स्क्विरेल केज इंडक्शन मोटर्स के लिए ईवीएस ड्राइव की मांग

एक इलेक्ट्रिक वाहन के भीतर चुपचाप धड़कते एक अत्यधिक कुशल "हृदय" की कल्पना करें - जो जटिल ब्रश संरचनाओं के बिना विश्वसनीय शक्ति प्रदान करता है। यह स्क्विरेल केज इंडक्शन मोटर (एससीआईएम) है, जो औद्योगिक अनुप्रयोगों और इलेक्ट्रिक वाहनों दोनों में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एसी मोटर है। लेकिन इस मोटर को क्या विशिष्ट बनाता है, और इसे किन चुनौतियों और अवसरों का सामना करना पड़ता है?

सिंहावलोकन

स्क्विरेल केज इंडक्शन मोटर एक ब्रशलेस एसी मोटर है जो साइनसॉइडल वोल्टेज और करंट द्वारा संचालित होती है। इसका सरल निर्माण, कम लागत, उच्च विश्वसनीयता, स्थायित्व, न्यूनतम टॉर्क तरंग, कम रखरखाव की आवश्यकताएं, और कठोर वातावरण में काम करने की क्षमता इसे औद्योगिक अनुप्रयोगों और विद्युत प्रणोदन प्रणालियों के लिए आदर्श बनाती है।

इलेक्ट्रिक वाहन अनुप्रयोग

एससीआईएम को यात्री कारों, बसों और हल्के ट्रकों सहित कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों (बीईवी) में लागू किया गया है। उल्लेखनीय उदाहरणों में टेस्ला एस-2014, तज़ारी ज़ीरो, मर्सिडीज-बेंज बी-क्लास इलेक्ट्रिक ड्राइव, महिंद्रा ई2ओ, और टोयोटा आरएवी4 ईवी शामिल हैं। इसके अतिरिक्त, स्मिथ इलेक्ट्रिक व्हीकल्स के न्यूटन लाइट-ड्यूटी इलेक्ट्रिक ट्रक और ऑप्टारे सोलो ईवी बैटरी-इलेक्ट्रिक बस का पहला संस्करण भी तीन-चरण एससीआईएम का उपयोग करता है।

कार्य सिद्धांत और संरचनात्मक विशेषताएं

एक अतुल्यकालिक मोटर के रूप में, SCIM स्टेटर वाइंडिंग्स द्वारा उत्पन्न घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र गति और रोटर गति के बीच अंतर के साथ संचालित होता है। इसकी अपेक्षाकृत सरल संरचना अन्य मोटर प्रकारों की तुलना में डिजाइन और विनिर्माण प्रक्रियाओं को सरल बनाती है। स्थायी चुंबक मोटरों के विपरीत, एससीआईएम अधिक किफायती सामग्री का उपयोग करते हैं। जबकि तीन-चरण SCIM सबसे आम हैं, बिजली घनत्व में सुधार करने और टॉर्क तरंग और प्रति-चरण वर्तमान को कम करने के लिए उच्च चरण संख्या वाले मोटर्स का विकास किया जा रहा है।

रोटर में एक कास्ट एल्यूमीनियम गिलहरी पिंजरे होता है, जिसमें स्टेटर के घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र से प्रेरित रोटर धाराएं होती हैं। इस क्षेत्र और रोटर धारा के चुंबकीय क्षेत्र के बीच परस्पर क्रिया विद्युत चुम्बकीय टोक़ उत्पन्न करती है। रोटर बार और अंतिम रिंगों के लिए एल्यूमीनियम के बजाय तांबे का उपयोग करके दक्षता को बढ़ाया जा सकता है।

प्रदर्शन सीमाएँ और सुधार के उपाय

एससीआईएम में अंतर्निहित कमियां हैं जिनमें कठिन कम गति नियंत्रण, हल्के भार के तहत कम पावर फैक्टर, उच्च शुरुआती वर्तमान, अपेक्षाकृत कम दक्षता और खराब इन्वर्टर उपयोग शामिल हैं। नो-लोड परिस्थितियों में भी, मैग्नेटाइजेशन करंट तांबे के नुकसान और इलेक्ट्रॉनिक कनवर्टर रेटिंग को बढ़ाता है। उचित नियंत्रण तकनीक कम शुरुआती धारा को बनाए रखते हुए अधिकतम शुरुआती टॉर्क प्राप्त कर सकती है।

हब मोटर अनुप्रयोगों के लिए, एससीआईएम एयर गैप व्यास और आउटपुट टॉर्क को बढ़ाने के लिए बाहरी-पिंजरे रोटार को नियोजित कर सकते हैं। विशेष रूप से, एससीआईएम में अन्य मोटर प्रकारों की तुलना में कम टॉर्क घनत्व और दक्षता होती है, जो उन्हें हाइब्रिड या प्लग-इन हाइब्रिड वाहनों की तुलना में बीईवी के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है जहां जगह की कमी होती है। अधिकतम गति आम तौर पर 10,000 आरपीएम तक सीमित होती है, हालांकि क्षेत्र कमजोर करने वाली तकनीक निरंतर बिजली सीमा को आधार गति से 4-5 गुना तक बढ़ा सकती है - जो इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है।

नियंत्रण प्रौद्योगिकी

वर्तमान में विभिन्न गति और टॉर्क नियंत्रण तकनीकें कार्यरत हैं। सबसे सरल स्केलर नियंत्रण है, जो वोल्टेज परिमाण और आवृत्ति को समायोजित करता है, हालांकि इसका क्षणिक प्रदर्शन सीमित है। बेहतर क्षणिक प्रतिक्रिया के लिए, क्षेत्र-उन्मुख नियंत्रण (एफओसी) और प्रत्यक्ष टोक़ नियंत्रण (डीटीसी) लागू किया जा रहा है, जबकि सेंसर रहित नियंत्रण विधियां (गति/स्थिति सेंसर को खत्म करना) ध्यान आकर्षित कर रही हैं।

स्थायी चुंबक मोटर्स

स्थायी चुंबक ब्रशलेस मोटरें दो श्रेणियों में आती हैं: ब्रशलेस डीसी (बीएलडीसी) और ब्रशलेस एसी (स्थायी चुंबक सिंक्रोनस मोटर्स या पीएमएसएम)। जबकि दोनों में स्थायी चुंबक रोटार होते हैं, उनकी स्टेटर वाइंडिंग व्यवस्था भिन्न होती है। बीएलडीसी मोटरें ट्रैपेज़ॉइडल बैक-ईएमएफ के साथ ट्रैपेज़ॉइडल वाइंडिंग का उपयोग करती हैं, जो आमतौर पर आयताकार चरण धाराओं द्वारा संचालित होती हैं। यह प्रति रोटेशन छह बार स्थिति फीडबैक का उपयोग करके सरल नियंत्रण विधियों की अनुमति देता है।

पीएमएसएम घाव-रोटर सिंक्रोनस मोटर्स से विकसित हुए, जिन्होंने ब्रश/स्लिप-रिंग उत्तेजना वाइंडिंग को स्थायी चुंबक से बदल दिया। उनके स्टेटर इंडक्शन मोटर्स से मिलते जुलते हैं, जिनमें साइनसॉइडल वाइंडिंग्स साइनसॉइडल धाराओं द्वारा संचालित साइनसॉइडल बैक-ईएमएफ का उत्पादन करते हैं। ये अंतर मोटर व्यवहार और नियंत्रण एल्गोरिदम को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं, जिससे पीएमएसएम ईवी ट्रैक्शन सिस्टम के लिए बेहतर अनुकूल हो जाते हैं।

स्थायी चुंबक मोटर डिज़ाइन

जबकि अधिकांश पीएमएसएम रेडियल-फ्लक्स डिज़ाइन का उपयोग करते हैं, अक्षीय-फ्लक्स कॉन्फ़िगरेशन विशेष रूप से हब मोटर अनुप्रयोगों में कुछ पावर रेंज के लिए टॉर्क-टू-जड़ता अनुपात और पावर घनत्व में लाभ प्रदान करते हैं। बेहतर चुंबकीय गुणों के कारण दुर्लभ-पृथ्वी चुंबक ईवी प्रणोदन प्रणालियों पर हावी हैं, हालांकि उच्च दक्षता वाले पीएमएसएम को कम चुंबक ग्रेड के साथ डिजाइन किया जा सकता है।

रेयर-अर्थ पीएमएसएम उच्च शक्ति/टॉर्क घनत्व, तुल्यकालिक गति संचालन, उच्च दक्षता, सटीक टॉर्क नियंत्रण और रखरखाव-मुक्त संचालन सहित आकर्षक विशेषताएं प्रदान करते हैं। हालाँकि, सीमाओं में सीमित क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता (विशेष रूप से सतह पर लगे पीएमएसएम में), यांत्रिक झटके, उच्च तापमान, या शॉर्ट-सर्किट प्रभावों से विचुंबकीकरण जोखिम शामिल हैं - जिससे सुरक्षा और दोष सहनशीलता गंभीर चिंता का विषय बन जाती है।

स्विच्ड अनिच्छा मोटर्स

स्विच्ड रिलक्टेंस मोटर्स (एसआरएम) दोगुनी प्रमुख संरचनाओं वाली ब्रशलेस मशीनें हैं - रोटर और स्टेटर दोनों में उभरे हुए खंभे हैं। स्टेटर में डीसी मोटर के समान संकेंद्रित वाइंडिंग होती है, जबकि रोटर में न तो वाइंडिंग होती है और न ही मैग्नेट। इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण के माध्यम से स्टेटर ध्रुवों को क्रमिक रूप से सक्रिय करके रोटर गति को बनाए रखा जाता है।

एसआरएम अपनी सरल रोटर संरचना के कारण सादगी, कम लागत और निर्माण में आसानी प्रदान करते हैं। वे उच्च तापमान क्षमता, कम रोटर जड़ता, उच्च शुरुआती टॉर्क और तीव्र त्वरण के साथ-साथ विस्तारित स्थिर-शक्ति गति रेंज (7:1 तक) प्रदान करते हैं - जो गियरलेस ईवी ड्राइव के लिए आदर्श है। हालाँकि, अंतर्निहित सीमाओं में महत्वपूर्ण टॉर्क तरंग, कंपन, ध्वनिक शोर, उच्च गैर-रैखिकता के कारण जटिल नियंत्रण और उच्च लौह हानि से कम दक्षता शामिल है।

फ्लक्स-स्विचिंग मोटर्स

फ्लक्स-स्विचिंग मोटर्स (एफएसएम) कर्षण अनुप्रयोगों के लिए जांच के तहत दोगुनी प्रमुख ब्रशलेस मशीनें हैं। उनके स्टेटर में डीसी उत्तेजना वाइंडिंग और एसी आर्मेचर वाइंडिंग (आमतौर पर तीन चरण) दोनों होते हैं, जो एसआरएम की तुलना में कंपन/शोर को कम करते हैं। रोटर की सादगी एफएसएम को उच्च गति संचालन के लिए मजबूत बनाती है।

एफएसएम वेरिएंट में वाइंडिंग-एक्साइटेड (डब्ल्यूएफएफएसएम), स्थायी चुंबक (पीएमएफएसएम), और हाइब्रिड-एक्साइटेड (एचईएफएसएम) प्रकार शामिल हैं। जबकि पीएमएफएसएम सीमित स्थिर-शक्ति गति सीमा दिखाते हैं, डब्ल्यूएफएफएसएम डीसी वाइंडिंग नियंत्रण के माध्यम से इस संबंध में उत्कृष्टता प्राप्त करते हैं। आकर्षक एफएसएम विशेषताओं में संरचनात्मक सादगी, उच्च वायु-अंतराल प्रवाह घनत्व (उच्च शक्ति/टॉर्क घनत्व उत्पन्न करना), और कठोर वातावरण के लिए कठोरता शामिल है। कमियों में उच्च तांबे की हानि और अंतर्निहित टॉर्क तरंग शामिल हैं।

सिंक्रोनस अनिच्छा मोटर्स

सिंक्रोनस रिलक्टेंस मोटर्स (SynRMs) तीन-चरण एसी पावर के माध्यम से सिंक्रोनस रूप से संचालित होते हैं। उनके लेमिनेटेड रोटर्स - जिनमें न तो कंडक्टर होते हैं और न ही मैग्नेट - रोटर के नुकसान को कम करते हैं। टॉर्क पूरी तरह से चुंबकीय अनिच्छा से उत्पन्न होता है, जिसके लिए इष्टतम प्रदर्शन के लिए उच्च सामर्थ्य अनुपात (एलडी/एलक्यू) की आवश्यकता होती है। मल्टी-फ्लक्स-बैरियर रोटर डिज़ाइन चतुर्भुज-अक्ष फ्लक्स को अवरुद्ध करते हुए चुंबकीय प्रवाह का मार्गदर्शन करते हैं।

SynRMs इंडक्शन मोटर्स की तुलना में विनिर्माण में सरलता और प्रतिस्पर्धी पावर फैक्टर/इन्वर्टर आवश्यकताओं की पेशकश करते हैं, हालांकि वे दक्षता और टॉर्क घनत्व में PMSM से पीछे हैं। सावधानीपूर्वक फ़्लक्स-बैरियर डिज़ाइन टॉर्क तरंग समस्याओं को कम कर सकता है। कई निर्माता अब ईवी अनुप्रयोगों के लिए विकसित हालिया प्रोटोटाइप के साथ औद्योगिक-ग्रेड SynRM की पेशकश करते हैं।

स्थायी चुंबक-सहायता प्राप्त तुल्यकालिक अनिच्छा मोटर्स

SynRM रोटर्स में मैग्नेट डालने से PMa-SynRMs बनता है - EV ड्राइव के लिए आशाजनक उम्मीदवार। आंतरिक पीएमएसएम के समान, ये मशीनें सामर्थ्य अनुपात को बढ़ावा देने के लिए रोटर फ्लक्स बाधाओं में फेराइट मैग्नेट एम्बेड करती हैं। चुम्बकों की ध्रुवीयता चतुर्भुज-अक्ष प्रवाह का प्रतिकार करती है, Lq को न्यूनतम करती है और अनिच्छा बलाघूर्ण (जो संरेखण बलाघूर्ण पर हावी होती है) को बढ़ाने के लिए Ld/Lq अनुपात को अधिकतम करती है।

PMa-SynRMs PM और अनिच्छा मोटर लाभों को जोड़ते हैं: उच्च दक्षता, घनत्व, शक्ति कारक और गति सीमा। दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों के बजाय कम लागत वाले फेराइट का उपयोग करने से विचुंबकीकरण जोखिम और बैक-ईएमएफ को कम करते हुए लागत/आपूर्ति संबंधी चिंताओं का समाधान होता है। रोटर डिज़ाइन चुंबकीय सामर्थ्य को अनुकूलित करते हुए एम्बेडेड फेराइट के लिए बहु-परत गुहाओं का उपयोग करते हैं। हालाँकि अभी तक ईवी का व्यावसायीकरण नहीं हुआ है, फिर भी फेराइट-आधारित पीएमए-सिनआरएम प्रोटोटाइप पर विकास के प्रयास जारी हैं।

मोटर प्रदर्शन तुलना

मोटर प्रकारों (एसआरएम, डब्ल्यूएफएफएसएम, पीएमएफएसएम, पीएमए-सिनआरएम, पीएमएसएम और एससीआईएम) का मूल्यांकन करते समय, कोई भी एक उम्मीदवार स्पष्ट रूप से सभी मैट्रिक्स में दूसरों से बेहतर प्रदर्शन नहीं करता है। मुख्य विचारों में टॉर्क तरंग, शोर/कंपन, विनिर्माण क्षमता, असभ्यता, दोष सहनशीलता, निरंतर-शक्ति सीमा और नियंत्रण जटिलता शामिल हैं। इष्टतम मोटर विशेषताओं के साथ विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं का मिलान करने के लिए व्यापक विश्लेषण की आवश्यकता है।