বৈদ্যুতিক মোটরে শীতলীকরণ: পানি নাকি তেল?

বৈদ্যুতিক যানবাহনের মোটরে পানি/গ্লাইকল শীতলীকরণ না কি তেল শীতলীকরণ ভালো - এই প্রশ্নের এক বাক্যে উত্তর নেই: পানি অধিক কার্যকর একটি শীতলক, কিন্তু তার বৈদ্যুতিক পরিবাহিতার কারণে মোটরকে স্পর্শ করতে পারে না; আর তেল শারীরিকভাবে দুর্বলতর একটি তরল হলেও তাপ যেখানে উৎপন্ন হয় সেই স্থানের ভেতরে প্রবেশ করতে পারে বলে বাস্তবে অধিকতর শীতল মোটর তৈরি করে। তাই আধুনিক প্রপালশন ইউনিটগুলো ক্রমশ তেলের দিকে ঝুঁকলেও পানি/গ্লাইকল সার্কিটকে সম্পূর্ণ পরিত্যাগ করছে না। এই নিবন্ধে আমরা দুটি কৌশলের কার্যনীতি, সাংখ্যিক পার্থক্য এবং ডিজাইন সিদ্ধান্তগুলো তুলনা করছি।

পানি/গ্লাইকল কেন একটি উত্তম শীতলক অথচ একটি নিকৃষ্ট প্রতিবেশী?

তাপ বহন ক্ষমতার দিক থেকে পানির হাতে প্রায় কোনো প্রতিযোগী নেই। পানির তাপধারণ ক্ষমতা ও তাপ পরিবাহিতা তেলের চেয়ে স্পষ্টভাবে বেশি; অর্থাৎ একই আয়তনে প্রবাহিত পানি তেলের চেয়ে বেশি তাপ দ্রুত সরিয়ে নেয়। মিশ্রণে ইথিলিন গ্লাইকল যোগ করা হিমাঙ্ক ও ক্ষয় আচরণ নিয়ন্ত্রণ করে, তরলের মূল তাপীয় বৈশিষ্ট্য বদলায় না।

সমস্যাটি হলো পানি ও ইলেকট্রনিক জগতের মধ্যকার মৌলিক অসঙ্গতিতে: গ্লাইকল মিশ্রণ বিদ্যুৎ পরিবাহী। ওয়াইন্ডিং, কানেক্টর বা পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স যেখানেই পৃষ্ঠে স্পর্শ করে, সেখানেই শর্ট সার্কিট ও তড়িৎ-বিশ্লেষণজনিত ক্ষয়ের ঝুঁকি তৈরি হয়। তাই পানি/গ্লাইকল প্রপালশন ইউনিটে কেবল বৈদ্যুতিক উপাদানগুলো থেকে ধাতব প্রাচীর দিয়ে বিচ্ছিন্ন অঞ্চলেই ব্যবহার করা যায়। বাস্তবে এই সীমাটিই হলো স্টেটরকে ঘিরে থাকা পানি-জ্যাকেট।

পানি-জ্যাকেট কীভাবে কাজ করে এবং সীমা কোথায় শুরু হয়?

পানি-জ্যাকেট, ধ্রুপদী অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনের পানি-খাতের সাথে ধারণাগতভাবে সাদৃশ্যপূর্ণ: গ্লাইকল-পানি মিশ্রণটি স্টেটর প্যাকেজের বাইরের পৃষ্ঠ ঘিরে থাকা একটি বদ্ধ বডি ফাঁকে সঞ্চারিত হয় এবং তাপ বাইরের রেডিয়েটরে বহন করে। এভাবে কপার ওয়াইন্ডিং দ্বারা উৎপন্ন তাপ প্রথমে স্টেটর ল্যামিনেশন ধরে বাইরের পৃষ্ঠে পৌঁছায়, পরে তরলে স্থানান্তরিত হয়। ব্যবস্থাটি মজবুত, বৈদ্যুতিকভাবে নিরাপদ এবং এর ব্যয় কম।

দুর্বল দিকটি এর জ্যামিতিতে। রোটর এয়ার গ্যাপ দিয়ে স্টেটর থেকে বিচ্ছিন্ন থাকে বলে এটি তরলের সাথে কোনোভাবেই সংস্পর্শে আসে না; রোটর ও তার ওপরের স্থায়ী চুম্বকগুলো মূলত এয়ার গ্যাপ ও শ্যাফটের মাধ্যমে, অর্থাৎ পরিবহনের পথে এবং অদক্ষভাবে শীতল হয়। তাপীয় সিমুলেশনে রোটর ও চুম্বকগুলো পানি/গ্লাইকল ব্যবস্থার সবচেয়ে সংকটজনক তাপমাত্রা বিন্দু হিসেবে উঠে আসে। উচ্চ লোডে মোটরের তাপমাত্রা 200 °C ছাড়িয়ে যেতে পারে; যা স্থায়ী চুম্বকে আংশিক ডিম্যাগনেটাইজেশন, অন্তরক পদার্থের দ্রুত বার্ধক্য এবং স্থায়ী ক্ষমতা হ্রাসের কারণ হয়।

প্রকৌশলীরা এই সীমাকে মাঝে মাঝে সৃজনশীল উপায়ে নমনীয় করেন। Audi জলের জ্যাকেটের পাশে রোটরের কেন্দ্র দিয়ে গত একটি জলচ্যানেল যোগ করে রোটরকে সরাসরি লক্ষ্য করে একটি সমাধান প্রয়োগ করেছে; তবে এই ধরনের নকশা ব্যতিক্রম, আর নিয়ম হলো জল বৈদ্যুতিক অঞ্চলে প্রবেশ করতে পারে না।

তেল স্প্রে: যেখানে তাপ জন্মায় সেখানেই শীতলীকরণ

তেলের ভৌত সুবিধাকে একটি শব্দে সংকুচিত করা যায়: ডাইইলেকট্রিক। অপরিবাহী ধর্মের তেল ওয়াইন্ডিং, রোটর এবং চুম্বকের সঙ্গে সরাসরি সংস্পর্শে আসতে পারে; এমনকি এটি লুব্রিকেশনের দায়িত্বও পালন করে। তাপ পরিবহন শৃঙ্খলের শেষ প্রান্তে নয়, বরং যেখানে জন্মায় সেখানেই তরলে স্থানান্তরিত হয়। এই একটি পার্থক্যই সম্পূর্ণ তাপীয় রোধ শৃঙ্খলকে ছোট করে দেয়।

সংখ্যাগত পার্থক্য চমকপ্রদ। TotalEnergies এবং EnginSoft-এর সিমুলেশন তুলনায় সরাসরি তেল-শীতলিত কনফিগারেশন গড় তাপমাত্রায় 10 °C এবং ওয়াইন্ডিং তাপমাত্রায় অন্তত 14 °C সুবিধা দেয় - তাও এমন তুলনামূলক শর্তে যেখানে তেলের প্রবাহ কম রাখা হয়েছিল। উচ্চ ঘূর্ণনের একটি ওভারটেকিং দৃশ্যে, প্রায় 10.000 rpm-এ, পার্থক্য 40 °C পর্যন্ত পৌঁছায়। একটি স্বাধীন একাডেমিক গবেষণাও একই দিক দেখায়: মহাসড়ক ড্রাইভিংয়ে সরাসরি শীতলিত মোটরের তাপমাত্রা জল-জ্যাকেটযুক্ত মোটরের চেয়ে প্রায় 30 °C কম থাকে এবং এটি সরাসরি সর্বোচ্চ টর্ক ও ক্ষমতায় প্রতিফলিত হয়।

তেল মোটরের ভেতরে কীভাবে পৌঁছানো হয়?

ওয়াইন্ডিং-এন্ড শীতলীকরণের জন্য কয়েকটি পরিণত পদ্ধতি রয়েছে:

• ম্যানিফোল্ড ড্রিপ শীতলীকরণ: শীতলীকরণ তরল ওয়াইন্ডিং প্রান্তে সুনির্দিষ্ট ও সমসত্ত্বভাবে ফোটানো হয়; রোটর বাথের তুলনায় এতে কম তেল প্রয়োজন হয়।
• চাপযুক্ত স্প্রে: পাম্প দিয়ে চাপ প্রয়োগ করা তেল ওয়াইন্ডিং প্রান্তে সরাসরি স্প্রে করা হয় এবং লম্ব সংঘর্ষ শীতলীকরণ প্রদান করে।
• ফাঁপা শ্যাফটের মাধ্যমে রোটর স্প্রে: তেল শ্যাফটের এক প্রান্ত দিয়ে প্রবেশ করে এবং ঘূর্ণায়মান কাঠামোর কারণে ছড়িয়ে পড়ে; hairpin ওয়াইন্ডিংযুক্ত PMSM-গুলোতে এটি একটি প্রচলিত সমাধান।
• অক্ষীয় চ্যানেলযুক্ত রোটর শীতলীকরণ: রোটরের ভেতরের অক্ষীয় চ্যানেলগুলো ওয়াইন্ডিং প্রান্তের উষ্ণ বিন্দুর কাছে তেল বহন করে।

রোটর থেকে আসা কেন্দ্রবিমুখী বল কাজকে সহজ করে: ঘূর্ণায়মান অংশগুলো তেল ওয়াইন্ডিং ও কোরে ছড়াতে সহায়ক পাম্পের মতো কাজ করে। হাইব্রিড আর্কিটেকচারে তেল স্প্রের মোট শীতলীকরণ ক্ষমতায় অবদান প্রায় 80% - বাকি অংশ বেশিরভাগ ক্ষেত্রেই জলের দিকের কাজ।

মোটরের ধরন তাপীয় চাপকে কীভাবে বদলায়: PMSM এবং অ্যাসিনক্রোনাস

শীতলীকরণ কৌশল মোটরের ধরন অনুযায়ী ভিন্ন একটি সমস্যার সংজ্ঞা দিয়ে শুরু হয়। স্থায়ী চুম্বকযুক্ত সিনক্রোনাস মোটরে (PMSM) রোটরের চৌম্বক ক্ষেত্র ইনডাকশনে নয়, বরং রোটরে এমবেড করা চুম্বক দিয়ে সরবরাহ করা হয়; রোটরের ক্ষতি খুবই কম, এবং এটি তাপ ব্যবস্থাপনাকে সহজ করে। এর বিনিময়ে রয়েছে চুম্বকের তাপমাত্রা সংবেদনশীলতা: রোটর সিস্টেমের সবচেয়ে ঝুঁকিপূর্ণ তাপীয় অঞ্চল এবং ডিম্যাগনেটাইজেশনের ঝুঁকি নকশার তাপ সীমা নির্ধারণ করে।

অ্যাসিনক্রোনাস মোটরে রোটরে কারেন্ট ইনডিউস করা হয় বলে রোটরের ক্ষতি কাঠামোগতভাবে বেশি এবং দক্ষতা PMSM-এর নিচে থাকে। বিনিময়ে মোটরের চুম্বক ডিম্যাগনেটাইজেশনের মতো কোনো ঝুঁকি নেই; তাপীয় সীমা আরও শিথিলভাবে পরিচালনা করা যায়। এখানেই কিছু নির্মাতার সামনের অ্যাক্সেলে দক্ষ একটি PMSM এবং পিছনের অ্যাক্সেলে তাপ সহনশীল একটি অ্যাসিনক্রোনাস মোটর বেছে নেওয়ার প্রকৌশলগত যুক্তি: প্রতিটি মোটর নিজস্ব তাপীয় চরিত্র অনুযায়ী শীতল করা হয়।

এই তাপীয় পার্থক্য তরল নির্বাচনেও নির্ণায়ক। যেসব মোটরে রোটর ও চুম্বক তাপের ঝুঁকি বহন করে, সেখানে ওয়াটার জ্যাকেট পৌঁছাতে না পারা অঞ্চলে প্রবেশ করতে পারা তেলের মূল্য বেড়ে যায়। 2022 সালের প্রথমার্ধে তেল-শীতল মোটরের বৈদ্যুতিক গাড়ির বাজারে 50% অংশে পৌঁছানো এই প্রবণতার বাস্তব ফলাফল; বাজারের অংশ আরও বাড়তে থাকবে বলে আশা করা হচ্ছে, তবে শুধুমাত্র ওয়াটার জ্যাকেটযুক্ত মোটরগুলিও একটি গুরুত্বপূর্ণ স্থানে থাকবে বলে পূর্বাভাস দেওয়া হচ্ছে।

ইনভার্টারে কুলিং প্লেট কীভাবে কাজ করে?

ট্রান্সমিশন চেইনের সবচেয়ে তাপ-সংবেদনশীল উপাদান মোটর নয়, ইনভার্টার। এর ভেতরের সিলিকন IGBT বা SiC MOSFET সুইচগুলি প্রতিটি অ্যাম্পিয়ার চালু-বন্ধ হওয়ার সময় তাপ উৎপন্ন করে এবং অর্ধপরিবাহীর তাপমাত্রার বাজেট খুবই সংকীর্ণ। এ কারণেই ইনভার্টার মডিউলগুলি প্রায় সবসময় পানি/গ্লাইকল ভরা কুলিং প্লেট দিয়ে শীতল করা হয়।

নীতিটি পরিবহনের উপর ভিত্তি করে: পাওয়ার অর্ধপরিবাহীগুলি সরাসরি কুলিং প্লেটের সাথে সংযুক্ত থাকে (থার্মাল পেস্ট ব্যবহার করা হয় যোগাযোগের রোধ কমাতে), তাপ পরিবহনের মাধ্যমে প্লেটে চলে যায় এবং প্লেটের ভেতরের চ্যানেলে প্রবাহিত তরল এই তাপ নিয়ে পাম্পের মাধ্যমে দূরের হিট এক্সচেঞ্জারে পৌঁছে দেয়। তরল তাপকে বাতাসের চেয়ে অনেক দ্রুত বহন করে বলে কমপ্যাক্ট পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সে এটি প্রায় একমাত্র বিকল্প। IGBT মডিউলের কুলিং প্লেট ডিজাইন ইনভার্টারের কর্মক্ষমতা উন্নত করার ক্ষেত্রে মূল বিষয় হয়েই চলেছে।

তাহলে ইনভার্টার সরাসরি তেল দিয়ে কেন শীতল করা হয় না? উত্তর আবারও পরিবাহিতা এবং সার্কিটের জটিলতার প্রশ্ন: বিনিময় নিয়ে গবেষণা চলছে - মোটর ও ইনভার্টারকে একক তরল দিয়ে শীতল করার লক্ষ্যে কনসোর্টিয়াম প্রকল্পগুলি (Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens এবং Flanders Make অন্তর্ভুক্ত SingleOilCnL-এর মতো) আশাব্যঞ্জক বলে মনে করা হচ্ছে - তবে নিকট ভবিষ্যতে এটি প্রাধান্য পাওয়ার কৌশল হবে বলে আশা করা হচ্ছে না। আজকের সাধারণ স্থাপত্যটি হাইব্রিড: ডাইইলেকট্রিক তেল রোটর ও স্টেটরকে শীতল করে এবং হিট এক্সচেঞ্জারে তাপকে পানি/গ্লাইকল সার্কিটে স্থানান্তর করে; আর গ্লাইকল ইনভার্টার প্লেট ও রেডিয়েটরকে সরবরাহ করে।

পিক পাওয়ার এবং কন্টিনিউয়াস পাওয়ারের মধ্যে পার্থক্য কেন শীতলকরণ ব্যবস্থার সাথে সম্পর্কিত?

ব্রোশিওরের kW মানটি পিক পাওয়ার: মোটরের স্বল্পমেয়াদী সর্বোচ্চ আউটপুট। কন্টিনিউয়াস পাওয়ার হলো মোটর অতিরিক্ত গরম না হয়ে অসীম সময় ধরে বজায় রাখতে পারে এমন ক্ষমতা, এবং এদের মধ্যকার ব্যবধান নির্ধারণকারী একমাত্র বিষয় হলো তাপীয় ব্যবস্থাপনা। শীতলকরণ ব্যবস্থা একটি তাপীয় বাফার হিসেবে কাজ করে: যত ভালো শীতল করে, পিক পাওয়ার তত দীর্ঘ সময় এবং কন্টিনিউয়াস পাওয়ার তত উচ্চ স্তরে থাকে।

একে বাস্তবে প্রয়োগ করা যাক। একই রকম বাহ্যিক মাপের দুটি ভারী বাণিজ্যিক মোটরের তথ্য পার্থক্যটি স্পষ্টভাবে দেখায়:

পানি-শীতল মোটরে পিক আউটপুটে ওয়াইন্ডিংয়ের তাপমাত্রা সাধারণত এক মিনিটের মধ্যে সীমা ছাড়িয়ে যেতে পারে; সিস্টেম টর্ক কমিয়ে দেয় (থার্মাল টর্ক সীমাবদ্ধতা) এবং প্রয়োজনে গাড়িকে ক্ষমতা হ্রাসে বাধ্য করে। তেল শীতলীকরণ অপ্রয়োজনীয় তাপীয় বাধাগুলো দূর করে বলে ধারাবাহিক কর্মক্ষমতা বাড়িয়ে তোলে: ১০ কিলোমিটার দীর্ঘ %৪ ঢালু রাস্তায় তেল-শীতলিত মোটর প্রায় %২০ বেশি ধারাবাহিক ক্ষমতা এবং %৩৭.৫ বেশি ধারাবাহিক টর্ক ধরে রাখে। এই পার্থক্যটি আন্তঃনগর ট্রেন নয়, বরং ট্রাক বা ভারী বাণিজ্যিক যান চালানোর ক্ষেত্রে - যেখানে দীর্ঘ ঢালু রাস্তা ও উচ্চ গড় গতি বাস্তবতা - কেনার সিদ্ধান্ত বদলে দেওয়ার মতো মাত্রার।

দক্ষ শীতলীকরণের একটি পরোক্ষ সুবিধাও রয়েছে: একই তাপীয় বাজেটে আরও ছোট ও বেশি শক্তিশালী মোটর ডিজাইন করা সম্ভব, যার অর্থ ওজন ও খরচে সাশ্রয়।

কোন পরিস্থিতিতে কোনটি বেছে নেওয়া উচিত?

টেবিলটি দুই পদ্ধতির শক্তি ও দুর্বলতার সারসংক্ষেপ দেয়:

পছন্দটি আসলে প্রতিযোগিতার নয়, অপটিমাইজেশনের বিষয়। তেল ও পানি শীতলীকরণকে একে অপরের বিকল্প হিসেবে নয়, বরং ভিন্ন কর্তব্য চক্রের জন্য ভিন্ন সমাধান হিসেবে ভাবা উচিত: কম ও মাঝারি লোড প্রোফাইলে, যেখানে খরচ ও সরলতা অগ্রাধিকার, সেখানে পানির জ্যাকেট প্রায়ই যথেষ্ট। দীর্ঘ ঢালু রাস্তা, উচ্চ গড় গতি এবং উচ্চ ঘূর্ণন প্রয়োজন এমন প্রয়োগে সরাসরি তেল শীতলীকরণের শ্রেষ্ঠত্ব স্পষ্ট হয়ে ওঠে। তাছাড়া, তেল-শীতলিত একটি ড্রাইভ ইউনিটে পানি/গ্লাইকল সার্কিট সাধারণত থেকেই যায় - এই সার্কিটই তেল থেকে প্রাপ্ত তাপকে শেষ পর্যন্ত বাতাসে বহন করে এবং ইনভার্টার প্লেটকেও শীতল করে।

এছাড়াও, ইন্টিগ্রেশনের প্রবণতা তেলের অবস্থানকে আরও শক্তিশালী করছে: মোটর ও গিয়ারবক্স এক প্যাকেজে একত্রিত হওয়ার সাথে সাথে, লুব্রিকেশন ও মোটর শীতলীকরণ একই তরল দিয়ে সমাধান করা একটি ব্যবহারিক প্রয়োজনীয়তা হয়ে উঠছে। তরল ফর্মুলেশনে তাপ ব্যবস্থাপনা, লুব্রিকেশন কর্মক্ষমতার পাশাপাশি প্রধান ডিজাইন মানদণ্ড হিসেবে বিবেচিত হচ্ছে।

উপসংহার: তরলের তুলনা নয়, অবস্থানের তুলনা

এই তুলনাটি পড়ার সঠিক উপায় হলো বিজয়ী খোঁজা নয়, বরং পরিভাষাগুলো সঠিক জায়গায় বসানো। কাগজে-কলমে পানি ভালো শীতলক; আর তেল বাস্তবে ভালো অবস্থানে - কারণ এটিই একমাত্র তরল যা তাপের উৎসে প্রবেশ করতে পারে। গড়ে ১০ °C, কয়েলে ১৪ °C ছাড়িয়ে এবং উচ্চ ঘূর্ণনে ৪০ °C পর্যন্ত ওঠা এই তাপমাত্রার পার্থক্য, ভৌত শ্রেষ্ঠত্বের নয় বরং সংস্পর্শের শ্রেষ্ঠত্বের ফলাফল। পরবর্তী প্রজন্মের ড্রাইভ ইউনিটে পানি/গ্লাইকল সার্কিট আরও কিছুকাল থাকবে, তবে তাপের উৎসের পাশে থাকা তেলের ভূমিকা বাড়তেই থাকবে। মোটর নির্বাচন করার সময় ব্রোশিউরের সর্বোচ্চ ক্ষমতার দিকে নয়, বরং ক্রমাগত ক্ষমতা এবং সেটিকে সম্ভব করা কুলিং আর্কিটেকচারের দিকে তাকান: প্রকৃত পারফরম্যান্স সেখানেই লুকিয়ে আছে।

সূত্র

• Comparison of Commonly Used Cooling Concepts for EV Traction Motors
• The Transition to Oil in EV Thermal Management
• Comparing cooling methods for e-motors
• How to Choose the Right Electric Truck Motor: Oil-Cooled vs. Water-Cooled
• Study on high-speed electric motor cooling with oil spray
• Thermal Management in Electric Vehicles | E-Motor Cooling Technology
• A hybrid oil cooling strategy for thermal management of electric motors
• Optimization of rotational oil-spray-cooling structure
• A review of structural design for direct oil cooling
• Rotor oil injection cooling, hairpin end winding
• Cooling and dynamic performance of electric vehicle motors
• Induction vs. Permanent Magnet Motors | Efficiency & Torque
• Comparative Thermal Performance Analysis of Induction and PMSM
• Cold Plate Cooling Systems: Design, Optimization
• Advanced Cooling for Power Electronics
• Oil Cooling Systems for EV Drive Motors
• Although Electric Cars Don't Need Petroleum, Their Motors Still Require Oil
• EV Motor Heating Issue and Oil Cooling