Robert Sansone, ein 17-jähriger, entwickelte einen funktionierenden Prototyp eines bahnbrechenden Synchron-Reluktanzmotors für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.Die diesjährige Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF), der weltweit größte MINT-Wettbewerb für High Schools, verlieh ihm den ersten Platz (und 75.000 US-Dollar) für seine Arbeit.Robert Sansone ist ein geborener Ingenieur.Der Erfinder aus Fort Pierce, Florida, hat in seiner Freizeit an mindestens sechzig Ingenieurprojekten gearbeitet, von Roboterhänden über Hochgeschwindigkeits-Laufstiefel bis hin zu einem Go-Kart, das mehr als 70 Meilen pro Stunde erreichen kann.Sansone stolperte vor ein paar Jahren über ein Video, in dem die Vor- und Nachteile von Elektrofahrzeugen diskutiert wurden.Dem Video zufolge verwenden die meisten Elektroautomotoren Elemente der Seltenen Erden, deren Gewinnung finanziell und ökologisch kostspielig ist.Ein Kilogramm der benötigten Seltenerdmaterialien kann mehrere hundert Dollar kosten.Kupfer hingegen ist 7,83 $ pro kg wert.„Ich habe ein natürliches Interesse an Elektromotoren.Also wollte ich dieses Nachhaltigkeitsproblem angehen und versuchen, einen anderen Motor zu entwickeln“, erklärte Sansone.Der Gymnasiast hatte von Synchronreluktanzmotoren gehört, die diese seltenen Erden nicht verwenden.Dieser Motortyp wird derzeit in Lüftern und Pumpen eingesetzt, hat jedoch nicht die Leistung, die für ein Elektrofahrzeug erforderlich ist, wenn er alleine verwendet wird.Daher begann Sansone, Ideen zur Verbesserung seiner Leistung zu formulieren.Sansone verbrachte ein Jahr mit der Entwicklung eines Prototyps eines neuen Synchronreluktanzmotors, der effizienter war und mehr Rotationskraft (oder Drehmoment) hatte als bestehende Modelle.Zunächst wurde der Prototyp aus 3-D-gedrucktem Kunststoff, Kupferdrähten und einem Stahlrotor konstruiert.Dann wurde es mit verschiedenen Messgeräten zur Messung der Leistung und einem Laser-Tachometer zur Messung der Motordrehzahl getestet.Heath Hofmann, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der University of Michigan, erklärt, dass die weniger umweltfreundlichen Permanentmagnetmotoren Materialien wie Samarium, Neodym und Dysprosium verwenden.Diese sind sehr gefragt, da sie in vielen verschiedenen Produkten verwendet werden, darunter Kopfhörer und Ohrstöpsel.Darüber hinaus verfügt Hofmann über umfangreiche Erfahrung mit Elektrofahrzeugen, einschließlich der Zusammenarbeit mit Tesla bei der Entwicklung von Steueralgorithmen für dessen Antriebssystem.Laut Hofmann hat Tesla kürzlich damit begonnen, Permanentmagnete in seinen Motoren zu verwenden.„Die Zahl der Anwendungen, die Magnete verwenden, scheint immer größer zu werden.Viele Materialien werden in China abgebaut, daher kann der Preis oft von unserem Handelsstatus mit China abhängen.“Der Rotor eines Elektromotors wird durch rotierende elektromagnetische Felder gedreht.Die Drahtspulen erzeugen diese elektromagnetischen Felder im Stator, dem feststehenden äußeren Teil des Motors.Bei Permanentmagnetmotoren erzeugen am Rand des Rotors befestigte Magnete ein Magnetfeld, das zu den entgegengesetzten Polen des Felds gezogen wird.Dieser Zug bewirkt, dass sich der Rotor dreht.Magnete werden in Synchronreluktanzmotoren nicht verwendet.Stattdessen richtet sich ein Stahlrotor mit darin eingravierten Lufträumen nach dem rotierenden Magnetfeld aus.Der Schlüssel zu diesem Verfahren ist die Zurückhaltung oder der Magnetismus eines Materials.Drehmoment wird erzeugt, wenn sich der Rotor zusammen mit dem Magnetfeld dreht.Mehr Drehmoment wird erzeugt, wenn ein größeres Ausprägungsverhältnis oder ein größerer Unterschied im Magnetismus zwischen zwei Materialien besteht (in diesem Fall die nichtmagnetischen Lufträume und Stahl).Sansone kam zu dem Schluss, dass er in einem Motor ein zusätzliches Magnetfeld aufbauen könnte, anstatt Luftspalte zu verwenden.Dies würde das Ausprägungsverhältnis erhöhen, was zu einem höheren Drehmoment führen würde.Andere Komponenten sind in seinem Design enthalten, aber er kann sie nicht preisgeben, da er beabsichtigt, die Technologie in Zukunft zu patentieren.„Sobald ich diese erste Idee hatte, musste ich einige Prototypen erstellen, um zu sehen, ob dieses Design tatsächlich funktionieren würde.Aber leider habe ich nicht viele Ressourcen, um sehr fortschrittliche Motoren herzustellen, also musste ich eine kleinere Version – ein maßstabsgetreues Modell – mit einem 3D-Drucker herstellen.“Bevor er sein Design testete, musste er mehrere Prototypen herstellen.„Ich hatte keinen Mentor, der mir half, also musste ich jedes Mal, wenn ein Motor ausfiel, jede Menge Nachforschungen anstellen und versuchen, den Fehler zu beheben.Aber schließlich, am 15. Motor, konnte ich einen funktionierenden Prototyp bekommen“, erklärte er.Sansone hat seinen Motor Drehmoment- und Effizienztests unterzogen, bevor er zum Vergleich neu verdrahtet wurde, um als konventionellerer Synchron-Reluktanzmotor zu arbeiten.Bei 300 Umdrehungen pro Minute (RPM) entdeckte er, dass sein innovatives Design 39 % mehr Drehmoment und 31 % mehr Effizienz aufwies.Unterdessen war es bei 750 U / min um 37% effizienter.Gegenüber Top of the Class, einem von Crimson Education produzierten Podcast, erklärt er jedoch, dass er seinen Prototypen nicht mit höheren Umdrehungen pro Minute testen könne, weil die Plastikteile überhitzen würden.Er entdeckte diese Lektion auf die harte Tour, als einer seiner Prototypen auf seinem Schreibtisch schmolz.Im Gegensatz dazu kann der Motor des Model S von Tesla bis zu 18.000 U / min drehen, so Konstantinos Laskaris, der leitende Motordesigner des Unternehmens, der 2016 mit Christian Ruoff vom Elektrofahrzeugmagazin „Charged“ sprach.In einem zweiten Experiment bestätigte Sansone seine Ergebnisse und isolierte laut seiner Projektpräsentation „das theoretische Prinzip, unter dem das einzigartige Design magnetische Ausprägung erzeugt“.Dieses Experiment schloss alle anderen potenziellen Faktoren effektiv aus und bewies, dass das erhöhte Drehmoment und die höhere Effizienz seines Designs auf sein höheres Ausgeprägtheitsverhältnis zurückzuführen waren.„Er sieht die Dinge definitiv richtig.Es besteht das Potenzial, dass es das nächste große Ding werden könnte“, sagte Hofmann über Sansone.Allerdings, so fährt er fort, verbringen viele Professoren ihr ganzes Leben mit Forschung, und es komme „sehr selten vor, dass sie am Ende die Weltherrschaft übernehmen“.Laut Hofmann sind die Materialien für Synchronreluktanzmotoren kostengünstig, aber die Maschinen sind kompliziert und schwierig zu bauen.Daher stellen ihre hohen Herstellungskosten ein Hindernis für ihre weit verbreitete Verwendung dar – und eine erhebliche Einschränkung für die Entwicklung von Sansone.Sansone stimmt dem zu, merkt aber an, dass „es mit neuen Technologien wie der additiven Fertigung [wie dem 3-D-Druck] in Zukunft einfacher zu konstruieren wäre“.Sansone arbeitet derzeit an Berechnungen und 3-D-Modellen für Version 16 seines Motors, den er aus robusteren Materialien herstellen will, um ihn bei höheren Umdrehungen pro Minute zu testen.Er sagt, er werde mit dem Patentierungsprozess fortfahren, wenn sein Synchronmotor weiterhin schnell und effizient arbeitet.Sansone hofft, nach Abschluss seines Abschlussjahres an der Fort Pierce Central High School das MIT besuchen zu können.Er wird sein ISEF-Preisgeld verwenden, um seine Studiengebühren zu bezahlen.Sansone behauptet, er habe ursprünglich nicht beabsichtigt, an dem Wettbewerb teilzunehmen.Aber als er entdeckte, dass einer seiner Kurse ihm erlaubte, ein einjähriges Forschungsprojekt und eine Arbeit zu einem Thema seiner Wahl zu machen, beschloss er, die Chance zu nutzen, um weiter an seinem neuartigen Motor zu arbeiten.„Ich dachte, wenn ich in der Lage bin, so viel Energie hineinzustecken, könnte ich es genauso gut zu einem wissenschaftlich fairen Projekt machen und damit konkurrieren“, erklärte er.Infolgedessen stieg er nach guten Leistungen bei den Distrikt- und Landeswettbewerben zum ISEF auf.„Seltenerdmaterialien in bestehenden Elektromotoren sind ein wesentlicher Faktor, der die Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugen untergräbt.Den Tag zu sehen, an dem Elektrofahrzeuge dank meines neuartigen Motordesigns vollständig nachhaltig sind, wäre ein Traum, der wahr wird.“Sansone plant, sich nach seiner nächsten Testrunde an die Autohersteller zu wenden, aber er hofft, dass sein Motor schließlich zum Standard für Elektrofahrzeuge wird.