فریم لیس ٹارک موٹرز کا درجہ حرارت میں اضافہ اور ڈی میگنیٹائزیشن

1. ایک متضاد رجحان: سست کیوں زیادہ خطرناک ہے؟

بہت سے انجینئرز کے لیے، وجدان یہ ہے کہ موٹر جتنی تیزی سے چلتی ہے، اتنی ہی گرم ہوتی جاتی ہے۔ لیکن کی دنیا میں فریم لیس ٹارک موٹرز ، یہ منطق بالکل الٹ ہے۔

فریم لیس ٹارک موٹر میں کوئی رہائش، کوئی بیرنگ اور کوئی آؤٹ پٹ شافٹ نہیں ہے۔ یہ بنیادی طور پر ایک پاور کور ہے جو ایک 'ننگے روٹر + اسٹیٹر' پر مشتمل ہوتا ہے جو براہ راست میکینیکل ڈھانچے میں سرایت کرتا ہے۔ یہ روبوٹ کے جوڑ، تعاونی روبوٹ آرمز، اور ڈائریکٹ ڈرائیو روٹری ٹیبلز جیسے انتہائی تنگ گہاوں میں بھری ہوئی ہے، جہاں گرمی کی کھپت کے حالات روایتی گھریلو موٹروں سے کہیں زیادہ خراب ہیں۔ اور اس کا سب سے عام آپریٹنگ منظر نامہ — کم رفتار جوائنٹ ہولڈنگ اور ہائی ٹارک آؤٹ پٹ — بالکل وہی کام کرنے کی حالت ہے جس کا زیادہ امکان میگنےٹ کو 'پکانے' ہے۔

وجہ سادہ ہے: کم رفتار پر، پیچھے والا EMF بہت کم ہوتا ہے، اس لیے ڈرائیو کو ٹارک کو برقرار رکھنے کے لیے مسلسل ایک بڑا کرنٹ نکالنا چاہیے۔ تانبے کا نقصان کرنٹ کے مربع کے متناسب ہے، اور یہ تمام حرارت سٹیٹر وائنڈنگز میں جمع ہو جاتی ہے، جب کہ روٹر پر موجود میگنےٹ میں گرمی کی کھپت کا تقریباً کوئی براہ راست راستہ نہیں ہوتا ہے۔ نتیجہ یہ ہے کہ رفتار جتنی کم ہوگی، میگنےٹ اتنے ہی گرم ہوں گے۔ ہیومنائیڈ روبوٹ کے 5 کلومیٹر کے مسلسل چلنے کے ٹیسٹ میں، مشترکہ درجہ حرارت 80 ° C ماپا گیا، جو پہلے ہی زیادہ تر چکنائیوں کی اعلی درجہ حرارت کی ناکامی کی حد کے قریب پہنچ گیا ہے۔

درجہ حرارت میں اضافہ کوئی الگ تھلگ مسئلہ نہیں ہے۔ یہ بیک وقت سمیٹنے والی موصلیت (تیز عمر بڑھنے)، بیئرنگ چکنا کرنے (کارکردگی میں تنزلی) اور، سب سے زیادہ تنقیدی طور پر خود مستقل میگنےٹ کو خطرہ بناتا ہے۔ ایک بار جب ناقابل واپسی ڈی میگنیٹائزیشن واقع ہو جاتی ہے، تو موٹر کی ٹارک کی صلاحیت مستقل طور پر کم ہو جاتی ہے۔

2. ڈی میگنیٹائزیشن کے دو چہرے: ایک وہ جو 'واپس آتا ہے'، ایک جو کبھی نہیں ہوگا

NdFeB (نیوڈیمیم آئرن بوران) فی الحال فریم لیس ٹارک موٹرز کے لیے مرکزی دھارے میں شامل مقناطیسی مواد ہے۔ اس کا کیوری درجہ حرارت تقریباً 310–370 °C ہے، جو موٹر کی آپریٹنگ رینج سے بہت دور دکھائی دیتا ہے۔ لیکن جو چیز واقعی اس بات کا تعین کرتی ہے کہ مقناطیس کو کتنی دیر تک استعمال کیا جا سکتا ہے وہ کیوری کا درجہ حرارت نہیں ہے، بلکہ جبر کا درجہ حرارت کا گتانک ہے - عام طور پر -0.55%/°C اور -0.65%/°C کے درمیان۔

اس قابلیت کا مطلب یہ ہے کہ درجہ حرارت میں ہر 1 ° C اضافے کے بعد، مقناطیس کی بیرونی ڈی میگنیٹائزنگ فیلڈ کے خلاف مزاحمت کرنے کی صلاحیت 0.55% سے 0.65% تک گر جاتی ہے۔ 20 ° C سے 80 ° C تک، جبر پہلے ہی تقریباً 36 فیصد کم ہو چکا ہے۔ 100 ° C پر، نقصان نصف کے قریب ہے۔ جب جبر آرمچر ری ایکشن سے پیدا ہونے والے ڈی میگنیٹائزنگ فیلڈ سے نیچے آجاتا ہے، تو مقناطیسی ڈومین کی سیدھ مستقل طور پر خراب ہو جاتی ہے۔

Demagnetization دو قسموں میں آتا ہے:

ریورس ایبل ڈی میگنیٹائزیشن  ایک 'غلط الارم' ہے۔ جب درجہ حرارت بڑھتا ہے، مقناطیسی قوت کم ہوجاتی ہے۔ جب درجہ حرارت گرتا ہے، یہ ٹھیک ہوجاتا ہے۔ موٹر 'گرم ہونے پر زیادہ کرنٹ، ٹھنڈا ہونے پر بحالی' ظاہر کرتی ہے۔ یہ ٹھیک لگتا ہے، لیکن حقیقت میں یہ پہلے ہی نازک کنارے پر منڈلا رہی ہے۔

ناقابل واپسی ڈی میگنیٹائزیشن  اصل مصیبت ہے۔ جب درجہ حرارت اس سے زیادہ ہو جاتا ہے جو مقناطیس برداشت کر سکتا ہے، یا جب کافی مضبوط ریورس مقناطیسی فیلڈ کو اعلی درجہ حرارت پر سپرد کیا جاتا ہے، تو مقناطیسی ڈومین سیدھ کا ایک حصہ مستقل طور پر خراب ہو جاتا ہے، اور درجہ حرارت معمول پر آنے کے بعد بھی مقناطیسی قوت مکمل طور پر بحال نہیں ہو سکتی۔

ناقابل واپسی ڈی میگنیٹائزیشن کی 'جزوی' اور 'مجموعی' شکلیں بھی ہیں۔ جزوی ڈی میگنیٹائزیشن اکثر مقناطیس کے کونوں سے شروع ہوتی ہے — ایڈی کرنٹ ان کونوں پر مرکوز ہوتے ہیں، جہاں پہلے اہم درجہ حرارت کی خلاف ورزی ہوتی ہے۔ یہ بیک-EMF مستقل KE میں 3%–5% کی کمی کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔ اسی رفتار سے، ٹارک کو برقرار رکھنے کے لیے زیادہ کرنٹ کی ضرورت ہوتی ہے، درجہ حرارت مزید بڑھ جاتا ہے، اور ایک شیطانی چکر بنتا ہے۔ مجموعی طور پر ڈی میگنیٹائزیشن ایک لمبے عرصے تک پوری مشین کے 120°C سے زیادہ رہنے کا نتیجہ ہے، KE میں 10% سے زیادہ کمی کے ساتھ۔ موٹر کو ایک ہی کام کرنے کے لیے '10% تھروٹل کا اضافہ' کرنا چاہیے، 'تھرمل میگنیٹک' مثبت فیڈ بیک موت کے سرپل میں داخل ہوتا ہے۔

عام طور پر استعمال ہونے والے NdFeB میگنےٹس کے لیے، ناقابل واپسی ڈی میگنیٹائزیشن کے لیے اہم درجہ حرارت عام طور پر 80°C اور 150°C کے درمیان ہوتا ہے، یہ مقناطیس کے درجے پر منحصر ہوتا ہے۔ اعلی درجہ حرارت کے درجات دہلیز کو 150 ° C یا اس سے بھی زیادہ کے قریب دھکیل سکتے ہیں، لیکن قیمت مقناطیسی کارکردگی اور لاگت کے درمیان تجارت ہے۔

3. گرمی کہاں سے آتی ہے، اور یہ کہاں پھنس جاتی ہے؟

فریم لیس ٹارک موٹرز کے حرارتی ذرائع روایتی موٹروں کی نسبت زیادہ پیچیدہ ہیں اور انہیں تقریباً چار اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے:

تانبے کا نقصان  سب سے بنیادی ہے۔ مسلسل کرنٹ کے تحت سمیٹنے والی مزاحمت سے پیدا ہونے والا I⊃2;R نقصان کرنٹ کے مربع کے متناسب ہے۔ مسئلہ یہ ہے کہ، زیادہ ٹارک کی کثافت کے حصول میں، فریم لیس موٹرز اکثر ہائی سلاٹ فل فیکٹر اور پتلی تار کے ساتھ ڈیزائن استعمال کرتی ہیں، اس لیے سمیٹنے کی مزاحمت خود نسبتاً بڑی ہوتی ہے۔ یہاں تک کہ ایک چھوٹا کرنٹ بھی کافی بنیادی حرارت پیدا کرتا ہے اور 'حرارتی → مزاحمت میں اضافہ → زیادہ حرارت' کا مثبت فیڈ بیک لوپ بناتا ہے۔

لوہے کا نقصان خاص طور پر نمایاں ہے۔  اعلی قطب نما ڈیزائن میں فریم لیس ٹارک موٹرز میں عام طور پر استعمال ہونے والے 16–32 قطبوں کے ڈیزائن مقناطیسی فیلڈ کو بدلنے والی فریکوئنسی کو عام سروو موٹرز کی نسبت بہت زیادہ بناتے ہیں۔ یہاں تک کہ کم رفتار اور بوجھ کے بغیر، آئرن کور میں ہسٹریسس اور ایڈی کرنٹ کے نقصانات پہلے ہی کافی ہیں۔

روٹر ایڈی کرنٹ کا نقصان  آسانی سے نظر انداز کیا جانے والا چھپا ہوا گرمی کا ذریعہ ہے۔ سٹیٹر کوگنگ اثر اور PWM کیریئر ہارمونکس روٹر میگنےٹ کی سطح پر ایڈی کرنٹ کو اکساتے ہیں۔ یہ حرارت براہ راست میگنےٹ کے اندر پیدا ہوتی ہے اور اس کے پاس باہر کی طرف جانے کا تقریباً کوئی راستہ نہیں ہوتا ہے۔

کنٹرول حکمت عملی کے ذریعہ متعارف کرائے گئے اضافی نقصانات  سب سے زیادہ پوشیدہ زمرہ ہیں۔ FOC فیلڈ اورینٹیشن کی خرابی، صفر رفتار ہائی فریکوئنسی انجیکشن کی مسلسل ایکٹیویشن، اور غلط PID پیرامیٹرز کی وجہ سے مسلسل اصلاحی کرنٹ—یہ 'غیر مرئی کرنٹ' بغیر بوجھ کے حالات میں بھی مسلسل تانبے کا نقصان پیدا کرتے ہیں، جس کی بنیادی وجہ بہت سے انجینئرز کو یہ معلوم ہوتا ہے کہ 'یہ لوڈ پر بھی گرم ہے۔'

ان چار حرارتی راستوں کے سپرمپوز ہونے کے بعد، مقناطیس کا اصل درجہ حرارت عام طور پر رہائش کی سطح کے درجہ حرارت سے 8–12°C زیادہ ہوتا ہے۔ جب آپ انفراریڈ تھرمامیٹر کے ساتھ ہاؤسنگ کی سطح پر 70 ° C پڑھتے ہیں، تو ہو سکتا ہے کہ میگنےٹ نے 80 ° C سرخ لکیر پر قدم رکھا ہو۔

4. انتخاب میں تین ہارڈ لائنز

درجہ حرارت میں اضافے کا طریقہ کار سمجھ آنے کے بعد انتخاب کی منطق واضح ہو جاتی ہے۔ فریم لیس ٹارک موٹرز کے لیے درجہ حرارت کے انتخاب کا خلاصہ تین سخت لائنوں میں کیا جا سکتا ہے، جو کہ تحفظ کے اہداف کی تین مختلف سطحوں کے مطابق ہے۔

پہلی لائن: مقناطیس کا درجہ 'نیچے کی لکیر' کا تعین کرتا ہے۔

NdFeB میگنےٹس کو اندرونی جبر کے مطابق متعدد درجے کی سطحوں میں تقسیم کیا گیا ہے، درجہ حرارت کی مزاحمت قدم بہ قدم بڑھ رہی ہے:

N سیریز معیاری درجہ ہے، جو کمرے کے درجہ حرارت کی ایپلی کیشنز کے لیے موزوں ہے، جس کی درجہ حرارت کی مزاحمت تقریباً 80 °C ہے۔ H سیریز 120°C، SH سیریز 150°C، اور UH سیریز 180°C کا مقابلہ کرتی ہے۔ N سے UH تک، بھاری نایاب زمینی عناصر Dy اور Tb کو جبر کے درجہ حرارت کے گتانک کو بہتر بنانے کے لیے شامل کیا جاتا ہے، لیکن لاگت بھی 1.5 سے 3 کے فیکٹر تک بڑھ جاتی ہے۔

عام فریم لیس ٹارک موٹر ایپلی کیشنز کے لیے—روبوٹ جوائنٹ اور تعاونی روبوٹ آرمز— ایس ایچ گریڈ یا اس سے زیادہ تجویز کردہ نقطہ آغاز ہے ۔ وجہ یہ ہے کہ فریم لیس موٹرز میں فطری طور پر سخت گرمی کی کھپت کی حالت ہوتی ہے، اور مقناطیس کے آپریٹنگ درجہ حرارت اور رہائش کے درجہ حرارت کے درمیان 'پوشیدہ فرق' 15°C تک پہنچ سکتا ہے۔ N سیریز کاغذ پر کافی نظر آتی ہے، لیکن اصل آپریشن میں یہ آسانی سے لائن کو عبور کر سکتی ہے۔ مثال کے طور پر، ہیومنائیڈ روبوٹ کی پہلی نسل کی گھٹنے مشترکہ موٹر نے اسٹال کے حالات میں ڈی میگنیٹائزیشن کی تصدیق نہیں کی۔ بار بار زوال کے اثرات کے بعد، میگنےٹس کو ناقابل واپسی ڈی میگنیٹائزیشن کا سامنا کرنا پڑا، اور آؤٹ پٹ ٹارک مستقل طور پر 15 فیصد سے زیادہ گر گیا۔

دوسری لائن: موصلیت کی کلاس 'چھت' کا تعین کرتی ہے

وائنڈنگ انسولیشن کلاس درجہ حرارت کی ایک اور رکاوٹ ہے، اور یہ اکثر میگنےٹ سے پہلے اپنی حد تک پہنچ جاتی ہے۔ کلاس F موصلیت کا درجہ حرارت 155°C ہے، جو فی الحال فریم لیس ٹارک موٹرز کے لیے مرکزی دھارے کی ترتیب ہے۔ کلاس B کی موصلیت (130°C) کچھ لاگت کے لحاظ سے حساس یا انتہائی جگہ کی پابندی والی مصنوعات میں ظاہر ہوتی ہے۔

مقناطیس کے درجہ حرارت اور سمیٹنے والے درجہ حرارت کے درمیان تھرمل کپلنگ ہے: سمیٹنے والی حرارت اسٹیٹر کور کے ذریعے روٹر تک جاتی ہے اور بالآخر میگنےٹ کو متاثر کرتی ہے۔ لہذا، 155°C سمیٹنے والی موصلیت کی حد دراصل مقناطیس کے درجہ حرارت کے لیے بھی بالواسطہ حد مقرر کرتی ہے۔ انجینئرنگ کی توثیق کی منطق یہ ہے کہ، تھرمل سٹیڈی حالت کے تحت، وائنڈنگ کا درجہ حرارت موصلیت کی کلاس کی حد سے زیادہ نہیں ہونا چاہیے، جب کہ مقناطیس کا درجہ حرارت اس کے ڈی میگنیٹائزیشن نازک درجہ حرارت سے زیادہ نہیں ہونا چاہیے- مؤخر الذکر عام طور پر پہلے رکاوٹ بن جاتا ہے۔

صنعت کی مشق میں، NdFeB SH- گریڈ میگنےٹس کا زیادہ سے زیادہ مسلسل آپریٹنگ درجہ حرارت عام طور پر 120 ° C پر سیٹ کیا جاتا ہے۔ اس قدر کے اوپر، موٹر ڈی میگنیٹائزیشن کے خطرے کی حد میں داخل ہونا شروع کر دیتی ہے۔

تیسری لائن: موجودہ حد 'متحرک حد' کا تعین کرتی ہے۔

مستحکم حالت کے درجہ حرارت کے علاوہ، ایک اور متحرک عنصر ہے جسے اکثر نظر انداز کیا جاتا ہے:  کرنٹ کے دوران ڈی میگنیٹائزیشن کا خطرہ.

ٹارک موٹرز میں چوٹی ٹارک اور اسٹال ٹارک ہوتا ہے۔ چوٹی ٹارک مختصر وقت کے لیے شروع ہونے والا ٹارک ہے، جو عام طور پر صرف 10-15 سیکنڈ تک رہتا ہے۔ اسٹال ٹارک وہ قدر ہے جو مسلسل آؤٹ پٹ ہوسکتی ہے۔ جب چوٹی کا کرنٹ بہت بڑا ہوتا ہے، تو آرمچر ری ایکشن سے پیدا ہونے والا ڈی میگنیٹائزنگ فیلڈ اعلی درجہ حرارت کے حالات میں ناقابل واپسی ڈی میگنیٹائزیشن کو براہ راست متحرک کر سکتا ہے۔

مستقل میگنیٹ ڈی میگنیٹائزیشن کے ذریعے محدود ڈائریکٹ ڈرائیو ٹارک موٹر کا زیادہ سے زیادہ کرنٹ اس کا 'ڈی میگنیٹائزیشن حد پوائنٹ' ہے۔ کچھ مصنوعات میں، اعلی کارکردگی والے میگنےٹ استعمال کیے جانے کے بعد، ٹارک صرف زیادہ سے زیادہ درجہ حرارت میں اضافے سے محدود ہوتا ہے، اور چوٹی ٹارک کو بہت زیادہ بڑھایا جا سکتا ہے۔ لیکن اگر میگنیٹ گریڈ ناکافی ہے تو ڈی میگنیٹائزیشن پہلی رکاوٹ بن جاتی ہے۔

انتخاب کے دوران، نہ صرف مسلسل کرنٹ کے تحت درجہ حرارت میں اضافے کی تصدیق کرنا ضروری ہے، بلکہ یہ بھی کہ آیا اسٹال اور عارضی اوورلوڈ حالات کے تحت کرنٹ اس درجہ حرارت پر مقناطیس کی ڈی میگنیٹائزیشن کی حد سے زیادہ ہے۔ یہ حد عام طور پر مقناطیس فراہم کنندہ کے ڈی میگنیٹائزیشن وکر کے ذریعہ دی جاتی ہے اور اس کا تعین موٹر ڈیزائن میں آرمچر رد عمل کے حساب کے ساتھ کیا جانا چاہئے۔

5. ٹھنڈک کے لیے انجینئرنگ کے طریقے

درجہ حرارت میں اضافے کے کنٹرول کا جوہر گرمی پیدا کرنے اور گرمی کو ہٹانے کے درمیان توازن قائم کرنا ہے۔ فریم لیس ٹارک موٹرز کے لیے، انجینئرنگ کے کئی پختہ راستے ہیں۔

پاٹنگ  فی الحال گرمی کی کھپت کو بڑھانے کا سب سے اہم ذریعہ ہے۔ TQ Robodrive epoxy encapsulation اور potting ٹیکنالوجی کا استعمال کرتا ہے، اور Kinco نے ایک فریم لیس پاٹنگ کے عمل کا آغاز کیا۔ دونوں کی بنیادی منطق یہ ہے کہ موٹر کے اندرونی خلاء کو ہائی تھرمل کنڈکٹیویٹی پاٹنگ میٹریل سے پُر کیا جائے، تاکہ سمیٹنے والی حرارت زیادہ تیزی سے سٹیٹر کور اور بڑھتے ہوئے فلینج تک پہنچ جائے۔ برتن بنانے والے مواد کی تھرمل چالکتا 1.4–1.6 W/mK تک پہنچ سکتی ہے، جو ہوا سے کہیں زیادہ ہے۔

پانی کو ٹھنڈا کرنے والے چینل  کمپیکٹ جوڑوں اور ہائی ہیٹ فلوکس کثافت والے دیگر منظرناموں کے لیے موزوں ہیں۔ ہیلیکل چینلز کو اسٹیٹر آستین یا رہائش میں کاٹا جاتا ہے، اور ان میں سے کولنٹ گزر جاتا ہے، جو درجہ حرارت میں اضافے کو 40-60 ° C تک براہ راست کم کر سکتا ہے۔ لاگت نظام کی پیچیدگی اور سگ ماہی کی ضروریات میں اضافہ ہوا ہے۔

کنٹرول حکمت عملی کی اصلاح  ایک صفر ہارڈ ویئر لاگت والا راستہ ہے۔ مقناطیسی قطب صفر پوائنٹ کو دوبارہ ترتیب دینا، PID پیرامیٹرز کو بہتر بنانا، صفر رفتار ہائی فریکوئنسی انجیکشن کا انتظام کرنا، اور کم از کم کرنٹ کنٹرول کو فعال کرنا ہارڈ ویئر کو تبدیل کیے بغیر جامد ہولڈنگ کرنٹ کو 50%–80% تک کم کر سکتا ہے۔ ایسے سسٹمز کے لیے جن میں پہلے سے ہی لوڈ کے بغیر ہیٹنگ کے مسائل ہیں، کنٹرول آپٹیمائزیشن اکثر گرمی کی کھپت کے اقدامات کو شامل کرنے سے زیادہ فوری نتائج پیدا کرتی ہے۔

بلٹ ان ٹمپریچر سینسر  سیفٹی نچلی لائن ہیں۔ NTC (100k) اور PT1000 فی الحال فریم لیس ٹارک موٹرز کے لیے درجہ حرارت کی پیمائش کی معیاری کنفیگریشنز ہیں، ریئل ٹائم میں وائنڈنگ ٹمپریچر کی نگرانی کرتے ہیں اور حد تک پہنچنے پر ڈیریٹنگ یا تحفظ کو متحرک کرتے ہیں۔ لیکن نوٹ کریں کہ سینسر سمیٹنے والے درجہ حرارت کی پیمائش کرتا ہے، مقناطیس کا درجہ حرارت نہیں — دونوں کے درمیان فرق گرمی کی کھپت کے راستے کے ڈیزائن کے معیار پر منحصر ہے، اور انتخاب کے دوران مناسب حفاظتی مارجن چھوڑنا چاہیے۔

نتیجہ

فریم لیس ٹارک موٹرز کے لیے درجہ حرارت کا انتخاب بنیادی طور پر تین رکاوٹوں کے درمیان ایک توازن ہے: مقناطیس کا درجہ اس بات کا تعین کرتا ہے کہ آپ کتنے زیادہ درجہ حرارت کو برداشت کر سکتے ہیں، موصلیت کی کلاس سمیٹنے والی چھت کی وضاحت کرتی ہے، اور موجودہ حد متحرک آپریٹنگ حالات کی حد کی وضاحت کرتی ہے۔ تینوں لائنیں ایک دوسرے کے ساتھ جڑی ہوئی ہیں، اور اگر کسی کی خلاف ورزی کی جاتی ہے، تو یہ ڈی میگنیٹائزیشن سے لے کر برن آؤٹ تک ایک سلسلہ ردعمل کو متحرک کر سکتی ہے۔

سب سے زیادہ عملی نقطہ نظر یہ ہے کہ:  انتخاب کے مرحلے پر، سخت ترین گرمی کی کھپت کے حالات کو فرض کریں ، ایک میگنیٹ گریڈ کو اوپر لے جائیں، درجہ حرارت میں اضافے کا کافی مارجن چھوڑ دیں، اور اسٹال اور اوورلوڈ حالات میں ڈی میگنیٹائزیشن کی تصدیق کو لازمی چیز بنائیں۔ بہر حال، ڈی میگنیٹائزیشن ناقابل واپسی ہے- یہ آپ کو دوسرا موقع نہیں دے گا۔