अक्षीय फ्लक्स मोटरों के लाभ, कठिनाइयाँ और नए विकास

रेडियल फ्लक्स मोटर्स की तुलना में, इलेक्ट्रिक वाहन डिजाइन में एक्सियल फ्लक्स मोटर्स के कई फायदे हैं। उदाहरण के लिए, एक्सियल फ्लक्स मोटर्स मोटर को एक्सल से हटाकर पहियों के अंदर की ओर ले जाकर पावरट्रेन के डिजाइन को बदल सकती हैं।

1. शक्ति की धुरी

अक्षीय फ्लक्स मोटर्सइस प्रकार की मोटर को तेजी से लोकप्रियता मिल रही है। कई 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 विकासकर्ताओं ने इस तकनीक को बेहतर बनाने और इसे इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिलों, एयरपोर्ट पॉड्स, कार्गो ट्रकों, इलेक्ट्रिक वाहनों और यहां तक ​​कि हवाई जहाजों में भी लागू करने के लिए काम किया है।

परंपरागत रेडियल फ्लक्स मोटर्स स्थायी चुंबक या प्रेरण मोटर्स का उपयोग करती हैं, जिन्होंने वजन और लागत को अनुकूलित करने में महत्वपूर्ण प्रगति की है। हालांकि, उनके निरंतर विकास में कई कठिनाइयाँ हैं। अक्षीय फ्लक्स, जो एक बिल्कुल अलग प्रकार की मोटर है, एक अच्छा विकल्प हो सकती है।

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

अक्षीय फ्लक्स मोटर्सरेडियल मोटरों की तुलना में, एक्सियल मोटरों की अक्षीय लंबाई काफी कम होती है, जिससे वे अधिक सघन हो जाती हैं। आंतरिक पहिया मोटरों के लिए यह अक्सर एक महत्वपूर्ण कारक होता है। एक्सियल मोटरों की सघन संरचना समान रेडियल मोटरों की तुलना में उच्च शक्ति घनत्व और टॉर्क घनत्व सुनिश्चित करती है, जिससे अत्यधिक उच्च परिचालन गति की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

अक्षीय फ्लक्स मोटरों की दक्षता भी बहुत अधिक होती है, आमतौर पर 96% से अधिक। इसका श्रेय छोटे, एक आयामी फ्लक्स पथ को जाता है, जिसकी दक्षता बाजार में उपलब्ध सर्वश्रेष्ठ 2D रेडियल फ्लक्स मोटरों के बराबर या उससे भी अधिक होती है।

मोटर की लंबाई आमतौर पर 5 से 8 गुना कम हो जाती है, और वजन भी 2 से 5 गुना कम हो जाता है। इन दो कारकों ने इलेक्ट्रिक वाहन प्लेटफॉर्म डिजाइनरों के चयन को बदल दिया है।

2. अक्षीय प्रवाह प्रौद्योगिकी

इसके लिए दो मुख्य टोपोलॉजी हैंअक्षीय फ्लक्स मोटर्स: ड्यूल रोटर सिंगल स्टेटर (जिसे कभी-कभी टोरस स्टाइल मशीन भी कहा जाता है) और सिंगल रोटर ड्यूल स्टेटर।

वर्तमान में, अधिकांश स्थायी चुंबक मोटरें रेडियल फ्लक्स टोपोलॉजी का उपयोग करती हैं। चुंबकीय फ्लक्स परिपथ रोटर पर स्थित स्थायी चुंबक से शुरू होता है, स्टेटर के पहले दांत से होकर गुजरता है, और फिर स्टेटर के अनुदिश रेडियल रूप से प्रवाहित होता है। इसके बाद यह दूसरे दांत से होकर रोटर पर स्थित दूसरे चुंबकीय स्टील तक पहुँचता है। दोहरे रोटर वाली अक्षीय फ्लक्स टोपोलॉजी में, फ्लक्स लूप पहले चुंबक से शुरू होता है, स्टेटर के दांतों से अक्षीय रूप से गुजरता है, और तुरंत दूसरे चुंबक तक पहुँच जाता है।

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

एक रेडियल मोटर में, चुंबकीय प्रवाह पहले दांत से होकर गुजरता है और फिर स्टेटर के माध्यम से अगले दांत तक लौटकर चुंबक तक पहुंचता है। चुंबकीय प्रवाह एक द्वि-आयामी पथ का अनुसरण करता है।

अक्षीय चुंबकीय प्रवाह मशीन का चुंबकीय प्रवाह पथ एक-आयामी होता है, इसलिए दानेदार विद्युत इस्पात का उपयोग किया जा सकता है। यह इस्पात प्रवाह को आसानी से गुजरने देता है, जिससे दक्षता में सुधार होता है।

रेडियल फ्लक्स मोटर्स में परंपरागत रूप से वितरित वाइंडिंग का उपयोग किया जाता है, जिसमें वाइंडिंग के आधे सिरे तक काम नहीं करते हैं। कॉइल का अतिरिक्त भाग वजन, लागत, विद्युत प्रतिरोध और अधिक ऊष्मा हानि का कारण बनता है, जिससे डिजाइनरों को वाइंडिंग डिजाइन में सुधार करने के लिए मजबूर होना पड़ता है।

कुंडल के सिरेअक्षीय फ्लक्स मोटर्सइनमें काफी कम नुकसान होते हैं, और कुछ डिज़ाइन में सघन या खंडित वाइंडिंग का उपयोग किया जाता है, जो पूरी तरह से प्रभावी होती हैं। खंडित स्टेटर वाली रेडियल मशीनों में, स्टेटर में चुंबकीय प्रवाह पथ के टूटने से अतिरिक्त नुकसान हो सकता है, लेकिन अक्षीय प्रवाह मोटरों में यह समस्या नहीं होती है। कॉइल वाइंडिंग का डिज़ाइन ही आपूर्तिकर्ताओं के स्तर को निर्धारित करने की कुंजी है।

3. विकास

तकनीकी लाभों के बावजूद, अक्षीय फ्लक्स मोटरों को डिजाइन और उत्पादन में कुछ गंभीर चुनौतियों का सामना करना पड़ता है; इनकी लागत रेडियल मोटरों की तुलना में कहीं अधिक होती है। रेडियल मोटरों की अच्छी समझ है और इनके निर्माण की विधियाँ और यांत्रिक उपकरण भी आसानी से उपलब्ध हैं।

अक्षीय फ्लक्स मोटरों की मुख्य चुनौतियों में से एक रोटर और स्टेटर के बीच एकसमान वायु अंतराल बनाए रखना है, क्योंकि चुंबकीय बल रेडियल मोटरों की तुलना में कहीं अधिक होता है, जिससे एकसमान वायु अंतराल बनाए रखना कठिन हो जाता है। दोहरे रोटर वाली अक्षीय फ्लक्स मोटर में ऊष्मा अपव्यय की समस्या भी होती है, क्योंकि वाइंडिंग स्टेटर के भीतर और दोनों रोटर डिस्क के बीच गहराई में स्थित होती है, जिससे ऊष्मा का अपव्यय बहुत मुश्किल हो जाता है।

कई कारणों से अक्षीय फ्लक्स मोटरों का निर्माण भी कठिन होता है। दोहरे रोटर वाली मशीन, जिसमें योक टोपोलॉजी (अर्थात् स्टेटर से लोहे का योक हटाकर लोहे के दांतों को बरकरार रखना) का उपयोग किया जाता है, मोटर के व्यास और चुंबक को बढ़ाए बिना इनमें से कुछ समस्याओं को दूर करती 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 निर्धारित की जाए। शीतलन भी एक बड़ी चुनौती है।

रोटर का निर्माण करना और वायु अंतराल बनाए रखना भी कठिन है, क्योंकि रोटर डिस्क रोटर को आकर्षित करती है। इसका लाभ यह है कि रोटर डिस्क शाफ्ट रिंग के माध्यम से सीधे जुड़ी होती हैं, इसलिए बल एक दूसरे को रद्द कर देते हैं। इसका अर्थ यह है कि आंतरिक बियरिंग इन बलों को सहन नहीं करती है, और इसका एकमात्र कार्य स्टेटर को दोनों रोटर डिस्क के बीच मध्य स्थिति में रखना है।

डबल स्टेटर सिंगल रोटर मोटर्स को सर्कुलर मोटर्स जैसी चुनौतियों का सामना नहीं करना पड़ता, लेकिन स्टेटर का डिज़ाइन कहीं अधिक जटिल होता है और स्वचालन प्राप्त करना कठिन होता है, साथ ही इससे संबंधित लागत भी अधिक होती है। किसी भी पारंपरिक रेडियल फ्लक्स मोटर के विपरीत, अक्षीय मोटर निर्माण प्रक्रियाएं और यांत्रिक उपकरण हाल ही में विकसित हुए हैं।

4. इलेक्ट्रिक वाहनों का अनुप्रयोग

ऑटोमोटिव उद्योग में विश्वसनीयता बेहद महत्वपूर्ण है, और विभिन्न मॉडलों की विश्वसनीयता और मजबूती को साबित करना आवश्यक है।अक्षीय फ्लक्स मोटर्सनिर्माताओं को यह विश्वास दिलाना कि ये मोटरें बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त हैं, हमेशा से एक चुनौती रही है। इसी कारण अक्षीय मोटर आपूर्तिकर्ताओं ने अपने स्तर पर व्यापक सत्यापन कार्यक्रम चलाए हैं, जिनमें प्रत्येक आपूर्तिकर्ता ने यह प्रदर्शित किया है कि उनकी मोटर की विश्वसनीयता पारंपरिक रेडियल फ्लक्स मोटरों से भिन्न नहीं है।

किसी भी उपकरण में केवल एक ही घटक खराब हो सकता है।अक्षीय फ्लक्स मोटरबेयरिंग ही इसका मुख्य कारण है। अक्षीय चुंबकीय प्रवाह की लंबाई अपेक्षाकृत कम होती है, और बेयरिंग की स्थिति पास-पास होती है, इसलिए इन्हें आमतौर पर थोड़ा अधिक आकार का बनाया जाता है। सौभाग्य से, अक्षीय प्रवाह मोटर में रोटर का द्रव्यमान कम होता है और यह रोटर शाफ्ट पर कम गतिशील भार सहन कर सकती है। इसलिए, बेयरिंग पर लगने वाला वास्तविक बल रेडियल प्रवाह मोटर की तुलना में बहुत कम होता है।

इलेक्ट्रॉनिक एक्सल, अक्षीय मोटरों के शुरुआती अनुप्रयोगों में से एक है। इसकी कम चौड़ाई के कारण मोटर और गियरबॉक्स को एक्सल के भीतर समाहित किया जा सकता है। हाइब्रिड अनुप्रयोगों में, मोटर की छोटी अक्षीय लंबाई के कारण ट्रांसमिशन सिस्टम की कुल लंबाई भी कम हो जाती है।

अगला चरण एक्सियल मोटर को पहिए पर स्थापित करना है। इस तरह, मोटर से पहियों तक सीधे बिजली पहुंचाई जा सकती है, जिससे मोटर की कार्यक्षमता में सुधार होता है। ट्रांसमिशन, डिफरेंशियल और ड्राइवशाफ्ट के न होने से सिस्टम की जटिलता भी कम हो जाती है।

हालांकि, ऐसा लगता है कि अभी तक मानक कॉन्फ़िगरेशन उपलब्ध नहीं हो पाए हैं। प्रत्येक मूल उपकरण निर्माता विशिष्ट कॉन्फ़िगरेशन 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 की शक्ति घनत्व अधिक होती है, जिसका अर्थ है कि छोटी अक्षीय मोटरों का उपयोग किया जा सकता है। इससे वाहन प्लेटफार्मों के लिए नए डिज़ाइन विकल्प मिलते हैं, जैसे कि बैटरी पैक की स्थिति।

4.1 खंडित आर्मेचर

YASA (योकेलेस और सेगमेंटेड आर्मेचर) मोटर टोपोलॉजी एक ड्यूल रोटर सिंगल स्टेटर टोपोलॉजी का उदाहरण है, जो निर्माण की जटिलता को कम करती है और स्वचालित बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त है। इन मोटरों की पावर डेंसिटी 2000 से 9000 आरपीएम की गति पर 10 किलोवाट/किलोग्राम तक होती है।

एक विशेष नियंत्रक का उपयोग करके, यह मोटर के लिए 200 kVA की धारा प्रदान कर सकता है। नियंत्रक का आयतन लगभग 5 लीटर है और इसका वजन 5.8 किलोग्राम है, जिसमें डाइइलेक्ट्रिक ऑयल कूलिंग के साथ थर्मल मैनेजमेंट शामिल है। यह अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के साथ-साथ प्रेरण और रेडियल फ्लक्स मोटर्स के लिए भी उपयुक्त है।

इससे इलेक्ट्रिक वाहनों के मूल उपकरण निर्माताओं और अग्रणी डेवलपर्स को उपयोग और उपलब्ध स्थान के आधार पर उपयुक्त मोटर का चयन करने में लचीलापन मिलता है। छोटे आकार और कम वजन के कारण वाहन हल्का हो जाता है और इसमें अधिक बैटरी लगाई जा सकती हैं, जिससे इसकी रेंज में वृद्धि होती है।

5. इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिलों का अनुप्रयोग

इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिलों और एटीवी के लिए, कुछ कंपनियों ने एसी एक्सियल फ्लक्स मोटर्स विकसित की हैं। इस प्रकार के वाहनों के लिए आमतौर पर इस्तेमाल होने वाला डिज़ाइन डीसी ब्रश आधारित एक्सियल फ्लक्स डिज़ाइन है, जबकि नया उत्पाद एसी, पूरी तरह से सीलबंद ब्रश रहित डिज़ाइन है।

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

एसी अक्षीय डिज़ाइन में रेडियल मोटरों के लिए मानक तीन-चरण एसी मोटर नियंत्रकों का भी उपयोग किया जा सकता है। इससे लागत कम करने में मदद मिलती है, क्योंकि नियंत्रक गति के बजाय टॉर्क के करंट को नियंत्रित करता है। नियंत्रक को 12 किलोहर्ट्ज़ या उससे अधिक की आवृत्ति की आवश्यकता होती है, जो इस प्रकार के उपकरणों की मुख्य आवृत्ति है।

उच्च आवृत्ति 20 µH के कम वाइंडिंग इंडक्टेंस से प्राप्त होती है। आवृत्ति करंट को नियंत्रित करके करंट रिपल को कम कर सकती है और यथासंभव सुचारू साइनसोइडल सिग्नल सुनिश्चित कर सकती है। गतिशील दृष्टिकोण से, यह तीव्र टॉर्क परिवर्तन की अनुमति देकर सुचारू मोटर नियंत्रण प्राप्त करने का एक शानदार तरीका है।

इस डिजाइन में वितरित दोहरी परत वाली वाइंडिंग का उपयोग किया गया है, जिससे चुंबकीय प्रवाह रोटर से दूसरे रोटर तक स्टेटर के माध्यम से प्रवाहित होता है, जिसमें पथ बहुत छोटा होता है और दक्षता अधिक होती है।

इस डिज़ाइन की मुख्य विशेषता यह है कि यह अधिकतम 60 वोल्ट के वोल्टेज पर काम कर सकता है और इससे अधिक वोल्टेज वाले सिस्टम के लिए उपयुक्त नहीं है। इसलिए, इसका उपयोग इलेक्ट्रिक मोटरसाइकिलों और रेनॉल्ट ट्विज़ी जैसे L7e श्रेणी के चार पहिया वाहनों के लिए किया जा सकता है।

60 वोल्ट का अधिकतम वोल्टेज मोटर को मुख्यधारा के 48 वोल्ट के 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 के विनिर्देशों के अनुसार, 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 यात्री, 1000 किलोग्राम से अधिक माल और 15 किलोवाट से अधिक इंजन शक्ति ले जाने की अनुमति नहीं है। वितरित वाइंडिंग विधि 75-100 एनएम का टॉर्क, 20-25 किलोवाट की अधिकतम आउटपुट शक्ति और 15 किलोवाट की निरंतर शक्ति प्रदान कर सकती है।

अक्षीय प्रवाह की चुनौती तांबे की वाइंडिंग द्वारा ऊष्मा के क्षय में निहित है, जो कि कठिन है क्योंकि ऊष्मा को रोटर से होकर गुजरना पड़ता है। वितरित वाइंडिंग इस समस्या का समाधान करने की कुंजी है, क्योंकि इसमें बड़ी संख्या में पोल ​​स्लॉट होते हैं। इस प्रकार, तांबे और खोल के बीच एक बड़ा सतही क्षेत्र होता है, और ऊष्मा को बाहर स्थानांतरित किया जा सकता है और एक मानक तरल शीतलन प्रणाली द्वारा उत्सर्जित किया जा सकता है।

साइनसोइडल तरंग रूपों का उपयोग करने के लिए कई चुंबकीय ध्रुवों का होना आवश्यक है, जो हार्मोनिक्स को कम करने में सहायक होते हैं। ये हार्मोनिक्स चुंबकों और कोर के तापन के रूप में प्रकट होते हैं, जबकि तांबे के घटक ऊष्मा को दूर नहीं कर पाते। जब चुंबकों और लोहे के कोर में ऊष्मा जमा हो जाती है, तो दक्षता कम हो जाती है, यही कारण है कि मोटर के प्रदर्शन के लिए तरंग रूप और ऊष्मा पथ का अनुकूलन करना अत्यंत महत्वपूर्ण है।

मोटर के डिज़ाइन को लागत कम करने और स्वचालित बड़े पैमाने पर उत्पादन हासिल करने के लिए अनुकूलित किया गया है। एक्सट्रूडेड हाउसिंग रिंग के लिए जटिल यांत्रिक प्रक्रियाओं की आवश्यकता नहीं होती है और इससे सामग्री की लागत कम हो सकती है। कॉइल को सीधे लपेटा जा सकता है और सही असेंबली आकार बनाए रखने के लिए लपेटने की प्रक्रिया के दौरान बॉन्डिंग प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है।

मुख्य बात यह है कि कॉइल मानक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तार से बनी होती है, जबकि लोहे का कोर मानक रेडीमेड ट्रांसफार्मर स्टील से लेमिनेटेड होता है, जिसे केवल आकार में काटना होता है। अन्य मोटर डिज़ाइनों में कोर लेमिनेशन में नरम चुंबकीय पदार्थों का उपयोग आवश्यक होता है, जो अधिक महंगा हो सकता है।

वितरित वाइंडिंग के उपयोग से चुंबकीय स्टील को खंडों में विभाजित करने की आवश्यकता नहीं होती; ये सरल आकार के हो सकते हैं और इनका निर्माण आसान होता है। चुंबकीय स्टील का आकार कम करने और इसके निर्माण में आसानी सुनिश्चित करने से लागत कम करने में महत्वपूर्ण योगदान मिलता है।

इस अक्षीय फ्लक्स मोटर के डिज़ाइन को ग्राहक की आवश्यकताओं के अनुसार अनुकूलित किया जा सकता है। ग्राहकों को मूल डिज़ाइन के आधार पर अनुकूलित संस्करण विकसित किए जाते हैं। फिर प्रारंभिक उत्पादन सत्यापन के लिए एक परीक्षण उत्पादन लाइन पर इनका निर्माण किया जाता है, जिसे अन्य कारखानों में भी दोहराया जा सकता है।

अनुकूलन मुख्य रूप से इसलिए किया जाता 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।