Motori digitali, software e l’ascesa dell’internet of things

Ci sono molte tecnologie che sono alla base della società moderna, dal motore a combustione interna al microprocessore. Ma ce n’è uno che sembra destinato a diventare ancora più importante: il motore elettrico.

Con la Tesla S che rende l’auto elettrica un’alternativa visibile e un aereo elettrico che completa un volo transcontinentale per la prima volta, l’umile motore elettrico sta facendo di nuovo un gioco per i grandi campionati. E il software sta giocando un ruolo chiave.

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Una selezione di motori digitali Dyson (tra cui un prototipo di scheda di controllo) accanto a un motore elettrico tradizionale.

Non sono solo i motori visibili, ovviamente. I motori elettrici sono ovunque e in tutto. Potenti ed efficienti, sono in grado di fornire coppia dove e quando ne abbiamo bisogno. Ma c’è un lato negativo: sono spesso ingombranti, e le spazzole di carbone utilizzate per passare tra le bobine del rotore del motore si erodono, lasciando una polvere fine. Devono anche essere tenuti freschi.

Sono sempre stato affascinato dai motori elettrici, e recentemente ho avuto l’opportunità di incontrare Dyson per dare un’occhiata all’ultima versione del loro design del motore — uno dicono che è un miglioramento significativo rispetto al motore elettrico tradizionale. È certamente compatto, circa la metà delle dimensioni di un motore tradizionale equivalente. Il design è stato intorno un po’, ma è ora in quasi tutti i dispositivi Dyson fa, e la società ha istituito una fabbrica solo per fare motori.

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Il motore a riluttanza commutata di Dyson

Il motore “digitale” di Dyson è quello che è noto come un motore commutato motore di riluttanza. Invece di alimentare il rotore, un motore a riluttanza commutata ha un nucleo magnetico — così come la potenza viene commutata attraverso le bobine dello statore il nucleo magnetico viene trascinato in giro per allinearsi con il campo magnetico che generano. Con più bobine di poli magnetici sul rotore è possibile impostare un modello di commutazione nelle bobine che tira il rotore intorno. Ciò significa utilizzare sensori e circuiti di commutazione complessi, poiché il controllo dei campi magnetici nel motore è la chiave per fornire un motore efficiente.

I motori a riluttanza commutata come questo possono essere molto efficienti e Dyson afferma che il loro motore è efficiente all ‘ 84% (rispetto al 40% per un motore elettrico tradizionale). C’è molto da dire per un compatto, ad alta potenza, motore come questo — non solo per aspirapolvere e asciugabiancheria. Significava anche utilizzare molti strumenti di progettazione, in gran parte utilizzando il software di simulazione di Dyson.

Il rotore nel motore di Dyson è relativamente semplice — con solo due poli. Ciò semplifica il problema di controllo e riduce il numero di avvolgimenti necessari per creare il modello di impulsi di campo utilizzati per tirare il rotore, qui a oltre 100.000 giri / min. Normalmente i magneti in un motore a riluttanza commutata sono piuttosto deboli. Questo non è il caso del motore di Dyson, dove abbiamo finito per usare il rotore di un primo modello come magnete da frigorifero.

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Il rotore magnetico di uno dei motori Dyson. Usiamo questo come magnete da frigorifero.

Magneti più potenti significano un problema di controllo più complesso, ma consentono anche a Dyson di rendere i motori molto più piccoli e leggeri. È qui che entra in gioco il digitale, poiché risolvere questo problema ha significato utilizzare un microcontrollore e un software di scrittura disponibili, piuttosto che sviluppare circuiti di controllo specifici. Utilizzando un semplice sensore magnetico ad effetto Hall per determinare dove si trova il rotore, il software di controllo esegue più di 3.000 regolazioni al modello del campo magnetico ogni secondo.

Ottenere software in un motore come questo è la chiave per renderlo economicamente. Progettare il proprio hardware di controllo è costoso, e se si sta cercando di sviluppare un motore di uso generale, prendendo un percorso software aggiunge flessibilità — come è possibile modificare il codice per tenere conto di diversi carichi e modelli di utilizzo. Ciò significa che lo stesso modulo di controllo funzionerà in un aspirapolvere, in un asciugacapelli e in un ventilatore. Puoi anche sfruttare la moderna teoria del controllo, che si concentra sul mantenere i sistemi all’interno delle condizioni al contorno, piuttosto che implementare un modello di controllo classico a ciclo chiuso, che potrebbe facilmente diventare instabile.

Se il nuovo design del motore è così buono, che fuori per mostrare attraverso i prodotti che lo utilizzano, come il Hot+Cool fan. Abbiamo testato questo dopo l’ondata di freddo pungente che ha colpito il Regno Unito a febbraio e marzo di quest’anno, e nella recente ondata di caldo. Esso utilizza il motore per aspirare aria attraverso la base e spingerlo fuori attraverso un 2.5mm gap che corre tutto il ciclo ovale in alto. Ciò significa che le pale del ventilatore non si sporcano e sonagli (o intrappolano le dita o la coda dei gatti se si avvicinano troppo).

Il suono del motore è più silenzioso ed è più regolare dell’interferenza del battito che si può sentire con una pala del ventilatore che gira, ed è un flusso molto più efficiente e continuo, il che significa che raramente è necessario eseguirlo in alto, mantenendo le cose ancora più silenziose. È abbastanza silenzioso da lasciare acceso durante una chiamata in conferenza e a basse velocità è abbastanza silenzioso da poter dimenticare che la ventola è accesa, oltre a mantenerti comodamente al caldo o al fresco.

Se si esegue un server in un piccolo ufficio, è possibile ottenere via senza aria condizionata e se si sta lavorando da casa in inverno è possibile eseguire il caldo+fresco in una stanza piuttosto che mettere il riscaldamento in tutta la casa tutto il giorno.

Lo stesso nuovo motore è l’ultimo modello del palmare Dyson vuoto, il DC44, che ha una simile combinazione di efficienza e design intelligente. Su pavimenti duri, è difficile raccogliere polveri sottili; l’elettricità statica si accumula mentre si cammina e mantiene la polvere aggrappata al pavimento. La barra di spazzola del DC44 ha filamenti in fibra di carbonio; non solo sono abbastanza tattili per durare diversi anni, ma scaricano anche l’elettricità statica in modo che più polvere venga aspirata.

I palmari Dyson hanno cicli di vita della batteria che ci piacerebbe vedere anche nei notebook. Abbiamo usato il palmare originale Dyson Root da quando è arrivato sul mercato alla fine degli anni ‘ 90 e anche il nostro modello originale si carica ancora e tiene una carica per ben dieci minuti di pulizia. Confrontalo con le batterie dei laptop che perdono una piccola percentuale della loro capacità di ricarica ogni anno e puoi dire a Dyson che fa davvero una buona ingegneria.

Il motore digitale di Dyson è un altro esempio dell’importanza del software e dei controller digitali. Mentre ci spostiamo nel futuro dell’Internet of Things, sono i controller come questo che forniranno informazioni che miglioreranno la progettazione dell’hardware e del software di controllo. È facile immaginare una versione futura di tali motori che invii i dati a un servizio cloud in grado di rilevare le prime fasi dei guasti o che possa inviare routine di controllo ottimizzate in base all’utilizzo del dispositivo.

È davvero un mondo nuovo quando l’ingegneria elettrica tradizionale si trasforma in software.

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