इलेक्ट्रिक मोटर में कूलिंग: पानी या तेल?

इलेक्ट्रिक वाहन मोटर में पानी/ग्लाइकॉल कूलिंग बेहतर है या तेल कूलिंग, इस सवाल का एक वाक्य में जवाब नहीं है: पानी एक अधिक कुशल शीतलक है लेकिन अपनी विद्युत चालकता के कारण मोटर को छू नहीं सकता; जबकि तेल भौतिक रूप से कमजोर तरल होने के बावजूद गर्मी के उत्पन्न होने के स्थान के भीतर घुस सकने के कारण व्यावहारिक रूप से अधिक ठंडी मोटरें बनाता है। इसीलिए आधुनिक प्रोपल्शन यूनिट धीरे-धीरे तेल की ओर खिसक रही हैं, लेकिन पानी/ग्लाइकॉल सर्किट को पूरी तरह छोड़ नहीं रही हैं। इस लेख में हम दोनों रणनीतियों के कार्य सिद्धांतों, संख्यात्मक अंतरों और डिज़ाइन निर्णयों की तुलना करते हैं।

पानी/ग्लाइकॉल बेहतर शीतलक लेकिन बुरा पड़ोसी क्यों है?

गर्मी ले जाने की क्षमता के मामले में पानी का कोई वास्तविक प्रतिद्वंद्वी नहीं है। इसकी विशिष्ट ऊष्मा क्षमता और ऊष्मीय चालकता तेल से स्पष्ट रूप से अधिक है; यानी समान मात्रा में बहने वाला पानी, तेल की तुलना में अधिक गर्मी को अधिक तेज़ी से दूर ले जाता है। मिश्रण में एथिलीन ग्लाइकॉल मिलाना जमाव बिंदु और संक्षारण व्यवहार को नियंत्रित करता है, लेकिन तरल की मूल ऊष्मीय विशेषता को नहीं बदलता।

समस्या पानी और इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया के बीच मौलिक असंगति में है: ग्लाइकॉल मिश्रण विद्युत संचालक है। जिन स्थानों पर वाइंडिंग, कनेक्टर या पावर इलेक्ट्रॉनिक्स सतह को छूते हैं, वहां शॉर्ट सर्किट और इलेक्ट्रोलाइटिक संक्षारण का जोखिम उत्पन्न होता है। इसीलिए पानी/ग्लाइकॉल का उपयोग प्रोपल्शन यूनिट में केवल उन क्षेत्रों में किया जा सकता है जो विद्युत घटकों से धातु की दीवार से अलग हों। व्यावहारिक रूप से यह सीमा स्टेटर को घेरने वाला पानी का जैकेट है।

पानी का जैकेट कैसे काम करता है और इसकी सीमा कहां से शुरू होती है?

पानी का जैकेट अवधारणात्मक रूप से क्लासिक आंतरिक दहन इंजन की पानी नलिकाओं के समान है: ग्लाइकॉल-पानी का मिश्रण स्टेटर पैक की बाहरी सतह को घेरने वाले एक बंद बॉडी गुहा में परिभ्रमण करता है और गर्मी को बाहरी रेडिएटर तक ले जाता है। इस तरह तांबे की वाइंडिंग द्वारा उत्पन्न गर्मी पहले स्टेटर लैमिनेशन के माध्यम से बाहरी सतह तक पहुंचती है, फिर तरल में स्थानांतरित होती है। यह प्रणाली मजबूत है, विद्युत रूप से सुरक्षित है और इसकी लागत कम है।

इसकी कमजोरी इसकी ज्यामिति में है। रोटर हवा के अंतराल द्वारा स्टेटर से अलग होने के कारण तरल के संपर्क में कभी नहीं आता; रोटर और उस पर लगे स्थायी चुंबक मूल रूप से हवा के अंतराल और शाफ्ट के माध्यम से, यानी चालन द्वारा और अकुशल तरीके से ठंडे होते हैं। थर्मल सिमुलेशन में रोटर और चुंबक पानी/ग्लाइकॉल प्रणालियों के सबसे महत्वपूर्ण तापमान बिंदु के रूप में सामने आते हैं। उच्च भार पर मोटर का तापमान 200 °C से अधिक हो सकता है; जिससे स्थायी चुंबकों में आंशिक विचुंबकन, इन्सुलेशन की त्वरित उम्र बढ़ने और निरंतर शक्ति में कमी आती है।

इंजीनियर इस सीमा को कभी-कभी रचनात्मक तरीके से खींचते हैं। Audi ने वाटर जैकेट के साथ-साथ रोटर के केंद्र से गुजरने वाली एक जल नहर जोड़कर सीधे रोटर को लक्षित करने वाला समाधान अपनाया है; हालाँकि इस तरह का डिज़ाइन अपवाद है और नियम यह है कि पानी विद्युत क्षेत्रों में प्रवेश नहीं कर सकता।

तेल स्प्रे: गर्मी के उद्गम स्थान पर शीतलन

तेल के भौतिक लाभ को एक शब्द में समेटा जा सकता है: डाइइलेक्ट्रिक। इन्सुलेटिंग गुणों वाला तेल, वाइंडिंग्स, रोटर और चुंबकों के सीधे संपर्क में आ सकता है; और यह स्नेहन का कार्य भी करता है। गर्मी, संचार श्रृंखलाओं के अंत में नहीं, बल्कि अपने उद्गम बिंदु पर ही द्रव में स्थानांतरित होती है। यह एक अंतर पूरी थर्मल प्रतिरोध श्रृंखला को छोटा कर देता है।

संख्यात्मक अंतर आश्चर्यजनक है। TotalEnergies और EnginSoft के सिमुलेशन तुलना में सीधे तेल-शीतलित कॉन्फ़िगरेशन, औसत तापमान में 10 °C, और वाइंडिंग तापमान में कम से कम 14 °C का लाभ देता है - और वह भी तेल प्रवाह दर को कम रखे जाने वाली तुलना शर्तों में। उच्च गति वाले ओवरटेकिंग परिदृश्य में, लगभग 10,000 rpm पर, अंतर 40 °C तक पहुँच जाता है। एक स्वतंत्र शैक्षणिक अध्ययन भी उसी दिशा की ओर संकेत करता है: हाईवे ड्राइविंग में सीधे शीतलित मोटर का तापमान वाटर जैकेट वाली मोटर की तुलना में लगभग 30 °C कम रहता है, और यह सीधे अधिकतम टॉर्क और शक्ति में परिलक्षित होता है।

तेल मोटर के अंदर कैसे पहुँचाया जाता है?

एंड-वाइंडिंग शीतलन के लिए कई परिपक्व तरीके हैं:

• मैनिफोल्ड ड्रिप शीतलन: शीतलक द्रव को वाइंडिंग के सिरों पर सटीक और समान रूप से टपकाया जाता है; रोटर बाथ की तुलना में कम तेल की आवश्यकता होती है।
• दबाव युक्त स्प्रे: पंप से दबाव दिया गया तेल, सीधे वाइंडिंग के सिरों पर छिड़का जाता है और लंबवत प्रहार शीतलन प्रदान करता है।
• खोखले शाफ्ट के माध्यम से रोटर स्प्रे: तेल शाफ्ट के एक ओर से प्रवेश करता है और घूमने वाली संरचना के कारण फैल जाता है; hairpin वाइंडिंग वाले PMSM में यह एक आम समाधान है।
• अक्षीय नहरों वाला रोटर शीतलन: रोटर के भीतर की अक्षीय नहरें, वाइंडिंग सिरों के गर्म स्थानों के पास तेल पहुँचाती हैं।

रोटर से आने वाला अपकेंद्री बल काम आसान बनाता है: घूमने वाले हिस्से, तेल को वाइंडिंग्स और कोर में फैलाने में एक सहायक पंप की तरह कार्य करते हैं। हाइब्रिड आर्किटेक्चर में तेल स्प्रे का कुल शीतलन क्षमता में योगदान लगभग %80 होता है - शेष हिस्सा अधिकांशतः पानी वाले भाग का काम है।

मोटर का प्रकार थर्मल भार को कैसे बदलता है: PMSM और असिंक्रोनस

शीतलन रणनीति, मोटर के प्रकार के अनुसार एक अलग समस्या परिभाषा के साथ शुरू होती है। परmanent मैग्नेट सिंक्रोनस मोटर (PMSM) में रोटर चुंबकीय क्षेत्र प्रेरण से नहीं, बल्कि रोटर में सन्निहित चुंबकों से प्रदान किया जाता है; रोटर हानियाँ बहुत कम होती हैं और इससे थर्मल प्रबंधन आसान हो जाता है। इसकी कीमत चुंबकों की तापमान संवेदनशीलता है: रोटर, सिस्टम का सबसे कमजोर थर्मल क्षेत्र है और डीमैग्नेटाइजेशन का जोखिम डिज़ाइन की गर्मी सीमाओं को निर्धारित करता है।

असिंक्रोनस मोटर में रोटर में धारा प्रेरित होती है, इसलिए रोटर हानियां संरचनात्मक रूप से अधिक होती हैं और दक्षता PMSM से नीचे रहती है। इसके बदले में, मोटर के चुंबक के डीमैग्नेटाइजेशन का कोई जोखिम नहीं होता; थर्मल सीमाओं को अधिक आसानी से प्रबंधित किया जा सकता है। यही वह इंजीनियरिंग तर्क है जिसके कारण कुछ निर्माता सामने के एक्सल पर कुशल PMSM और पीछे के एक्सल पर गर्मी के प्रति अधिक सहनशील असिंक्रोनस मोटर चुनते हैं: प्रत्येक मोटर को अपनी थर्मल प्रकृति के अनुसार ठंडा किया जाता है।

यह थर्मल अंतर द्रव के चयन में भी निर्णायक है। जिन मोटरों में रोटर और चुंबक गर्मी का जोखिम रखते हैं, वहां उन क्षेत्रों तक पहुंचने में सक्षम तेल का मूल्य बढ़ जाता है जहां वाटर जैकेट पहुंच नहीं पाता। 2022 की पहली छमाही में तेल-ठंडा की गई मोटरों का इलेक्ट्रिक कार बाजार में 50% हिस्सा तक पहुंचना इस प्रवृत्ति का ठोस परिणाम है; बाजार हिस्सेदारी के बढ़ते रहने की उम्मीद है, हालांकि यह भी अनुमान है कि केवल वाटर जैकेट वाली मोटरें भी महत्वपूर्ण स्थान बनाए रखेंगी।

इन्वर्टर में कूलिंग प्लेट कैसे काम करती है?

पावरट्रेन का सबसे गर्मी-संवेदनशील घटक मोटर नहीं, बल्कि इन्वर्टर है। इसके भीतर के सिलिकॉन IGBT या SiC MOSFET स्विच हर एम्पियर के चालू और बंद होने पर गर्मी उत्पन्न करते हैं और अर्धचालकों का तापमान बजट बहुत सीमित होता है। इसीलिए इन्वर्टर मोड्यूल लगभग हमेशा पानी/ग्लाइकॉल से भरी कूलिंग प्लेटों से ठंडे किए जाते हैं।

सिद्धांत चालन पर आधारित है: पावर अर्धचालक सीधे कूलिंग प्लेट से जोड़े जाते हैं (संपर्क प्रतिरोध कम करने के लिए थर्मल पेस्ट का उपयोग किया जाता है), गर्मी चालन द्वारा प्लेट में स्थानांतरित होती है और प्लेट के भीतर नहरों में बहता तरल यह गर्मी लेकर पंप द्वारा दूर स्थित हीट एक्सचेंजर तक पहुंचाता है। चूंकि तरल गर्मी को हवा की तुलना में बहुत तेजी से ढोता है, यह कॉम्पैक्ट पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में लगभग एकमात्र विकल्प है। IGBT मोड्यूलों की कूलिंग प्लेट डिजाइन, इन्वर्टर प्रदर्शन में सुधार का एक प्रमुख विषय बना हुआ है।

तो इन्वर्टर को सीधे तेल से क्यों नहीं ठंडा किया जाता? उत्तर फिर से चालकता का मुद्दा और सर्किट की जटिलता है: बदलाव की जांच की जा रही है - मोटर और इन्वर्टर को एक ही द्रव से ठंडा करने का लक्ष्य रखने वाली कंसोर्टियम परियोजनाएं (Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens और Flanders Make शामिल SingleOilCnL जैसी) आशाजनक पाई जा रही हैं - हालांकि नजदीकी भविष्य में प्रमुख रणनीति बनने की उम्मीद नहीं है। आज की विशिष्ट वास्तुकला संकर है: डाइइलेक्ट्रिक तेल रोटर और स्टेटर को ठंडा करता है, हीट एक्सचेंजर में गर्मी को पानी/ग्लाइकॉल सर्किट में स्थानांतरित करता है; और ग्लाइकॉल इन्वर्टर प्लेट और रेडिएटर को खिलाता है।

पीक पावर और कंटीन्यूअस पावर के बीच का अंतर कूलिंग सिस्टम से क्यों जुड़ा है?

ब्रोशर में दिया गया kW मान पीक पावर है: मोटर का अल्पकालिक अधिकतम आउटपुट। कंटीन्यूअस पावर वह शक्ति है जिसे मोटर बिना अधिक गर्म हुए असीमित समय तक बनाए रख सकती है, और इन दोनों के बीच के अंतर को निर्धारित करने वाली एकमात्र चीज थर्मल प्रबंधन है। कूलिंग सिस्टम एक थर्मल बफर के रूप में कार्य करता है: जितनी अच्छी तरह ठंडा करता है, पीक पावर उतनी लंबे समय तक और कंटीन्यूअस पावर उतने उच्च स्तर पर बनी रहती है।

इसे ठोस रूप दें। समान बाहरी आयामों वाली दो भारी वाणिज्यिक मोटरों के आंकड़े अंतर को स्पष्ट रूप से दिखाते हैं:

जल-शीतित मोटर में चोटी की चढ़ाई पर वाइंडिंग का तापमान आमतौर पर एक मिनट के भीतर सीमा पार कर सकता है; सिस्टम टॉर्क कम कर देता है (थर्मल टॉर्क सीमन) और आवश्यकता होने पर वाहन को शक्ति में कमी के लिए मजबूर किया जाता है। तेल शीतन अनावश्यक थर्मल प्रतिरोधों को समाप्त करता है, इसलिए निरंतर प्रदर्शन बढ़ाता है: 10 किलोमीटर लंबे 4% ढाल वाले रैंप पर तेल-शीतित मोटर लगभग 20% अधिक निरंतर शक्ति और 37.5% अधिक निरंतर टॉर्क बनाए रखती है। यह अंतर इंटरसिटी ट्रेन नहीं बल्कि ट्रक या भारी वाणिज्यिक वाहन चलाने वालों के लिए - जहां लंबे रैंप और उच्च औसत गति वास्तविकता है - खरीद निर्णय बदलने वाले स्तर का है।

प्रभावी शीतन का एक अप्रत्यक्ष लाभ भी है: उसी थर्मल बजट के साथ छोटी और अधिक शक्तिशाली मोटर डिजाइन की जा सकती है, जिसका अर्थ है वजन और लागत की बचत।

किस स्थिति में किसे चुनें?

तालिका दोनों दृष्टिकोणों के फायदों और कमियों का सारांश देती है:

Seçim aslında rekabet değil, optimizasyon meselesidir. Yağ ve su soğutma birbirinin alternatifi olarak değil, farklı görev döngüleri için farklı cevaplar olarak düşünülmeli: düşük ve orta yük profillerinde, maliyet ve sadelik öncelikliyken su ceketi çoğu zaman yeterli. Uzun rampalar, yüksek ortalama hızlar ve yüksek devir gerektiren uygulamalarda doğrudan yağ soğutma üstünlüğü netleşir. Üstelik yağ soğutmalı bir tahrik ünitesinde su/glikol devresi genellikle yine vardır - yağın aldığı ısıyı sonunda atmosfere taşıyan, invertör plakasını da besleyen devre budur.

Ayrıca entegrasyon trendi yağın konumunu güçlendiriyor: motor ve şanzıman tek pakette birleştirildikçe, yağlamanın ve motor soğutmasının tek akışkanla çözülmesi pratik bir gereklilik haline geliyor. Akışkan formülasyonunda termal yönetim, yağlama performansının yanında başlıca tasarım kriteri olarak kabul ediliyor.

Sonuç: Akışkan Karşılaştırması Değil, Yerleşim Karşılaştırması

Bu karşılaştırmayı okumanın doğru yolu, kazanan aramak değil, terimleri doğru yerleştirmektir. Su, kağıt üzerinde daha iyi bir soğutucudur; yağ, pratikte daha iyi bir konumdadır - çünkü ısının doğduğu noktaya girebilen tek akışkandır. Ortalama 10 °C'lik, sargılarda 14 °C'yi aşan ve yüksek devirde 40 °C'ye tırmanan sıcaklık farkı, fiziksel üstünlük değil temas üstünlüğünün sonucudur. Bir sonraki nesil tahrik ünitelerinde su/glikol devresi bir süre daha duracak, ancak ısı kaynağının yanındaki yağın payı büyümeye devam edecek. Motor seçerken broşürdeki tepe güce değil, sürekli güce ve onu mümkün kılan soğutma mimarisine bakın: gerçek performans orada saklı.

स्रोत

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• The Transition to Oil in EV Thermal Management
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• How to Choose the Right Electric Truck Motor: Oil-Cooled vs. Water-Cooled
• Study on high-speed electric motor cooling with oil spray
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• 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