數(shù)字電機、軟件和方興未艾的物聯(lián)網(wǎng)

從內(nèi)燃機到微處理器，許多技術(shù)支撐著現(xiàn)代社會的日常運作。但是有一項技術(shù)看起來必然會變得更重要，那就是電機。

由于特斯拉S讓電動汽車大放異彩，電動飛機首次完成了穿越大陸的飛行，不起眼的電機再次成為了備受關(guān)注的對象。而軟件在其中起到了關(guān)鍵作用。

傳統(tǒng)電機旁邊的一系列戴森數(shù)字電機（包括控制板原型）。

當然，不僅僅是看得見的電機。電機可謂無處不在，出現(xiàn)在每一個設備中。電機功能強、效率高，可以在我們需要它的場合提供扭矩。不過有一個缺點：它們常常體積較大，在電機轉(zhuǎn)子的線圈之間用來開關(guān)的碳刷會慢慢腐蝕掉，留下細細的碳塵。還需要對電機進行冷卻。

我一直著迷于電機；最近我有機會采訪了戴森公司（Dyson），有幸一睹他們設計的最新款電機――戴森稱這款電機比傳統(tǒng)電機大有改進。它當然結(jié)構(gòu)緊湊，大概只有相應傳統(tǒng)電機的一半大小。這種設計問世已有一段時間，但現(xiàn)在應用于戴森制造的幾乎每個設備中；該公司還成立了一家工廠，專門生產(chǎn)電機。

戴森的開關(guān)磁阻電機

戴森的“數(shù)字”電機名為開關(guān)磁阻電機（switched reluctance motor）。開關(guān)磁阻電機使用磁芯，而不是為轉(zhuǎn)子提供動力――所以通過定子線圈進行開關(guān)時，磁芯被拖動，與它們生成的磁場相一致。由于轉(zhuǎn)子上的線圈比磁極更多，就可以在線圈里面建立一種開關(guān)模式，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這意味著，使用傳感器和復雜的開關(guān)電路，因為控制電機里面的磁場是設計出高效電機的關(guān)鍵。

像這樣的開關(guān)磁阻電機非常高效；戴森聲稱其電機的效率高達84%（而傳統(tǒng)電機的效率只有40%）。像這樣緊湊高效的電機有著廣泛用途――不僅僅用于真空吸塵器和烘手機。這也意味著使用許多設計工具――其中大部分使用戴森自己的模擬軟件。

戴森電機里面的轉(zhuǎn)子相對簡單――只有兩個磁極。這簡化了控制問題，還減少了線圈數(shù)量――線圈用來形成磁場脈沖模式，而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動離不開磁場脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速每秒超過10萬轉(zhuǎn)。開關(guān)磁阻電機里面的磁體通常相當弱。戴森的電機則不是這樣，我們最后使用早期電機的轉(zhuǎn)子作為冰箱貼。

來自戴森一款電機的磁轉(zhuǎn)子。我們使用這個轉(zhuǎn)子作為冰箱貼。

吸力更強的磁鐵意味著更復雜的控制問題，但是也讓戴森得以做出極其小巧輕盈的電機。這時數(shù)字技術(shù)有了用武之地，因為解決這個問題意味著使用現(xiàn)成的微控制器以及編寫軟件，而不是研發(fā)特定的控制電路。控制軟件使用簡單的霍爾效應磁傳感器來確定轉(zhuǎn)子的位置，因而每秒鐘可以對磁場特性進行3000多次調(diào)整。

想做出經(jīng)濟實惠的電機，關(guān)鍵是將軟件嵌入到這樣的電機中。自行設計控制硬件成本高昂；如果你試圖研發(fā)出一款通用型電機，走軟件這條路可以增強靈活性――因為你可以修改代碼，將不同的負載和使用模式考慮進來。這意味著同一個控制模塊在真空吸塵器、烘手機和風扇中都可以使用。你還可以充分利用現(xiàn)代控制理論，該理論的重點是保持系統(tǒng)在邊界條件之內(nèi)，而不是實現(xiàn)一種閉環(huán)經(jīng)典控制模型――這種模型很容易變得不穩(wěn)定。

既然新設計的電機這么好，優(yōu)點應該會在使用它的產(chǎn)品中體現(xiàn)出來，比如熱+冷風扇。自年初襲擊英國的寒潮及年中熱浪以來，我們就一直在測試這款風扇。它使用電機，通過底座吸入空氣，然后通過2.5毫米寬的間隙排出空氣。這意味著風扇葉片不會弄臟、不會發(fā)出嘩嘩聲（也不會出現(xiàn)要是靠得太近，你手指或貓尾巴被夾住的情況）。

較之風扇葉片轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的拍頻干擾，電機聲音顯得更安靜，更有規(guī)律；吹出來的風高效得多，也很穩(wěn)定――這意味著你很少需要將風扇調(diào)在強風檔，因而更安靜。這款風扇安靜得很，可以在電話會議過程中讓它開著；而且在低速狀態(tài)下，安靜得你會忘了風扇還開著--你感受到的只有暖風或涼風。

如果你在小型辦公室運行一臺服務器，有了熱+冷風扇，不用空調(diào)也沒關(guān)系；如果冬天你在家辦公，可以在一個房間里打開熱+冷風扇，用不著讓整個房子的供暖裝置成天開著。

同樣的新電機用于最新款的手持戴森真空吸塵器：DC44，它同樣結(jié)合了高效率和智能設計。在硬地板上，很難吸起細小的灰塵；你在房間走來走去時，靜電會積聚起來，將灰塵牢牢吸附在地面。DC44上的刷條有碳纖維細絲；它們不僅很牢固，可以用好幾年，還可以給靜電放電，那樣能將更多灰塵吸起來。

要是筆記本電腦里面的電池有戴森手持設備的電池壽命，那就好了。自從上世紀90年代末進入市場以來，我們就一直在使用第一代戴森Root手持式吸塵器；連我們的第一代手持式吸塵器仍可以充電；充一次電，可以吸塵整整十分鐘。相比之下，筆記本電腦電池的充電能力每年都要下降幾個百分點；可以說，戴森的技術(shù)確實做得不賴。

戴森的數(shù)字電機是證明軟件和數(shù)字控制器至關(guān)重要的另一個例子。隨著我們邁向未來的物聯(lián)網(wǎng)，像這樣的控制器會提供信息，有助于改善硬件和控制軟件的設計。不難想象，未來的這類電機可以將數(shù)據(jù)發(fā)回到云服務，然后云服務可以檢測故障的早期癥狀；或者根據(jù)你的設備使用情況，發(fā)回經(jīng)過優(yōu)化的控制程序。

一旦傳統(tǒng)電氣工程變成軟件，那的確是個嶄新的世界。