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为了你的头发,这家公司操碎了心,甚至还办了学校

发布时间 2019-07-22 15:00   
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特斯拉万万不会想到,他梦寐以求的电气时代,是由于一个人接错了一次线,而点燃的。

1873年,奥地利维也纳世界博览会。

彼时,在库仑、安培、法拉第、麦克斯韦等人的努力下,电磁学的基本定律已经尘埃落定。一大堆基于电磁学定律的装置被发明制造了出来,这其中就有发电机和电动机。

发电机解决了电能产生的问题,从此大量廉价的电能被生产出来;然而彼时的电动机,或者说马达(Motor),还只是实验室的玩具,功率小,转速慢,难以应用于工业生产。

人类空有大量廉价的电能,但除了用于照明,根本没有用武之地。就像一个绝世高手,空有几甲子的内力,却根本没有合适的招式能够发挥出来,只能拔剑四顾心茫然。

人类距离完整的电气时代,还差一台能够满足工业应用的大功率马达。

然而,在1873年的这一届博览会上,比利时发明家格拉姆在布展的时候,阴差阳错将两台发电机之间的线接错了。他把别的发电机发的电,接在了自己发电机的电流输出端。结果,接下来就是见证奇迹的一幕:被接入的那台发电机居然高速旋转了起来,发电机变成了电动机,也就是马达。

一台传统马达的分解图丨tuchong.com

格拉姆先是懵逼,随后欣喜若狂,没想到苦苦追寻的大功率马达居然是如此简单。从此之后,马达的发展取得了迅猛的突破,不再只是实验室的玩具,成功地承担了将电能转化成机械能的重任。而人类,也终于为廉价电能的使用找到了电灯以外最完美的载体。

如今,马达早已渗入生活的方方面面,可以说无处不在。

从80后玩的四驱车,到90后玩的无人机;从Geek喜欢的特斯拉,到家庭主妇使用的吸尘器;从每一个大V都会做广告的电动牙刷,到伊朗铀浓缩所使用的离心机,背后都有马达的影子。

戴森新加坡先进制造中心

人类文明进步的背后,其实隐藏着一条马达技术发展的暗线。你在生活中用到的各种各样的装置,只要涉及到将电能转化为机械能,背后可能都是马达。而这些装置的每一点性能提升,其实都来自于现代工业对马达技术的革新。

这其中,有一家企业最具代表性。它专注于数码马达技术20年,成为了行业领军企业,它的名字成为了业内高端产品的代名词,新品一经发布就成了无数人梦寐以求的网红。

这个企业就是戴森。

戴森的标志性产品:Supersonic 吹风机(采用V9马达)

戴森从吸尘器起家,以吹风机闻名,但背后却是个不折不扣的硬核科技公司。

作为吹风机界的“苹果”,戴森是一家将技术与设计结合到极致的企业。

设计不用多说,戴森标志性的Supersonic吹风机美观大气。而技术,则是背后的数码马达。这一次,果壳恰好有机会,走进戴森英国总部的马姆斯伯里园区,来揭开隐藏在这家“网红”公司背后的数码马达技术。

数码马达

马达的基本原理很简单。自从一百多前,物理学家发现通电导体在磁场中会受到力的作用,马达的原理就已经被确定了下来,此后也从未变过。

然而,就是这样一个简简单单的原理,要转化成为工程装置,再进一步地将其用于工业生产,然后再在特定的领域将它做到极致,其实并不容易。

相比传统的马达,现代工业领域对马达性能的追求早已经进入了一个新的层次,其设计之精密,材料之讲究,做工之严苛,是不折不扣的“螺蛳壳里做道场”。

特别是对于家用电器所使用的马达而言,不仅要求更高的功率,还要求更小的体积、更轻的重量、更高的稳定性和更长的寿命。这其中的有些要求甚至是相互冲突的。如何解决上述所有问题,制造出综合性能最优异的数码马达,这背后是戴森长达20年的技术积累。

10W+转速

马达其中一个最重要的性能参数就是转速,特别是对于吹风机和吸尘器而言,更快的转速才有更大的潜能。

然而,要想提高马达的转速,并没有那么简单,并不是简简单单的用更高的电压或者更大的电流就能实现的。它取决于马达的结构和特性。

马达内部主要有两个部件,定子(固定不动)和转子(负责旋转)。无论什么马达,其运行原理本质上都是在定子上产生一个磁场,再在转子上产生一个磁场,然后两个磁场之间相互“勾引”,转子的N极会向定子的S极运动,转子的S极向着定子的N极运动。再通过一些巧妙的设计,让其中一个磁场不停地旋转,就可以实现转子不停地旋转。

由于实现方式的不同,也就决定了马达有不同的特性。

如果是给定子通一个交流电流来产生一个旋转磁场,然后利用这个旋转的磁场来带动转子不停旋转,那么就是我们所谓的交流马达。

如果是这种交流马达,那么转速符合一个简单的公式:n=60f/p。

在这里,n表示转速,单位是RPM,Revolution(s) Per Minute,转/分;f表示交流电的频率;p表示极对数,也就是马达里面的磁场有多少对N-S极。由于我国所用的市电标准频率是50Hz,所以计算可以得到,转速最快也就3000转/分(p=1)。事实上,这只是同步电机的转速,如果是异步电机,转速还要比这个小一点儿。

如果要提高交流马达的转速,那么就只能想办法提高电流的频率,这里就涉及到变频技术,也就更难了。

对于直流马达而言,它是通过结构上的巧妙设计来实现转子的旋转。当马达通电以后,由于通的是直流电,我们可以将转子和定子分别看做两个固定的磁体。我们考虑转子N极的运动情况,一开始,它会被定子的S极吸引向定子的S极运动,然而,当它运动到离S极最近的位置时,由于惯性,它会继续向前旋转一点,但此时,定子的S极对它的作用力就变成阻碍它,会将它拉回来。所以,如果不进行结构上的特殊处理,直流马达是没法转起来的,它只会转个大半圈然后不停地摆动。

于是,人们引入了一个神奇的部件,叫电刷,电刷装配在换向器上,每当转子的N极运动到定子的S极位置时,电刷和换向器的存在会使电流的方向翻转一次,于是转子本来的N极就又变成了S极,本来定子的S极是吸引它阻碍它运动,此时就变成了排斥它推它远离,这样转子就能继续运动了。

有刷直流电机的示意图丨wikipedia

对于直流马达而言,其转速跟电流频率没啥关系(因为用的是直流电)。但由于有电刷这个部件的存在,可以说是致命弱点。电刷一方面负责导电,要与换向器接触;另一方面电刷还是个运动部件,所以接触的部分又必须很光滑,不然会带来很大的摩擦阻力。这就限制了直流马达的转速。通常来说,这种有刷直流马达转速能做到30000转/分钟已经很不错了。

而戴森的数码马达则是采用了无刷技术,也叫开关磁阻技术。所谓磁阻,是一个与电路中的电阻类似的概念。电流总是沿着电阻最小的路径前进;磁通量总是沿着磁阻最小的路径前进。而这种马达在定子上会布置一系列线圈,然后通过数字脉冲以极高的频率来控制线圈通断的时机。每次通电,转子都会尝试与磁场方向对齐一次,这样,只要开关切换的速度足够快,马达的转速也就足够高。你可以想象转子是一头驴,定子上的磁场是胡萝卜,驴每前进一点儿,我们都将胡萝卜挪远一点,这样驴子就会不停的运动下去。

戴森干手器分解图(采用V4数码马达)丨Dyson

开关磁阻技术使设计更快转速的马达成为了可能。传统马达转速约为每分钟 20,000~30,000 转,F1 汽车马达转速为每分钟 19,000 转,喷气式马达转速为每分钟 17,000 转。而戴森V6系列数码马达转速则为每分钟 110,000转,其V10和V11系列马达转速更是高达每分钟125,000转。

戴森V11无绳吸尘器(采用V11数码马达)丨Dyson

这种开关磁阻马达听上去原理简单粗暴,但其实背后需要极其精确的控制。因为这种马达需要不停地根据转子的位置来确定线圈的通断,对于一个每分钟几万转的马达来说,其控制频率也至少是这个级别,这其中每一次的通断不能有任何问题,否则马达就无法正常工作,所以可以想象其难度。

然而,解决了转速的问题并不是意味着马达所有的问题都得到了解决,转速一旦提起来,原先低速情况下没有表现出来或者被忽略的各种附属问题也来了。

高转速带来的“问题”

一个高速的马达,远远不止是转速更快而已。量变带来质变,转速的提升会带来一系列问题。这其中,最主要的问题就是结构强度。

马达需要有一个轴,这个轴是马达整个结构的核心支撑,也是将马达的功率传递出去的核心部件。为了能够承受每分钟10万+的转速,它需要既轻巧又结实。而戴森的解决方案是使用陶瓷,它在1600摄氏度下能够固化,硬度是钢的两倍,而密度却只有钢的一半。

同时,马达的性能并不等同于设备的性能。

对于吹风机或者吸尘器而言,马达转得再快,带不动气流也是白搭。所以还需要与马达配套的叶轮。叶轮好比电风扇的扇叶,用于推动气流。在每分钟10万+转的速度之下,叶轮本身同样需要轻巧而结实。而戴森所用的材料是聚醚醚酮(PEEK),是目前市面上能买到的强度最高的塑料。这种材料非常轻,但同时具备极高的柔韧性和强度,甚至可以取代金属,被广泛用于工业之中,比如在汽车的变速箱中。它也用于航空领域。即使拆卸很多次,也不易断,耐久性强。戴森所有的数码马达叶轮用的都是这个材料。

戴森数码马达与传统马达对比丨tuchong.com

同时,叶轮的结构也需要特殊设计,来保障推动气流的效率。戴森在V10数码马达中采用了最新的叶轮设计,其细长形的叶轮排列可让更多的气流通过。戴森的工程师们将叶轮的叶片交叠,增加了表面积并提高了效率。

此外,还有散热问题。

高转速带来的发热量也是巨大的。由于开关磁阻马达中需要用到永磁体,而永磁体在高温下会“退磁”,即失去磁性。因此,戴森在设计马达时,便综合考虑了多种因素,经过了大量的计算和反复的测试,来确保有足够的气流给马达提供散热,保护整个机器。

具备如此之高的转速却又同时具备高强度和高可靠性,对于一般的厂商而言,把马达做到这一步可能就已经足够吹嘘一阵子了。但是对于戴森而言,这还不够。

高转速之外的革新

在研制出每分钟10W+的高转速马达之后,戴森将目光投向了马达的体积。

虽然吹风机现在是戴森的网红产品,但其实,戴森的数码马达,一开始主要用于吸尘器。然而,其创始人詹姆士·戴森爵士在使用传统吹风机的时候,觉得传统吹风机的体验实在太糟糕了:噪音很大,贴近耳朵就会非常的吵,并且由于马达被安装在吹风机的头部,所以使用时有“头重脚轻”的感觉,手感极差。

彼时,吹风机的马达更是一点科技含量都没有,而戴森已经在数码马达上取得了惊人的突破,于是戴森决定自行研发一款美发造型产品,来改变吹风机的现状。

这和乔布斯当年研发iPhone是一个道理,“彼可取而代之”。

这便是后来诞生的Dyson Supersonic吹风机。在这款吹风机中,戴森研发出了V9系列数码马达,其大小只相当于500元日元硬币,重量只有传统吹风机马达的一半,因此可以安装在吹风机的手柄处,颠覆了传统吹风机的结构设计;同时,该马达的转速高达11万转/分钟,结合戴森的气流倍增专利技术,能够每秒推动 13 升的强劲气流通过直径只有 27 毫米,也就是 2 便士硬币大小的圆孔,使吹风机更轻、手感更好、却又同时拥有更强劲的性能。

戴森吹风机的马达装在了手柄内丨tuchong.com

这是戴森迄今为止最小、最轻、最先进的数码马达,它也推动了戴森制造出另一个创新型的个人护理产品:戴森Airwrap美发造型器,这是一种可以定型头发的工具,它由数码马达推动强劲气流,无需过高温度即可打造发型。

此外,为了能够降低吹风机的噪音,戴森的工程师对数码马达整个运行过程中的气流进行了分析,空气如何旋转离开叶轮,如何才能使气流呈直线流出并最大限度地减少气流中的湍流等等。工程师借助FEA(有限元分析)和CFD(流体力学)等软件,对数码马达的运行进行仿真模拟。仿真模拟过程往往会持续数小时,甚至数天;在V9系列数码马达的开发阶段,工程师们一共打造和测试了 4865 个原型。

戴森强大的研发实力

最后,戴森的工程师最终成功地提高了马达内13个叶片叶轮的声频,使其部分超出了人类的听觉范围,最大化地减少产品使用中的噪音。

一个高性能数码马达的设计,背后涉及到机械设计、材料工程、声学、空气动力学等多个学科。其体积虽然小,但科技含量丝毫不少。借用《核舟记》中的一句感叹:嘻!技亦灵怪矣哉!

马达之外

今年,戴森又推出了新一代的V11无绳吸尘器,其中搭载的是最新的v11数码马达。与初代数码马达相比,V11除了性能上的提升,其工作过程更加智能。它能够感应所处环境的高度、气压和温度,甚至可以侦测天气。它的气压传感器非常精确,可以知道你是在楼上还是楼下,甚至可以知道桌子和地板之间的高度差。更重要的是,它可以利用这些信息做出相应的调整,即使气压不同也能够保持性能的稳定。无论是在墨西哥城、丹佛市等空气稀薄的高海拔城市,还是新加坡等地势低洼的城市,它都能保持同样的高性能。

戴森老爷子和戴森数码马达丨tuchong.com

同时,借助强劲的数码马达,戴森也得以使搭载这些马达的设备更加强劲,更加好用。

早在2015年,戴森就发布了第一代智能吸尘机器人360 Eye,获得了很多奖项。但是戴森并未满足于现状,如今又推出了新一代的智能吸尘机器人Dyson Heurist。

与第一代相比,新一代智能吸尘机器人的吸力提升了20%;配备的刷条与机身等宽,能全辐清洁整个行进路线;此外,还安装有整机过滤系统,可以捉捕99.97%小到0.3微米的颗粒物。

Dyson 360 Heurist 智能吸尘机器人

而名字中的Heurist,意思是启发的,意味着这一代智能机器人能够不断地去学习、不断地去探索。其配备有智能视觉系统,能帮助机器人智能导航,实时识别当前所在位置。安装有“飞行时间测距法”(Time-of-flight)传感器,通过测量距离,帮助机器人构建房间地图且持续监测机器人的实时方位。它还能够在黑暗环境下清扫,也能够爬越路障。

它还可以和DYSON LINK APP互联。用户可以通过这个APP去启动或关闭机器的运行,同时还可以选择三档不同的清洁模式。而APP中,也更新了两个新的功能。

DYSON LINK

一个是分区功能,可以对房屋进行地图分区,针对不同的分区执行不同的清洁模式。例如玄关的话,由于经常会走过,所以会比较脏,可以选强劲模式。比较干净的地方,可以选安静模式。

另一个是禁区功能,可以避免机器人走入一些你不想它进去的地方,比方说小朋友的玩具,宠物的食盆之类。

又如在一些商场、机场火车站、酒店或者办公楼宇时常能见到的、但却容易被我们忽略的干手器,其实也用到了戴森的第4代数码马达(v4),可快速、卫生地吹干双手。一些噪音较低的干手器为了降低噪声水平而使用低功率马达,然而,这会导致干手时间延长,让很多人等不及烘干双手就离去——细菌传染风险因此急剧增加。另一方面,快速干手器通过使用较大的马达来缩短干手时间,但是这会导致噪音变大,在工作或休息场所使用会造成干扰。戴森利用空气动力学、声学和马达三方面专业知识,从而改造了这个领域。

从吸尘器到吹风机,再到智能吸尘机器人或是干手器,高性能产品背后本质是对技术永不满足的态度和精益求精的追求。如今,戴森在数码马达技术上已经耗费了20年,前后投入了3.5亿英镑,在全球范围内申请了超过1000多项数码马达专利,生产了 5000 多万台数码马达,也彻底改变了自身所在的行业,成为了业界的标杆。

黑科技背后的人才支撑

在戴森的黑科技背后,其实是对人才的重视和培养。

没有任何一项创新是平白无故诞生的。科技创新的关键其实是人。科技创新,永远是人才培养的副产品。

所以,伟大的企业终归都是要走到办学这条路上来的。

要想富,多种树。要想强,办学堂。

前有马云、柳传志等9位商界大佬发起湖畔大学,后有华为携手清华附中合作创办爱为书院。

然而戴森在这一步上走得更远——直接创办自己的学校。

就在我们这次所参观的马姆斯伯里园区,戴森花费了3150万英镑,打造了一个五星级、免学费、既能一边学习又能一边同世界级工程技术团队一起合作研发的全新教育模式。

戴森工程技术学院丨wikipedia

在今年6月,戴森工程技术学院的新校区在园区落成。

这个校区是戴森专为本科学生设计的新校区,由63个居住舱组成,其灵感来自加拿大魁北克蒙特利尔的模范住宅社区 Habitat 67。相互交错的居住舱最高可叠至三层,坐落于校园景色宜人之处,使每位学生能够尽享舒适的住宿环境与美丽风光。为了营造出良好的生活学习氛围,每个居住舱都设有独立前门,较低的单元门将直接通往风景如画的花园,较高的则与斜坡上的人行道相连。

校区的中心是“Round house”,这个圆形建筑内部设有咖啡馆、酒吧、放映室和学习空间等。此外,旁边的“Hanger”为所有在校生和戴森员工提供设施齐全的健身房、多功能运动场地,以及免费的拳击、瑜伽等课程。在校区内,还有各式各样的咖啡馆和餐馆,均由曾在伦敦 Soho 区的米其林星级餐厅 L’Escargot 担任主厨的Joe Croan 主管。

学院中的“Round house”

创始人戴森爵士说:“我希望学生们的居住空间也能超越常规——它不应当只是平淡乏味的学生校区,而是一件运用创新技术的工程作品。”

戴森工程学院的培养方式也非常独特。一边学习,一边参与实际工程项目,一边还能把钱给挣了。

与一般的学院不同,戴森工程学院的培养方案中,第一年和第二年涵盖了工程专业的基础课程,在第三年和第四年则有针对性地对学生提供电子、软件和机械工程方向的教学。与此同时,学生们每周有三天与戴森的全球工程团队一同工作,亲身参与到实际的项目中。

戴森工程学院的本科工程师无需支付任何学费,在享有薪水的同时,还能与全球工程和技术行业的专家一起工作。本科生工程师可以使用他们专属的教学空间和校园内的 136 个实验室。

我不知道你们怎么想,反正我看到这个消息的时候,忍不住流下了柠檬泪,恨不得再去重新读个大学。

一家最初做吸尘器的公司,在数码马达领域做到了世界最前列,成为了吹风机领域的网红。

它为你的头发操碎了心,而现在,它又开始办起了学。

高科技也好,黑科技也罢,科技创新不是空洞的概念,它是一点一滴的日积月累,是沉得住气的厚积薄发。

将一个普通的事物做到极致,永远没有看上去那么容易。

这个世界靠理论去描绘和理解,却要靠工程和技术去改变。与理论的精致优美不同,工程和技术永远充满了各种公差、干扰和bug,充满了心有余而力不足的遗憾,充满了成本与效益的妥协。

但正是在这无尽的妥协之中,闪耀着人类智慧的火花。

就像戴森那样,20年,3.5亿,5000多名研发专家,一所花园式的学校——只为解决他人忽视的问题。

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