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 será aún más importante: el motor eléctrico.

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

Por supuesto, no se trata sólo de los motores visibles. 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 utilizadas para cambiar entre las bobinas del rotor del motor se erosionan, dejando un polvo fino. También es necesario mantenerlos frescos.

Siempre me han fascinado los motores eléctricos y recientemente tuve la oportunidad de reunirme con Dyson para ver la última versión del diseño de su motor, que, según dicen, 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 existe desde hace tiempo, pero ahora está en casi todos los dispositivos que fabrica Dyson, y la compañía ha establecido una fábrica solo para fabricar motores.

El motor “digital” de Dyson es lo que se conoce como motor de reluctancia conmutada. En lugar de alimentar el rotor, un motor de reluctancia conmutada tiene un núcleo magnético, de modo que cuando la energía se conmuta a través de las bobinas del estator, el núcleo magnético es arrastrado 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 mueve el rotor. Eso significa utilizar sensores y circuitos de conmutación complejos, ya que controlar los campos magnéticos en el motor es la clave para lograr un motor eficiente.

Los motores de reluctancia conmutada como este pueden ser muy eficientes, y Dyson afirma que su motor tiene una eficiencia del 84 por ciento (en comparación con el 40 por ciento de un motor eléctrico tradicional). Hay mucho que decir a favor de un motor compacto y de alta potencia como este, no sólo para aspiradoras y secadores de manos. También significó utilizar muchas herramientas de diseño, muchas de ellas utilizando el propio software de simulación de Dyson.

El rotor del motor de Dyson es relativamente simple: sólo tiene 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 hacer girar el rotor, aquí a más de 100.000 rpm. Normalmente, los imanes de un motor de reluctancia conmutada son bastante débiles. Ese no es el caso del motor de Dyson, donde terminamos usando el rotor de un modelo anterior como imán de refrigerador.

Imanes más potentes significan un problema de control más complejo, pero también permiten a Dyson hacer motores mucho más pequeños y livianos. Ahí es donde entra en juego lo digital, ya que resolver ese problema ha significado utilizar un microcontrolador disponible en el mercado y escribir software, en lugar de desarrollar circuitos de control específicos. Utilizando un simple sensor magnético de efecto Hall para determinar dónde está el rotor, el software de control realiza más de 3.000 ajustes al patrón del campo magnético cada segundo.

Introducir software en un motor como este es clave para hacerlo económicamente. Diseñar su propio hardware de control es costoso y, si está intentando desarrollar un motor de uso general, tomar la ruta del 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 se puede aprovechar la teoría de control moderna, que se centra en mantener los sistemas dentro de las condiciones límite, en lugar de implementar un modelo de control clásico de circuito cerrado, que fácilmente podría volverse inestable.

Si el nuevo diseño del motor es tan bueno, se nota en los productos que lo utilizan, como el ventilador Hot+Cool. Hemos estado probando esto desde la ola de frío que azotó al Reino Unido en febrero y marzo de este año, y durante la reciente ola de calor. Utiliza el motor para aspirar aire a través de la base y expulsarlo a través de un espacio de 2,5 mm que recorre todo el bucle ovalado en la parte superior. Eso significa que no hay aspas del ventilador que se ensucien y hagan ruido (o que atrapen tus dedos o la cola del gato si se acercan demasiado).

El sonido del motor es más silencioso y más regular que la interferencia de ritmo que se puede escuchar cuando las aspas del ventilador giran, y es un flujo mucho más eficiente y continuo, lo que significa que rara vez es necesario ponerlo en funcionamiento a máxima velocidad, lo que mantiene todo más silencioso. aún. Es lo suficientemente silencioso como para dejarlo encendido durante una llamada de conferencia y, a bajas velocidades, es lo suficientemente silencioso como para que puedas olvidar que el ventilador está encendido, además de mantenerte cómodamente abrigado o fresco.

Si utiliza un servidor en una oficina pequeña, puede prescindir del aire acondicionado y si trabaja desde casa en invierno puede utilizar el sistema Hot+Cool en una habitación en lugar de poner la calefacción en toda la casa todo el día. .

El mismo motor nuevo se encuentra en el último modelo de aspiradora portátil Dyson, la DC44, que tiene una combinación similar de eficiencia y diseño inteligente. En suelos duros, es difícil recoger polvo fino; La electricidad estática se acumula al caminar y mantiene el polvo adherido al suelo. La barra de cepillos del DC44 tiene filamentos de fibra de carbono; No sólo son lo suficientemente táctiles como para durar varios años, sino que también descargan la estática para que absorban más polvo.

Las computadoras de mano Dyson tienen ciclos de vida de batería que también nos encantaría ver en las computadoras portátiles. Hemos estado usando la computadora de mano Dyson Root original desde que salió al mercado a finales de los 90 e incluso nuestro modelo original todavía se carga y mantiene la carga durante unos buenos diez minutos de limpieza. Compare eso con las baterías de computadoras portátiles que pierden un pequeño porcentaje de su capacidad de carga cada año y se dará cuenta de 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, controladores como este proporcionarán información que mejorará el diseño del hardware y del software de control. Es fácil imaginar una versión futura de dichos motores que envíe datos a un servicio en la nube que pueda detectar las primeras etapas de fallas o que pueda enviar rutinas de control optimizadas basadas en el uso de su dispositivo.

De hecho, es un mundo feliz cuando la ingeniería eléctrica tradicional se convierte en software.