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数字电机、软件和方兴未艾的物联网

发布时间:2019-01-05 01:06:07 文章来源:未来智讯    
    数字电机、软件和方兴未艾的物联网作者: 沈建苗   从内燃机到微处理器,许多技能支撑着现代社会的日常运作。然而有一项技能看起来必然会变得更重要,那便是电机。   由于特斯拉S让电动汽车大放异彩,电动飞机首次完成了穿越大陆的飞行,不起眼的电机再次成为了备受关注的对象。而软件在其中起到了关键作用。
  传统电机旁边的一系列戴森数字电机(包括抑制板原型)。
  当然,不但仅是看得见的电机。电机可谓无处不在,出如今每一个设备中。电机功能强、效率高,能够在我们需要它的局面提供扭矩。只是有一个缺点:它们通常体积较大,在电机转子的线圈之间用来开关的碳刷会慢慢腐蚀掉,留下细细的碳尘。还需要对电机进行冷却。
  我一直着迷于电机;近来我有机会采访了戴森公司(Dyson),有幸一睹他们设计的最新款电机――戴森称这款电机比传统电机大有改进。它当然结构紧凑,大概惟有相应传统电机的一半大小。这种设计问世已有一段时间,但如今应用于戴森制造的几近每个设备中;该公司还成立了一家工场,专门生产电机。
  戴森的开关磁阻电机
  戴森的“数字”电机名为开关磁阻电机(switched reluctance motor)。开关磁阻电机使用磁芯,而不是为转子提供动力――所以通过定子线圈进行开关时,磁芯被拖动,与它们生成的磁场相一致。由于转子上的线圈比磁极更多,就能够在线圈里面建立一种开关模式,带动转子转动。这意味着,使用传感器和复杂的开关电路,因为抑制电机里面的磁场是设计出高效电机的关键。
  像这样的开关磁阻电机相当高效;戴森声称其电机的效率高达84%(而传统电机的效率惟有40%)。像这样紧凑高效的电机有着广泛用途――不但仅用于真空吸尘器和烘手机。这也意味着使用许多设计工具――其中大局部使用戴森自己的模拟软件。
  戴森电机里面的转子相对大略――惟有两个磁极。这简化了抑制问题,还削减了线圈数量――线圈用来变成磁场脉冲模式,而带动转子转动离不开磁场脉冲,转子转速每秒超过10万转。开关磁阻电机里面的磁体常常非常弱。戴森的电机则不是这样,我们最终使用早期电机的转子作为冰箱贴。
  来自戴森一款电机的磁转子。我们使用这个转子作为冰箱贴。
  吸力更强的磁铁意味着更复杂的抑制问题,然而也让戴森得以做出极其小巧轻盈的电机。这时数字技能有了用武之地,因为解决这个问题意味着使用现成的微抑制器以及编写软件,而不是研发特定的抑制电路。抑制软件使用大略的霍尔效应磁传感器来确定转子的位置,因而每秒钟能够对磁场特性进行3000多次调整。
  想做出经济实惠的电机,关键是将软件嵌入到这样的电机中。自行设计抑制硬件成本高昂;如果你试图研发出一款通用型电机,走软件这条路能够增强灵活性――因为你能够批改代码,将不同的负载和使用模式考虑进来。这意味着同一个抑制模块在真空吸尘器、烘手机和风扇中都能够使用。你还能够充分利用现代抑制理论,该理论的重点是保持系统在边界条件之内,而不是实现一种闭环经典抑制模型――这种模型很容易变得不稳定。
  既然新设计的电机这么好,优点应该会在使用它的产品中体现出来,比如热+冷风扇。自年初袭击英国的寒潮及年中热浪以来,我们就一直在测试这款风扇。它使用电机,通过底座吸入空气,然后通过2.5毫米宽的间隙排出空气。这意味着风扇叶片不会弄脏、不会发出哗哗声(也不会出现要是靠得太近,你手指或猫尾巴被夹住的情况)。
  较之风扇叶片转动过程中产生的拍频干扰,电机声音显得更安静,更有规律;吹出来的风高效得多,也很稳定――这意味着你很少需要将风扇调在强风档,因而更安静。这款风扇安静得很,能够在电话会议过程中让它开着;而且在低速状态下,安静得你会忘了风扇还开着--你感受到的惟有暖风或凉风。
  如果你在小型办公室运行一台服务器,有了热+冷风扇,不用空调也没关系;如果冬天你在家办公,能够在一个房间里打开热+冷风扇,用不着让整个房子的供暖装置成天开着。
  同样的新电机用于最新款的手持戴森真空吸尘器:DC44,它同样联合了高效率和智能设计。在硬地板上,很难吸起微小的灰尘;你在房间走来走去时,静电会积聚起来,将灰尘牢牢吸附在地面。DC44上的刷条有碳纤维细丝;它们不但很牢固,能够用好几年,还能够给静电放电,那样能将更多灰尘吸起来。
  要是笔记本电脑里面的电池有戴森手持设备的电池寿命,那就好了。自从上世纪90年代末进入市场以来,我们就一直在使用第一代戴森Root手持式吸尘器;连我们的第一代手持式吸尘器仍能够充电;充一次电,能够吸尘整整十分钟。相比之下,笔记本电脑电池的充电能力每年都要降落几个百分点;能够说,戴森的技能确实做得不赖。
  戴森的数字电机是表明软件和数字抑制器至关重要的另一个例子。随着我们迈向未来的物联网,像这样的抑制器会提供信息,有助于改善硬件和抑制软件的设计。不难想象,未来的这类电机能够将数据发回到云服务,然后云服务能够检测故障的早期症状;或者根据你的设备使用情况,发回经过优化的抑制程序。
  一旦传统电气工程形成软件,那的确是个崭新的世界。
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