Deze 17-jarige ontwierp een motor die de elektrische auto-industrie potentieel zou kunnen transformeren

Het onderzoek van Robert Sansone zou de weg kunnen vrijmaken voor de duurzame productie van elektrische voertuigen die geen zeldzame-aardemagneten nodig hebben.

Robert Sansone is een geboren ingenieur. Van animatronische handen tot razendsnelle hardloopschoenen en een skelter die snelheden van meer dan 110 kilometer per uur kan bereiken , schat de uitvinder uit Fort Pierce, Florida, dat hij in zijn vrije tijd minstens 60 technische projecten heeft voltooid. En hij is pas 17 jaar oud.

Een paar jaar geleden kwam Sansone een video tegen over de voor- en nadelen van elektrische auto’s. De video legde uit dat de meeste motoren van elektrische auto’s magneten vereisen die gemaakt zijn van zeldzame aardmetalen. De winning ervan kan zowel financieel als ecologisch duur zijn. De benodigde zeldzame aardmetalen kunnen honderden dollars per kilo kosten. Ter vergelijking: koper is $ 7,83 per kilo waard .

Interesse in elektromotoren

“Ik heb een natuurlijke interesse in elektromotoren”, zegt Sansone, die ze in verschillende roboticaprojecten heeft gebruikt. “Met dat duurzaamheidsprobleem wilde ik het aanpakken en proberen een andere motor te ontwerpen.”

De middelbare scholier had gehoord van een type elektromotor – de synchrone reluctantiemotor – die deze zeldzame aardmetalen niet gebruikt. Dit type motor wordt momenteel gebruikt voor pompen en ventilatoren, maar is op zichzelf niet krachtig genoeg voor gebruik in een elektrisch voertuig. Dus begon Sansone te brainstormen over manieren om de prestaties ervan te verbeteren.

In de loop van een jaar ontwikkelde Sansone een prototype van een nieuwe synchrone reluctantiemotor met een hogere rotatiekracht – of koppel – en een hoger rendement dan bestaande motoren. Het prototype was gemaakt van 3D-geprint plastic, koperdraden en een stalen rotor en werd getest met diverse meters om het vermogen te meten en een lasertachometer om de rotatiesnelheid van de motor te bepalen. Zijn werk leverde hem de eerste prijs en een prijzenpot van $ 75.000 op tijdens de Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF) van dit jaar, de grootste internationale STEM-wedstrijd voor middelbare scholieren.

De minder duurzame permanente magneetmotoren maken gebruik van materialen zoals neodymium, samarium en dysprosium, die zeer gewild zijn omdat ze in veel verschillende producten worden gebruikt, waaronder koptelefoons en oordopjes, legt Heath Hofmann uit, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Michigan. Hofmann heeft uitgebreid gewerkt aan elektrische voertuigen, onder meer als adviseur voor Tesla bij de ontwikkeling van de besturingsalgoritmen voor de aandrijving.

“Het aantal toepassingen waarbij magneten worden gebruikt, lijkt steeds groter te worden”, zegt hij. “Veel van de materialen worden in China gewonnen, dus de prijs hangt vaak af van onze handelsstatus met China.” Hofmann voegt eraan toe dat Tesla onlangs is begonnen met het gebruik van permanente magneten in zijn motoren.

Elektromotoren gebruiken roterende elektromagnetische velden om een ​​rotor te laten draaien. Draadspoelen in het stationaire buitenste deel van de motor, de stator, produceren deze elektromagnetische velden. In permanente-magneetmotoren wekken magneten die aan de rand van een draaiende rotor zijn bevestigd een magnetisch veld op dat wordt aangetrokken door de tegengestelde polen van het draaiende veld. Deze aantrekkingskracht laat de rotor draaien.

Synchrone reluctantiemotoren gebruiken geen magneten. In plaats daarvan richt een stalen rotor met luchtspleten zich uit naar het roterende magnetische veld. Reluctantie, oftewel het magnetisme van een materiaal, is essentieel voor dit proces. Terwijl de rotor meedraait met het roterende magnetische veld, ontstaat er koppel. Er ontstaat meer koppel wanneer de saliency ratio, oftewel het verschil in magnetisme tussen de materialen (in dit geval het staal en de niet-magnetische luchtspleten), groter is.

In plaats van luchtspleten te gebruiken, dacht Sansone dat hij een extra magnetisch veld in een motor kon inbouwen. Dit zou de saliency ratio verhogen en zo meer koppel genereren. Zijn ontwerp bevat andere componenten, maar hij kan geen verdere details prijsgeven omdat hij hoopt de technologie in de toekomst te patenteren.

“Toen ik eenmaal dit eerste idee had, moest ik een prototype maken om te kijken of dat ontwerp ook echt zou werken”, zegt Sansone. “Ik heb niet veel middelen om zeer geavanceerde motoren te maken, dus moest ik een kleinere versie – een schaalmodel – maken met een 3D-printer.”

Pas na meerdere prototypes kon hij zijn ontwerp testen.

“Ik had eigenlijk geen mentor die me kon helpen, dus elke keer dat een motor het begaf, moest ik enorm veel onderzoek doen en proberen te achterhalen wat er mis was gegaan”, zegt hij. “Maar uiteindelijk lukte het me om met de vijftiende motor een werkend prototype te maken.”

Sansone testte zijn motor op koppel en efficiëntie en herconfigureerde hem vervolgens om hem als een traditionelere synchrone reluctantiemotor te laten draaien ter vergelijking. Hij ontdekte dat zijn nieuwe ontwerp een 39 procent hoger koppel en een 31 procent hoger rendement had bij 300 toeren per minuut (RPM). Bij 750 toeren per minuut presteerde de motor 37 procent efficiënter. Hij kon zijn prototype niet testen bij hogere toeren per minuut omdat de plastic onderdelen oververhit zouden raken – een les die hij op de harde manier leerde toen een van de prototypes op zijn bureau smolt, vertelt hij aan Top of the Class , een podcast van Crimson Education.

Vergelijking met een Tesla

Ter vergelijking: de motor van de Tesla Model S kan een toerental bereiken van 18.000 toeren per minuut, legde Konstantinos Laskaris, hoofdontwerper van de motor bij het bedrijf, uit in een interview uit 2016 met Christian Ruoff van het tijdschrift voor elektrische voertuigen Charged.

Sansone valideerde zijn resultaten in een tweede experiment, waarin hij “het theoretische principe isoleerde op basis waarvan het nieuwe ontwerp magnetische saillantie creëert”, aldus zijn projectpresentatie . In wezen elimineerde dit experiment alle andere variabelen en bevestigde het dat de verbeteringen in koppel en efficiëntie gecorreleerd waren met de grotere saillantieverhouding van zijn ontwerp.

“Hij bekijkt de dingen absoluut op de juiste manier”, zegt Hofmann over Sansone. “Er is een kans dat dit de volgende grote doorbraak wordt.” Hij voegt eraan toe dat veel professoren hun hele leven aan onderzoek werken, en dat het “vrij zeldzaam is dat ze uiteindelijk de wereld overnemen”.

Hofmann zegt dat de materialen voor synchrone reluctantiemotoren goedkoop zijn, maar dat de machines complex en notoir moeilijk te produceren zijn. De hoge productiekosten vormen daarom een ​​belemmering voor hun wijdverbreide toepassing – en een belangrijke beperkende factor voor Sansone’s uitvinding.

Sansone is het daarmee eens, maar zegt: “met nieuwe technologieën zoals additieve productie [zoals 3D-printen] zou het in de toekomst makkelijker zijn om het te bouwen.”

Sansone werkt nu aan berekeningen en 3D-modellering voor versie 16 van zijn motor, die hij van stevigere materialen wil maken zodat hij hem kan testen bij hogere toerentallen. Als zijn motor met hoge snelheid en efficiëntie blijft presteren, zegt hij dat hij doorgaat met de patentaanvraag.