Hairpin सर्पिल वाइंडिंग क्या है, इलेक्ट्रिक मोटर को क्या लाभ देती है?

हेयरपिन वाइंडिंग में इलेक्ट्रिक मोटर के स्टेटर में गोल तांबे के तारों के स्थान पर U-आकार में मोड़े गए आयताकार तांबे की छड़ों का उपयोग किया जाता है। यह ज्यामिति स्लॉट में अधिक तांबा समाने के कारण फिल फैक्टर को पारंपरिक वाइंडिंग के 45-50% स्तर से बढ़ाकर 70% से ऊपर ले जाती है; इससे अधिक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र, कम विद्युत हानि और बेहतर थर्मल प्रबंधन प्राप्त होता है। इस पृष्ठ पर हम हेयरपिन वाइंडिंग की संरचना, उत्पादन प्रक्रिया, दक्षता और शक्ति घनत्व के लाभ, इसकी सीमाओं तथा यह कि कौन से निर्माता इस तकनीक पर आए हैं, की जांच करते हैं।

हेयरपिन वाइंडिंग क्या है और यह पारंपरिक तार वाइंडिंग से कैसे भिन्न है?

किसी इलेक्ट्रिक मोटर का टॉर्क स्टेटर स्लॉट्स से गुजरने वाली धारा द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र द्वारा निर्धारित होता है। इस धारा को वहन करने वाले कंडक्टरों की ज्यामिति सीधे इस बात को प्रभावित करती है कि मोटर कितनी दक्ष है। पारंपरिक वाइंडिंग में इनामेल-इन्सुलेटेड गोल तांबे के तार स्लॉट्स में लपेटे जाते हैं; चूंकि तार गोल होते हैं, स्लॉट के भीतर खाली स्थान से मुक्त होना संभव नहीं है। हेयरपिन वाइंडिंग में यही काम आयताकार अनुभाग वाली तांबे की छड़ें करती हैं, जिन्हें सिरों से मोड़ा जाता है और आपस में वेल्ड किया जाता है।

आयताकार अनुभाग एक गणितीय सौंदर्य नहीं, बल्कि एक भौतिक लाभ है: आयताकार छड़ें स्लॉट के आयताकार रिक्त स्थान को बहुत अधिक कसकर भरती हैं। जितना अधिक क्षेत्र भरा जाता है, उतना ही अधिक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र उसी धारा के लिए और उतना अधिक तांबा उसी आयतन के लिए प्राप्त होता है। स्टेटर का शेष भाग - लैमिनेशन पैक, हाउसिंग, कूलिंग आर्किटेक्चर - बड़े पैमाने पर अपरिवर्तित रहता है; नवाचार पूरी तरह से वाइंडिंग सिस्टम में केंद्रित होता है।

तीन वाइंडिंग वेरिएंट: U-पिन, I-पिन और कंटीन्यूअस हेयरपिन

हेयरपिन परिवार का सबसे आम सदस्य U-पिन संरचना है: तांबे के तार को U-आकार में मोड़ा जाता है और स्टेटर के दोनों तरफ से डालकर इसके दो खुले सिरों को मोड़कर वेल्ड किया जाता है। I-पिन वेरिएंट में सीधे, न मोड़े गए पिन का उपयोग होता है; दोनों तरफ से विद्युत संपर्क की आवश्यकता होती है, जबकि फिल फैक्टर U-पिन की तुलना में लगभग 4% अधिक होता है और 74% तक पहुंच सकता है। कंटीन्यूअस (continuous/wave) वाइंडिंग एक ही तार को मीटरों लंबे सर्पिल आकार में मोड़कर बनती है और आंतरिक व्यास से वाइंडिंग मैट के रूप में रखी जाती है; U-पिन की सबसे बड़ी विशेषता वेल्डिंग प्रक्रिया की आवश्यकता न होना है।

इन्सुलेशन के स्तर पर भी एक विशिष्ट आर्किटेक्चर मौजूद है। स्लॉट और लैमिनेशन पैक के बीच इन्सुलेशन पेपर रखा जाता है; कंडक्टरों को स्वयं पॉलिएमाइड-इमाइड (PAI), PEEK या PAI+FEP जैसी उच्च तापमान श्रेणी के वार्निश से लेपित किया जाता है। वेल्डिंग वाले सिरों को प्रक्रिया के बाद पाउडर कोटिंग या पॉलीयुरेथेन रेजिन से पुनः इन्सुलेट किया जाता है।

तांबे का फिल फैक्टर: दक्षता की कुंजी

भराव कारक, स्टेटर खांचे के अनुप्रस्थ काट में तांबे को गिरने वाले क्षेत्र के अनुपात को मापता है। मान, इस बात की परिभाषा के अनुसार स्रोतों में थोड़ा बदलते हैं कि क्या "तांबा" गिना जाता है; गोल तार के लिए सामान्य सीमा %40-50, hairpin के लिए %60-73, कुछ आधुनिक डिज़ाइनों में %75 से अधिक दिया जाता है। अंतर का परिमाण इस पर बहस का विषय नहीं है: hairpin, उसी मोटर आयतन में लगभग %20 अधिक चालक समा सकता है।

इस तालिका का मोटर प्रदर्शन पर प्रतिबिंब तीन स्तरों में पढ़ा जाता है। पहला, अधिक तांबे का अर्थ है मजबूत चुंबकीय क्षेत्र और अधिक टॉर्क। दूसरा, अनुकूलित वाइंडिंग पथ चालक की लंबाई को छोटा करता है; DC प्रतिरोध और तांबे की हानि कम होती है, वही शक्ति कम ऊर्जा से उत्पन्न होती है और वाहन की रेंज बढ़ती है। तीसरा, अधिक कसकर पैक किया गया स्टेटर छोटा बनाया जा सकता है - शक्ति घनत्व के बढ़ने का भौतिक कारण यही है।

थर्मल प्रदर्शन: गर्मी को बेहतर क्यों प्रबंधित करता है?

विद्युत मोटर में गर्मी, चालकों में हानि से उत्पन्न होती है। Hairpin वाइंडिंग यहाँ दोहरी दिशा में लाभ प्रदान करती है: कम तांबे की हानि कम गर्मी उत्पन्न करती है; और व्यवस्थित एवं संकुचित एंड-वाइंडिंग संरचना उत्पन्न गर्मी को बाहर ले जाने के योग्य तरीके से वितरित करती है। गोल तारों में यादृच्छिक रूप से व्यवस्थित चालकों के बीच रहने वाली हवा के रिक्त स्थान ताप इन्सुलेशन की तरह व्यवहार करते हैं, जबकि hairpin की क्रमबद्ध ज्यामिति इन रिक्त स्थानों को समाप्त कर देती है।

परिणाम, प्रति चालक उच्च धारा वहन क्षमता और अधिक आसान तापमान प्रबंधन है। विशेष रूप से तेल स्प्रे कूलिंग के साथ मूल्यांकन किए जाने पर hairpin वाइंडिंग, इलेक्ट्रिक वाहन मोटरों में दक्षता और शक्ति घनत्व को एक साथ बढ़ाने वाले समाधान के रूप में उभर रही है। कम और समरूप संचालन तापमान इन्सुलेशन प्रणाली का जीवनकाल बढ़ाकर मोटर की विश्वसनीयता को सीधे सुधारता है।

उच्च आरपीएम पर hairpin कितना फायदेमंद है?

यहाँ मामले एक दिशा में नहीं चलते। Hairpin का बड़ा चालक अनुप्रस्थ काट, उच्च आवृत्तियों पर एक कमी में बदल सकता है: skin effect नामक धारा विस्थापन प्रभाव, धारा को चालक के केवल सतह की परत में बहने का कारण बनाता है और प्रभावी प्रतिरोध बढ़ाता है। आरपीएम बढ़ने पर आवृत्ति बढ़ती है, इसलिए hairpin की DC हानियों में लाभ उच्च आरपीएम पर AC हानियों के साथ आंशिक रूप से मिल सकता है। इस कारण भराव कारक बढ़ाना हर डिज़ाइन लक्ष्य में लाभ नहीं देता; लाभ आवृत्ति, धारा और इन्सुलेशन डिज़ाइन पर निर्भर करते हैं।

फिर भी व्यावहारिक सफलता के उदाहरण मजबूत हैं: hairpin के लाभ, 160 kW शक्ति और 18,000 आरपीएम क्रियाशील स्थिति वाले स्थायी चुंबकीय मोटर में एक व्यापक डिज़ाइन मार्गदर्शिका के साथ सत्यापित है। उच्च गति वाली PMSM मोटरों में हेयरपिन और सपाट तार वाइंडिंग के प्रमुख मापदंड आज भी सक्रिय शोध का विषय हैं। एक रोचक विपरीत आंकड़ा भी है: एक ड्राइव चक्र तुलना में, संसाधन-मांग न करने वाला सतत वाइंडिंग वाला IPMSM वेरिएंट WLTP चक्र में 0.63% अधिक कुशल निकला। अंतर छोटा है लेकिन संदेश स्पष्ट है: हेयरपिन हर स्थिति और हर चक्र में स्वतः विजेता नहीं होता।

संतुलित सारांश यह है: हेयरपिन, क्लासिक वाइंडिंग को बदलने वाली नहीं, बल्कि उसे पूरक करने वाली एक तकनीक है। उत्पादन और जीवनचक्र लागतों को ध्यान में रखने पर अधिकांश अनुप्रयोगों में शुद्ध अंतर, भराव कारक (fill factor) के आंकड़ों की ओर इशारा करने से अधिक विनम्र होता है।

हेयरपिन स्टेटर कैसे निर्मित होता है: चार-चरणीय उत्पादन श्रृंखला

हेयरपिन की उत्पादन कहानी, इस तकनीक के इतने आकर्षक होने का दूसरा आधा हिस्सा है। यह प्रक्रिया शुरू से अंत तक स्वचालन के लिए उपयुक्त है और एक विशिष्ट लाइन में तार आकार देने, स्थापना, विस्तार, मोड़ने, काटने और वेल्डिंग स्टेशन शामिल होते हैं। कम चक्र समय और बढ़ते उत्पादन मात्रा, इकाई लागत को कम करते हैं।

1. आकार देना: सपाट तांबे के तार को खोला और समतल किया जाता है, वेल्डिंग के लिए इन्सुलेशन को लेज़र या यांत्रिक रूप से आंशिक रूप से छीला जाता है, लंबाई में काटा और मोड़ा जाता है। मोड़ पर टांके-रहित इन्सुलेशन, मोड़ने की सबसे महत्वपूर्ण सीमा है।
2. स्थापना: पिनों को स्टेटर पैकेज में अक्षीय रूप से रखा जाता है। एक हेयरपिन स्टेटर में आमतौर पर 3-16 अलग-अलग हेयरपिन ज्यामिति का उपयोग किया जाता है।
3. मोड़ना और वेल्डिंग: एंड वाइंडिंग योजना के अनुसार मोड़े गए सिरे लेज़र वेल्डिंग से विद्युत संपर्क प्राप्त करते हैं; लक्ष्य होमोजीनस वेल्ड ज्यामिति और न्यूनतम ऊष्मीय इनपुट है। लेज़र पीलिंग, घूर्णन ब्रश वाली यांत्रिक अपघर्षण की तुलना में अधिक सुसंगत और सटीक है - जैसे-जैसे ब्रश घिसते हैं, वे तांबे को भी घिस देते हैं।
4. इन्सुलेशन और संतृप्ति: वेल्ड किए गए सिरों को पाउडर कोटिंग या पॉलीयुरेथेन रेज़िन से पुनः इन्सुलेट किया जाता है; कोटिंग ऑक्सीकरण और नमी से सुरक्षा देती है, पूरे स्टेटर को संतृप्त (impregnate) किया जाता है।

ट्रैक्शन अनुप्रयोगों में मुख्य चुनौती प्रक्रिया विश्वसनीयता है। हेयरपिन सिरों में सापेक्ष ऊंचाई का अंतर या पार्श्व ऑफसेट वेल्डिंग दोषों का कारण बन सकता है; एक दोषपूर्ण वेल्ड, अतिरिक्त विद्युत हानि से परे मोटर को अक्रिय भी बना सकता है। प्रतिरोध, लेज़र और माइक्रो TIG नामक तीन अलग-अलग जोड़ने की तकनीकों की इसलिए सक्रिय रूप से तुलना की जा रही है। इसके अलावा सतत हेयरपिन तकनीक की प्रक्रिया श्रृंखला की सीमाएं भी एक अलग इंजीनियरिंग विषय के रूप में जांची जा रही हैं।

कौन से निर्माता हेयरपिन वाइंडिंग की ओर बढ़े?

तकनीक की सीरीज उत्पादन यात्रा आश्चर्यजनक रूप से पुरानी शुरू होती है: पहला उपयोग, Chevrolet Tahoe हाइब्रिड के 2008 मॉडल के 2ML70 ट्रांसमिशन की दो मोटरों में देखा गया। Chevrolet Volt भी Remy द्वारा विकसित हेयरपिन मोटर से लैस था। वास्तविक व्यापक प्रसार तो इलेक्ट्रिक वाहन युग में आया।

Volkswagen समूह आज ID.3, ID.4, Audi e-tron GT और Porsche Taycan जैसे मॉडलों में हेयरपिन स्टेटर का उपयोग करता है। BMW का पहला हेयरपिन वाला मॉडल iX3 था। GM, 2021'de 64 kW'lık hibrit ASM'den Hummer EV'nin 255 kW'lık PSM'sine तक फैली नई मोटर श्रृंखला को hairpin तकनीक के साथ पेश किया। Tesla ने भी 2023 में घोषणा की कि वह अपनी नई पीढ़ी की मोटर में hairpin का उपयोग करेगा। JLR भी उन निर्माताओं में शामिल है जिन्होंने घोषणा की कि वे इस तकनीक का उत्पादन में उपयोग करते हैं। अनुसंधान और विकास के क्षेत्र में BMW समर्थित Pro-E-Traktion और RWTH Aachen का HaPiPro2, KIT का AnStaHa तथा FAU Erlangen-Nürnberg के IPANEMA, KIPrEMo और KIKoSA प्रोजेक्ट इस क्षेत्र में उद्योग-अकादमिक सहयोग को दर्शाते हैं। आपूर्ति की दृष्टि से BorgWarner, Denso और Hitachi जैसे खिलाड़ी बाजार के निर्धारकों के रूप में गिने जाते हैं।

Hairpin हर मोटर के लिए सही विकल्प है?

इंजीनियरिंग व्यवहार में उत्तर एप्लिकेशन की कार्य प्रोफ़ाइल पर निर्भर करता है। कम-मध्यम रेवल्यूशन पर उच्च टॉर्क और पावर घनत्व चाहने वाली ट्रैक्शन मोटरों में hairpin के DC नुकसान और थर्मल लाभ आसानी से फायदे में बदल जाते हैं; स्वचालन के अनुकूल इसका उत्पादन स्केल अर्थशास्त्र प्रदान करता है। इसके विपरीत, निरंतर उच्च आवृत्ति पर काम करने वाले या जिन एप्लिकेशन में उत्पादन मात्रा स्वचालन निवेश को उचित नहीं ठहराती, वहाँ पारंपरिक वाइंडिंग अभी भी एक तर्कसंगत विकल्प है और आने वाले वर्षों तक अपना अस्तित्व बनाए रखेगी। डिज़ाइनर का काम भराव कारक (fill factor) तालिका में सबसे अधिक संख्या को चुनना नहीं, बल्कि अपने चक्र में सबसे कम कुल नुकसान और लागत देने वाली वाइंडिंग का चयन करना है - hairpin अक्सर इस गणना का विजेता होता है, लेकिन हमेशा नहीं।

स्रोत

• हेयरपिन मोटर क्या है - लाभ और असेंबली प्रक्रिया
• हेयरपिन तकनीक
• हेयरपिन मोटर वाइंडिंग पर करीब से नज़र
• हेयरपिन वाइंडिंग ट्रैक्शन मोटर का थर्मल प्रबंधन
• इलेक्ट्रिक ट्रैक्शन ड्राइव के लिए कंटीन्यूअस और हेयरपिन वाइंडिंग की तुलना
• हेयरपिन वाइंडिंग की एक व्यापक डिज़ाइन गाइडलाइन
• राउंड वायर बनाम हेयरपिन मोटर वाइंडिंग गाइड
• I-pin, हेयरपिन और X-pin की तुलना
• E-मोटर निर्माण के लिए हेयरपिन स्टेटर समाधान
• हेयरपिन स्टेटर वेल्डिंग: 3 जोड़ने की तकनीकों की तुलना
• हेयरपिन वाइंडिंग मोटर: स्लॉट फिल, AC नुकसान और निर्माण दोष नियंत्रण