Optimal Design and Finite Element Analysis of an Efficiency BPMDC Motor for EV Propulsion with Reduced Material Cost and Power Losses Using ANSYS Electronics

इलेक्ट्रिक वाहन दुनिया भर की सड़कों पर एक परिचित दृश्य बनते जा रहे हैं, फिर भी हर इलेक्ट्रिक कार का हृदय एक जटिल मशीन बना हुआ है: इलेक्ट्रिक मोटर। वाहन को चलाने के लिए, इन मोटरों को बिजली को गति में बदलना होता है, वह भी कम से कम बर्बादी के साथ। जब ऊर्जा बर्बाद होती है, तो वह आमतौर पर गर्मी में बदल जाती है या घर्षण (friction) के माध्यम से नष्ट हो जाती है, जिससे ड्राइविंग रेंज कम हो जाती है और वाहन की लागत बढ़ जाती है। एक विशिष्ट प्रकार की मोटर, जिसे ब्रशलेस परमानेंट मैग्नेट डीसी मोटर (brushless permanent magnet DC motor) के रूपas जाना जाता है, इस काम के लिए एक मजबूत दावेदार के रूप में उभरी है क्योंकि यह कॉम्पैक्ट, शक्तिशाली और कुशल है। हालाँकि, इसे बनाना केवल इसे घुमाने के बारे में नहीं है; इसके लिए सामग्रियों का एक सूक्ष्म संतुलन आवश्यक है। रोटर के भीतर के चुंबक, कोर में स्टील, और वाइंडिंग्स में तांबा, इन सभी की अलग-अलग लागत और प्रदर्शन विशेषताएँ होती हैं। यदि सामग्रियाँ बहुत महंगी हैं, तो कार वहनीय नहीं रह जाएगी; यदि वे बहुत कमजोर हैं, तो मोटर ऊर्जा बर्बाद करेगी। इंजीनियरों के लिए चुनौती एक ऐसा सटीक संयोजन खोजने की है जो बजट को बिगाड़े बिना उच्च प्रदर्शन प्रदान करे।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने विशेष रूप से इलेक्ट्रिक वाहन प्रणोदन (propulsion) के लिए डिज़ाइन की गई मोटर के लिए इस संतुलन को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने 2.08-किलोवाट की मोटर पर ध्यान केंद्रित किया, जो छोटे वाहनों या विशिष्ट ड्राइव अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त आकार है, और अपने विचारों का परीक्षण करने के लिए उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। भौतिक प्रोटोटाइप बनाने के बजाय, जो धीमा और महंगा हो सकता है, उन्होंने ANSYS Electronics नामक एक शक्तिशाली सॉफ्टवेयर सुइट का उपयोग किया। इस टूल ने उन्हें मोटर का एक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाने और यह देखने की अनुमति दी कि इसके भीतर बिजली और चुंबकीय क्षेत्र कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। शोधकर्ताओं ने मोटर को 220 वोल्ट पर 1500 चक्कर प्रति मिनट (revolutions per minute) की गति पर चलाने के लिए डिज़ाइन किया। उन्होंने स्टेटर और रोटर कोर के लिए स्टील का सावधानीपूर्वक चयन किया और चुंबकीय बलों को समान रूप से वितरित करने के लिए कॉपर वाइंडिंग्स को एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित किया। लक्ष्य यह देखना था कि स्थायी चुंबकों (permanent magnets)—जो मोटर के भीतर निरंतर चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करते हैं—के विभिन्न विकल्पों से मोटर की दक्षता और ऊर्जा की बर्बादी पर क्या प्रभाव पड़ता है।

सर्वश्रेष्ठ समाधान खोजने के लिए, टीम ने केवल एक प्रकार के चुंबक का परीक्षण नहीं किया। उन्होंने छह अलग-अलग संस्करण बनाए, जिनमें से प्रत्येक में स्थायी चुंबक सामग्री का एक अलग ग्रेड उपयोग किया गया था। फिर उन्होंने सभी छह संस्करणों पर एक ही सिमुलेशन चलाया ताकि यह देखा जा सके कि समान परिस्थितियों में कौन सा सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है। कंप्यूटर ने हर विवरण की गणना की, जैसे कि तांबे के तारों ने कितनी गर्मी उत्पन्न की और मोटर के पुर्जों के हवा के विरुद्ध रगड़ने से कितनी ऊर्जा नष्ट हुई। परिणाम स्पष्ट थे: सभी चुंबक समान नहीं थे। एक विशिष्ट चुंबक, जिसे अध्ययन में XG196/96 के रूप में पहचाना गया, अन्य से बेहतर प्रदर्शन कर गया। इस विशेष विन्यास ने मोटर को 87.56 प्रतिशत की दक्षता तक पहुँचने में सक्षम बनाया, जो समूह में सबसे अधिक थी। इसके विपरीत, सबसे कम कुशल चुंबक विन्यास केवल लगभग 85.2 प्रतिशत दक्षता ही प्राप्त कर सका। यह अंतर छोटा लग सकता है, लेकिन इलेक्ट्रिक वाहनों की दुनिया में, दक्षता का एक अंश भी एक ही बैटरी चार्ज पर अधिक मील चलने में बदल जाता है।

अध्ययन ने यह भी विस्तार से बताया कि ऊर्जा कहाँ जा रही थी और कहाँ नष्ट हो रही थी। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले चुंबक के साथ, मोटर में सभी स्तरों पर नुकसान कम हुआ। कॉपर वाइंडिंग्स, जो विद्युत धारा ले जाती हैं, ने गर्मी के रूप में लगभग 203.7 वॉट शक्ति खो दी। आयरन कोर, जो चुंबकीय क्षेत्र का मार्गदर्शन करता है, ने 14.77 वॉट खो दिया। यहाँ तक कि इलेक्ट्रॉनिक घटक भी, जैसे ट्रांजिस्टर और डायोड, जो करंट को चालू और बंद करने के लिए स्विच करते हैं, कुल हानि में योगदान दे रहे थे, लेकिन टीम इन मात्राओं को सटीक रूप से मापने में सक्षम थी। घर्षण और विंडेज (windage) नुकसान, जो मोटर के हवा में घूमने और इसके चलते हुए हिस्सों के यांत्रिक प्रतिरोध की ऊर्जा लागत है, को मात्र 12 वॉट पर बहुत कम रखा गया था। छह अलग-अलग डिज़ाइनों के बीच इन नंबरों की तुलना करके, शोधकर्ता देख सके कि चुंबक का चुनाव सीधे तौर पर मोटर के माध्यम से बहने वाली धारा को प्रभावित करता था, जो बदले में यह तय करता था कि कितनी ऊर्जा बर्बाद होगी। XG196/96 चुंबक को समान कार्य करने के लिए कम करंट की आवश्यकता थी, यही कारण है कि इसने कम गर्मी पैदा की और कम ऊर्जा बर्बाद की।

केवल दक्षता ही नहीं, बल्कि शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि मोटर कितनी सहजता से चलेगी। इलेक्ट्रिक मोटरों की एक सामान्य समस्या "कॉगिंग" (cogging) है, जो एक झटका महसूस कराने वाली स्थिति है जो तब होती है जब रोटर और स्टेटर के चुंबकीय दांत एक-दूसरे से टकराते हैं। इससे कंपन और शोर हो सकता है, जो ड्राइवर के लिए अप्रिय होता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि चुना गया डिज़ाइन बहुत सुचारू टॉर्क (torque) उत्पन्न करता है, जिसका अर्थ है कि घूमने वाला बल स्थिर और सुसंगत था। मोटर के भीतर चुंबकीय क्षेत्र समान रूप से वितरित था, और मोटर को चलाने वाले विद्युत संकेत स्वच्छ और सममित (symmetrical) थे। टीम ने स्थिर अवस्था से चलने की मोटर की क्षमता की भी जाँच की, जो किसी भी वाहन के लिए एक महत्वपूर्ण क्षण है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि मोटर अपने सामान्य ऑपरेटिंग टॉर्क की तुलना में लगभग चार गुना अधिक शुरुआती टॉर्क उत्पन्न कर सकती है, जिससे पता चलता है कि आवश्यकता पड़ने पर यह तेजी से त्वरित (accelerate) होगी।

इस पेपर में प्रस्तुत कार्य एक सिमुलेशन अध्ययन है, जिसका अर्थ है कि परिणाम एक भौतिक मशीन के बजाय एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल से आए हैं। हालाँकि, मॉडलिंग का स्तर बहुत विस्तृत है, जिसमें स्टील के विशिष्ट गुणों, चुंबक के सटीक आकार और विद्युत धाराओं के व्यवहार को शामिल किया गया है। शोधकर्ताओं ने यह दावा नहीं किया है कि उन्होंने कोई नई कार या नया मोटर बनाया है जो शोरूम के फर्श के लिए तैयार है। इसके बजाय, उन्होंने एक कठोर ब्लूप्रिंट और सामग्रियों के चयन के लिए एक सिद्ध पद्धति प्रदान की है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि सही चुंबक का सावधानीपूर्वक चयन करके, एक ऐसी मोटर डिज़ाइन करना संभव है जो लागत प्रभावी और अत्यधिक कुशल दोनों हो। इलेक्ट्रिक परिवहन के भविष्य के लिए, जहाँ ऊर्जा का हर वाट मायने रखता है, इस प्रकार की सटीक इंजीनियरिंग आवश्यक है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि XG196/96 चुंबक प्रदर्शन और लागत के बीच सबसे अच्छा तालमेल प्रदान करता है, जो इलेक्ट्रिक वाहन ड्राइव की अगली पीढ़ी के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है।