बिजली के मोटर की आवाज़ क्यों निकलती है?

इलेक्ट्रिक मोटर की चीं-चीं, दो भौतिक स्रोतों का मिश्रण है: मोटर के भीतर चुंबकीय बलों द्वारा उत्पन्न विद्युत-चुंबकीय स्वर और इन्वर्टर की उच्च-आवृत्ति स्विचिंग ध्वनि; इनके साथ गियर रिडक्टर और बेयरिंग का यांत्रिक योगदान भी जुड़ता है। गति बढ़ने पर चीं-चीं की पिच ऊँची हो जाती है, क्योंकि ये स्वर आरपीएम के अनुपात में अपनी आवृत्ति बदलते हैं। निर्माता इस ध्वनि को स्पेक्ट्रम-स्प्रेड स्विचिंग, सक्रिय शोर नियंत्रण और साउंड डिज़ाइन से कोमल करते हैं या जानबूझकर उसे आकार देते हैं।

जब आप आंतरिक दहन इंजन वाला इंजन चलाते हैं, तो ध्वनि का स्रोत निर्विवाद होता है: विस्फोट, एग्जॉस्ट, यांत्रिक गति। लेकिन जब आप इलेक्ट्रिक वाहन में बैठते हैं, तो परिचित शोरों में से अधिकांश गायब हो जाते हैं और उनकी जगह तेज, टोनल, शीघ्र बढ़ती हुई चीं-चीं ले लेती है। यह ध्वनि इतनी विशिष्ट होती है कि कई लोग मानते हैं कि वह मोटर से ही आती है। आंशिक रूप से वे सही हैं; लेकिन कहानी का वास्तव में रोचक हिस्सा यह है कि ध्वनि का एक बड़ा हिस्सा मोटर का नहीं, बल्कि मोटर को संचालित करने वाले पावर इलेक्ट्रॉनिक्स की कृति है। इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से देखें तो यह चीं-चीं वास्तव में किसी खराबी का नहीं, बल्कि सिस्टम के सही काम करने का श्रव्य प्रमाण है।

इलेक्ट्रिक वाहन की चीं-चीं आती कहाँ से है?

चीं-चीं की उत्पत्ति तीन मुख्य शीर्षकों में संकलित होती है। पहला विद्युत-चुंबकीय शोर है: मोटर में प्रवेश करने वाली विद्युत धारा, रोटर और स्टेटर के बीच एक चुंबकीय क्षेत्र स्थापित करती है; यह क्षेत्र वायु अंतराल में बलों के उतार-चढ़ाव को जन्म देता है और उतार-चढ़ाव करते बल मोटर के शरीर को कंपित करते हैं। प्रत्येक कंपित संरचना ध्वनि उत्सर्जित करती है। इस शोर की प्रकृति सुसंगत और टोनल होती है, क्योंकि इसकी आवृत्ति सीधे आपूर्ति विद्युत आवृत्ति और उसके गुणजों - यानी हार्मोनिक्स - से निर्धारित होती है।

दूसरा स्रोत इन्वर्टर है। बैटरी की डीसी धारा को मोटर के लिए उपयुक्त एसी में बदलने वाला पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, ट्रांजिस्टरों को अत्यंत तीव्र गति से चालू-बंद करके कार्य करता है। यह स्विचिंग प्रक्रिया, स्विचिंग आवृत्ति के आसपास और उसके गुणजों पर शोर उत्पन्न करती है; माप बताते हैं कि यह सीमा आमतौर पर 5-15 kHz के बैंड में आती है। हमारा कान ठीक इसी सीमा में सबसे संवेदनशील होता है - इसीलिए इलेक्ट्रिक वाहन में यह ध्वनि, अपनी निरपेक्ष ध्वनिक ऊर्जा कम होने के बावजूद परेशान करने वाली महसूस हो सकती है। स्विचिंग से उत्पन्न बल उतार-चढ़ाव साथ ही संरचनात्मक कंपन भी उत्पन्न करते हैं; जो ध्वनि के साथ एक अनुभव की जाने वाली सूक्ष्मता जोड़ते हैं। (यह सूक्ष्मता वास्तव में केबिन के अंदर भी घुसपैठ करती है: तीन अलग-अलग PWM तकनीकों के शोर, कंपन और कठोरता पर प्रभाव अलग-अलग मापने योग्य स्तर पर होते हैं।)

तीसरा शीर्षक यांत्रिक शोर है: गियर रिडक्टर और बेयरिंग। ईवी मोटर्स, आंतरिक दहन इंजनों के विपरीत दसियों हज़ार आरपीएम तक जा सकती हैं, इसलिए ये घटक बहुत अधिक गति पर घूमते हैं। स्थायी चुंबक ड्राइव में गति के साथ होने वाली समान इलेक्ट्रॉनिक आवाज़ का स्रोत आमतौर पर इन्वर्टर की स्विचिंग लहर का मोटर पर लागू होना है; कुछ ड्राइव में एक ज्ञात 8वीं कोटि का विद्युत चुंबकीय स्वर सुनाई देता है और इसका हल्का रूप पूरी तरह सामान्य है।

स्विचिंग आवृत्ति आवाज़ को कैसे निर्धारित करती है?

इन्वर्टर की ध्वनि हस्ताक्षर को समझने के लिए PWM यानी पल्स चौड़ाई मॉडुलन के तर्क को देखना ज़रूरी है। ट्रांजिस्टर एक निश्चित आवृत्ति पर चालू और बंद होते हैं, और प्रत्येक चक्र में चालू रहने के समय (ड्यूटी साइकल) को बदलकर मोटर को दिए जाने वाले औसत वोल्टेज को समायोजित किया जाता है। कान तक पहुंचने वाली चीज़ यही चक्रण प्रक्रिया है: एक स्थिर सुर, इलेक्ट्रॉनिक चरित्र वाली गूंगूं आवाज़। कई इलेक्ट्रिक वाहनों में तेज़ी से चलने शुरू होने से पहले सुनाई देने वाली यह छोटी, स्थिर ध्वनि बिल्कुल PWM चक्र की सामान्य कार्यशील आवाज़ है; इसके बाद जैसे ही वाहन तेज़ होता है, सुर ऊपर उठता है।

आरपीएम के साथ सुर का बदलना एक गणितीय परिणाम है। मोटर पर लागू विद्युत आवृत्ति आरपीएम के समानुपात में बढ़ती है और विद्युत चुंबकीय बल इस आवृत्ति के हार्मोनिक्स में कंपन करते हैं। आइए एक ठोस उदाहरण से समझें: 4500 rpm पर 24वीं कोटि का एक हार्मोनिक 1800 Hz के अनुरूप होता है। इस प्रकार के स्वर घटक, वायु अंतराल में मौजूद चुंबकीय बलों से स्वर और विस्तृत बैंड दोनों प्रकार का शोर उत्पन्न करते हैं। यानी गति बढ़ने पर सुनाई देने वाली आवाज़ का सुर ऊपर उठना एक दोष नहीं, बल्कि भौतिक आवश्यकता है।

स्विचिंग आवृत्ति को स्थिर रखने और परिवर्तनीय रखने के बीच इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से एक तनाव मौजूद है। स्थिर आवृत्ति विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (EMI) फ़िल्टरिंग को पूर्वानुमेय बनाती है; लेकिन इससे उच्च सुर वाला, स्वरयुक्त, परेशान करने वाला शोर हमेशा एक ही बिंदु पर रहने लगता है। परिवर्तनीय स्विचिंग आवृत्ति वाली PWM रणनीतियों का उपयोग इन्वर्टर की स्विचिंग हानियों और सिस्टम शोर दोनों को कम करने के लिए किया जाता है। यह संतुलन आज भी सक्रिय विकास का एक क्षेत्र है; ध्वनि गुणवत्ता सुधारने के लिए इन्वर्टर स्विचिंग आवृत्तियों को गतिशील रूप से नियंत्रित करने वाली नई विधियां हाल के पेंटेंट किए गए तकनीकी समाधानों में शामिल हैं।

गियर और बेयरिंग: यांत्रिक संचारण की संरचना

इलेक्ट्रिक वाहनों में ट्रांसमिशन आमतौर पर एक-चरण का रिड्यूसर होता है, लेकिन शोर के दृष्टिकोण से यह बिल्कुल निष्क्रिय नहीं है। गियर शोर के दो मुख्य तंत्र होते हैं: संचरण त्रुटि और गियर सतहों से उत्पन्न घर्षण कंपन। जब दांते एक-दूसरे के संपर्क में आते हैं, तो धातु-धातु संपर्क सूक्ष्म पैमाने के विचलनों से मिलकर कंपन पैदा करता है और उत्पन्न होने वाला यह कंपन रिड्यूसर बॉडी से केबिन तक पहुंचता है। तेल इस संपर्क से पैदा होने वाली आवाज़ को आंशिक रूप से ढक देता है; ठंडे मौसम में तेल की श्यानता बदल जाती है, इसलिए सुबह आवाज़ अधिक स्पष्ट होना इसी कारण आश्चर्यचकित करने वाला नहीं है।

डिज़ाइन पक्ष में सबसे प्रभावी हथियार हेलिकल गियर हैं। स्पर गियर्स के विपरीत, हेलिकल दांते क्रमिक, क्रमिक रूप से संपर्क स्थापित करते हैं और यह संक्रमण की कोमलता शोर को स्पष्ट रूप से कम करती है; इलेक्ट्रिक वाहन ट्रांसमिशन में शोर कम करने की मानक विधियों में से एक है।

बेयरिंग्स दो कारणों से ध्वनि का हिस्सा होते हैं। यांत्रिक रूप से, उच्च स्वर की चीख़ का स्रोत मोटर के बेयरिंग्स या रिडक्टर गियर समूह हो सकता है; ध्वनि स्तर में वृद्धि या चरित्र में परिवर्तन बेयरिंग स्वास्थ्य के लिए एक अच्छा शीघ्र चेतावनी संकेतक है। विद्युत रूप से, इन्वर्टर से संचालित मोटरों में उच्च आवृत्ति वाली स्विचिंग बेयरिंग सीटों में विद्युत क्षति कर सकती है - यानी ये घटक ध्वनि के स्रोत भी हैं और ध्वनि द्वारा बताई गई कहानी का विषय भी। भार के अधीन मोटरों द्वारा भार से स्वतंत्र रूप से निकाली जाने वाली विशिष्ट चीख़ भी इस यांत्रिक योगदान में शामिल है; जबकि कूलिंग फैन का शोर मोटर की गति पर निर्भर करता है परंतु भार से स्वतंत्र होता है।

क्या मोटर का प्रकार ध्वनि के चरित्र को बदलता है?

संक्षिप्त उत्तर: हां, मापने योग्य स्तर पर। स्थायी चुंबकीय सिंक्रोनस मोटरों का रोटर चुंबकीय क्षेत्र, स्टेटर इंडक्टेंस पर नहीं बल्कि चुंबकों के आधार पर पहले से स्थापित होता है; यह अधिक दक्षता और टॉर्क घनत्व प्रदान करता है। टॉर्क चक्र में उतार-चढ़ाव के बिना स्थिर टॉर्क उत्पन्न करने की क्षमता के कारण इन मोटरों को बहुत शांत और कम कंपन वाला डिज़ाइन दिया जा सकता है। दूसरी ओर, स्थायी चुंबकीय मोटरों का इन्वर्टर के साथ चलना अनिवार्य है - यानी स्विचिंग की ध्वनि हमेशा बनी रहती है। इन मोटरों में कंपन और शोर के दो मुख्य कारण इलेक्ट्रॉनिक और यांत्रिक कारक हैं; पोल और स्लॉट संयोजन, यानी रोटर ध्रुवों की संख्या और स्टेटर खांचों की संख्या का मेल, NVH अनुसंधान का केंद्र बिंदु है।

असिंक्रोनस मोटर्स रोटर चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन प्रेरण द्वारा करती हैं; सामान्यतः ये बड़ी, भारी और कम दक्ष होती हैं परंतु इनकी लागत कम होती है। इनका ध्वनि चरित्र भी इसी के अनुसार भिन्न होता है: स्लिप आवृत्ति से संबंधित अतिरिक्त घटक सुनाई दे सकते हैं। ध्वनि पर मोटर डिज़ाइन का प्रभाव केवल मोटर के प्रकार तक सीमित नहीं है; रोटर की ढलान, स्टेटर और रोटर की खांच कटाई और खांच खुलने की चौड़ाई जैसे डिज़ाइन पैरामीटर, वायु अंतराल में बल तरंग के आकार को सीधे निर्धारित करते हैं और शोर कम करने की पारंपरिक विधियों में गिने जाते हैं।

स्प्रेड स्पेक्ट्रम: ध्वनि को तोड़ने वाली तकनीक

स्विचिंग से उत्पन्न टोनल शोर के सबसे सुंदर समाधानों में से एक, जिसके सैद्धांतिक आधार 1992 के हैं, वह है स्प्रेड स्पेक्ट्रम स्विचिंग तकनीक। तर्क सरल है: आप इन्वर्टर की स्विचिंग आवृत्ति को जानबूझकर, एक छोटे बैंड के भीतर मॉड्यूलेट करते हैं। इस प्रकार एक स्थिर आवृत्ति पर केंद्रित शोर ऊर्जा एक व्यापक स्पेक्ट्रम में फैल जाती है और किसी भी एक आवृत्ति पर चरम ऊर्जा घट जाती है। कान, संकीर्ण बैंड वाली ध्वनि को कहीं अधिक परेशान करने वाली मानता है; जबकि व्यापक बैंड वाली, हल्की गुनगुनाहट को आसानी से सहन कर लेता है। यह तकनीक, स्विचिंग पावर सप्लाई में EMI कमी में भी सिद्ध हुई है; यह आउटपुट पर सुनने योग्य शोर को समाप्त कर सकती है और इनपुट पर इसे काफी हद तक कम कर सकती है।

EV की दुनिया में इस तकनीक की भूमिका बढ़ रही है। इलेक्ट्रिक वाहनों में उच्च वोल्टेज और घने चिप की संख्या, सिस्टम को विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील बनाती है; इस संवेदनशीलता को पहचानकर उसे घटाने के लिए स्मार्ट सेंसर तकनीकें भी विकसित की जा चुकी हैं। स्विचिंग आवृत्ति का गतिशील नियंत्रण करने वाली ध्वनि गुणवत्ता विधियाँ, spread spectrum की उसी दर्शन का विस्तार हैं: एक स्थिर, पूर्वानुमेय टोन के बजाय, स्पेक्ट्रम में फैला हुआ या गतिशील रूप से स्थित एक शोर।

सक्रिय शोर निवारण और जानबूझकर की गई ध्वनि डिज़ाइन

ध्वनि को पूरी तरह समाप्त करने की कोशिश करने वाली तकनीकें भी हैं। सक्रिय शोर निवारण का सिद्धांत क्लासिक है: शोर स्रोत के बराबर आयाम लेकिन विपरीत चरण में ध्वनि तरंगें उत्पन्न की जाती हैं और दोनों तरंगें एक-दूसरे को निरस्त कर देती हैं। इलेक्ट्रिक वाहनों में इस दृष्टिकोण का काम, आंतरिक दहन वाले वाहन से अलग होता है। क्लासिक इंजन शोर पहले से मौजूद नहीं होता; इलेक्ट्रिक मोटरों के उच्च आवृत्ति वाले शोर की ध्वनिक ऊर्जा अपेक्षाकृत कम होती है। इसलिए आधुनिक सिस्टम केबिन में प्रवेश करने वाले रोल, हवा और टायर के परिवेश शोर को लगातार मॉनिटर करके प्रति-तरंग उत्पन्न करते हैं। कई निर्माता इस क्षेत्र में पैकेज समाधान पेश कर रहे हैं; कुछ मॉडलों में सक्रिय ध्वनि डिज़ाइन केवल शोर को दबाने तक सीमित न रहकर केबिन में एक जानबूझकर बनाया गया ध्वनि चरित्र भी जोड़ता है।

और बाहर की ध्वनि का क्या? इलेक्ट्रिक मोटर का शोर कम होने के कारण, कम गति पर पैदल चलने वाले वाहन की उपस्थिति नहीं सुन पाते। इसीलिए हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों की उपस्थिति पैदल चलने वालों तक पहुँचाने के लिए डिज़ाइन की गई कृत्रिम चेतावनी ध्वनियाँ - AVAS - मानक बन गई हैं: कम गति पर स्पीकरों से उत्पन्न, हवा की गति जैसी एक hovering ध्वनि। EU ने इन ध्वनियों को 2014 में अपने निर्णय द्वारा अनिवार्य बनाया है; अमेरिका में भी निश्चित गतियों से नीचे कृत्रिम ध्वनि अनिवार्य है। ध्वनि डिज़ाइन, इस सुरक्षा अनिवार्यता को उपयोगकर्ता अनुभव से जोड़ने वाले अनुशासन के रूप में विकसित हो रहा है - हर ब्रांड को अपनी ध्वनिक पहचान बनाने का अवसर भी यहीं मिलता है।

सिसकारी आवाज़ कब सामान्य है, और कब समस्या?

मोटे तौर पर एक नियम: गति का अनुसरण करने वाली, सम और टोनल सिसकारी आवाज़ सामान्य होती है। गति बढ़ने के साथ बढ़ता टोन, विद्युतचुंबकीय हार्मोनिक्स का स्वाभाविक आवृत्ति विस्थापन है; स्थिर पिच वाली इलेक्ट्रॉनिक सिसकारी, इनवर्टर की कार्य ध्वनि है। निम्नलिखित स्थितियाँ ध्यान देने योग्य हैं:

• यदि सिसकारी नई उत्पन्न हुई हो, या पहले से स्पष्ट रूप से अधिक हो गई हो,
• यदि ध्वनि के साथ कंपन या शक्ति हानि हो रही हो,
• यदि ध्वनि का चरित्र गति और भार के साथ अप्रत्याशित रूप से बदल रहा हो।

ये संकेत यांत्रिक पक्ष की ओर - विशेष रूप से बेयरिंग और रिडक्टर गियर समूह की ओर - इशारा करते हैं। शोर का स्तर, बेयरिंग के स्वास्थ्य की निगरानी का व्यावहारिक और सस्ता तरीका है; ध्वनि बदलने पर निरीक्षण कराना, खराबी के बढ़ने से पहले हस्तक्षेप का अवसर देता है।

व्हाइन कोई दोष नहीं, बल्कि एक डिज़ाइन क्षेत्र है

इलेक्ट्रिक मोटर की व्हाइन आवाज़ किसी एक हिस्से की गलती नहीं है; यह विद्युत चुंबकीय बलों, इनवर्टर स्विचिंग, गियरों और बेयरिंग्स के योगदान का एक के ऊपर एक जमा होना है। इंजीनियरिंग की दिशा में हर आगे का कदम - स्प्रेड स्पेक्ट्रम, परिवर्तनीय स्विचिंग आवृत्तियाँ, हेलिकल गियर, सक्रिय शोर नियंत्रण - इस आवाज़ के केबिन के भीतर दबाव को कम कर रहा है या उसे जानबूझकर आकार दे रहा है। अगली इलेक्ट्रिक कार में तेज़ी देते समय सुनाई देने वाली ध्वनि को सुनते समय, अब आप जानते हैं कि आप क्या सुन रहे हैं: मोटर नहीं, बल्कि एक पूरे सिस्टम की श्रव्य पहचान।

स्रोत

• EV मोटर शोर, व्हाइन और ओवरहीटिंग: कारण और समाधान
• NVH इलेक्ट्रिक वाहन
• इलेक्ट्रिक वाहन अनुप्रयोग के लिए इनवर्टर की कंपन और शोर विशेषताएँ
• इलेक्ट्रिक वाहनों में ध्वनि गुणवत्ता बढ़ाने के लिए नई इनवर्टर स्विचिंग नियंत्रण विधि
• इनवर्टर ध्वनिक शोर: ईवी में PWM रणनीति, मैग्नेटोस्ट्रिक्शन और केबिन धारणा
• इलेक्ट्रिक मोटरों के संचालन शोर को समझना
• इलेक्ट्रिक मोटरों में शोर: एक व्यापक समीक्षा
• ईवी शोर कमी से निपटना
• ईवी ट्रांसमिशन के लिए शोर कमी तकनीकें
• PWM इनवर्टर ड्राइव के लिए कम शोर मॉडुलन तकनीक
• स्प्रेड-स्पेक्ट्रम कार्यान्वयन के फायदे और नुकसान
• शोधकर्ताओं ने ईवी को Chip-त्रुटियों से बचाने की तकनीक विकसित की
• सक्रिय ध्वनि प्रबंधन
• EV6 और EV9 में सक्रिय ध्वनि डिज़ाइन क्या है
• वाहन विद्युतीकरण और सक्रिय शोर निरस्तीकरण
• इलेक्ट्रिक वाहन चेतावनी ध्वनियाँ
• इंडक्शन बनाम स्थायी चुंबक मोटरें
• शोर आपकी इलेक्ट्रिक मोटर के बारे में क्या बताता है?