การวิจัยของ Robert Sansone สามารถปูทางสำหรับการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าที่ยั่งยืนซึ่งไม่ต้องการแม่เหล็กที่หายาก
Robert Sansone เป็นวิศวกรโดยกำเนิด ตั้งแต่มือแอนิมาโทรนิกไปจนถึงรองเท้าวิ่งความเร็วสูงและโกคาร์ทที่สามารถทำความเร็วได้มากกว่า70 ไมล์ต่อชั่วโมงนักประดิษฐ์จาก Fort Pierce ในฟลอริดาประมาณการว่าเขาได้ทำโครงการด้านวิศวกรรมอย่างน้อย 60 โครงการในเวลาว่าง และเขาอายุเพียง 17 ปี
เมื่อสองสามปีที่แล้ว Sansone เจอวิดีโอเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสียของรถยนต์ไฟฟ้า วิดีโออธิบายว่ามอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ต้องการแม่เหล็กที่ทำจากธาตุหายาก ซึ่งอาจมีค่าใช้จ่ายสูง ทั้งในด้านการเงินและสิ่งแวดล้อม ในการสกัด วัสดุแรร์เอิร์ธที่จำเป็นอาจมีราคาหลายร้อยเหรียญต่อกิโลกรัม ในการเปรียบเทียบ ทองแดงมีมูลค่า 7.83 ดอลลาร์ ต่อกิโลกรัม
“ฉันมีความสนใจโดยธรรมชาติในมอเตอร์ไฟฟ้า” Sansone ผู้ซึ่งเคยใช้มอเตอร์เหล่านี้ในโครงการหุ่นยนต์ต่างๆ กล่าว “ด้วยปัญหาด้านความยั่งยืนนั้น ผมต้องการจัดการมัน และลองออกแบบมอเตอร์ตัวอื่น”
เด็กมัธยมปลายเคยได้ยินเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้าชนิดหนึ่ง—มอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบซิงโครนัส—ที่ไม่ใช้วัสดุหายากเหล่านี้ ปัจจุบัน มอเตอร์ชนิดนี้ใช้สำหรับปั๊มและพัดลม แต่ไม่มีกำลังเพียงพอสำหรับใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า ดังนั้น Sansone จึงเริ่มระดมความคิดหาวิธีปรับปรุงประสิทธิภาพ
ตลอดระยะเวลาหนึ่งปี Sansone ได้สร้างต้นแบบของมอเตอร์รีลักแตนซ์ซิงโครนัสแบบใหม่ที่มีแรงหมุนหรือแรงบิดและประสิทธิภาพมากกว่าที่มีอยู่ ต้นแบบนี้ทำจากพลาสติกพิมพ์ 3 มิติ ลวดทองแดง และโรเตอร์เหล็ก และทดสอบโดยใช้เครื่องวัดที่หลากหลายเพื่อวัดกำลัง และเครื่องวัดวามเร็วแบบเลเซอร์เพื่อกำหนดความเร็วในการหมุนของมอเตอร์ งานของเขาทำให้เขาได้รับรางวัลที่หนึ่ง และเงินรางวัล 75,000 ดอลลาร์ ที่งานRegeneron International Science and Engineering Fair (ISEF) ประจำปีนี้ ซึ่งเป็นการแข่งขัน STEM ระดับมัธยมศึกษาตอนปลายระดับนานาชาติที่ใหญ่ที่สุด
มอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่มีความยั่งยืนน้อยกว่าใช้วัสดุ เช่น นีโอไดเมียม ซาแมเรียม และดิสโพรเซียม ซึ่งเป็นที่ต้องการสูงเนื่องจากใช้ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ มากมาย รวมถึงหูฟังและเอียร์บัด Heath Hofmann ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของมหาวิทยาลัยอธิบาย ของรัฐมิชิแกน Hofmann ได้ทำงานอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับยานพาหนะไฟฟ้า รวมถึงการปรึกษากับ Tesla เพื่อพัฒนาอัลกอริธึมการควบคุมสำหรับการขับเคลื่อนด้วย
“จำนวนแอพพลิเคชั่นที่ใช้แม่เหล็กดูเหมือนจะเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ ” เขากล่าว “วัสดุจำนวนมากถูกขุดในประเทศจีน และราคามักจะขึ้นอยู่กับสถานะการค้าของเรากับจีน” Hofmann เสริมว่า Tesla เพิ่งเริ่มใช้แม่เหล็กถาวรในมอเตอร์ของตน
มอเตอร์ไฟฟ้าใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าหมุนเพื่อหมุนโรเตอร์ ขดลวดในส่วนนอกของมอเตอร์ที่อยู่นิ่งซึ่งเรียกว่าสเตเตอร์ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้ ในมอเตอร์แม่เหล็กถาวร แม่เหล็กที่ติดอยู่ที่ขอบของโรเตอร์หมุนจะสร้างสนามแม่เหล็กที่ดึงดูดไปยังขั้วตรงข้ามบนสนามปั่น แรงดึงดูดนี้หมุนโรเตอร์
มอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบซิงโครนัสไม่ใช้แม่เหล็ก โรเตอร์เหล็กที่มีช่องว่างอากาศตัดเข้าไปจะอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็กที่หมุนอยู่ ความลังเลหรือแรงดึงดูดของวัสดุเป็นกุญแจสำคัญในกระบวนการนี้ ขณะที่โรเตอร์หมุนไปพร้อมกับสนามแม่เหล็กที่หมุนอยู่ แรงบิดก็ถูกสร้างขึ้น แรงบิดมากขึ้นจะเกิดขึ้นเมื่ออัตราส่วนความเค็มหรือความแตกต่างของสนามแม่เหล็กระหว่างวัสดุต่างๆ (ในกรณีนี้ คือ เหล็กและช่องว่างอากาศที่ไม่ใช่แม่เหล็ก) มากกว่า
แทนที่จะใช้ช่องว่างอากาศ Sansone คิดว่าเขาสามารถรวมสนามแม่เหล็กอื่นเข้ากับมอเตอร์ได้ สิ่งนี้จะเพิ่มอัตราส่วนความโดดเด่นและในทางกลับกันก็ให้แรงบิดมากขึ้น การออกแบบของเขามีส่วนประกอบอื่นๆ แต่เขาไม่สามารถเปิดเผยรายละเอียดเพิ่มเติมได้อีก เนื่องจากเขาหวังว่าจะจดสิทธิบัตรเทคโนโลยีนี้ในอนาคต
“เมื่อฉันมีความคิดเริ่มต้นนี้แล้ว ฉันต้องทำต้นแบบบางอย่างเพื่อลองดูว่าการออกแบบนั้นจะใช้งานได้จริงหรือไม่” Sansone กล่าว “ฉันไม่มีทรัพยากรมากมายสำหรับการผลิตมอเตอร์ที่ล้ำหน้ามาก ดังนั้นฉันจึงต้องทำรุ่นที่เล็กกว่า—แบบจำลองมาตราส่วน—โดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ”
ต้องใช้ต้นแบบหลายตัวก่อนที่เขาจะสามารถทดสอบการออกแบบของเขาได้
“ฉันไม่มีพี่เลี้ยงที่จะช่วยฉันจริงๆ ดังนั้นทุกครั้งที่มอเตอร์ทำงานล้มเหลว ฉันต้องทำวิจัยมากมายและพยายามแก้ไขปัญหาสิ่งที่ผิดพลาด” เขากล่าว “แต่สุดท้ายในมอเตอร์ตัวที่ 15 ฉันก็ได้ต้นแบบที่ใช้งานได้”
Sansone ทดสอบมอเตอร์ของเขาเพื่อหาแรงบิดและประสิทธิภาพ จากนั้นจึงกำหนดค่าใหม่เพื่อให้ทำงานเป็นมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบซิงโครนัสแบบดั้งเดิมสำหรับการเปรียบเทียบ เขาพบว่าการออกแบบใหม่ของเขามีแรงบิดเพิ่มขึ้น 39 เปอร์เซ็นต์และประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 31% ที่ 300 รอบต่อนาที (RPM) ที่ 750 รอบต่อนาที ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 37 เปอร์เซ็นต์ เขาไม่สามารถทดสอบต้นแบบของเขาด้วยความเร็วรอบต่อนาทีที่สูงขึ้นได้ เนื่องจากชิ้นพลาสติกจะร้อนเกินไป ซึ่งเป็นบทเรียนที่เขาได้เรียนรู้ถึงความยากลำบากเมื่อต้นแบบตัวหนึ่งละลายบนโต๊ะของเขา เขาบอกกับ Top of the Classซึ่งเป็นพอดคาสต์ที่ผลิตโดย Crimson Education
ในการเปรียบเทียบ มอเตอร์ Model S ของ Tesla สามารถเข้าถึง 18,000 RPM ได้ Konstantinos Laskaris ผู้ออกแบบมอเตอร์หลักของบริษัทอธิบายในการให้สัมภาษณ์กับ Christian Ruoff ของนิตยสารรถยนต์ไฟฟ้าCharged ในปี 2016
Sansone ตรวจสอบผลลัพธ์ของเขาในการทดลองครั้งที่สอง ซึ่งเขา “แยกหลักการทางทฤษฎีซึ่งการออกแบบใหม่นี้สร้างความโดดเด่นทางแม่เหล็ก” ตามการนำเสนอ โครงการของ เขา โดยพื้นฐานแล้ว การทดลองนี้ขจัดตัวแปรอื่นๆ ทั้งหมด และยืนยันว่าการปรับปรุงแรงบิดและประสิทธิภาพมีความสัมพันธ์กับอัตราส่วนความโดดเด่นที่มากขึ้นของการออกแบบของเขา
“เขามองสิ่งต่าง ๆ อย่างถูกวิธี” ฮอฟมันน์กล่าวถึงซานโซน “มีความเป็นไปได้ที่มันจะเป็นสิ่งที่ยิ่งใหญ่ต่อไป” แม้ว่าเขากล่าวเสริมว่าอาจารย์หลายคนทำงานค้นคว้ามาทั้งชีวิต และ “หายากทีเดียวที่พวกเขาจะได้ครองโลก”
Hofmann กล่าวว่าวัสดุสำหรับมอเตอร์รีลักแตนซ์แบบซิงโครนัสมีราคาถูก แต่เครื่องจักรนั้นซับซ้อนและขึ้นชื่อได้ยาก ต้นทุนการผลิตที่สูงจึงเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานอย่างแพร่หลาย และเป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญต่อการประดิษฐ์ของ Sansone
Sansone เห็นด้วย แต่กล่าวว่า “ด้วยเทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น การผลิตแบบเพิ่มเนื้อ [เช่นการพิมพ์ 3 มิติ] จะสร้างได้ง่ายขึ้นในอนาคต”
ตอนนี้ Sansone กำลังทำงานเกี่ยวกับการคำนวณและการสร้างแบบจำลอง 3 มิติสำหรับมอเตอร์เวอร์ชัน 16 ของเขา ซึ่งเขาวางแผนที่จะสร้างจากวัสดุที่แข็งแรงขึ้นเพื่อที่เขาจะได้ทดสอบด้วยความเร็วรอบต่อนาทีที่สูงขึ้น หากมอเตอร์ของเขายังคงทำงานด้วยความเร็วและประสิทธิภาพสูง เขากล่าวว่าเขาจะก้าวไปข้างหน้าด้วยกระบวนการจดสิทธิบัตร
ในฐานะรุ่นพี่ที่กำลังเติบโตที่โรงเรียนมัธยมกลางฟอร์ตเพียร์ซ แซนโซนมีความฝันที่จะเข้าเรียนที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ เงินรางวัลของเขาจาก ISEF จะนำไปเป็นค่าเล่าเรียนของวิทยาลัย
Sansone กล่าวว่าเขาไม่ได้ตั้งใจจะเข้าร่วมการแข่งขันในตอนแรก แต่เมื่อเขารู้ว่าชั้นเรียนใดวิชาหนึ่งของเขาอนุญาตให้เขาทำโครงงานวิจัยเป็นเวลาหนึ่งปีและเขียนบทความเกี่ยวกับหัวข้อที่เขาเลือกได้สำเร็จ เขาจึงตัดสินใจใช้โอกาสนี้ทำงานเกี่ยวกับยานยนต์ของเขาต่อไป
“ฉันคิดว่าถ้าฉันสามารถใส่พลังงานมากขนาดนี้ลงไปได้ ฉันอาจจะทำให้มันเป็นโครงการวิทยาศาสตร์ที่ยุติธรรมและแข่งขันกับมันได้” เขาอธิบาย หลังจากทำได้ดีในการแข่งขันระดับเขตและระดับรัฐ เขาก็ก้าวสู่ ISEF
Sansone กำลังรอการทดสอบในขั้นต่อไปของเขาก่อนที่จะเข้าใกล้บริษัทรถยนต์ใดๆ แต่เขาหวังว่าวันหนึ่งมอเตอร์ของเขาจะเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า
