Dyson aspira con tecnologia DC senza spazzole da 104.000 giri/min

Dysonha sviluppato la tecnologia DC senza spazzole a 104.000 giri/min per combinare efficienza e producibilità nel suo ultimo aspirapolvere portatile.

"Poiché è bipolare, è molto semplice e, quando lo fai funzionare ad alta velocità, puoi renderlo incredibilmente piccolo", ha detto Andy Clothier di Dyson a Electronics Weekly. "Ha un'efficienza dell'84%, un valore elevato considerando le dimensioni così ridotte. A questo livello di tensione e potenza, ottenere un motore a spazzole così efficiente è molto difficile. Il nostro vecchio motore aveva un'efficienza del 40%."

Nel complesso il motore, soprannominato DDM (Dyson digital motor) V2, ha un diametro di 55,8 mm e pesa 139 g.

Notoriamente difficile da avviare in modo prevedibile, il motore utilizza poli asimmetrici. "Devi avere abbastanza salienza sui poli per far sì che inizi nella giusta direzione", ha detto Clothier.

Con i motori brushless, è possibile scegliere: con sensore o senza sensore: incorporare un sensore magnetico che indica all'elettronica quando cambiare la polarità della bobina oppure utilizzare un processore più potente e rilevare la posizione del rotore dalla forza elettromagnetica posteriore.

"L'abbiamo progettato integrando l'elettronica nel motore. È il modo meno costoso per farlo", ha affermato Clothier. "Il PCB è esattamente nel posto giusto per ospitare un sensore Hall."

Il controllo proviene da un semplice microcontroller Microchip a 8 bit, non uno dotato di periferiche speciali per il controllo del motore, ha affermato Clothier: "Abbiamo utilizzato la nostra tecnologia di controllo del motore. Per ottenere il meglio in assoluto, ci assicuriamo che il motore produca potenza costante indipendentemente dalla velocità e la tensione della batteria."

Il controllo della potenza è in gran parte ad anello aperto, determinato dalla conoscenza dettagliata della dinamica del motore e della girante, combinato con la velocità del motore derivata dal sensore Hall. Vengono effettuate fino a 3.300 regolazioni al secondo.

La batteria è composta da sei o quattro celle agli ioni di litio a seconda del modello di aspirapolvere: rispettivamente DC31 (nella foto) o DC30.

Fino a 10 A a 20 V e fino a 13 A quando la tensione della batteria diminuisce, viene commutata nel motore tramite un ponte H di Mosfet.

Per far sì che la corrente cambi direzione abbastanza velocemente con una tensione di alimentazione così bassa sono necessari avvolgimenti a bassa induttanza, in questo caso doppie bobine avvolte in parallelo.

L'intero motore, e il suo ambiente meccanico e aereo, sono stati ampiamente modellati.

"È qui che è avvenuta la maggior parte del lavoro: abbiamo sviluppato i nostri strumenti di simulazione per modellare l'intero motore, compresa la sua elettronica", ha affermato Clothier. "Abbiamo utilizzato anche alcuni software commerciali agli elementi finiti per controlli a campione e lavori dettagliati, ma il 90% è stato progettato dal nostro software."

La modellazione, ad esempio, ha mostrato che il rotore a magnete permanente al neodimio sinterizzato era abbastanza piccolo da non richiedere un manicotto in fibra di carbonio per impedirgli di volare a tutta velocità.

"Questo è il genere di cose che sembrano semplici e necessitano di molto lavoro", ha detto Mathew Childe a Electronics Weekly. "Abbiamo modellato la dinamica del motore e ci siamo assicurati che fosse stabile alle vibrazioni lungo tutta la sua gamma di accelerazione, abbiamo controllato il rumore acustico e le risonanze."

Il team ha anche costruito prototipi che sono stati testati utilizzando accelerometri e strumenti di spostamento laser, per poi fornire i risultati. "Durante tutto il percorso impari a migliorare e adattare il processo di modellazione", ha affermato Childe.

Un'elevata velocità di rotazione significa che la girante può essere piccola, ma significa che è soggetta a forze elevate. "La maggior parte delle persone utilizzerebbe l'alluminio", ha detto Childe. "Attraverso la simulazione abbiamo ridotto il maggior stress possibile e così possiamo realizzare la girante in polimero rinforzato con fibra di carbonio."

Una girante in plastica e un albero in acciaio rendono impossibile la saldatura. "Tutto nell'aspirapolvere dipende dal legame", ha detto Childe. "Abbiamo avuto un ingegnere che ha lavorato per due anni sugli adesivi per il prodotto."

Il motore è stato soprannominato DDM (motore digitale Dyson) V2.

Ciò che effettivamente era DDM V1 è stato in realtà soprannominatoX020ed è il design a riluttanza commutata utilizzato nell'asciugamani Airblade dell'azienda.