एक्सियल फ्लक्स मोटर्स की हाई-स्पीड फ़ील्ड-कमजोर करने की क्षमता का मूल्यांकन कैसे करें?

हाल के वर्षों में, अक्षीय फ्लक्स मोटरों ने इलेक्ट्रिक ड्राइव समुदाय में बढ़ती लोकप्रियता हासिल की है। कई लोग उन्हें अगली पीढ़ी के उच्च-प्रदर्शन वाले मोटरों के लिए प्रतिनिधि दिशाओं में से एक मानते हैं, खासकर उन अनुप्रयोगों में जहां वॉल्यूम और वजन महत्वपूर्ण हैं - जैसे इन-व्हील मोटर्स, ड्रोन, इलेक्ट्रिक स्पोर्ट्स कार और हाइब्रिड सिस्टम। इन परिदृश्यों में अक्षीय प्रवाह संरचना अद्वितीय लाभ प्रदान करती है।

हालाँकि, वास्तव में हाई-स्पीड इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम में अक्षीय फ्लक्स मोटर्स को लागू करने के लिए, एक तकनीकी चुनौती अपरिहार्य है:  क्या हाई-स्पीड फ़ील्ड-कमजोर करने की क्षमता पर्याप्त है? और इसका मूल्यांकन कैसे किया जाना चाहिए?

I. सबसे पहले, समझें: उच्च गति पर हमेशा 'क्षेत्र को कमजोर करना' क्यों आवश्यक है?

स्थायी चुंबक सिंक्रोनस मोटर्स (पीएमएसएम) की एक मूलभूत विशेषता यह है कि पिछला ईएमएफ गति के साथ बढ़ता है।

बैक ईएमएफ को केवल मोटर द्वारा घूमने पर 'उत्पन्न' वोल्टेज के रूप में समझा जा सकता है। जब गति एक निश्चित बिंदु तक बढ़ जाती है, तो पिछला ईएमएफ उस अधिकतम वोल्टेज के करीब या उससे भी अधिक हो जाता है जिसे नियंत्रक आपूर्ति कर सकता है - यानी, डीसी बस वोल्टेज। उस बिंदु पर, मोटर अब न तो करंट प्रवाहित कर सकती है और न ही गति बढ़ा सकती है; इसे प्रभावी ढंग से 'वोल्टेज दीवार' द्वारा अवरुद्ध किया जाता है।

तो क्या कर सकते हैं?

विधि यह है:  सक्रिय रूप से मोटर के फ्लक्स लिंकेज को कम करें, यानी, चुंबकीय क्षेत्र को 'कमजोर' बनाएं , जिससे पीछे की ईएमएफ कम हो और उच्च गति के लिए वोल्टेज हेडरूम खाली हो जाए। इसे हम आम तौर पर 'क्षेत्र-कमजोर नियंत्रण' कहते हैं।

एक सादृश्य:
एक मानक साइकिल को शुरू करने और उच्च टॉर्क के लिए बड़े गियर अनुपात की आवश्यकता होती है; यदि आप उस बड़े अनुपात को उच्च गति पर रखते हैं, तो आपके पैर ताल के साथ नहीं चल सकते। फ़ील्ड-कमज़ोर नियंत्रण उच्च गति पर छोटे गियर अनुपात में स्थानांतरित होने जैसा है, जिससे वाहन की गति बढ़ती रहती है जबकि आपके पैर की ताल समान रहती है।

द्वितीय. क्षेत्र कमजोर करने में अक्षीय फ्लक्स मोटर्स की विशिष्टताएँ

अक्षीय फ्लक्स मोटर्स एक निश्चित डिज़ाइन नहीं हैं, बल्कि टोपोलॉजी की एक विस्तृत श्रेणी हैं। उनकी सामान्य विशेषता यह है कि एयर-गैप फ्लक्स पारंपरिक रेडियल फ्लक्स मोटर्स की तरह रेडियल के बजाय अक्षीय दिशा में बहता है।

यह संरचना उच्च टॉर्क घनत्व, फ्लैट फॉर्म फैक्टर और छोटी अक्षीय लंबाई जैसे फायदे लाती है, लेकिन क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता से संबंधित कुछ विशेषताओं का भी परिचय देती है।

सबसे प्रभावशाली कारकों में से एक है:  कई अक्षीय फ्लक्स मोटर्स में अपेक्षाकृत कम प्रेरण होता है।

मोटर की क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता प्रत्यक्ष-अक्ष प्रेरण  एलडी  और फ्लक्स लिंकेज  Ψm के अनुपात से निकटता से संबंधित है । सीधे शब्दों में कहें तो, प्रत्यक्ष-अक्ष प्रेरण जितना बड़ा और फ्लक्स लिंकेज जितना छोटा होगा, सिद्धांत रूप में क्षेत्र को कमजोर करना उतना ही आसान हो जाता है, और उच्च गति विस्तार क्षमता उतनी ही मजबूत हो जाती है।

कई अक्षीय फ्लक्स मोटर्स, उच्च टोक़ घनत्व की खोज में, छोटे चुंबकीय पथ और छोटे अंत वाली वाइंडिंग रखते हैं, जिसके परिणामस्वरूप स्वाभाविक रूप से कम प्रेरण होता है। नतीजतन, फ्लक्स लिंकेज को रद्द करने के लिए एक बड़े क्षेत्र-कमजोर प्रवाह की आवश्यकता होती है, जिससे उच्च गति पर तांबे के नुकसान में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, दक्षता में गिरावट होती है, और संभवतः अपर्याप्त क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता भी होती है।

लेकिन ध्यान दें:  सभी अक्षीय फ्लक्स मोटर्स का क्षेत्र-कमजोर प्रदर्शन खराब नहीं होता है।
यह विशिष्ट डिज़ाइन पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, मल्टी-लेयर मैग्नेट का उपयोग करना, पोल-जोड़ी संख्या बढ़ाना, घुमावदार कॉन्फ़िगरेशन को अनुकूलित करना, या अनिच्छा टोक़ योगदान को बढ़ाना सभी क्षेत्र-कमजोर प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं।

इसलिए, मूल्यांकन करते समय, कोई केवल यह नहीं कह सकता कि 'अक्षीय फ्लक्स मोटर्स में हमेशा कमजोर क्षेत्र कमजोर होता है'; प्रत्येक विशिष्ट डिज़ाइन के लिए मामले-दर-मामले के आधार पर इसका मूल्यांकन किया जाना चाहिए।

तृतीय. क्षेत्र-कमज़ोर करने की क्षमता के मूल्यांकन के लिए मुख्य संकेतक क्या हैं?

इंजीनियरिंग अभ्यास में, एक अक्षीय फ्लक्स मोटर की उच्च गति क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता का मूल्यांकन करने में आमतौर पर निम्नलिखित मुख्य पैरामीटर और वक्र शामिल होते हैं।

1. विशेषता वर्तमान

विशेषता धारा को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

 जहां  Ψm  स्थायी चुंबक प्रवाह लिंकेज है, और  Ld  प्रत्यक्ष-अक्ष अधिष्ठापन है।

यदि विशेषता धारा नियंत्रक के अधिकतम आउटपुट धारा से कम है, तो मोटर सैद्धांतिक रूप से 'अनंत क्षेत्र-कमजोर' क्षेत्र में प्रवेश कर सकती है, जिससे बहुत उच्च गति विस्तार की अनुमति मिलती है।
यदि विशेषता धारा अधिकतम धारा से अधिक है, तो इसका मतलब है कि क्षेत्र को कमजोर करने के लिए सभी धारा का उपयोग करना भी फ्लक्स लिंकेज को रद्द करने के लिए अपर्याप्त है, जिससे उच्च गति विस्तार क्षमता सीमित हो जाती है।

क्षेत्र-कमज़ोर क्षमता के मूल्यांकन के लिए विशेषता धारा सबसे सहज संकेतक है।

2. वोल्टेज सीमा वृत्त और धारा सीमा वृत्त

वर्तमान वेक्टर तल पर, मोटर संचालन दो वृत्तों द्वारा बाधित होता है:

• वर्तमान सीमा चक्र : नियंत्रक के अधिकतम आउटपुट वर्तमान द्वारा निर्धारित;

• वोल्टेज सीमा चक्र : डीसी बस वोल्टेज और वर्तमान गति द्वारा निर्धारित।

जैसे-जैसे गति बढ़ती है, वोल्टेज सीमा चक्र सिकुड़ता जाता है। मोटर का परिचालन बिंदु इन दो वृत्तों के प्रतिच्छेदन के भीतर होना चाहिए।

मजबूत क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता वाली मोटर के पास अभी भी उपयोगी टॉर्क देने के लिए उच्च गति पर पर्याप्त चौराहा क्षेत्र होता है।
खराब क्षेत्र-कमज़ोर क्षमता वाली मोटर में वोल्टेज सीमा चक्र बहुत तेजी से सिकुड़ता है, जिससे ऑपरेटिंग बिंदु बहुत छोटे क्षेत्र में सिमट जाता है, और आउटपुट क्षमता तेजी से गिर जाती है।

3. स्थिर-शक्ति क्षेत्र की चौड़ाई

इंजीनियरिंग में, 'निरंतर-शक्ति क्षेत्र' का उपयोग अक्सर उच्च गति विस्तार क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है।
एक व्यापक स्थिर-शक्ति क्षेत्र इंगित करता है कि मोटर टोक़ में चट्टान जैसी गिरावट का अनुभव करने के बजाय, उच्च गति पर अपेक्षाकृत उच्च बिजली उत्पादन बनाए रख सकता है।

यदि एक अक्षीय फ्लक्स मोटर को क्षेत्र को कमजोर करने के लिए खराब तरीके से डिज़ाइन किया गया है, तो इसका निरंतर-शक्ति क्षेत्र काफ़ी संकीर्ण होगा, और उच्च गति वाले छोर पर बिजली तेजी से गिर जाएगी।

4. अधिकतम गति और रेटेड गति का अनुपात

इस अनुपात को 'क्षेत्र-कमजोर गति विस्तार अनुपात' भी कहा जाता है।
विशिष्ट यात्री वाहन ड्राइव मोटर्स के लिए, 3 से 4 गुना या अधिक का विस्तार अनुपात वांछित है - उदाहरण के लिए, 4000 आरपीएम पर और अधिकतम 15000-18000 आरपीएम पर रेट किया गया।
एक अक्षीय फ्लक्स मोटर इस स्तर को प्राप्त कर सकती है या नहीं, यह अधिष्ठापन, फ्लक्स लिंकेज, पोल-जोड़ी संख्या और नियंत्रक वोल्टेज क्षमता के संयुक्त मूल्यांकन पर निर्भर करता है।

5. उच्च गति दक्षता और तापमान वृद्धि

क्षेत्र का कमजोर होना सिर्फ 'क्या यह घूम सकता है' के बारे में नहीं है, बल्कि 'जब ऐसा होता है तो यह कितना कुशल है' के बारे में भी है
।

इसलिए, क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता का मूल्यांकन करते समय, उच्च गति दक्षता एमएपी और थर्मल प्रदर्शन की भी जांच करना आवश्यक है - न कि केवल गति संख्याओं की।

चतुर्थ. व्यवहार में मूल्यांकन कैसे करें? तीन दृष्टिकोण

दृष्टिकोण 1: विद्युतचुंबकीय अनुकरण

डिज़ाइन चरण के दौरान, इंजीनियर आमतौर पर परिमित तत्व सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके अक्षीय फ्लक्स मोटर का एक विद्युत चुम्बकीय मॉडल बनाते हैं।

विभिन्न गति और वर्तमान वैक्टर को स्वीप करके, निम्नलिखित प्राप्त किया जा सकता है:

• बैक ईएमएफ तरंग;

• प्रत्यक्ष-अक्ष और चतुर्भुज-अक्ष अधिष्ठापन  Ld , Lq;

• फ्लक्स लिंकेज  Ψm;

• विशेषता वर्तमान  Ich;

• वोल्टेज सीमा दीर्घवृत्त और वर्तमान सीमा वृत्त का प्रतिच्छेदन;

• सैद्धांतिक अधिकतम टोक़-गति वक्र;

• दक्षता मानचित्र.

ये डेटा मोटर की क्षेत्र-कमजोर क्षमता को व्यापक रूप से प्रतिबिंबित कर सकते हैं।
हालाँकि, सटीक सिमुलेशन परिणामों के लिए, मॉडल को अक्षीय प्रवाह अंत रिसाव प्रवाह, 3 डी चुंबकीय सर्किट पथ और संतृप्ति विशेषताओं का ईमानदारी से प्रतिनिधित्व करना चाहिए। परिणामस्वरूप, पारंपरिक रेडियल मोटर्स की तुलना में अक्षीय फ्लक्स मोटर्स का सिमुलेशन 3डी परिमित तत्व विश्लेषण पर अधिक निर्भर करता है।

दृष्टिकोण 2: बेंच परीक्षण

अनुकरण केवल सैद्धांतिक है; अंततः, बेंच माप की आवश्यकता होती है।

बेंच परीक्षणों में आम तौर पर शामिल हैं:

• बैक ईएमएफ गुणांक माप;

•  विभिन्न तापमानों पर प्रेरण माप;

• पीक टॉर्क-स्पीड बाहरी विशेषता वक्र;

• निरंतर रेटेड बिजली उत्पादन क्षमता;

• अधिकतम गति पर निरंतर संचालन समय;

• उच्च गति क्षेत्र-कमज़ोर क्षेत्र में दक्षता और तापमान में वृद्धि;

• चुंबक विचुंबकीकरण के बाद प्रदर्शन में गिरावट का परीक्षण।

सबसे महत्वपूर्ण हैं  उच्च गति वाले क्षेत्र को कमजोर करने वाले क्षेत्र में तापमान में वृद्धि  और  निरंतर संचालन क्षमता। .
कई अक्षीय फ्लक्स प्रोटोटाइप छोटी अवधि के चरम परीक्षणों में बहुत उच्च गति तक पहुंच सकते हैं, लेकिन अगर वे निरंतर संचालन के कुछ मिनटों के बाद अत्यधिक गर्म हो जाते हैं और ख़राब हो जाते हैं, तो उन्हें वास्तव में योग्य क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता के रूप में नहीं माना जा सकता है।

दृष्टिकोण 3: नियंत्रण रणनीति मिलान मूल्यांकन

फ़ील्ड-कमजोर करने की क्षमता न केवल मोटर पर निर्भर करती है, बल्कि नियंत्रक और नियंत्रण एल्गोरिदम पर भी निर्भर करती है।

सामान्य नियंत्रण रणनीतियों में शामिल हैं:

• एमटीपीए (अधिकतम टॉर्क प्रति एम्पीयर);

• क्षेत्र-कमज़ोर नियंत्रण;

• एमटीपीवी (प्रति वोल्टेज अधिकतम टॉर्क);

• गहरे क्षेत्र में वोल्टेज फीडफॉरवर्ड और करंट डिकॉउलिंग-कमज़ोर होना।

मूल्यांकन में यह जांचना चाहिए कि क्या नियंत्रण रणनीति अक्षीय प्रवाह मोटर की वोल्टेज और वर्तमान सीमाओं का पूरी तरह से फायदा उठा सकती है।
यदि मोटर बॉडी में क्षेत्र-कमजोर करने की अच्छी क्षमता है लेकिन नियंत्रण एल्गोरिदम अपर्याप्त है, तो उच्च गति पर घबराहट, नियंत्रण की हानि, या अत्यधिक कम दक्षता जैसे मुद्दे हो सकते हैं।

V. कौन से डिज़ाइन सुधार अक्षीय फ्लक्स मोटर्स की उच्च गति क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता को बढ़ा सकते हैं?

यदि मूल्यांकन से अपर्याप्त क्षेत्र-कमज़ोर क्षमता का पता चलता है, तो सामान्य सुधार निर्देशों में शामिल हैं:

1. प्रत्यक्ष-अक्ष अधिष्ठापन को अनुकूलित करें

प्रत्यक्ष-अक्ष अधिष्ठापन को उचित रूप से बढ़ाने से विशेषता धारा कम हो सकती है और क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता बढ़ सकती है।
इसे पोल-जोड़ी संख्या को बढ़ाकर, स्लॉट ज्यामिति को समायोजित करके, घुमावदार लेआउट को अनुकूलित करके, चुंबकीय पुल की चौड़ाई बढ़ाकर, आदि द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।

हालाँकि, डायरेक्ट-एक्सिस इंडक्शन बढ़ने से अक्सर टॉर्क घनत्व के साथ टकराव होता है, इसलिए बहुउद्देश्यीय अनुकूलन की आवश्यकता होती है।

2. फ्लक्स लिंकेज को मध्यम रूप से कम करें

थोड़े कम अवशेष लेकिन उच्च तापमान सहनशीलता वाले चुम्बकों का उपयोग करना, या चुम्बक की मोटाई कम करना, ईएमएफ और विशेषता धारा को कम कर सकता है।
ट्रेड-ऑफ़ कम गति वाले टॉर्क में कमी है, जिसे समग्र सिस्टम आवश्यकताओं के अनुरूप तौलने की आवश्यकता है।

3. अनिच्छा बलाघूर्ण योगदान बढ़ाएँ

सामर्थ्य अनुपात (चतुर्भुज और प्रत्यक्ष-अक्ष अधिष्ठापन के बीच अंतर) को बढ़ाकर, अनिच्छा टोक़ आउटपुट का एक बड़ा हिस्सा ग्रहण कर सकता है, जिससे स्थायी चुंबक प्रवाह लिंकेज पर निर्भरता कम हो जाती है।
इस तरह, उच्च गति क्षेत्र के कमजोर होने पर, फ्लक्स लिंकेज कम वोल्टेज हेडरूम घेरता है, जिससे गति विस्तार आसान हो जाता है।

4. संकर उत्तेजना या परिवर्तनशील प्रवाह को अपनाएं

यह अधिक उन्नत दृष्टिकोण है.
अक्षीय फ्लक्स संरचना में फ़ील्ड वाइंडिंग्स या वैरिएबल-फ्लक्स मैग्नेट को शामिल करने से उच्च गति पर एयर-गैप फ्लक्स को सक्रिय रूप से कम करने की अनुमति मिलती है, जो 'निष्क्रिय क्षेत्र कमजोर पड़ने' को 'सक्रिय क्षेत्र कमजोर होने' में बदल देता है।

यह डिज़ाइन उच्च गति दक्षता और निरंतर-शक्ति क्षेत्र की चौड़ाई में काफी सुधार कर सकता है, लेकिन संरचनात्मक जटिलता और लागत को बढ़ाता है।

5. डीसी बस वोल्टेज उपयोग में सुधार करें

यदि मोटर में मामूली क्षेत्र-कमज़ोर करने की क्षमता है, तो उसी बस वोल्टेज से अधिक प्रभावी वोल्टेज प्रदान करने के लिए, नियंत्रक वोल्टेज स्तर को बढ़ाकर, SiC इनवर्टर का उपयोग करके, मॉड्यूलेशन रणनीतियों को अनुकूलित करके 'वोल्टेज दीवार' को पीछे धकेलना भी संभव है।

इससे क्षेत्र के कमज़ोर होने की अधिक गुंजाइश रह जाती है।

VI. सामान्य भ्रांतियाँ

अक्षीय फ्लक्स मोटर्स की उच्च गति क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता का मूल्यांकन करते समय, कई गलतफहमियां ध्यान देने योग्य हैं।

ग़लतफ़हमी 1: केवल अधिकतम गति को देखना।

एक उच्च अधिकतम गति का मतलब जरूरी नहीं कि मजबूत क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता हो - यह निरंतर उपयोगी बिजली उत्पादन के बिना केवल एक अल्पकालिक गति विस्फोट हो सकता है।

ग़लतफ़हमी 2: यह मानना ​​कि अक्षीय फ़्लक्स मोटरों में हमेशा ख़राब क्षेत्र कमज़ोर होता है।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, अक्षीय प्रवाह एक टोपोलॉजिकल अवधारणा है, और विशिष्ट क्षेत्र-कमजोर प्रदर्शन व्यापक रूप से भिन्न होता है। कुछ उच्च-प्रदर्शन अक्षीय फ्लक्स मोटर्स क्षेत्र-कमजोर क्षमता में तुलनीय रेडियल फ्लक्स मोटर्स से भी बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं।

ग़लतफ़हमी 3: तापमान के प्रभाव को नज़रअंदाज़ करना।

स्थायी चुंबक फ्लक्स लिंकेज और वाइंडिंग प्रतिरोध दोनों तापमान के साथ भिन्न होते हैं। उच्च तापमान पर, फ्लक्स लिंकेज कम हो जाता है, जिससे क्षेत्र-कमजोर वर्तमान आवश्यकताओं में परिवर्तन होता है। मूल्यांकन में केवल शीत-अवस्था डेटा का नहीं, बल्कि गर्म-अवस्था मापदंडों का उपयोग किया जाना चाहिए।

ग़लतफ़हमी 4: सिमुलेशन अधिकतम गति को वास्तविक प्रयोग करने योग्य गति मानना।

सिमुलेशन अक्सर आदर्श वोल्टेज, करंट और तापमान स्थितियों के तहत चलाए जाते हैं। वास्तविक बेंच परीक्षण में, नियंत्रक गैर-रैखिकताएं और थर्मल संरक्षण व्यावहारिक क्षेत्र-कमजोर क्षेत्र को सीमित कर देगा।

सातवीं. निष्कर्ष

अक्षीय फ्लक्स मोटर की उच्च गति क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता, संक्षेप में, एक सिस्टम-स्तरीय इंजीनियरिंग समस्या है।

यह न केवल मोटर बॉडी के विद्युत चुम्बकीय डिजाइन पर निर्भर करता है, बल्कि नियंत्रण रणनीति, इन्वर्टर क्षमता और थर्मल प्रबंधन पर भी निर्भर करता है।
मूल्यांकन केवल एक या दो मापदंडों पर निर्भर नहीं होना चाहिए; इसके बजाय, इसके लिए विशेषता वर्तमान, वोल्टेज/वर्तमान सीमा सर्कल, निरंतर-शक्ति क्षेत्र की चौड़ाई, उच्च गति दक्षता, तापमान वृद्धि और निरंतर संचालन क्षमता के आधार पर एक व्यापक निर्णय की आवश्यकता होती है।

उच्च गति वाले इलेक्ट्रिक ड्राइव अनुप्रयोगों में वास्तव में अक्षीय फ्लक्स मोटर्स को आगे बढ़ाने का लक्ष्य रखने वाले इंजीनियरों के लिए,  क्षेत्र-कमजोर करने की क्षमता 'चाहे वह मौजूद है' का मामला नहीं है, बल्कि 'क्या मोटर गति को स्थायी और कुशलता से बढ़ा सकती है।'

भविष्य में, नई सामग्रियों, नई टोपोलॉजी और बहु-भौतिकी अनुकूलन तकनीकों में प्रगति के साथ, उच्च गति क्षेत्र-कमजोर क्षेत्र में अक्षीय फ्लक्स मोटर्स के प्रदर्शन में सुधार जारी रहेगा।
और उनकी क्षेत्र-कमज़ोर क्षमता का सटीक और व्यवस्थित मूल्यांकन तेजी से इलेक्ट्रिक ड्राइव विकास में एक महत्वपूर्ण कड़ी बन जाएगा।