det finns många tekniker som ligger till grund för det moderna samhället, från förbränningsmotorn till mikroprocessorn. Men det finns en som ser ut att bli ännu viktigare: elmotorn.med Tesla S som gör elbilen till ett synligt alternativ och ett elplan som slutför en transkontinental flygning för första gången, gör den ödmjuka elmotorn ett spel för de stora ligorna igen. Och programvara spelar en nyckelroll.
det är naturligtvis inte bara de synliga motorerna. Elmotorer finns överallt och i allt. Kraftfulla och effektiva, de kan leverera vridmoment där och när vi behöver det. Men det finns en nackdel: de är ofta skrymmande, och kolborstarna som används för att växla mellan spolarna i motorns rotor eroderar bort och lämnar ett fint damm. De måste också hållas svala.
Jag har alltid varit fascinerad av elmotorer, och jag fick nyligen möjlighet att träffa Dyson för att ta en titt på den senaste versionen av deras motordesign — en som de säger är en signifikant förbättring jämfört med den traditionella elmotorn. Det är verkligen kompakt, ungefär hälften av en motsvarande traditionell motor. Designen har funnits ett tag, men det är nu i nästan alla enheter Dyson tillverkar, och företaget har inrättat en fabrik bara för att göra motorer.
Dysons ”digitala” motor är vad som kallas en omkopplad motvilja motor. I stället för att driva rotorn, en omkopplad reluktansmotor har en magnetisk kärna — så när strömmen slås genom statorns spolar dras magnetkärnan runt för att ställa upp med magnetfältet de genererar. Med fler spolar än magnetiska poler på rotorn är det möjligt att ställa in ett omkopplingsmönster i spolarna som drar rotorn runt. Det innebär att man använder sensorer och komplexa omkopplingskretsar, eftersom styrning av magnetfälten i motorn är nyckeln till att leverera en effektiv motor.
växlade reluktansmotorer som detta kan vara mycket effektiva, och Dyson hävdar att deras motor är 84 procent effektiv (jämfört med 40 procent för en traditionell elmotor). Det finns mycket att säga om en kompakt, hög effekt, motor som denna-inte bara för dammsugare och handtorkare. Det innebar också att man använde många designverktyg — mycket av det med Dysons egen simuleringsprogramvara.
rotorn i Dysons motor är relativt enkel-med bara två poler. Det förenklar kontrollproblemet och minskar antalet lindningar som behövs för att skapa mönstret av fältpulser som används för att dra rotorn runt, här vid över 100 000 rpm. Normalt är magneterna i en omkopplad reluktansmotor ganska svaga. Det är inte fallet med Dysons motor, där vi har slutat använda en tidig modellens rotor som kylmagnet.
mer kraftfulla magneter betyder ett mer komplext kontrollproblem, men låter också Dyson göra motorerna mycket mindre och lättare. Det är där den digitala kommer in, eftersom lösningen av det problemet har inneburit att man använder en mikrokontroller och skrivprogramvara, snarare än att utveckla specifika styrkretsar. Med hjälp av en enkel Hall-effektmagnetisk sensor för att bestämma var rotorn är, gör styrprogramvaran moe än 3000 justeringar av magnetfältmönstret varje sekund.
att få programvara till en motor som denna är nyckeln till att göra det ekonomiskt. Att designa din egen kontrollhårdvara är dyrt, och om du försöker utveckla en allmän motor, tar du en mjukvaruväg ger flexibilitet — eftersom du kan ändra koden för att ta hänsyn till olika belastningar och användningsmodeller. Det betyder att samma styrmodul fungerar i en dammsugare, i en handtork och i en fläkt. Du kan också dra nytta av modern kontrollteori, som fokuserar på att hålla system inom gränsvillkor, snarare än att implementera en sluten slinga klassisk kontrollmodell — som lätt kan bli instabil.
om den nya designen av motorn är så bra, att ut för att visa igenom i de produkter som använder den, som Hot+Cool fläkt. Vi har testat detta sedan den bittert kalla snap som slog Storbritannien i februari och Mars i år, och i den senaste värmeböljan. Den använder motorn för att suga in luft genom basen och skjuta ut den genom en 2.5mm gap som löper runt den ovala slingan på toppen. Det betyder att inga fläktblad blir smutsiga och skramlar (eller fäller fingrarna eller kattens svans om de kommer för nära).
ljudet på motorn är både tystare och är mer regelbundet än den beat — störning du kan höra med ett fläktblad som går runt, och det är ett mycket effektivare och kontinuerligt flöde-vilket innebär att du sällan behöver köra den högt och hålla sakerna tystare fortfarande. Det är tyst nog att lämna på under ett konferenssamtal och vid låga hastigheter är det tyst nog att du kan glömma fläkten är på — Bortsett från att det håller dig bekvämt varm eller sval.
om du kör en server på ett litet kontor kan du komma undan utan luftkonditionering och om du arbetar hemifrån på vintern kan du köra Hot+Cool i ett rum istället för att sätta på värmen i hela huset hela dagen.
samma nya motor finns i den senaste modellen av det handhållna Dyson-vakuumet, DC44, som har en liknande kombination av effektivitet och smart design. På hårda golv är det svårt att plocka upp fint damm; statisk elektricitet byggs upp när du går runt och håller dammet fast vid golvet. Borststången på DC44 har kolfiberfilament; de berör inte bara tillräckligt för att hålla flera år, de släpper också ut det statiska så att mer damm sugs upp.
Dyson-handdatorerna har batterilivscykler som vi också skulle vilja se i bärbara datorer. Vi har använt den ursprungliga Dyson Root handheld sedan den kom ut på marknaden i slutet av 90-talet och även vår ursprungliga modell laddar fortfarande upp och tar en avgift för en bra tio minuters rengöring. Jämför det med bärbara batterier som förlorar några procent av laddningskapaciteten varje år och du kan säga att Dyson verkligen gör bra teknik.
Dysons digitala motor är ett annat exempel på vikten av programvara och digitala styrenheter. När vi går in i framtiden för sakernas Internet, det är controllers som detta som kommer att ge information som förbättrar utformningen av hårdvara och styrprogram. Det är lätt att föreställa sig en framtida version av sådana motorer som skickar data tillbaka till en molntjänst som kan upptäcka de tidiga stadierna av fel, eller som kan skicka tillbaka optimerade styrrutiner baserat på enhetens användning.
det är verkligen en modig ny värld när traditionell elektroteknik förvandlas till programvara.