छोटे डीसी मोटर्स सीधे विद्युत धारा को विद्युत चुम्बकीय बलों के उपयोग द्वारा सटीक यांत्रिक गति में बदल देते हैं। मूल रूप से जो होता है, वह यह है: जब मोटर के अंदर आर्मेचर के माध्यम से धारा प्रवाहित होती है, तो वह एक चुंबकीय क्षेत्र से मिलती है, जिससे घूर्णन गति उत्पन्न होती है जिसे हम सभी जानते और पसंद करते हैं। ये छोटे शक्ति स्रोत उन स्थितियों के लिए बहुत उपयुक्त हैं जहाँ स्थान महत्वपूर्ण होता है और टॉर्क सही से होना चाहिए, जिसकी वजह से वे स्मार्टफोन से लेकर अस्पताल के उपकरणों में लगे छोटे पंप तक हर जगह दिखाई देते हैं। जनवरी 2024 में औद्योगिक गति प्रणालियों पर एक हालिया दृष्टिकोण से पता चलता है कि इन मोटर्स की दक्षता लगभग 90% तक पहुँच सकती है जब वे अधिक काम नहीं कर रहे होते, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि हल्के भार के दौरान घर्षण बहुत कम होता है।
एक छोटे डीसी मोटर के संचालन को चार महत्वपूर्ण घटक परिभाषित करते हैं:
बड़े मोटर्स के विपरीत, छोटे डीसी मोटर्स टिकाऊपन के लिए नियोडिमियम चुंबक और कार्बन ब्रश जैसी हल्की सामग्री का उपयोग करते हैं। जैसा कि मोटर इंजीनियरिंग दिशानिर्देशों में उल्लेखित है, इन घटकों को सीमित जगह में निरंतर संचालन के लिए ऊष्मा विकिरण में कमी के लिए अनुकूलित किया गया है।
छोटी डीसी मोटर्स के मामले में, वे बड़ी मात्रा में टॉर्क उत्पन्न करने के बजाय तंग जगहों में शक्ति समाहित करने पर अधिक ध्यान केंद्रित करते हैं। एक मानक 12 वोल्ट मोटर लीजिए जिसकी रेटिंग लगभग 3 से 50 वाट के बीच होती है, ये छोटी मोटर्स आमतौर पर लगभग 15 से 200 चक्र प्रति मिनट की गति से घूमती हैं। इसकी तुलना औद्योगिक आकार की मोटर्स से करें जो काफी अधिक शक्ति संभाल सकती हैं, अक्सर 1 किलोवाट से अधिक, लेकिन अधिक ताप से बचने के लिए बड़ी ठंडक प्रणाली की आवश्यकता होती है। छोटी मोटर्स को इतना उपयोगी बनाता है उनकी संक्षिप्त प्रकृति। उन्हें बड़ी मोटर्स के लिए आवश्यक बाहरी प्रशीतक जैसे अतिरिक्त भागों की आवश्यकता नहीं होती, जिसके कारण इंजीनियर उन्हें उपकरणों के अंदर लगाना पसंद करते हैं जहाँ जगह का महत्व होता है। पिछले साल एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल जर्नल में प्रकाशित कुछ शोध के अनुसार, इन छोटी मोटर्स की ध्वनि उनकी बड़ी बहनों की तुलना में लगभग 40 प्रतिशत कम होती है। ऐसे अनुप्रयोगों में यह शांत संचालन विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाता है जैसे अस्पताल के उपकरण या उपभोक्ता गैजेट्स जहाँ कोई भी अपनी मशीनों से परेशान करने वाली गुनगुनाहट नहीं चाहता।
छोटी DC मोटर्स लॉरेंज बल नामक कुछ चीज़ों पर आधारित बिजली को वास्तविक गति में बदलकर काम करती हैं। मूल रूप से, जब मोटर के अंदर के तांबे के तारों (हम इन्हें आर्मेचर वाइंडिंग कहते हैं) के माध्यम से बिजली प्रवाहित होती है, तो एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। यह क्षेत्र फिर मोटर के आवास के बाहर लगे स्थायी चुंबकों के साथ प्रतिक्रिया करता है। अगला क्या होता है वास्तव में काफी रोचक है—चुंबकीय क्षेत्र एक-दूसरे को धकेलते हैं, जिससे टोक़ उत्पन्न होता है जो मोटर शाफ्ट को उस दिशा में घुमाता है जो बिजली के प्रवाह और चुंबकीय रेखाओं की दिशा के लंबवत होती है। सब कुछ चिकनाई से घूमते रहने के लिए, बिजली को कार्बन ब्रश के माध्यम से कम्यूटेटर नामक भाग पर स्थानांतरित किया जाता है। यह भाग आर्मेचर वाइंडिंग के विभिन्न खंडों पर बिजली को स्विच करता है ताकि मोटर एक चक्कर के बाद रुकने के बजाय लगातार घूमती रहे।
कम्यूटेटर-ब्रश प्रणाली दो महत्वपूर्ण कार्य करती है:
इस सिंक्रनाइज्ड स्विचिंग के बिना, छोटे डीसी मोटर आंशिक घूर्णन के बाद ठप हो जाएंगे। हाल के इलेक्ट्रोडायनामिक्स अनुसंधान में दिखाया गया है कि अनुकूलित कम्यूटेटर डिज़ाइन चिंगारी को 40% तक कम कर देता है, जिससे 12V अनुप्रयोगों में ब्रश के जीवन में वृद्धि होती है।
छोटी डीसी मोटर के प्रदर्शन को नियंत्रित करने वाले प्रमुख संबंध:
| पैरामीटर | प्रदर्शन पर प्रभाव | डिज़ाइन पर विचार |
|---|---|---|
| वोल्टेज (6-24V) | बिना लोड के गति के सीधे समानुपाती | उच्च वोल्टेज पर तापीय सीमाएँ |
| वर्तमान | टॉर्क आउटपुट निर्धारित करता है (T = kΦI) | तार का गेज और ब्रश सामग्री |
| चुंबकीय प्रवाह | टॉर्क और बैक EMF दोनों को प्रभावित करता है | चुंबक ग्रेड का चयन |
कोरलेस छोटी DC मोटर्स 10,000 RPM से अधिक की गति प्राप्त करती हैं जिनमें न्यूनतम कंपन होता है, जबकि ग्रहीय गियरमोटर्स गति के बदले 15 गुना टॉर्क वृद्धि के लिए उपयोग किए जाते हैं। दक्ष डिज़ाइन अपनी संचालन सीमा में >80% ऊर्जा रूपांतरण बनाए रखते हैं।
छोटी ब्रश वाली DC मोटर्स कार्बन ब्रश और कम्यूटेटर के साथ काम करती हैं जो विद्युत संपर्क स्थापित करते हैं। पहली नज़र में ये काफी सरल और सस्ती लगती हैं, जिसके कारण इनका उपयोग हर जगह दिखने वाली चीज़ों जैसे कि कपड़े धोने की मशीन और नाश्ते के डिस्पेंसर में किया जाता है। लेकिन एक समस्या है। समय के साथ ब्रश घिस जाते हैं, इसलिए इन मोटर्स की नियमित जाँच की आवश्यकता होती है और भागों को बदलने की आवश्यकता पड़ती है। इससे यह स्पष्ट होता है कि ये मोटर्स पूरी तरह खराब होने से पहले कितने समय तक चल सकती हैं। दूसरी ओर, ब्रशरहित DC मोटर्स या BLDCs, जैसा कि उन्हें कहा जाता है, इलेक्ट्रॉनिक कम्यूटेशन के माध्यम से उस सभी यांत्रिक व्यवस्था को समाप्त कर देते हैं। घर्षण के अभाव में ये मोटर्स काफी अधिक दक्षता से चल सकती हैं, कभी-कभी लगभग 90% दक्षता तक पहुँच जाती हैं। चिकित्सा उपकरण निर्माता इन्हें पसंद करते हैं क्योंकि ये हज़ारों घंटों तक लगातार चल सकती हैं और फिर भी खराब नहीं होती हैं। कुछ इकाइयों के 10,000 घंटे के निशान तक पहुँचने और फिर भी मजबूती से काम करते रहने के बारे में ज्ञात है।
ग्रहीय या स्पर गियर को छोटे डीसी मोटर्स के साथ एकीकृत करने से टॉर्क आउटपुट में वृद्धि होती है, जबकि संकुचित आयाम बने रहते हैं। 2.5 Nm तक का टॉर्क प्रदान करने वाले गियरमोटर्स ऑटोमोटिव विंडो रेगुलेटर्स, औद्योगिक एक्चुएटर्स और रोबोटिक्स के लिए आदर्श हैं, जहां स्थान सीमित होने के बावजूद उच्च बल वाली गति महत्वपूर्ण होती है।
कोरलेस डिज़ाइन रोटर से आयरन कोर को हटा देते हैं, जिससे ड्रोन और प्रोस्थेटिक्स में त्वरित स्टार्ट-स्टॉप चक्र के लिए जड़त्व 50% तक कम हो जाता है। सपाट आर्मेचर वाले पैनकेक-शैली के मोटर्स 15 मिमी से कम मोटाई प्राप्त करते हैं, जो वियरेबल डिवाइस और लघु सेंसर में एकीकरण की सुविधा प्रदान करते हैं।
छोटे डीसी मोटर्स के साथ काम करते समय, उनकी वोल्टेज रेटिंग को हमारे द्वारा उनसे जोड़े जाने वाले पावर स्रोत के अनुरूप होना चाहिए। अधिकांश वाणिज्यिक मॉडल 6 वोल्ट से 24 वोल्ट के बीच सबसे अच्छा काम करते हैं। यदि हम इन मोटर्स के माध्यम से बहुत अधिक वोल्टेज प्रवाहित करते हैं, तो वे तेजी से ओवरहीट हो जाते हैं। इसके विपरीत, उन्हें उनकी न्यूनतम वोल्टेज से कम पर चलाने से वे कमजोर हो जाते हैं क्योंकि वे पर्याप्त टोर्क उत्पन्न नहीं कर पाते। मोटर द्वारा खींचे गए धारा की मात्रा इस बात पर निर्भर करती है कि यह कितनी कठिनाई से काम कर रहा है। बड़े लोड का अर्थ है प्रणाली के माध्यम से अधिक धारा का प्रवाह, जो स्वाभाविक रूप से ऊर्जा के उपयोग और ऊष्मा उत्पादन दोनों में वृद्धि करता है। स्पष्टता के लिए कुछ संख्याओं पर विचार करें: लगभग 1.6 एम्पीयर खींचने वाली एक मानक 12 वोल्ट मोटर, हमें लगभग 19.2 वाट पावर आउटपुट देती है। इन विशिष्टताओं को समझने से इंजीनियरों को कार्य के लिए सही मोटर चुनने में मदद मिलती है। एक छोटी मोटर सरल उपकरणों या खिलौनों को संभाल सकती है, लेकिन फैक्ट्री उपकरणों के लिए कुछ बड़ा आवश्यक होगा जहाँ निरंतर संचालन सबसे महत्वपूर्ण होता है।
छोटी डीसी मोटर्स की दक्षता आमतौर पर 70 से 90 प्रतिशत के बीच होती है, हालांकि यह कई कारकों पर निर्भर करके भिन्न हो सकती है, जिनमें मोटर के भीतर घर्षण, वाइंडिंग में प्रतिरोध और चुंबकीय क्षेत्र से संबंधित हानि शामिल हैं। जब ये मोटर्स 60 डिग्री सेल्सियस (लगभग 140 फ़ारेनहाइट) से अधिक तापमान पर लगातार चलती हैं, तो विद्युत रोधन के विफल होने या स्थायी चुंबकों की शक्ति खोने का वास्तविक खतरा होता है। यहाँ उचित तापीय प्रबंधन सबसे महत्वपूर्ण है। ऊष्मा को बिखेरने में सहायता करने वाले विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए आवास या मोटर के आसपास वायु के प्रवाह में सुधार जैसी चीजें उनके जीवनकाल को काफी बढ़ा सकती हैं और प्रतिस्थापन की आवश्यकता को टाल सकती हैं। इन मोटर्स के ब्रशलेस संस्करण वास्तव में कम ऊष्मा उत्पन्न करते हैं क्योंकि उनमें घर्षण पैदा करने वाले झनझनाते ब्रश नहीं होते हैं। चिकित्सा उपकरण जैसे उन अनुप्रयोगों में जहाँ विश्वसनीयता सर्वाधिक महत्वपूर्ण होती है, ब्रशलेस मॉडल अक्सर बिना किसी समस्या के लगातार 5,000 घंटे से भी अधिक समय तक चलते हैं।
छोटी ब्रश वाली DC मोटर्स आमतौर पर 1,000 से 3,000 घंटे तक चलती हैं, उसके बाद ब्रश के घिसने लगते हैं, जबकि ब्रशरहित मोटर्स आसानी से 10,000 घंटे से अधिक तक चल सकती हैं। जहां बहुत अधिक धूल या अधिक आर्द्रता वाले स्थानों में इन मोटर्स को स्थापित किया जाता है, वहां सीलबंद बेयरिंग्स और जंग एवं क्षय के प्रति प्रतिरोधी सामग्री से बने घटकों के बहुत लाभ मिलते हैं। इन्हें सुचारु रूप से चलाए रखने के लिए कुछ मूलभूत रखरखाव की भी आवश्यकता होती है। कम्यूटेटर सतहों को नियमित रूप से साफ करना और यह सुनिश्चित करना कि सभी गतिशील भाग उचित रूप से स्नेहित रहें, स्वचालित उत्पादन लाइनों में अप्रत्याशित खराबी को रोकने में बहुत मदद करता है। वाहनों और अन्य परिवहन उपकरणों के लिए, निर्माता अक्सर IP54 आवास रेटिंग वाली मोटर्स के उपयोग की विनिर्देश करते हैं। इसका अर्थ है कि वे छिड़काव वाले पानी और गंदगी को संभाल सकते हैं बिना आंतरिक भागों में नमी प्रवेश करने दिए, जो कठोर परिस्थितियों में विश्वसनीय संचालन के लिए अधिकांश निर्माताओं की आवश्यकताओं को पूरा करता है।
हम अपने दैनिक जीवन की विभिन्न चीजों में छोटी डीसी मोटर्स पर इसलिए निर्भर रहते हैं क्योंकि हमें इसका एहसास भी नहीं होता। सोचिए, जब हमें फ़ोन पर सूचनाएँ मिलती हैं तो वाइब्रेशन, इलेक्ट्रिक टूथब्रश में घूमने वाले सिर, या गर्मियों के दिनों में हमें ठंडा रखने वाले छोटे पंखे। इन मोटर्स को इतना खास क्या बनाता है? वे इतने छोटे होते हैं कि हाथ में ले जाने वाले उपकरणों में आसानी से फिट हो जाते हैं, लेकिन फिर भी बैटरी पर कुशलता से चलते रहते हैं। ड्रोन जैसी जटिल चीज के लिए, ये नन्ही मोटर्स हवा में संतुलन बनाए रखने में मदद करती हैं और कैमरे को सिडे से सिडे स्मूथ ढंग से घूमने देती हैं। यही तकनीक उन जिम्बल सिस्टम को चलाती है जिनके फोटोग्राफर इतने शौकीन होते हैं। इतनी छोटी होने के बावजूद यह कितनी शानदार बात है!
आजकल चिकित्सा क्षेत्र उन छोटे डीसी मोटर्स पर भारी हद तक निर्भर है जो इंसुलिन डिलीवरी सिस्टम से लेकर रोबोटिक सर्जरी उपकरणों और एमआरआई कक्षों में एडजस्टेबल टेबल तक, सभी प्रकार के आवश्यक उपकरणों को शक्ति प्रदान करते हैं। ये छोटे मोटर्स धीमे चलने पर भी स्थिर शक्ति आउटपुट बनाए रख सकते हैं, जो आईवी लाइनों के माध्यम से दवा की सही खुराक प्राप्त करने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। ब्रशलेस संस्करण विशेष रूप से उपयोगी हैं क्योंकि वे अधिक विद्युत शोर उत्पन्न नहीं करते हैं जो आसपास के अन्य संवेदनशील चिकित्सा उपकरणों में हस्तक्षेप कर सकता है। और दिलचस्प बात यह है कि आजकल बाजार में मौजूद अधिकांश हैंडहेल्ड नैदानिक उपकरण कोरलेस डीसी मोटर्स का उपयोग करते हैं। क्यों? क्योंकि वे इतनी शांति से काम करते हैं कि रोगी जांच और नियमित जांच के दौरान उनके काम करने का लगभग ध्यान नहीं देते।
आज की कारों में वास्तव में लगभग 30 से 50 छोटी DC मोटर्स होती हैं जो पृष्ठभूमि में काम करती हैं। ये हमारे द्वारा स्वाभाविक रूप से मान लिए गए चीजों जैसे पावर विंडोज़ को समायोजित करना, याद रखना कि सीटें कहाँ होनी चाहिए, और हीटिंग सिस्टम में वेंट्स को नियंत्रित करना आदि को संभालती हैं। नई चीजें और भी दिलचस्प हो रही हैं। निर्माता अब उन्नत ड्राइवर सहायता प्रणालियों में ब्रशलेस डीसी मोटर्स का उपयोग कर रहे हैं, जैसे रडार को ठीक ढंग से संरेखित रखना और पार्किंग के दौरान स्वचालित रूप से दर्पण तह करना। ये छोटे कामचोर बहुत कठोर तापमान का भी सामना कर सकते हैं, चाहे वह शून्य से 40 डिग्री सेल्सियस के नीचे का ठंढ हो या 150 डिग्री तक की तपिश। इस तरह की स्थायित्व उन्हें बिना खराब हुए सभी मौसम की स्थिति के लिए आदर्श बनाती है।
छोटे डीसी मोटर्स उन शानदार औद्योगिक पिक-एंड-प्लेस बॉट्स से लेकर बुनियादी अर्डुइनो टिंकरिंग प्रोजेक्ट्स तक सब कुछ चलाते हैं। इनमें से कुछ छोटे मोटर्स वास्तव में बहुत छोटे भी हो सकते हैं, जिनके मॉडल केवल 6 मिमी के स्थान में फिट हो जाते हैं। काम करने की दृष्टि से, गियरमोटर संस्करण लगभग 200 गुना टोक़ बढ़ा देते हैं, जिसका अर्थ है कि वे रोबोटिक बाजुओं पर लगभग 5 किग्रा भार आसानी से उठा सकते हैं। फिर पैनकेक शैली के मोटर्स होते हैं जो सुपर तेज घूमते हैं और पीसीबी ड्रिलिंग अनुप्रयोगों में 10,000 आरपीएम की गति तक पहुँच जाते हैं। अधिकांश ओपन सोर्स रोबोटिक्स प्लेटफॉर्म्स अब मानक माउंटिंग बिंदुओं के साथ मॉड्यूलर डीसी मोटर विकल्पों के साथ आते हैं। इससे शौकीनों और पेशेवरों दोनों के लिए निश्चित रूप से काम तेज हुआ है। मानकीकृत घटकों का उपयोग करने से प्रोटोटाइपिंग में पहले की तुलना में लगभग 40% कम समय लगता है, जब हर बार कस्टम समाधान शुरुआत से बनाने पड़ते थे
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