Motores digitales, software y el auge del internet de las cosas

Hay muchas tecnologías que sustentan la sociedad moderna, desde el motor de combustión interna hasta el microprocesador. Pero hay uno que parece que va a ser aún más importante: el motor eléctrico.

Con el Tesla S haciendo del coche eléctrico una alternativa visible, y un avión eléctrico completando un vuelo transcontinental por primera vez, el humilde motor eléctrico vuelve a jugar para las grandes ligas. Y el software está jugando un papel clave.

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Una selección de motores digitales Dyson (incluido un prototipo de tablero de control) junto con un motor eléctrico tradicional.

No son solo los motores visibles, por supuesto. Los motores eléctricos están en todas partes y en todo. Potentes y eficientes, son capaces de entregar torque donde y cuando lo necesitamos. Pero hay un inconveniente: a menudo son voluminosos, y las escobillas de carbón que se usan para alternar entre las bobinas del rotor del motor se erosionan, dejando un polvo fino. También deben mantenerse frescos.

Siempre me han fascinado los motores eléctricos, y recientemente tuve la oportunidad de reunirme con Dyson para echar un vistazo a la última versión de su diseño de motor, una que dicen que es una mejora significativa con respecto al motor eléctrico tradicional. Es ciertamente compacto, aproximadamente la mitad del tamaño de un motor tradicional equivalente. El diseño ha existido por un tiempo, pero ahora está en casi todos los dispositivos que fabrica Dyson, y la compañía ha establecido una fábrica solo para fabricar motores.

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El motor de reluctancia conmutada de Dyson

El motor ‘digital’ de Dyson es lo que se conoce como motor. En lugar de alimentar el rotor, un motor de reluctancia conmutada tiene un núcleo magnético, de modo que a medida que se cambia la energía a través de las bobinas del estator, el núcleo magnético se arrastra para alinearse con el campo magnético que generan. Con más bobinas que polos magnéticos en el rotor, es posible configurar un patrón de conmutación en las bobinas que tira del rotor. Eso significa usar sensores y circuitos de conmutación complejos, ya que controlar los campos magnéticos en el motor es la clave para ofrecer un motor eficiente.

Los motores de reluctancia conmutados como este pueden ser muy eficientes, y Dyson afirma que su motor es 84 por ciento eficiente (en comparación con el 40 por ciento de un motor eléctrico tradicional). Hay mucho que decir para un motor compacto y de alta potencia como este, no solo para aspiradoras y secadores de manos. También significó el uso de muchas herramientas de diseño, gran parte de ellas utilizando el propio software de simulación de Dyson.

El rotor en el motor de Dyson es relativamente simple, con solo dos polos. Esto simplifica el problema de control y reduce el número de devanados necesarios para crear el patrón de pulsos de campo utilizados para tirar del rotor, aquí a más de 100.000 rpm. Normalmente, los imanes en un motor de reluctancia conmutado son bastante débiles. Ese no es el caso del motor de Dyson, donde terminamos usando un rotor de un modelo temprano como imán de nevera.

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El rotor magnético de uno de los motores de Dyson. Usamos este como imán de nevera.

Los imanes más potentes suponen un problema de control más complejo, pero también permiten a Dyson hacer que los motores sean mucho más pequeños y ligeros. Ahí es donde entra en juego lo digital, ya que resolver ese problema ha significado usar un microcontrolador estándar y un software de escritura, en lugar de desarrollar circuitos de control específicos. Utilizando un sensor magnético de efecto hall simple para determinar dónde se encuentra el rotor, el software de control realiza más de 3000 ajustes de moe al patrón de campo magnético cada segundo.

Introducir software en un motor como este es clave para hacerlo económico. Diseñar su propio hardware de control es costoso, y si está tratando de desarrollar un motor de propósito general, tomar una ruta de software agrega flexibilidad, ya que puede modificar el código para tener en cuenta diferentes cargas y modelos de uso. Eso significa que el mismo módulo de control funcionará en una aspiradora, en un secador de manos y en un ventilador. También puede aprovechar la teoría de control moderna, que se centra en mantener los sistemas dentro de condiciones límite, en lugar de implementar un modelo de control clásico de bucle cerrado, que podría volverse fácilmente inestable.

Si el nuevo diseño del motor es tan bueno, que se muestre en los productos que lo usan, como el ventilador caliente+frío. Hemos estado probando esto desde la ola de frío que azotó al Reino Unido en febrero y marzo de este año, y en la reciente ola de calor. Utiliza el motor para aspirar aire a través de la base y empujarlo a través de un 2.espacio de 5 mm que recorre todo el bucle ovalado en la parte superior. Eso significa que no hay aspas de ventilador para ensuciarse y sonar (o atrapar los dedos o la cola de los gatos si se acercan demasiado).

El sonido del motor es más silencioso y más regular que la interferencia de latidos que puedes escuchar con una cuchilla de ventilador girando, y es un flujo mucho más eficiente y continuo, lo que significa que rara vez necesitas ejecutarlo en alto, manteniendo las cosas más silenciosas quietas. Es lo suficientemente silencioso como para dejarlo encendido durante una llamada de conferencia y a bajas velocidades es lo suficientemente silencioso como para que pueda olvidarse de que el ventilador está encendido, aparte de mantenerlo cómodamente caliente o fresco.

Si tiene un servidor en una oficina pequeña, puede escaparse sin aire acondicionado y si trabaja desde casa en invierno, puede hacer funcionar el Hot+Cool en una habitación en lugar de encender la calefacción en toda la casa todo el día.

El mismo motor nuevo se encuentra en el último modelo del aspirador Dyson portátil, el DC44, que tiene una combinación similar de eficiencia y diseño inteligente. En pisos duros, es difícil recoger el polvo fino; la electricidad estática se acumula a medida que caminas y mantiene el polvo pegado al piso. La barra de cepillos del DC44 tiene filamentos de fibra de carbono; no solo son lo suficientemente táctiles como para durar varios años, sino que también descargan la estática para que se absorba más polvo.

Los dispositivos de mano Dyson tienen ciclos de vida de batería que nos encantaría ver en los portátiles también. Hemos estado usando el dispositivo de mano Dyson Root original desde que salió al mercado a finales de los años 90 e incluso nuestro modelo original todavía se carga y retiene un cargo por unos buenos diez minutos de limpieza. Compare eso con las baterías de computadoras portátiles que pierden un poco de su capacidad de carga cada año y se puede decir que Dyson realmente hace una buena ingeniería.

El motor digital de Dyson es otro ejemplo de la importancia del software y de los controladores digitales. A medida que avanzamos hacia el futuro del Internet de las Cosas, son controladores como este los que proporcionarán información que mejorará el diseño del hardware y del software de control. Es fácil imaginar una versión futura de estos motores que envíe datos a un servicio en la nube que pueda detectar las primeras etapas de los fallos o que pueda devolver rutinas de control optimizadas basadas en el uso de su dispositivo.

Es un mundo feliz cuando la ingeniería eléctrica tradicional se convierte en software.

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