печатью), в будущем создать двигатель было бы проще».
Сейчас Сэнсон работает над расчётами и трёхмерным моделированием 16‐й версии своего двигателя, которую он планирует построить из более прочных материалов, чтобы протестировать её на более высоких оборотах. Если его двигатель продолжит работать с высокой скоростью и эффективностью, Сэнсон продвинется вперёд в процессе патентования.
Вся экспериментальная установкаБудучи старшеклассником Центральной средней школы Форт‐Пирса, Сэнсон мечтает поступить в Массачусетский технологический институт. Его выигрыш от ISEF пойдёт на оплату обучения в колледже.
Сэнсон говорит, что изначально не планировал участвовать в конкурсе.
Но когда он узнал, что одно из его занятий позволило ему завершить годовой исследовательский проект и статью по выбранной им теме, то решил воспользоваться возможностью и продолжить работу над своим двигателем.
«Я подумал, если смогу вложить в это много энергии, то смогу также сделать это проектом научной выставки и участвовать с проектом в конкурсах», — объясняет он. После хороших результатов на районных и государственных соревнованиях он перешёл к ISEF.
Сэнсон ждёт следующего этапа испытаний, прежде чем обратиться к какой‐либо автомобильной компании, и даже надеется, что однажды его двигатель станет для электромобилей предпочтительным.
«Редкоземельные материалы в существующих электродвигателях — основная причина, подрывающая производство электромобилей. — утверждает он. — Увидеть день, когда производство электромобилей станет проще благодаря помощи моей новой конструкции двигателя, — это было бы сбывшейся мечтой».
А мы поможем прокачать ваши навыки или с самого начала освоить профессию, актуальную в любое время:
Профессия Data Scientist
Профессия «Белый» хакер
Двигатель для электромобиля в категории «Товары для детей»
Квадроцикл электрический с мотором 800W Profi HB-EATV800N-10 (MP3) V3 темно-зеленый для детей от 8 лет
Доставка по Украине
по 22 624 грн
от 2 продавцов
22 624 грн
Купить
InterTop
Квадроцикл электрический с мотором 800W Profi HB-EATV800N-3 (MP3) V3 красный для детей от 8 лет
Доставка по Украине
по 22 624 грн
от 2 продавцов
22 624 грн
Купить
InterTop
Квадроцикл электрический с мотором 800W Profi HB-EATV800N-3 V3 красный для детей от 8 лет
Доставка по Украине
по 21 623 грн
от 2 продавцов
21 623 грн
Купить
InterTop
Квадроцикл электрический с мотором 800W Profi HB-EATV800N-4 (MP3) V3 синий для детей от 8 лет
Доставка по Украине
по 22 624 грн
от 2 продавцов
22 624 грн
Купить
InterTop
Квадроцикл электрический с мотором 800W Profi HB-EATV800N-5 (MP3) V3 зеленый для детей от 8 лет
Доставка по Украине
по 22 624 грн
от 2 продавцов
22 624 грн
Купить
InterTop
Квадроцикл электрический с мотором 800W Profi HB-EATV800N-NEW8 V3 графити для детей от 8 лет
Доставка по Украине
по 21 623 грн
от 2 продавцов
21 623 грн
Купить
InterTop
Редуктор детского мотоцикла электромобиля Bambi с мотором 390 класса 15000 RPM 6V
На складе в г.
Новомосковск
Доставка по Украине
289 — 294 грн
от 2 продавцов
294 грн
Купить
Редуктор детского мотоцикла электромобиля Bambi с мотором 380 класса 16000 RPM 6V вал 10 мм
На складе
Доставка по Украине
630 грн
Купить
Редуктор детского мотоцикла электромобиля Bambi с мотором 390 класса 16500 RPM 6V
На складе
Доставка по Украине
462 грн
Купить
Редуктор детского электромобиля Bambi с мотором 380 класса 13000 RPM 6V вал 10мм
На складе
Доставка по Украине
357 грн
Купить
Редуктор детского мотоцикла электромобиля с обгонной муфтой Bambi с мотором 380 класса 16000 RPM 6V вал 10 мм
На складе
Доставка по Украине
413 — 630 грн
от 2 продавцов
630 грн
Купить
Квадроцикл электрический с мотором 36V500W SN-EA52 для детей от 8 лет черный
Доставка по Украине
по 20 500 грн
от 2 продавцов
20 500 грн
Купить
InterTop
Редуктор детского электромобиля Bambi с мотором 380 класса 14000 RPM 6V
На складе
Доставка по Украине
420 — 496 грн
от 2 продавцов
496 грн
Купить
kid-auto.
com.ua
Редуктор детского электромобиля с мотором 550 класса 11000 RPM 6V
На складе
Доставка по Украине
743 грн
Купить
kid-auto.com.ua
Редуктор детского мотоцикла электромобиля Bambi с мотором 380 класса 12000 RPM 6V
На складе
Доставка по Украине
537 грн
Купить
kid-auto.com.ua
Смотрите также
Редуктор детского мотоцикла электромобиля Bambi с мотором 390 класса 6V 18W m3680
На складе
Доставка по Украине
454 грн
Купить
kid-auto.com.ua
Звезда редуктора детского квадроцикла minimoto T8F 20T
Доставка из г. Винница
253 грн
Купить
Интернет магазин «Zap-Chast» запчасти для квадроциклов
Двигатель с редуктором и электростартером минимото 2Т 60сс на детский квадроцикл и мотоцикл, mini bike ATV
Заканчивается
Доставка по Украине
5 000 грн
Купить
Minimoto.
com.ua Все для детских мотоциклов и квадроциклов!
Рульовий редуктор M 3567-ST-GEAR для дитячого електромобіля Bambi
Доставка по Украине
384 грн
Купить
Для малят
Двигун (RS-550 6V 10000 rpm) редуктора дитячого електромобіля
Доставка по Украине
457 грн
Купить
Для малят
Рульовий редуктор з двигуном RS380 12V 6000rpm для дитячого електромобіля Bambi
Доставка по Украине
291 грн
Купить
Для малят
Двигун (RS-550 6V 14000 rpm) редуктора дитячого електромобіля
Доставка по Украине
461 грн
Купить
Для малят
Двигун редуктора RS-550 12V 10000 оборотів для дитячого електромобіля
Доставка по Украине
320 грн
Купить
Для малят
Каталка-толокар 2в1 электромобиль Jeep Bambi M 4800E с мотором и родительской ручкой
Доставка по Украине
4 204 грн
Купить
Редуктор детского мотоцикла электромобиля Bambi с мотором 390 класса 12000 RPM 12V оборотов вал 10
На складе
Доставка по Украине
630 грн
Купить
Редуктор детского мотоцикла электромобиля Bambi с мотором 380 класса 15000 RPM 12V
На складе
Доставка по Украине
378 — 413 грн
от 2 продавцов
378 грн
Купить
Редуктор детского электромобиля с мотором 550 класса 6V
На складе
Доставка по Украине
826 грн
Купить
kid-auto.
com.ua
Высокоскоростной редуктор детского электромобиля Bambi с мотором 550 класса 20000 RPM 6V
На складе в г. Харьков
Доставка по Украине
756 грн
Купить
Редуктор детского электромобиля Bambi с мотором 550 класса 12V 11000 rpm (TR446)
На складе
Доставка по Украине
от 630 грн
Купить
статей Маргарет Осборн | Смитсоновский журнал
Маргарет Осборн — независимый журналист, проживающий на юго-западе США. Ее работы были опубликованы в Sag Harbour Express и транслировались по WSHU Public Radio.
Что нужно знать о климатическом саммите COP27
Мировые лидеры собрались в Шарм-эль-Шейхе, Египет, чтобы обсудить меры по борьбе с изменением климата
Не лижи эту жабу, говорит Служба национальных парков
Жабы пустыни Сонора выделяют психоделический токсин, достаточно сильный, чтобы убить взрослую собаку
7, 2022, 4:54 p.m.»> 7 ноября 2022
3 Ученые Гипс Копии ископаемых, уничтоженных нацистами
Два слепка первого полного когда-либо обнаруженного скелета ихтиозавра были спрятаны в музейных коллекциях Берлина и Коннектикута
Прибыл первый женский аварийный манекен
Женщины чаще получают травмы в автокатастрофах, но имеющиеся в настоящее время тестовые манекены не отражают среднее женское тело
Помогите ученым составить карту морских водорослей
Новое исследование показало, что может быть крупнейшей в мире экосистемой морских водорослей: луг площадью 35 500 квадратных миль на Багамах
Некоторые морские птицы, чтобы пережить тайфун, летят прямо в него
Буревестники скорее столкнутся с сильным штормовым ветром, чем рискуют быть выброшенными на сушу
Мальчик умер от амебы, поедающей мозг, после воздействия на озеро Мид
Это третий смертельный случай в США в этом году Прошлое 100
Эти органы, которые живут более века, могут повысить возраст потенциальных доноров, возможно, сократив время ожидания жизненно важной процедуры
НАСА успешно изменила орбиту астероида
Миссия агентства DART превзошла ожидания, отметив первый раз, когда люди изменили траекторию небесного тела