इलेक्ट्रिक कार में मोटर का चुनाव: सिंक्रोनस, एसिंक्रोनस और परमाणु चुंबकीय

इलेक्ट्रिक कारों में तीन मुख्य मोटर प्रकार उपयोग किए जाते हैं: स्थायी चुंबकीय सिंक्रोनस मोटर (PMSM), असिंक्रोनस (इंडक्शन) मोटर और बाह्य उत्तेजित सिंक्रोनस मोटर (EESM)। PMSM सर्वाधिक दक्षता और शक्ति घनत्व प्रदान करती है, असिंक्रोनस मोटर मजबूती और चुंबक-रहित होने की वजह से, जबकि EESM सटीक टॉर्क नियंत्रण के साथ उभरती है; चुनाव, दक्षता, लागत और दुर्लभ मृदा निर्भरता के बीच किया गया एक इंजीनियरिंग निर्णय है।

मोटर का भौतिकी: घूर्णी चुंबकीय क्षेत्र टॉर्क कैसे उत्पन्न करता है?

सभी ट्रैक्शन मोटर एक ही भौतिक सिद्धांत पर आधारित हैं। जिस चालक से धारा प्रवाहित होती है, वह एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है; इस क्षेत्र में परिवर्तन, निकट स्थित चालक में नई धारा प्रेरित करता है। घूमने वाले हिस्से पर कार्य करने वाला लोरेंज बल, चुंबकीय क्षेत्र और गति की दिशा के लंबवत दिशा में कार्य करता है और रोटर को घुमाता है। मोटर प्रकारों के बीच का अंतर इस बात में निहित है कि यह चुंबकीय क्षेत्र कहाँ से आता है और रोटर घूर्णी क्षेत्र के साथ कैसे संबंध स्थापित करता है।

हर मोटर के दो मूल घटक होते हैं: स्थिर रहने वाला और तीन-फेज प्रत्यावर्ती धारा से संचालित स्टेटर तथा घूमने वाला रोटर. स्टेटर एक घूर्णी चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है जिसकी आवृत्ति इन्वर्टर द्वारा निर्धारित होती है। रोटर इस क्षेत्र के साथ सिंक्रोनस है या हल्का पीछे रहता है, यही मोटर की श्रेणी निर्धारित करता है।

असिंक्रोनस (इंडक्शन) मोटर: मजबूत, सस्ती, चुंबक-रहित

असिंक्रोनस मोटर का रोटर, लोहे की चादरों के भीतर धंसे एल्युमिनियम या तांबे की छड़ों से बनी "स्क्विरल केज" संरचना में होता है। स्टेटर का घूर्णी क्षेत्र रोटर की छड़ों में वोल्टेज और धारा प्रेरित करता है; इन धाराओं द्वारा उत्पन्न अपना चुंबकीय क्षेत्र, स्टेटर के क्षेत्र के साथ अंतःक्रिया करके टॉर्क बनाता है। रोटर कभी भी घूर्णी क्षेत्र को पकड़ नहीं पाता: इसकी गति हमेशा थोड़ी कम होती है और इस अंतर को सर्पण (slippage) कहा जाता है। सर्पण के बिना न इंडक्शन होता है, न टॉर्क।

इस संरचना के बल के पहलू ठोस हैं: कोई स्थायी चुंबक नहीं, कोई सर्पण संपर्क नहीं, इसलिए रखरखाव की आवश्यकता कम है और उत्पादन लागत उचित है। मोटर मजबूत है। इसके बदले दक्षता, विशेषकर आंशिक भार और कम गति पर सिंक्रोनस डिज़ाइनों से पीछे रह जाती है; रोटर पर धारा प्रेरित होना एक निरंतर हानि का प्रतीक है। गति नियंत्रण भी कम सटीक होता है और मोटर के नियंत्रण के लिए अनिवार्य रूप से एक फ्रीक्वेंसी कन्वर्टर की आवश्यकता होती है।

Tesla के पुराने Model S और Model X मॉडल असिंक्रोनस मोटर के लिए जाने जाते हैं; कुछ पुराने संस्करणों में सामने के एक्सल पर असिंक्रोनस और पीछे के एक्सल पर स्थायी चुंबकीय मोटर उपयोग की गई है। समग्र उद्योग में तांबे की कीमतों में वृद्धि और दक्षता के अंतर के कारण असिंक्रोनस मोटर का हिस्सा धीरे-धीरे लेकिन स्थिर रूप से सिंक्रोनस डिज़ाइनों को सौंपा जा रहा है।

सिंक्रोनस मोटर: रोटर क्षेत्र के साथ घूमता है

सिंक्रोनस मोटर में रोटर, स्टेटर के घूर्णन क्षेत्र के समान गति से घूमता है; मोटर की गति सीधे स्टेटर धारा की आवृत्ति पर निर्भर करती है। यह लॉकिंग उच्च दक्षता, उच्च शक्ति घनत्व, सटीक गति नियंत्रण और अच्छी गतिशील व्यवहार प्रदान करती है। VW का MEB प्लेटफ़ॉर्म, Audi, Škoda और Porsche Taycan जैसे मॉडल सिंक्रोनस मोटर परिवार से पोषित होते हैं। हालांकि "सिंक्रोनस" कोई एकल डिज़ाइन नहीं है; चुंबकीय क्षेत्र कहाँ से प्राप्त होता है, इसके आधार पर इसे दो भागों में विभाजित किया जाता है।

स्थायी चुंबक सिंक्रोनस मोटर (PMSM): प्रमुख तकनीक क्यों?

PMSM में रोटर में सन्निहित स्थायी चुंबक, बिना किसी बाहरी उत्तेजना के स्थिर और शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं। रोटर धारा प्रेरित करने की आवश्यकता नहीं होने के कारण दक्षता की क्षमता उच्च होती है; चरम दक्षता %93-95 से %95-98 के बीच बताई गई सीमा से मेल खाती है। अलग-अलग मान मापन और परिभाषा के अंतर से उत्पन्न होते हैं: किस गति और भार बिंदु को "चरम" माना जाता है, यह निर्माता दर निर्माता भिन्न होता है। असली महत्वपूर्ण बात चरम मूल्य नहीं, बल्कि वाहन उपयोग की सामान्य परिस्थितियों के बड़े हिस्से में PMSM का उच्च दक्षता क्षेत्र में बना रह पाना है - कम और मध्यम गतियों पर दक्षता और शक्ति घनत्व दोनों स्पष्ट रूप से आगे निकल जाते हैं।

इस लागत की कीमत है: दुर्लभ पृथ्वी चुंबक PMSM की प्रमुख लागत वस्तु हैं। साथ ही उच्च तापमान पर विचुंबकन का जोखिम रहता है; इसलिए ताप प्रबंधन डिज़ाइन में एक महत्वपूर्ण विषय है। BMW i3, VW ID.3 और ID.4, नए Nissan Leaf मॉडल PMSM का उपयोग करने वाले ज्ञात उदाहरण हैं।

आंतरिक ध्रुव (IPM) डिज़ाइन: चुंबक रोटर में अंदर क्यों?

IPM मोटरों में चुंबक रोटर की सतह पर नहीं, बल्कि रोटर के अंदर सन्निहित होते हैं। यह व्यवस्था चुंबकीय प्रवाह के बेहतर उपयोग को सुनिश्चित करती है, शक्ति घनत्व को बढ़ाती है, उपयोग योग्य गति सीमा को विस्तारित करती है और विचुंबकन के प्रति संवेदनशीलता को कम करती है। इसके बदले में रोटर का उत्पादन जटिल होता है। Porsche Taycan का पिछला एक्सल और Audi e-tron GT इस डिज़ाइन के सड़क अनुप्रयोग हैं।

बाह्य उत्तेजित सिंक्रोनस मोटर (EESM): बिना चुंबक का सिंक्रोनस समाधान

EESM में रोटर का चुंबकीय क्षेत्र स्थायी चुंबक के बजाय एक अलग वाइंडिंग से, एक अतिरिक्त विद्युत स्रोत से उत्पन्न होता है। यह इंजीनियर को महत्वपूर्ण मुक्ति देता है: रोटर क्षेत्र की तीव्रता कार्य परिस्थिति के अनुसार समायोजित की जा सकती है, टॉर्क-गति नियंत्रण बहुत अच्छा होता है और क्षीण क्षेत्र (field weakening) क्षेत्र में व्यापक गति सीमा प्राप्त होती है। दक्षता PMSM से थोड़ी पीछे होती है और डिज़ाइन अधिक जटिल है; पारंपरिक अनुप्रयोग में स्लिप रिंग या ब्रश की आवश्यकता होती है। दुर्लभ पृथ्वी पर निर्भरता को समाप्त करने के कारण यह आज फिर से रुचि पाने वाला वास्तुकला है।

रिलक्टेंस मोटर: बिना वाइंडिंग, बिना चुंबक वाला रोटर

रिलक्टेंस मोटरों में टॉर्क एक बहुत ही मौलिक प्रवृत्ति से उत्पन्न होता है: चुंबकीय प्रवाह हमेशा न्यूनतम चुंबकीय प्रतिरोध (रिलक्टेंस) के मार्ग का चयन करता है। रोटर इस कम प्रतिरोध वाली स्थिति की ओर घूमने का प्रयास करता है और टॉर्क उत्पन्न होता है। रोटर में न वाइंडिंग होती है और न चुंबक - इसलिए न दुर्लभ पृथ्वी की बात होती है और न ही रोटर हानि की। इसके दो मुख्य प्रकार हैं: स्विच्ड रिलक्टेंस मोटर (SRM) और सिंक्रोनस रिलक्टेंस मोटर (SynRM)।

मूल्य नियंत्रण पक्ष में है: नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स जटिल हैं और SRM में शोर तथा टॉर्क उतार-चढ़ाव स्पष्ट होते हैं। फिर भी लागत और स्थिरता का लाभ महत्वपूर्ण है; विकसित होती नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ इन मोटरों के व्यापक होने की अपेक्षा की जा रही है। एक अकादमिक समीक्षा इस बात पर जोर देती है कि SRM का कम वजन, उच्च विश्वसनीयता और दोष सहनशीलता EV के लिए उपयुक्त है।

क्षेत्र में सबसे दिलचस्प अनुप्रयोग हाइब्रिड दृष्टिकोण है: Tesla Model 3 और Model Yमें स्थायी चुंबक टॉर्क को रिलक्टेंस टॉर्क के साथ जोड़ा जाता है। Hyundai Kona Electric भी रिलक्टेंस तकनीक पर आधारित है। रिलक्टेंस को आंतरिक ध्रुव वाले चुंबक के साथ जोड़ने वाला SRIPM डिज़ाइन, PMSM से कम चुंबक का उपयोग करके लागत और दुर्लभ मृदा निर्भरता को कम करता है; PMSM चरम दक्षता और उच्च गति में आगे रहते हुए SRIPM विभिन्न परिचालन स्थितियों में संतुलित, मजबूत और लागत-प्रभावी है।

दक्षता और प्रदर्शन: आंकड़ों से तुलना

दक्षता के आंकड़े अकेले भ्रामक होते हैं; असली सवाल यह है कि मोटर वाहन की वास्तविक उपयोग प्रोफ़ाइल यानी निम्न-मध्यम गति क्षेत्र में कितनी दक्ष है। निम्नलिखित तालिका तीन मुख्य मोटर प्रकारों की विशेषता को संक्षेप में प्रस्तुत करती है।

आंकड़ों के पैमाने को सही ढंग से रखना जरूरी है: 5-7% जैसा दिखने वाला दक्षता अंतर, उसी रेंज बनाए रखने के लिए आवश्यक बैटरी आकार में परिलक्षित होने पर बढ़ जाता है। PMSM यह कितनी अच्छी तरह करती है, यह एक ठोस उदाहरण दिखाता है - Model 3का चुंबक-रिलक्टेंस हाइब्रिड मोटर, 75 kWh बैटरी के साथ 100 kWh क्षमता वाले Model S 100Dके बराबर रेंज प्रदान करता है। इसके बदले असिंक्रोनस मोटर की भी अपनी एक विशिष्ट दक्षता भूमिका है: AWD Model 3के सामने के एक्सल का असिंक्रोनस मोटर जब आवश्यकता नहीं होती तो वस्तुतः बिजली खर्च किए बिना स्वतंत्र रूप से घूम सकता है, जिससे पूर्ण ट्रैक्शन वाले वाहन को अप्रत्याशित रेंज लाभ मिलता है।

दुर्लभ मृदा निर्भरता: क्षेत्र को नया आकार देने वाला मुद्दा

PMSM का बाजार प्रभुत्व सामग्री के भूगोल से गहराई से जुड़ा है। दुर्लभ मृदा तत्वों की आपूर्ति बड़े पैमाने पर एक ही देश के हाथ में है; इस निर्भरता ने निर्माताओं को दो दिशाओं में कदम उठाने के लिए प्रेरित किया। IEEE Spectrum द्वारा रेखांकित पहला दृष्टिकोण, दुर्लभ मृदा रहित स्थायी चुंबक (जैसे लोहे आधारित विकल्प) विकसित करना है; दूसरा, पूरी तरह चुंबक रहित मोटर प्रकारों - असिंक्रोनस या रिलक्टेंस - की ओर मुड़ना।

उदाहरण उल्लेखनीय हैं: Tesla 2017 में दुर्लभ मृदा आधारित मोटरों पर आ गया था, लेकिन उसने घोषणा की कि उसकी नई पीढ़ी की मोटरें फिर से दुर्लभ मृदा रहित होंगी। Toyota, आपूर्ति की कमी की चिंता के साथ 50% तक कम दुर्लभ पृथ्वी धातु वाले मोटर विकसित कर रहे हैं। भारत ने चीन के निर्यात प्रतिबंधों के सामने मैग्नेट के बजाय कसकर लिपटी धातु कॉइलों से चुंबकीय बल उत्पन्न करने वाले उच्च घनत्व वाले रिलक्टेंस मोटर्स के परीक्षण तेज कर दिए हैं। दिलचस्प बात यह है कि दक्षता और सामग्री लागत के इस तनाव के बीच बाजार स्थायी मैग्नेट मोटर्स में निवेश जारी रखे हुए है: उच्च शक्ति और टॉर्क घनत्व अभी के लिए लागत को संतुलित करने लायक पर्याप्त मूल्यवान है।

इन्वर्टर और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स: मोटर के चरित्र को वास्तव में क्या निर्धारित करता है?

बैटरी डायरेक्ट करंट (DC) देती है, जबकि ट्रैक्शन मोटर अल्टरनेटिंग करंट (AC) से संचालित होती है। इनके बीच का रूपांतरण इन्वर्टर करता है; PWM (पल्स विड्थ मॉडुलन) के साथ एक स्थिर AC आउटपुट उत्पन्न किया जाता है और मोटर का कुशल संचालन इस आउटपुट की गुणवत्ता पर निर्भर करता है। इन्वर्टर में हर सुधार सीधे रेंज, प्रदर्शन और लागत में परिलक्षित होता है। ड्राइविंग के दौरान सुनाई देने वाली उच्च आवृत्ति वाली तेज सीटी जैसी आवाज़ भी ठीक इसी उच्च आवृत्ति वाली स्विचिंग से आती है।

इन्वर्टर साथ ही बहु-मोटर वाहनों में टॉर्क वेक्टरिंग को भी संभव बनाता है: प्रत्येक मोटर को अलग इन्वर्टर से नियंत्रित किया जाता है और टॉर्क को एक्सल के बीच सटीक रूप से वितरित किया जाता है। SiC (सिलिकॉन कार्बाइड) और GaN (गैलियम नाइट्राइड) आधारित पावर इलेक्ट्रॉनिक्स अधिक स्विचिंग आवृत्ति, कम नुकसान और अधिक दक्षता प्रदान करते हैं। दूसरी ओर उच्च वोल्टेज आर्किटेक्चर की मोटर की तरफ भी कीमत होती है: 800 V और उससे अधिक पर काम करने वाली मोटर्स आंशिक डिस्चार्ज के लिए अधिक प्रवण होती हैं और यह वाइंडिंग इन्सुलेशन को नकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकता है। उद्योग की दिशा एकीकरण की है - हेयरपिन वाइंडिंग, ऑयल कूलिंग और मोटर, ट्रांसमिशन तथा पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को एक इकाई में जोड़ने वाली एकीकृत ड्राइव यूनिट।

कौन सा मोटर किस वाहन में: चयन का निर्णय कैसे लिया जाए?

मोटर का चयन एक अकेली "सर्वोत्तम" खोज नहीं, बल्कि प्राथमिकता तय करने का विषय है:

• रेंज और दक्षता को प्राथमिकता देने वाले वाहन: PMSM या IPM; निम्न-मध्यम गति क्षेत्र में उत्कृष्ट दक्षता बैटरी की लागत की भरपाई करती है।
• प्रदर्शन और सटीक नियंत्रण को प्राथमिकता देने वाले वाहन: सिंक्रोनस परिवार; उच्च शक्ति घनत्व और अच्छा गतिशील व्यवहार निर्णायक है।
• बहु-मोटर AWD वाहन: पिछले एक्सल पर मैग्नेट युक्त और सामने के एक्सल पर एसिंक्रोनस का संयोजन; निम्न-मध्यम गति पर मैग्नेट युक्त मोटर से दक्षता और अप्रयुक्त एसिंक्रोनस मोटर से लगभग शून्य ड्रैग।
• आपूर्ति श्रृंखला जोखिम वाले निर्माता: EESM या रिलक्टेंस-प्रधान डिज़ाइन; दुर्लभ मृदा पर निर्भरता समाप्त करते हैं।

निष्कर्ष एक स्पष्ट इंजीनियरिंग संतुलन है: PMSM आज दक्षता और कॉम्पैक्टनेस में शिखर पर होने के कारण प्रभावी है, एसिंक्रोनस मोटर अपनी मजबूती और मैग्नेट-रहित होने के कारण कुछ भूमिकाओं में बना रहता है, जबकि EESM और रिलक्टेंस डिज़ाइन प्रदर्शन और आपूर्ति सुरक्षा दोनों के आधारों पर उभर रहे हैं। किसी इलेक्ट्रिक वाहन की रेंज का आकलन करते समय मोटर के प्रकार को पूछना उतना ही अर्थपूर्ण है जितना बैटरी की क्षमता को पूछना।

स्रोत

• Electric motors in electric vehicles: An overview
• Powerful and Efficient Electric Motor Technology
• Review of Traction Motors for Electric Vehicle Application
• PMSM vs Induction Motor: 3 Decisions That Save Your EV
• PMSM vs Induction Motor Performance for EV
• China's rare-earth dominance keeps EV makers dependent
• India revs up alternate EV motor tests as China curbs rare earths
• Developing electric motors less dependable on rare earth magnets
• How to Build EV Motors Without Rare Earth Elements
• The EV Market Doubles Down on Permanent Magnets
• What Is an Inverter in an Electric Vehicle?
• EV Inverter Technology: Latest Advances and Trends
• Two Types of Tesla Model 3 Motors
• Permanent Magnet Motor in Model 3 Tesla