Ferrietmotoren hebben het voordeel van lage kosten, maar hebben ook nadelen zoals een lage vermogens-/koppeldichtheid, gemakkelijke demagnetisatie, complexe mechanische structuur, grote koppelfluctuaties en grote temperatuurcoëfficiënt. Het benutten van de voordelen en het verminderen/elimineren van de nadelen is het ijverige streven van onderzoekers en ingenieurs op het gebied van elektrische machines. Tekortkomingen kunnen worden gecompenseerd door gebruik te maken van geavanceerde ontwerptechnologie, dus tot op zekere hoogte is de ontwerpmoeilijkheid van de optimale oplossing voor ferrietmotoren met permanente magneet groter dan die van motoren met zeldzame aardmetalen.

demagnetisatie

De demagnetisatiesnelheid kan worden gedefinieerd als de hoeveelheid onomkeerbare demagnetisatie gedeeld door de totale hoeveelheid. Ferrietmotoren met permanente magneet hebben over het algemeen hogere demagnetisatiesnelheden vergeleken met motoren met zeldzame aardmetalen. Vergeleken met NdFeB zijn de Curie-temperaturen van verschillende soorten ferriet-permanente magneten relatief hoog, en de gebruikelijke temperatuurstijging van ferrietmotoren zal geen onomkeerbare demagnetisatie veroorzaken. Vanwege hun lage coërciviteit kunnen permanente ferrietmagneten echter gemakkelijk worden gedemagnetiseerd door een demagnetiserend veld.

Temperatuur beïnvloedt de coërciviteit van permanente NdFeB- en ferrietmagneten op twee tegengestelde manieren. Typische permanente NdFeB-magneten hebben een hogere coërciviteit bij lage temperaturen, terwijl permanente ferrietmagneten een lagere coërciviteit hebben wanneer de temperatuur daalt. De coërcitiefkrachttemperatuurcoëfficiënt van ferriet permanente magneten is positief, terwijl de coërcitiefkrachttemperatuurcoëfficiënt van NdFeB permanente magneten negatief is. Naarmate de temperatuur daalt, beweegt bovendien het kritische kniepunt op de magnetisatiecurve van ferriet-permanente magneten naar boven (van het derde kwadrant van het BH-vlak naar het tweede kwadrant). Daarom zijn lage temperaturen in ferrietmotoren gevaarlijker dan hoge temperaturen in termen van onomkeerbare demagnetisatie. Figuur 22 toont de demagnetisatiecurven van permanente ferrietmagneetmaterialen bij verschillende temperaturen.

Fig.22 Variaties van demagnetisatiecurve van een Fe-PM (kwaliteit: Y33BH) met temperatuur.

Temperatuur, motorgeometrie, aantal windingen, stroomamplitude, stroomfasehoek en rotorpositie kunnen allemaal een ernstige impact hebben op de onomkeerbare demagnetisatie van ferrietmotoren. Daarom moet er zorgvuldig rekening mee worden gehouden bij het bestuderen van demagnetisatie-effecten. Om deze doelen te bereiken, is het noodzakelijk om rekening te houden met worst-case scenario’s.

Arbeidsomstandigheden die demagnetisatie kunnen veroorzaken:

laagst mogelijke bedrijfstemperatuur

Maximaal mogelijke stroom

Slechtste huidige fasehoek en slechtste rotorpositie (resulterend in de laagste fluxdichtheid).

Speciale gebeurtenissen, zoals overbelasting of tijdelijke kortsluiting aan de motorklemmen, vooral bij lage temperaturen, kunnen de ferriet-permanente magneten demagnetiseren. Daarom moet ook rekening worden gehouden met deze ongebruikelijke bedrijfsomstandigheid. Het uiteindelijke ontwerp moet een goede demagnetisatietolerantie hebben.

Een andere parameter die een grote invloed heeft op de demagnetisatie is de elektrische geleidbaarheid van het permanente magneetmateriaal. Voor een typische permanente ferrietmagneet is de elektrische geleidbaarheid erg laag. Met andere woorden: de wervelstroom in de permanente ferrietmagneet is verwaarloosbaar.

Voor toepassingen met aanzienlijke veranderingen in de omgevingstemperatuur of noodzakelijke veldverzwakkingsbeheersing vereist de evaluatie van de demagnetisatie-intensiteit meer aandacht.

Het demagnetisatie-effect van ferrieten wordt meestal geëvalueerd op basis van de verdeling van de magnetische fluxdichtheid in de permanente magneet.

Eén evaluatiecriterium: neem aan dat elk deel van de permanente magneet met een magnetische dichtheid lager dan het kniepunt van de BH-curve wordt gedemagnetiseerd (zie figuur 23). Daarom moet tijdens het ontwerp rekening worden gehouden met de minimale beperking van de magnetische dichtheid.

Fig.23 Demagnetisatiecurve van een Fe-PM-materiaal bij -40℃

De geïnduceerde spanning in de motorwikkeling kan ook het demagnetisatie-effect van PM weerspiegelen, en deze grootheid kan worden gebruikt als een indirect evaluatiecriterium voor demagnetisatie.

Een goed ontwerp zou vrijwel identieke EMF-golfvormen zonder terugbelasting moeten bieden onder verschillende bedrijfsomstandigheden. Figuur 24 toont bijvoorbeeld de berekende en gemeten elektromotorische krachtgolfvormen bij onbelaste toestand van een goed ontworpen ferrietondersteunde synchrone reluctantiemotor. Niet alleen liggen de berekende en gemeten waarden zeer dicht bij elkaar, maar de golfvorm van de elektromotorische kracht verandert ook niet significant na de demagnetisatietest (test onder zware bedrijfsomstandigheden).

Fig.24 De EMF-golfvormen van een Fe-gebaseerde PMa-SynRM in onbelaste toestand.

Het gedemagnetiseerde gebied wordt verwijderd volgens de magnetische veldverdeling. Figuur 26a toont bijvoorbeeld het demagnetisatiegedeelte van drie typen permanente ferrietmagneten die worden gebruikt in PMa-SynRM (zie Figuur 19 voor structuur).

Het vergroten van de afschuining van de permanente magneet verkleint het demagnetisatiegebied, zoals weergegeven in figuur 26b, waardoor de demagnetisatiesnelheid wordt verminderd. Hoewel deze techniek nuttig is in termen van kwaliteit en kosten van het permanente ferrietmagneetmateriaal, verbetert het niet het koppelvermogen van de motor. In feite wordt het nutteloze demagnetisatiegedeelte in de PM verwijderd, en theoretisch zal het gegenereerde koppel niet veranderen. In de praktijk kan dit zelfs leiden tot een kleine vermindering van de koppeldichtheid.

Fig.19 Een PM-ondersteunde synchrone reluctantiemotor met een driedimensionale luchtspleet in de sleuf (a) totaalaanzicht (b) opvallende pool van de rotor (c) dwarsdoorsnede.

Afb.26. Verlaging van de demagnetisatieverhouding door specifieke PM-gebieden (a) vóór (b) erna te verwijderen.

Structurele aanpassingen om onomkeerbare demagnetisatie van ferriet-permanente magneetmotoren te voorkomen.

Door te kiezen voor dikke permanente magneten in borstelloze motoren verkleint u de kans op demagnetisatie. Op dezelfde manier kan het optimaliseren van de tiphoek van het magnetische rooster in een door ferriet ondersteunde synchrone reluctantiemotor de effecten van ankerreacties verminderen en zo ernstige onomkeerbare demagnetisatie voorkomen.

Fig.27 Effect van structurele wijzigingen op de reductie van de demagnetisatieverhouding

• conventionele motorconfiguratie van een spaak-PMBM
• gewijzigde rotorconfiguratie
• lijnen laden
• snelheid-koppelkarakteristieken.

De traditionele spaakstructuur van figuur 27a is vervangen door een verbeterde structuur in figuur 27b. Deze wijziging c verplaatst de belastingslijn van de permanente magneet weg van het kniegebied, zoals weergegeven in figuur 27c, waardoor het risico op demagnetisatie wordt verminderd. Het vergroot ook het bereik van de snelheids-koppelkarakteristieken van de motor, zoals weergegeven in afbeelding 27d.

Daarom moet elke wijziging om het koppel te verbeteren zorgvuldig worden uitgevoerd. Bij een gemengde ferriet + NdFeB permanente magneetmotor moet bijvoorbeeld speciale aandacht worden besteed aan het demagnetiserende effect van de ferriet permanente magneet. In feite kan de lekflux van permanente NdFeB-magneten ernstige demagnetisatie van het ferriet veroorzaken. Daarom moet dit effect worden geminimaliseerd bij het kiezen van de relatieve posities van de twee soorten permanente magneten.

Structuur

Ferriet en zeldzame aardmetalen permanente magneetmaterialen hebben een aantal verschillende structurele (mechanische) eigenschappen. Ferrieten hebben bijvoorbeeld een lagere dichtheid, zijn harder en brozer dan permanente magneten van zeldzame aardmetalen. De treksterkte van ferriet is ongeveer een zevende van die van een permanente neodymiummagneet van vergelijkbare grootte. Bovendien is het vanwege de beperkingen van de verwerkingstechnologie moeilijk om zeer dunne ferrietplaten (dikte minder dan 1 mm) te vervaardigen. Momenteel is het in China moeilijk om iets minder dan 2 mm te maken.

Maar ferriet corrodeert niet gemakkelijk. Daarom kunnen ze, vergeleken met andere permanente magneten, in vrijwel alle toepassingen worden gebruikt zonder gebruik van coatings. Fysische eigenschappen beperken het gebruik van ferrietmotoren in toepassingen met hoge mechanische belasting. Een goed ontworpen ferrietmotor (vooral een hogesnelheidsmotor) moet een aanvaardbare mechanische sterkte hebben en centrifugaalkrachten kunnen weerstaan. Deze sterkte wordt gewoonlijk geëvalueerd door de verdeling van von Mises-spanning bij maximale rotatiesnelheid te analyseren.

Er zijn technieken die de spanningstolerantie van ferrietmotoren kunnen verbeteren. Figuur 28 illustreert bijvoorbeeld het veranderen van de geometrische details van een door ferriet ondersteunde synchrone reluctantiemotor om spanning te verminderen. In figuur 28a is de breedte van de centrale magnetische brug van alle drielaagse rotors in principe hetzelfde, en heeft de buitenste magnetische brug (de afstand tussen de magnetische barrière en het rotoroppervlak) van alle lagen dezelfde dikte. Er kan worden waargenomen dat de centrale magnetische brug en de buitenste magnetische brug van de derde laag een hoge von Mises-spanning hebben.

Zoals weergegeven in figuur 28b kan het veranderen van de centrale magnetische brugbreedte en de buitenste brugdikte van elke laag de maximale Von Mises-spanning (58%) aanzienlijk verminderen, waardoor uiteindelijk de mechanische sterkte van de rotor wordt verbeterd. Dit heeft echter een negatief effect op het koppelvermogen van de motor (ongeveer 3%). Omdat de toename van de dikte van de magnetische brug leidt tot een toename van de magnetische fluxlekkage, en een toename van Ld leidt tot een afname van de saillante poolverhouding.

Afb.28. Verdeling van Von Mises-spanningen bij 10000 tpm voor een PMa-SynRM (a) aanvankelijk rotorontwerp (b) verbeterd rotorontwerp.

De magnetische eigenschappen van het ferriet kunnen ook het mechanische ontwerp van de motor beïnvloeden. Vanwege het lage restmagnetisme van ferriet zijn de afmetingen van ferrietmotoren relatief groot. Naarmate de axiale lengte van een cilindrische motor toeneemt, neemt de kritische snelheid af. Bij hogesnelheidstoepassingen waarbij de buitendiameter van de motor niet strikt beperkt is, is het een goed idee om een ​​hogere verhouding tussen diameter en aslengte te kiezen. Dit kan echter een negatief effect hebben op het saldo van koper- en ijzerverliezen.

Vanuit een ander perspectief zou het beter zijn om de lengte van sommige ferrietmotoren te vergroten. Het aantal permanente magneten per lengte-eenheid van elke motor is beperkt en het aantal seriewindingen mag niet erg hoog zijn om demagnetisatie te voorkomen. Daarom moet de lengte van de motor worden vergroot. Daarom kan de ontwerper met een soort conflict te maken krijgen bij het kiezen van de beeldverhouding van het ferriet.

Andere overwegingen

Vanwege de grote variatie in de magnetische eigenschappen van permanente ferrietmagneten veranderen de prestatiekenmerken van ferrietmotoren met de temperatuur (zelfs als de onomkeerbare demagnetisatie van het ferriet wordt genegeerd). Wanneer bijvoorbeeld bij een gegeven uitgangsvermogen de temperatuur van de permanente magneten van een op het oppervlak gemonteerde permanente magneetmotor afneemt, neemt de statorfasestroom af en neemt de arbeidsfactor toe. De temperatuurverlaging van ferriet BLDC-motoren beperkt het maximale toerental van de motor. Zoals blijkt uit de snelheids-koppelkarakteristieken van Figuur 29 is het temperatuureffect buiten het constante koppelgebied duidelijk.

Afb.29. Snelheidskoppelcurven van een Fe-gebaseerde BLDC-motor voor verschillende PM-temperaturen.