अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के लाभ, कठिनाइयाँ और नए विकास

रेडियल फ्लक्स मोटर की तुलना में, इलेक्ट्रिक वाहन डिज़ाइन में अक्षीय फ्लक्स मोटर के कई फायदे हैं। उदाहरण के लिए, अक्षीय फ्लक्स मोटर मोटर को धुरी से पहियों के अंदर ले जाकर पावरट्रेन के डिज़ाइन को बदल सकते हैं।

1.शक्ति की धुरी

अक्षीय फ्लक्स मोटर्सकई वर्षों से, इस प्रकार की मोटर का उपयोग लिफ्ट और कृषि मशीनरी जैसे स्थिर अनुप्रयोगों में किया जाता रहा है, लेकिन पिछले दशक में, कई डेवलपर्स इस तकनीक को बेहतर बनाने और इसे इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिल, एयरपोर्ट पॉड्स, कार्गो ट्रक, इलेक्ट्रिक वाहनों और यहां तक ​​कि हवाई जहाज पर लागू करने के लिए काम कर रहे हैं।

पारंपरिक रेडियल फ्लक्स मोटर स्थायी चुंबक या इंडक्शन मोटर का उपयोग करते हैं, जिन्होंने वजन और लागत को अनुकूलित करने में महत्वपूर्ण प्रगति की है। हालाँकि, उन्हें विकास जारी रखने में कई कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है। अक्षीय फ्लक्स, एक पूरी तरह से अलग प्रकार की मोटर, एक अच्छा विकल्प हो सकता है।

रेडियल मोटरों की तुलना में, अक्षीय फ्लक्स स्थायी चुंबक मोटरों का प्रभावी चुंबकीय सतह क्षेत्र मोटर रोटर की सतह है, न कि बाहरी व्यास। इसलिए, मोटर की एक निश्चित मात्रा में, अक्षीय फ्लक्स स्थायी चुंबक मोटर आमतौर पर अधिक टॉर्क प्रदान कर सकते हैं।

अक्षीय फ्लक्स मोटर्सअधिक कॉम्पैक्ट हैं; रेडियल मोटर्स की तुलना में, मोटर की अक्षीय लंबाई बहुत कम होती है। आंतरिक पहिया मोटर्स के लिए, यह अक्सर एक महत्वपूर्ण कारक होता है। अक्षीय मोटर्स की कॉम्पैक्ट संरचना समान रेडियल मोटर्स की तुलना में उच्च शक्ति घनत्व और टॉर्क घनत्व सुनिश्चित करती है, इस प्रकार अत्यधिक उच्च परिचालन गति की आवश्यकता को समाप्त करती है।

अक्षीय फ्लक्स मोटर की दक्षता भी बहुत अधिक होती है, जो आमतौर पर 96% से अधिक होती है। यह छोटे, एक आयामी फ्लक्स पथ के कारण है, जो बाजार में सबसे अच्छे 2D रेडियल फ्लक्स मोटर की तुलना में दक्षता में तुलनीय या उससे भी अधिक है।

मोटर की लंबाई कम होती है, जो आमतौर पर 5 से 8 गुना कम होती है, और वजन भी 2 से 5 गुना कम होता है। इन दो कारकों ने इलेक्ट्रिक वाहन प्लेटफॉर्म डिजाइनरों की पसंद को बदल दिया है।

2. अक्षीय फ्लक्स प्रौद्योगिकी

इसके लिए दो मुख्य टोपोलॉजी हैंअक्षीय फ्लक्स मोटर्स: दोहरी रोटर एकल स्टेटर (कभी-कभी टोरस शैली मशीनों के रूप में संदर्भित) और एकल रोटर दोहरी स्टेटर।

वर्तमान में, अधिकांश स्थायी चुंबक मोटर रेडियल फ्लक्स टोपोलॉजी का उपयोग करते हैं। चुंबकीय फ्लक्स सर्किट रोटर पर एक स्थायी चुंबक से शुरू होता है, स्टेटर पर पहले दांत से गुजरता है, और फिर स्टेटर के साथ रेडियल रूप से बहता है। फिर रोटर पर दूसरे चुंबकीय स्टील तक पहुँचने के लिए दूसरे दांत से गुजरता है। दोहरे रोटर अक्षीय फ्लक्स टोपोलॉजी में, फ्लक्स लूप पहले चुंबक से शुरू होता है, स्टेटर दांतों के माध्यम से अक्षीय रूप से गुजरता है, और तुरंत दूसरे चुंबक तक पहुँचता है।

इसका अर्थ यह है कि फ्लक्स पथ रेडियल फ्लक्स मोटर की तुलना में बहुत छोटा है, जिसके परिणामस्वरूप समान शक्ति पर मोटर का आयतन छोटा, शक्ति घनत्व अधिक और दक्षता प्राप्त होती है।

रेडियल मोटर, जहाँ चुंबकीय प्रवाह पहले दाँत से होकर गुजरता है और फिर स्टेटर के माध्यम से अगले दाँत पर वापस लौटता है, चुंबक तक पहुँचता है। चुंबकीय प्रवाह एक द्वि-आयामी पथ का अनुसरण करता है।

अक्षीय चुंबकीय फ्लक्स मशीन का चुंबकीय फ्लक्स पथ एक-आयामी होता है, इसलिए ग्रेन ओरिएंटेड इलेक्ट्रिकल स्टील का उपयोग किया जा सकता है। यह स्टील फ्लक्स को आसानी से गुजरने में मदद करता है, जिससे दक्षता में सुधार होता है।

रेडियल फ्लक्स मोटर पारंपरिक रूप से वितरित वाइंडिंग का उपयोग करते हैं, जिसमें वाइंडिंग के आधे सिरे काम नहीं करते हैं। कॉइल ओवरहैंग के परिणामस्वरूप अतिरिक्त वजन, लागत, विद्युत प्रतिरोध और अधिक गर्मी का नुकसान होगा, जिससे डिजाइनरों को वाइंडिंग डिज़ाइन में सुधार करने के लिए मजबूर होना पड़ेगा।

कुंडली के सिरेअक्षीय फ्लक्स मोटर्सबहुत कम हैं, और कुछ डिज़ाइन केंद्रित या खंडित वाइंडिंग का उपयोग करते हैं, जो पूरी तरह से प्रभावी हैं। खंडित स्टेटर रेडियल मशीनों के लिए, स्टेटर में चुंबकीय प्रवाह पथ का टूटना अतिरिक्त नुकसान ला सकता है, लेकिन अक्षीय प्रवाह मोटर्स के लिए, यह कोई समस्या नहीं है। कॉइल वाइंडिंग का डिज़ाइन आपूर्तिकर्ताओं के स्तर को अलग करने की कुंजी है।

3. विकास

अक्षीय फ्लक्स मोटरों को डिजाइन और उत्पादन में कुछ गंभीर चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, उनके तकनीकी लाभों के बावजूद, उनकी लागत रेडियल मोटरों की तुलना में कहीं अधिक है। लोगों को रेडियल मोटरों की बहुत अच्छी समझ है, और विनिर्माण विधियाँ और यांत्रिक उपकरण भी आसानी से उपलब्ध हैं।

अक्षीय फ्लक्स मोटर की मुख्य चुनौतियों में से एक रोटर और स्टेटर के बीच एक समान वायु अंतराल बनाए रखना है, क्योंकि चुंबकीय बल रेडियल मोटर की तुलना में बहुत अधिक होता है, जिससे एक समान वायु अंतराल बनाए रखना मुश्किल हो जाता है। दोहरे रोटर अक्षीय फ्लक्स मोटर में गर्मी अपव्यय की समस्या भी होती है, क्योंकि वाइंडिंग स्टेटर के भीतर और दो रोटर डिस्क के बीच में स्थित होती है, जिससे गर्मी अपव्यय बहुत मुश्किल हो जाता है।

अक्षीय फ्लक्स मोटरों का निर्माण भी कई कारणों से कठिन है। योक टोपोलॉजी (यानी स्टेटर से लोहे के योक को हटाना लेकिन लोहे के दांतों को बनाए रखना) वाली दोहरी रोटर मशीन का उपयोग करके मोटर व्यास और चुंबक का विस्तार किए बिना इनमें से कुछ समस्याओं को दूर किया जाता है।

हालांकि, योक को हटाने से नई चुनौतियां सामने आती हैं, जैसे कि यांत्रिक योक कनेक्शन के बिना अलग-अलग दांतों को कैसे ठीक किया जाए और उनकी स्थिति कैसे तय की जाए। ठंडा करना भी एक बड़ी चुनौती है।

रोटर का उत्पादन करना और हवा के अंतर को बनाए रखना भी मुश्किल है, क्योंकि रोटर डिस्क रोटर को आकर्षित करती है। इसका फ़ायदा यह है कि रोटर डिस्क सीधे शाफ्ट रिंग के ज़रिए जुड़ी होती हैं, इसलिए बल एक दूसरे को रद्द कर देते हैं। इसका मतलब यह है कि आंतरिक बेयरिंग इन बलों का सामना नहीं कर पाती है, और इसका एकमात्र कार्य स्टेटर को दो रोटर डिस्क के बीच मध्य स्थिति में रखना है।

डबल स्टेटर सिंगल रोटर मोटर को सर्कुलर मोटर की चुनौतियों का सामना नहीं करना पड़ता है, लेकिन स्टेटर का डिज़ाइन बहुत अधिक जटिल है और स्वचालन प्राप्त करना कठिन है, और संबंधित लागत भी अधिक है। किसी भी पारंपरिक रेडियल फ्लक्स मोटर के विपरीत, अक्षीय मोटर निर्माण प्रक्रियाएँ और यांत्रिक उपकरण हाल ही में सामने आए हैं।

4. इलेक्ट्रिक वाहनों का अनुप्रयोग

मोटर वाहन उद्योग में विश्वसनीयता महत्वपूर्ण है, और विभिन्न वाहनों की विश्वसनीयता और मजबूती साबित करना महत्वपूर्ण है।अक्षीय फ्लक्स मोटर्सनिर्माताओं को यह विश्वास दिलाना कि ये मोटरें बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त हैं, हमेशा एक चुनौती रही है। इसने अक्षीय मोटर आपूर्तिकर्ताओं को अपने स्तर पर व्यापक सत्यापन कार्यक्रम चलाने के लिए प्रेरित किया है, जिसमें प्रत्येक आपूर्तिकर्ता यह प्रदर्शित करता है कि उनकी मोटर विश्वसनीयता पारंपरिक रेडियल फ्लक्स मोटरों से अलग नहीं है।

एकमात्र घटक जो जल्दी खराब हो सकता हैअक्षीय फ्लक्स मोटरबीयरिंग है। अक्षीय चुंबकीय प्रवाह की लंबाई अपेक्षाकृत कम है, और बीयरिंग की स्थिति करीब है, आमतौर पर थोड़ा "अधिक आयाम" के लिए डिज़ाइन किया गया है। सौभाग्य से, अक्षीय प्रवाह मोटर में एक छोटा रोटर द्रव्यमान होता है और यह कम रोटर गतिशील शाफ्ट भार का सामना कर सकता है। इसलिए, बीयरिंग पर लागू वास्तविक बल रेडियल फ्लक्स मोटर की तुलना में बहुत छोटा है।

इलेक्ट्रॉनिक एक्सल अक्षीय मोटरों के पहले अनुप्रयोगों में से एक है। पतली चौड़ाई मोटर और गियरबॉक्स को एक्सल में समाहित कर सकती है। हाइब्रिड अनुप्रयोगों में, मोटर की छोटी अक्षीय लंबाई बदले में ट्रांसमिशन सिस्टम की कुल लंबाई को छोटा कर देती है।

अगला कदम पहिये पर अक्षीय मोटर स्थापित करना है। इस तरह, मोटर से पहियों तक सीधे शक्ति संचारित की जा सकती है, जिससे मोटर की दक्षता में सुधार होता है। ट्रांसमिशन, डिफरेंशियल और ड्राइवशाफ्ट के उन्मूलन के कारण, सिस्टम की जटिलता भी कम हो गई है।

हालाँकि, ऐसा लगता है कि मानक विन्यास अभी तक सामने नहीं आए हैं। प्रत्येक मूल उपकरण निर्माता विशिष्ट विन्यास पर शोध कर रहा है, क्योंकि अक्षीय मोटरों के विभिन्न आकार और आकृतियाँ इलेक्ट्रिक वाहनों के डिज़ाइन को बदल सकती हैं। रेडियल मोटरों की तुलना में, अक्षीय मोटरों में उच्च शक्ति घनत्व होता है, जिसका अर्थ है कि छोटे अक्षीय मोटरों का उपयोग किया जा सकता है। यह वाहन प्लेटफ़ॉर्म के लिए नए डिज़ाइन विकल्प प्रदान करता है, जैसे कि बैटरी पैक की नियुक्ति।

4.1 खंडित आर्मेचर

YASA (योकलेस और सेगमेंटेड आर्मेचर) मोटर टोपोलॉजी दोहरे रोटर एकल स्टेटर टोपोलॉजी का एक उदाहरण है, जो विनिर्माण जटिलता को कम करता है और स्वचालित बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त है। इन मोटरों में 2000 से 9000 आरपीएम की गति पर 10 kW/kg तक की शक्ति घनत्व होती है।

एक समर्पित नियंत्रक का उपयोग करके, यह मोटर के लिए 200 kVA का करंट प्रदान कर सकता है। नियंत्रक की मात्रा लगभग 5 लीटर है और इसका वजन 5.8 किलोग्राम है, जिसमें डाइइलेक्ट्रिक ऑयल कूलिंग के साथ थर्मल प्रबंधन शामिल है, जो अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के साथ-साथ इंडक्शन और रेडियल फ्लक्स मोटर्स के लिए उपयुक्त है।

इससे इलेक्ट्रिक वाहन मूल उपकरण निर्माताओं और प्रथम श्रेणी के डेवलपर्स को आवेदन और उपलब्ध स्थान के आधार पर उपयुक्त मोटर चुनने में सुविधा मिलती है। छोटे आकार और वजन के कारण वाहन हल्का होता है और इसमें अधिक बैटरी होती हैं, जिससे रेंज में वृद्धि होती है।

5. इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिल का अनुप्रयोग

इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिल और एटीवी के लिए, कुछ कंपनियों ने एसी एक्सियल फ्लक्स मोटर विकसित की हैं। इस प्रकार के वाहन के लिए आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला डिज़ाइन डीसी ब्रश आधारित एक्सियल फ्लक्स डिज़ाइन है, जबकि नया उत्पाद एक एसी, पूरी तरह से सीलबंद ब्रशलेस डिज़ाइन है।

डीसी और एसी दोनों मोटरों की कॉइल स्थिर रहती हैं, लेकिन दोहरे रोटर घूमने वाले आर्मेचर के बजाय स्थायी चुंबक का उपयोग करते हैं। इस विधि का लाभ यह है कि इसमें यांत्रिक उलटफेर की आवश्यकता नहीं होती है।

एसी अक्षीय डिजाइन रेडियल मोटर्स के लिए मानक तीन-चरण एसी मोटर नियंत्रकों का भी उपयोग कर सकता है। यह लागत को कम करने में मदद करता है, क्योंकि नियंत्रक टॉर्क के करंट को नियंत्रित करता है, गति को नहीं। नियंत्रक को 12 kHz या उससे अधिक की आवृत्ति की आवश्यकता होती है, जो ऐसे उपकरणों की मुख्यधारा आवृत्ति है।

उच्च आवृत्ति 20 µ H के निचले वाइंडिंग इंडक्टेंस से आती है। आवृत्ति करंट को नियंत्रित कर सकती है ताकि करंट रिपल को कम से कम किया जा सके और साइनसॉइडल सिग्नल को यथासंभव सुचारू रूप से सुनिश्चित किया जा सके। गतिशील दृष्टिकोण से, यह तेजी से टॉर्क परिवर्तन की अनुमति देकर सुचारू मोटर नियंत्रण प्राप्त करने का एक शानदार तरीका है।

यह डिज़ाइन एक वितरित डबल-लेयर वाइंडिंग को अपनाता है, इसलिए चुंबकीय प्रवाह स्टेटर के माध्यम से रोटर से दूसरे रोटर तक बहुत छोटे पथ और उच्च दक्षता के साथ प्रवाहित होता है।

इस डिज़ाइन की खास बात यह है कि यह 60 V की अधिकतम वोल्टेज पर काम कर सकता है और उच्च वोल्टेज सिस्टम के लिए उपयुक्त नहीं है। इसलिए, इसका उपयोग इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिलों और रेनॉल्ट ट्विज़ी जैसे L7e क्लास के चार पहिया वाहनों के लिए किया जा सकता है।

60 V का अधिकतम वोल्टेज मोटर को मुख्यधारा 48 V विद्युत प्रणालियों में एकीकृत करने की अनुमति देता है और रखरखाव कार्य को सरल बनाता है।

यूरोपीय फ्रेमवर्क विनियमन 2002/24/EC में L7e चार पहिया मोटरसाइकिल विनिर्देशों में यह निर्धारित किया गया है कि माल परिवहन के लिए उपयोग किए जाने वाले वाहनों का वजन बैटरी के वजन को छोड़कर 600 किलोग्राम से अधिक नहीं होना चाहिए। इन वाहनों को 200 किलोग्राम से अधिक यात्रियों, 1000 किलोग्राम से अधिक माल और 15 किलोवाट से अधिक इंजन शक्ति नहीं ले जाने की अनुमति है। वितरित वाइंडिंग विधि 75-100 एनएम का टॉर्क प्रदान कर सकती है, जिसमें 20-25 किलोवाट की अधिकतम आउटपुट शक्ति और 15 किलोवाट की निरंतर शक्ति होती है।

अक्षीय प्रवाह की चुनौती यह है कि तांबे की वाइंडिंग गर्मी को कैसे नष्ट करती है, जो मुश्किल है क्योंकि गर्मी को रोटर से गुजरना चाहिए। वितरित वाइंडिंग इस समस्या को हल करने की कुंजी है, क्योंकि इसमें बड़ी संख्या में पोल ​​स्लॉट हैं। इस तरह, तांबे और शेल के बीच एक बड़ा सतह क्षेत्र होता है, और गर्मी को बाहर स्थानांतरित किया जा सकता है और एक मानक तरल शीतलन प्रणाली द्वारा छुट्टी दी जा सकती है।

साइनसॉइडल तरंग रूपों का उपयोग करने के लिए कई चुंबकीय ध्रुव महत्वपूर्ण हैं, जो हार्मोनिक्स को कम करने में मदद करते हैं। ये हार्मोनिक्स चुंबक और कोर के गर्म होने के रूप में प्रकट होते हैं, जबकि तांबे के घटक गर्मी को दूर नहीं ले जा सकते हैं। जब चुंबक और लोहे के कोर में गर्मी जमा हो जाती है, तो दक्षता कम हो जाती है, यही कारण है कि मोटर के प्रदर्शन के लिए तरंग और गर्मी पथ को अनुकूलित करना महत्वपूर्ण है।

मोटर के डिजाइन को लागत कम करने और स्वचालित बड़े पैमाने पर उत्पादन प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया गया है। एक एक्सट्रूडेड हाउसिंग रिंग को जटिल यांत्रिक प्रसंस्करण की आवश्यकता नहीं होती है और यह सामग्री की लागत को कम कर सकती है। कॉइल को सीधे घाव किया जा सकता है और सही असेंबली आकार को बनाए रखने के लिए वाइंडिंग प्रक्रिया के दौरान एक बॉन्डिंग प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है।

मुख्य बिंदु यह है कि कॉइल मानक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तार से बना है, जबकि लोहे के कोर को मानक ले-ऑफ-द-शेल्फ ट्रांसफॉर्मर स्टील के साथ लेमिनेट किया गया है, जिसे बस आकार में काटने की जरूरत है। अन्य मोटर डिज़ाइनों में कोर लेमिनेशन में नरम चुंबकीय सामग्री का उपयोग करने की आवश्यकता होती है, जो अधिक महंगा हो सकता है।

वितरित वाइंडिंग के उपयोग का मतलब है कि चुंबकीय स्टील को खंडित करने की आवश्यकता नहीं है; वे सरल आकार के हो सकते हैं और निर्माण में आसान हो सकते हैं। चुंबकीय स्टील के आकार को कम करने और इसके निर्माण में आसानी सुनिश्चित करने से लागत कम करने पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।

इस अक्षीय फ्लक्स मोटर के डिजाइन को ग्राहक की आवश्यकताओं के अनुसार भी अनुकूलित किया जा सकता है। ग्राहकों ने मूल डिजाइन के आसपास विकसित अनुकूलित संस्करण बनाए हैं। फिर प्रारंभिक उत्पादन सत्यापन के लिए एक परीक्षण उत्पादन लाइन पर निर्मित किया जाता है, जिसे अन्य कारखानों में दोहराया जा सकता है।

अनुकूलन मुख्य रूप से इसलिए है क्योंकि वाहन का प्रदर्शन न केवल अक्षीय चुंबकीय प्रवाह मोटर के डिजाइन पर निर्भर करता है, बल्कि वाहन संरचना, बैटरी पैक और बीएमएस की गुणवत्ता पर भी निर्भर करता है।