Robert Sansone entwickelt Reluktanzmotor, der Elektroautoindustrie möglicherweise verändert
Vor ein paar Jahren stieß der heute 17jährige Robert Sansone auf ein Video über die Vor- und Nachteile von Elektroautos. In dem Video wurde erklärt, dass für die meisten Elektromotoren Magnete aus Seltenen Erden benötigt werden, deren Gewinnung sowohl finanziell als auch ökologisch sehr kostspielig sein kann. Die benötigten Seltenen Erden können Hunderte von Dollar pro Kilogramm kosten. Im Vergleich dazu kostet Kupfer nur 7,83 Dollar. So beginnt ein Artikel von Margaret Osborne über ein neues Motoren-Ptinzip im Smithsonian Magazine.
E-Auto – Motorraum – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
„Ich habe ein natürliches Interesse an Elektromotoren“, sagt Sansone, der sie bereits in verschiedenen Robotikprojekten eingesetzt hatte. „Ich wollte das Thema Nachhaltigkeit angehen und versuchen, einen anderen Motor zu entwickeln.“ Der Gymnasiast hatte von einer Art von Elektromotor gehört – dem Synchron-Reluktanzmotor -, der ohne diese seltenen Erden auskommt. Diese Art von Motor wird derzeit für Pumpen und Ventilatoren verwendet, ist aber nicht leistungsstark genug, um in einem Elektrofahrzeug eingesetzt zu werden. Also begann Sansone zu überlegen, wie er seine Leistung verbessern könnte.
Im Laufe eines Jahres entwickelte Sansone den Prototyp eines neuartigen Synchron-Reluktanzmotors, der eine höhere Rotationskraft – oder ein höheres Drehmoment – und einen höheren Wirkungsgrad als die bestehenden Motoren aufweist. Der Prototyp wurde aus 3-D-gedrucktem Kunststoff, Kupferdrähten und einem Stahlrotor hergestellt und mit verschiedenen Messgeräten zur Leistungsmessung und einem Lasertachometer zur Bestimmung der Motordrehzahl getestet. Seine Arbeit brachte ihm den ersten Preis und ein Preisgeld von 75.000 Dollar bei der diesjährigen Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF) ein, dem größten internationalen MINT-Wettbewerb für High Schools.
Erster Platz $75.000 George D. Yancopoulos Innovator Award – Robert Sansone erhielt den mit 75.000 Dollar dotierten George D. Yancopoulos Innovator Award. Seine Forschung verbesserte das Drehmoment und die Effizienz von Synchron-Reluktanzmotoren, die robuste, effiziente und magnetfreie Alternativen zu herkömmlichen Permanentmagnetmotoren sind. Er hofft, dass seine Forschung zur Verbreitung von Elektrofahrzeugen führen wird, die keine Magnete aus wirtschaftlich und ökologisch unhaltbaren Seltenen Erden mehr benötigen.
Die weniger nachhaltigen Dauermagnetmotoren verwenden Materialien wie Neodym, Samarium und Dysprosium, die sehr gefragt sind, weil sie in vielen verschiedenen Produkten wie Kopfhörern und Ohrhörern verwendet werden, erklärt Heath Hofmann, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Universität von Michigan. Hofmann hat sich intensiv mit Elektrofahrzeugen befasst und unter anderem Tesla bei der Entwicklung der Steuerungsalgorithmen für den Antriebsmotor beraten. „Die Zahl der Anwendungen, bei denen Magnete zum Einsatz kommen, scheint immer größer zu werden“, sagt er. „Viele der Materialien werden in China abgebaut, so dass der Preis oft von unserem Handelsstatus mit China abhängt.“ Hofmann fügt hinzu, dass Tesla seit kurzem Permanentmagnete in seinen Motoren einsetzt.
Elektromotoren nutzen rotierende elektromagnetische Felder, um einen Rotor zu drehen. Diese elektromagnetischen Felder werden durch Drahtspulen im stationären äußeren Teil des Motors, dem Stator, erzeugt. In Permanentmagnetmotoren erzeugen Magnete, die am Rand eines sich drehenden Rotors angebracht sind, ein Magnetfeld, das von den entgegengesetzten Polen des sich drehenden Feldes angezogen wird. Durch diese Anziehung wird der Rotor in Drehung versetzt.
Synchron-Reluktanzmotoren verwenden keine Magnete. Stattdessen richtet sich ein Stahlrotor mit eingeschnittenen Luftspalten auf das rotierende Magnetfeld aus. Die Reluktanz, also der Magnetismus eines Materials, ist der Schlüssel zu diesem Prozess. Wenn sich der Rotor zusammen mit dem rotierenden Magnetfeld dreht, wird ein Drehmoment erzeugt. Das Drehmoment ist umso größer, je größer das Reluktanzverhältnis, also der Unterschied im Magnetismus zwischen den Materialien (in diesem Fall Stahl und nichtmagnetische Luftspalte), ist.
Anstatt Luftspalten zu verwenden, dachte Sansone, er könnte ein weiteres Magnetfeld in einen Motor einbauen. Dadurch würde sich das Verhältnis der Ausprägung erhöhen, was wiederum zu einem höheren Drehmoment führen würde. Sein Entwurf hat noch weitere Komponenten, aber er kann keine weiteren Details preisgeben, weil er hofft, die Technologie in Zukunft patentieren zu können. Sansones neuartiger Motor übertraf einen ähnlich konzipierten herkömmlichen Synchron-Reluktanzmotor in Tests zu Drehmoment und Effizienz.
„Nachdem ich diese erste Idee hatte, musste ich einige Prototypen entwickeln, um zu sehen, ob das Design tatsächlich funktionieren würde“, sagt Sansone. „Ich habe nicht viele Ressourcen, um sehr fortschrittliche Motoren herzustellen, also musste ich eine kleinere Version – ein maßstabsgetreues Modell – mit einem 3-D-Drucker anfertigen.“ Es brauchte mehrere Prototypen, bevor er sein Design testen konnte. „Ich hatte keinen Mentor, der mir helfen konnte. Jedes Mal, wenn ein Motor ausfiel, musste ich tonnenweise recherchieren und versuchen, den Fehler zu beheben“, sagt er. „Aber beim 15. Motor gelang es mir schließlich, einen funktionierenden Prototyp zu bauen.
Sansone testete seinen Motor auf Drehmoment und Wirkungsgrad und konfigurierte ihn dann so, dass er zum Vergleich als herkömmlicher Synchron-Reluktanzmotor lief. Er stellte fest, dass seine neue Konstruktion bei 300 Umdrehungen pro Minute (U/min) ein um 39 Prozent höheres Drehmoment und einen um 31 Prozent höheren Wirkungsgrad aufwies. Bei 750 Umdrehungen pro Minute war der Wirkungsgrad um 37 Prozent höher. Er konnte seinen Prototyp nicht mit höheren Umdrehungen pro Minute testen, weil sich die Kunststoffteile überhitzen würden – eine Lektion, die er auf die harte Tour gelernt hat, als einer der Prototypen auf seinem Schreibtisch schmolz. Im Vergleich dazu kann der Motor des Tesla Model S bis zu 18.000 Umdrehungen pro Minute erreichete.
Sansone bestätigte seine Ergebnisse in einem zweiten Experiment, in dem er „das theoretische Prinzip isolierte, nach dem das neuartige Design die magnetische Ausstrahlung erzeugt“, wie es in seiner Projektpräsentation heißt. Bei diesem Experiment wurden im Wesentlichen alle anderen Variablen eliminiert, und es bestätigte sich, dass die Verbesserungen bei Drehmoment und Wirkungsgrad mit dem größeren Ausprägungsgrad seines Designs zusammenhingen. „Er betrachtet die Dinge definitiv auf die richtige Weise“, sagt Hofmann über Sansone. „Er hat das Potenzial, das nächste große Ding zu werden.“ Allerdings fügt er hinzu, dass viele Professoren ihr ganzes Leben lang an der Forschung arbeiten und es „ziemlich selten ist, dass sie am Ende die Welt erobern.“ Die Materialien für Synchron-Reluktanzmotoren seien billig, aber die Maschinen komplex und notorisch schwierig zu fertigen. Die hohen Herstellungskosten seien daher ein Hindernis für ihre breite Anwendung – und ein wichtiger limitierender Faktor für Sansones Erfindung. Sansone stimmt dem zu, meint aber: „Mit neuen Technologien wie der additiven Fertigung [z. B. 3-D-Druck] wäre es in Zukunft einfacher, sie zu konstruieren.“
Er arbeitet jetzt an den Berechnungen und der 3D-Modellierung für Version 16 seines Motors, den er aus stabileren Materialien bauen will, um ihn bei höheren Umdrehungen pro Minute testen zu können. Wenn sein Motor weiterhin mit hoher Geschwindigkeit und Effizienz arbeitet, wird er ihn als Patent anmelden.
Untersuchung einer neuartigen Konstruktion von Elektromotoren
Mit dem Ziel, mehr ökologische und wirtschaftliche Nachhaltigkeit zu erreichen, hat die Automobilindustrie begonnen, auf Elektrofahrzeuge umzusteigen (EVs). Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass die Dauermagnete in den Elektromotoren verschiedene Probleme in Bezug auf Nachhaltigkeit und Implementierung mit sich bringen. Aus diesem Grund wurden in der Literatur Motoren ohne Permanentmagnete untersucht, wobei der Synchron-Reluktanzmotor (SynRM) ein günstiges Design darstellt. SynRMs sind jedoch nur begrenzt für Elektrofahrzeuge geeignet, da ihnen die hohe magnetische Ausprägung fehlt, die erforderlich ist, um die Leistung von Permanentmagnetmotoren zu erreichen. Die Untersuchung zielte daher darauf ab, zu bewerten, wie die Drehmoment- und Wirkungsgradcharakteristiken von SynRMs durch einen neuartigen Konstruktionsansatz zur Erzeugung magnetischer Ausprägung beeinflusst werden. Im Rahmen der Untersuchung wurde der neuartige SynRM-Motor mit verschiedenen Rotorgeometrien und bei verschiedenen Drehzahlen auf sein Drehmoment und seinen Wirkungsgrad getestet. Anschließend wurde der Motor zu einem herkömmlichen SynRM umkonfiguriert und die Tests wurden wiederholt. Die Ergebnisse zeigten, dass bei den höchsten Leistungen beider Konfigurationen das Drehmoment und der Wirkungsgrad über den gesamten getesteten Drehzahlbereich bei der neuen Konfiguration höher waren. Um zu bestätigen, dass diese Leistungssteigerungen mit einer verbesserten magnetischen Ausprägung korrelieren, wurde ein weiterer Test durchgeführt, der das theoretische Prinzip, nach dem das neuartige Design arbeitet, isolierte, und diese Tests bestätigten, dass das neuartige Design die magnetische Ausprägung verbessert, insbesondere bei hohen Leistungseinstellungen. Daraus lässt sich schließen, dass das neuartige Design die magnetische Salienz von SynRMs erhöhen kann, was mit höheren Drehmoment- und Effizienzmerkmalen korreliert. Es rechtfertigt auch weitere Untersuchungen als Alternative zu Permanentmagnetmotoren in Elektrofahrzeugen.
Als Schüler der Fort Pierce Central High School träumt Sansone davon, das Massachusetts Institute of Technology zu besuchen. Sein Gewinn von der ISEF wird für die Studiengebühren verwendet. Er sagt, dass er ursprünglich nicht geplant hatte, an dem Wettbewerb teilzunehmen. Als er jedoch erfuhr, dass einer seiner Kurse ihm ein einjähriges Forschungsprojekt genehmigte und er eine Arbeit zu einem Thema seiner Wahl schreiben konnte, beschloss er, die Gelegenheit zu nutzen, um weiter an seinem Motor zu arbeiten. „Ich dachte, wenn ich schon so viel Energie hineinstecken kann, dann kann ich auch gleich ein Forschungsprojekt daraus machen und damit an einem Wettbewerb teilnehmen“, erklärt er. Nachdem er bei den Bezirks- und Landeswettbewerben gut abgeschnitten hatte, nahm er an der ISEF teil.
Sansone wartet die nächste Testphase ab, bevor er sich an Autofirmen wendet, aber er hofft, dass sein Motor eines Tages das Design der Wahl für Elektrofahrzeuge sein wird. „Seltene Erden in bestehenden Elektromotoren sind ein wichtiger Faktor, der die Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugen untergräbt“, sagt er. „Es wäre ein wahrgewordener Traum, den Tag zu erleben, an dem Elektrofahrzeuge mit Hilfe meines neuartigen Motorendesigns vollständig nachhaltig sind“.
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