Les recherches de Robert Sansone pourraient ouvrir la voie à la fabrication durable de véhicules électriques qui ne nécessitent pas d’aimants de terres rares
Robert Sansone est un ingénieur de naissance. Des mains animatroniques aux bottes de course à grande vitesse et un kart à pédales pouvant atteindre des vitesses de plus de 70 km/h, l’inventeur basé à Fort Pierce, en Floride, estime qu’il a réalisé au moins 60 projets d’ingénierie dans ses temps libres. Et il n’a que 17 ans.
Il y a quelques années, Sansone est tombé sur une vidéo sur les avantages et les inconvénients des voitures électriques. La vidéo explique que la plupart des moteurs de voitures électriques nécessitent des aimants fabriqués à partir d’éléments de terres rares, qui peuvent être coûteux, à la fois financièrement et écologiquement, à extraire. Les matériaux de terres rares nécessaires peuvent coûter des centaines de dollars par kilogramme. En comparaison, le cuivre vaut 7,83 $ le kilogramme.
« J’ai un intérêt naturel pour les moteurs électriques », explique Sansone, qui les avait utilisés dans différents projets de robotique. « Avec ce problème de durabilité, je voulais m’y attaquer et essayer de concevoir un moteur différent. »
Le lycéen avait entendu parler d’un type de moteur électrique – le moteur synchrone à réluctance – qui n’utilise pas ces matériaux de terres rares. Ce type de moteur est actuellement utilisé pour les pompes et les ventilateurs, mais il n’est pas assez puissant en soi pour être utilisé dans un véhicule électrique. Sansone a donc commencé à réfléchir à des moyens d’améliorer ses performances.
Au cours d’une année, Sansone a créé un prototype d’un nouveau moteur à réluctance synchrone qui avait une force de rotation – ou couple – et une efficacité supérieures à celles existantes. Le prototype a été fabriqué à partir de plastique imprimé en 3D, de fils de cuivre et d’un rotor en acier et testé à l’aide d’une variété de compteurs pour mesurer la puissance et d’un tachymètre laser pour déterminer la vitesse de rotation du moteur. Son travail lui a valu le premier prix et 75 000 $ en gains à la Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF) de cette année, le plus grand concours international de STIM pour les écoles secondaires.
Les moteurs à aimants permanents moins durables utilisent des matériaux tels que le néodyme, le samarium et le dysprosium, qui sont très demandés car ils sont utilisés dans de nombreux produits différents, y compris les écouteurs et les écouteurs, explique Heath Hofmann, professeur de génie électrique et informatique à l’Université du Michigan. Hofmann a beaucoup travaillé sur les véhicules électriques, notamment en consultant Tesla pour développer les algorithmes de contrôle de son entraînement de propulsion.
« Le nombre d’applications qui utilisent des aimants semble devenir de plus en plus grand », dit-il. « Beaucoup de matériaux sont extraits en Chine, et donc le prix peut souvent dépendre de notre statut commercial avec la Chine. » Hofmann ajoute que Tesla a récemment commencé à utiliser des aimants permanents dans ses moteurs.
Les moteurs électriques utilisent des champs électromagnétiques rotatifs pour faire tourner un rotor. Les bobines de fil dans la partie extérieure stationnaire du moteur, appelée stator, produisent ces champs électromagnétiques. Dans les moteurs à aimants permanents, les aimants attachés au bord d’un rotor en rotation produisent un champ magnétique qui est attiré par les pôles opposés sur le champ de rotation. Cette attraction fait tourner le rotor.
Les moteurs à réluctance synchrone n’utilisent pas d’aimants. Au lieu de cela, un rotor en acier avec des trous d’air coupés s’aligne sur le champ magnétique en rotation. La réticence, ou le magnétisme d’un matériau, est la clé de ce processus. Lorsque le rotor tourne avec le champ magnétique en rotation, un couple est produit. Plus de couple est produit lorsque le rapport de saillance, ou la différence de magnétisme entre les matériaux (dans ce cas, l’acier et les espaces d’air non magnétiques), est plus grand.
Au lieu d’utiliser des trous d’air, Sansone pensait pouvoir incorporer un autre champ magnétique dans un moteur. Cela augmenterait ce rapport de saillance et, à son tour, produirait plus de couple. Sa conception a d’autres composants, mais il ne peut pas divulguer plus de détails car il espère breveter la technologie à l’avenir.
« Une fois que j’ai eu cette idée initiale, j’ai dû faire du prototypage pour essayer de voir si cette conception fonctionnerait réellement », explique Sansone. « Je n’ai pas beaucoup de ressources pour fabriquer des moteurs très avancés, et j’ai donc dû créer une version plus petite – une maquette à l’échelle – à l’aide d’une imprimante 3D. »
Il a fallu plusieurs prototypes avant qu’il puisse tester sa conception.
« Je n’avais pas de mentor pour m’aider, vraiment, alors chaque fois qu’un moteur tombait en panne, je devais faire des tonnes de recherches et essayer de dépanner ce qui n’allait pas », dit-il. « Mais finalement, sur le 15ème moteur, j’ai pu obtenir un prototype fonctionnel. »
Sansone a testé son moteur pour le couple et l’efficacité, puis l’a reconfiguré pour fonctionner comme un moteur à réluctance synchrone plus traditionnel à des fins de comparaison. Il a constaté que sa nouvelle conception présentait un couple supérieur de 39% et une efficacité supérieure de 31% à 300 tours par minute (RPM). À 750 tr / min, il a fonctionné avec une efficacité supérieure de 37%. Il ne pouvait pas tester son prototype à des tours plus élevés par minute parce que les morceaux de plastique surchaufferaient – une leçon qu’il a apprise à ses dépens lorsque l’un des prototypes a fondu sur son bureau, raconte-t-il à Top of the Class, un podcast produit par Crimson Education.
En comparaison, le moteur Model S de Tesla peut atteindre jusqu’à 18 000 tr / min, a expliqué le principal concepteur de moteurs de la société, Konstantinos Laskaris, dans une interview de 2016 avec Christian Ruoff du magazine de véhicules électriques Charged.
Sansone a validé ses résultats dans une deuxième expérience, dans laquelle il a « isolé le principe théorique en vertu duquel la nouvelle conception crée une saillance magnétique », selon sa présentation de projet. Essentiellement, cette expérience a éliminé toutes les autres variables et a confirmé que les améliorations du couple et de l’efficacité étaient corrélées avec le rapport de sa conception plus élevé.
« Il regarde certainement les choses de la bonne façon », dit Hofmann à propos de Sansone. « Il y a le potentiel que ce soit la prochaine grande chose. » Cependant, il ajoute que de nombreux professeurs travaillent sur la recherche toute leur vie, et il est « assez rare qu’ils finissent par conquérir le monde ».
Hofmann dit que les matériaux pour les moteurs à réluctance synchrone sont bon marché, mais les machines sont complexes et notoirement difficiles à fabriquer. Les coûts de fabrication élevés sont donc un obstacle à leur utilisation généralisée et un facteur limitant majeur à l’invention de Sansone.
Sansone est d’accord, mais dit « avec de nouvelles technologies comme la fabrication additive [comme l’impression 3D], il serait plus facile de la construire à l’avenir ».
Sansone travaille maintenant sur des calculs et une modélisation 3D pour la version 16 de son moteur, qu’il prévoit de construire à partir de matériaux plus robustes afin de pouvoir le tester à des tours plus élevés par minute. Si son moteur continue de fonctionner avec une vitesse et une efficacité élevées, il dit qu’il ira de l’avant avec le processus de brevetage.
En tant que lycéen de fort Pierce Central High School, Sansone rêve de fréquenter le Massachusetts Institute of Technology. Ses gains de l’ISEF iront aux frais de scolarité universitaires.
Sansone dit qu’il n’avait pas initialement prévu de participer à la compétition. Mais lorsqu’il a appris qu’un de ses cours lui permettait de réaliser un projet de recherche d’un an et un article sur un sujet de son choix, il a décidé d’en profiter pour continuer à travailler sur son moteur.
« Je me disais que si j’étais capable d’y mettre autant d’énergie, je pourrais aussi bien en faire un projet d’expo-sciences et le concurrencer », explique-t-il. Après avoir bien réussi aux compétitions de district et d’État, il est passé à l’ISEF.
Sansone attend sa prochaine phase de test avant d’approcher des constructeurs automobiles, mais il espère qu’un jour son moteur sera la conception de choix pour les véhicules électriques.
« Les matériaux de terres rares dans les moteurs électriques existants sont un facteur majeur qui compromet la durabilité des véhicules électriques », dit-il. « Voir le jour où les véhicules électriques seront entièrement durables grâce à l’aide de mon nouveau design de moteur serait un rêve devenu réalité. »
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Source : Smithsonian
