Ферритовые двигатели имеют преимущество низкой стоимости, но также имеют и недостатки, такие как низкая плотность мощности/крутящего момента, легкое размагничивание, сложная механическая конструкция, большие колебания крутящего момента и большой температурный коэффициент. Использование преимуществ при одновременном уменьшении/устранении недостатков — это усердная работа исследователей и инженеров электрических машин. Недостатки могут быть устранены за счет использования передовых технологий проектирования, поэтому в определенной степени сложность проектирования оптимального решения для двигателей с ферритовыми постоянными магнитами выше, чем для двигателей с редкоземельными постоянными магнитами.

Размагничивание

Скорость размагничивания можно определить как величину необратимого размагничивания, деленную на общую величину. Ферритовые двигатели с постоянными магнитами обычно имеют более высокую скорость размагничивания по сравнению с двигателями с редкоземельными постоянными магнитами. По сравнению с NdFeB, температуры Кюри различных марок ферритовых постоянных магнитов относительно высоки, и обычное повышение температуры ферритовых двигателей не вызывает необратимого размагничивания. Однако из-за низкой коэрцитивной силы ферритовые постоянные магниты легко размагничиваются размагничивающим полем.

Температура влияет на коэрцитивную силу постоянных магнитов NdFeB и феррита двумя противоположными способами. Типичные постоянные магниты NdFeB имеют более высокую коэрцитивную силу при низких температурах, тогда как ферритовые постоянные магниты имеют более низкую коэрцитивную силу при падении температуры. Температурный коэффициент коэрцитивной силы ферритовых постоянных магнитов положителен, а температурный коэффициент коэрцитивной силы постоянных магнитов NdFeB отрицателен. Кроме того, при понижении температуры критическая точка перегиба на кривой намагничивания постоянного магнита феррита смещается вверх (из третьего квадранта плоскости BH во второй квадрант). Поэтому низкие температуры в ферритовых двигателях более опасны, чем высокие, с точки зрения необратимого размагничивания. На рисунке 22 показаны кривые размагничивания ферритовых материалов постоянных магнитов при различных температурах.

Рис.22. Изменение кривой размагничивания Fe-PM (марка: Y33BH) в зависимости от температуры.

Температура, геометрия двигателя, количество витков обмотки, амплитуда тока, угол фазы тока и положение ротора — все это может оказать серьезное влияние на необратимое размагничивание ферритовых двигателей. Поэтому их следует тщательно учитывать при изучении эффектов размагничивания. Для достижения этих целей необходимо рассматривать наихудшие сценарии развития событий.

Условия труда, которые могут вызвать размагничивание:

минимально возможная рабочая температура

Максимально возможный ток

Худший фазовый угол тока и худшее положение ротора (что приводит к самой низкой плотности потока).

Особые события, такие как перегрузка или временное короткое замыкание на клеммах двигателя, особенно при низких температурах, могут размагничивать ферритовые постоянные магниты. Поэтому следует учитывать и этот необычный режим работы. Окончательная конструкция должна иметь хорошую устойчивость к размагничиванию.

Другим параметром, который оказывает большое влияние на размагничивание, является электропроводность материала постоянного магнита. У типичного ферритового постоянного магнита электропроводность очень низкая. Другими словами, вихревой ток внутри ферритового постоянного магнита пренебрежимо мал.

Для приложений со значительными изменениями температуры окружающей среды или необходимым контролем ослабления поля оценка интенсивности размагничивания требует большего внимания.

Эффект размагничивания ферритов обычно оценивают по распределению плотности магнитного потока внутри постоянного магнита.

Один критерий оценки: предположим, что любая часть постоянного магнита с магнитной плотностью ниже точки перегиба кривой BH размагничена (см. Рисунок 23). Поэтому при проектировании необходимо учитывать ограничение минимальной магнитной плотности.

Рис.23 Кривая размагничивания материала Fe-PM при -40℃

Наведенное напряжение в обмотке двигателя также может отражать эффект размагничивания ПМ, и эту величину можно использовать в качестве косвенного критерия оценки размагничивания.

Хорошая конструкция должна обеспечивать практически идентичные формы сигналов обратной ЭДС без нагрузки в нескольких различных условиях эксплуатации. Например, на рисунке 24 показаны рассчитанные и измеренные формы электродвижущей силы без нагрузки хорошо спроектированного синхронного реактивного двигателя с ферритовым усилителем. Мало того, что расчетные и измеренные значения очень близки, форма волны электродвижущей силы существенно не меняется после испытания на размагничивание (испытание в жестких условиях эксплуатации).

Рис.24. Формы сигналов ЭДС PMa-SynRM на основе Fe в состоянии холостого хода.

Размагниченная область удаляется в соответствии с распределением магнитного поля. Например, на рисунке 26а показана часть размагничивания трех типов ферритовых постоянных магнитов, используемых в PMa-SynRM (структуру см. на рисунке 19).

Увеличение фаски постоянного магнита уменьшает площадь размагничивания, как показано на рисунке 26б, тем самым уменьшая скорость размагничивания. Хотя этот метод полезен с точки зрения качества и стоимости материала ферритового постоянного магнита, он не улучшает крутящий момент двигателя. Фактически бесполезная часть размагничивания в ПМ удалена, и теоретически создаваемый крутящий момент не изменится. На практике это может даже привести к небольшому снижению плотности крутящего момента.

Рис.19 Синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами и трехмерным желобным воздушным зазором (а), общий вид (б), выступающий полюс ротора (в), вид в поперечном разрезе.

Рис.26. Уменьшение степени размагничивания за счет удаления определенных участков ПМ (а) до (б) после.

Конструктивные изменения для предотвращения необратимого размагничивания двигателей с ферритовыми постоянными магнитами.

Выбор толстых постоянных магнитов в бесщеточных двигателях снижает риск размагничивания. Аналогичным образом, оптимизация угла кончика магнитной сетки в синхронном реактивном двигателе с ферритовым двигателем может уменьшить влияние реакций якоря и, таким образом, предотвратить серьезное необратимое размагничивание.

Рис.27 Влияние структурных изменений на снижение коэффициента размагничивания

• обычная конфигурация двигателя PMBM со спицами
• модифицированная конфигурация ротора
• грузовые линии
• Скоростно-моментные характеристики.

Традиционная структура спиц, показанная на рисунке 27а, была заменена улучшенной конструкцией, показанной на рисунке 27b. Эта модификация c перемещает линию нагрузки постоянного магнита от области колена, как показано на рисунке 27c, тем самым снижая риск размагничивания. Это также расширяет диапазон скоростно-моментных характеристик двигателя, как показано на рисунке 27d.

Поэтому каждую модификацию, направленную на улучшение крутящего момента, следует выполнять осторожно. Например, в двигателе со смешанным ферритом и постоянными магнитами NdFeB особое внимание следует уделять эффекту размагничивания ферритового постоянного магнита. Фактически, поток рассеяния постоянных магнитов NdFeB может вызвать сильное размагничивание феррита. Следовательно, этот эффект следует минимизировать при выборе взаимного расположения двух типов постоянных магнитов.

Структура:

Ферритовые и редкоземельные материалы с постоянными магнитами имеют различные структурные (механические) свойства. Например, ферриты имеют меньшую плотность, более твердые и хрупкие, чем редкоземельные постоянные магниты. Предел прочности феррита составляет примерно одну седьмую от прочности неодимового постоянного магнита аналогичного размера. Кроме того, из-за ограничений технологии обработки сложно изготовить очень тонкие ферритовые листы (толщиной менее 1 мм). В настоящее время в Китае сложно сделать что-либо менее 2 мм.

Но феррит нелегко поддается коррозии. Поэтому, по сравнению с другими постоянными магнитами, их можно использовать практически во всех применениях без использования покрытий. Физические свойства ограничивают использование ферритовых двигателей в приложениях с высокими механическими нагрузками. Хорошо спроектированный ферритовый двигатель (особенно высокоскоростной) должен иметь приемлемую механическую прочность и выдерживать центробежные силы. Эту прочность обычно оценивают путем анализа распределения напряжения по Мизесу при максимальной скорости вращения.

Существуют методы, которые могут улучшить устойчивость ферритовых двигателей к нагрузкам. Например, на рисунке 28 показано изменение геометрических деталей синхронного реактивного двигателя с ферритовым двигателем для снижения нагрузки. На рисунке 28а ширина центрального магнитного моста всех трехслойных роторов в основном одинакова, а внешний магнитный мост (расстояние между магнитным барьером и поверхностью ротора) всех слоев имеет одинаковую толщину. Можно заметить, что центральный магнитный мост и его внешний магнитный мост третьего слоя имеют высокое напряжение по Мизесу.

Как показано на рисунке 28b, изменение ширины центрального магнитного моста и толщины внешнего моста каждого слоя может значительно снизить максимальное напряжение Фон Мизеса (58%), что в конечном итоге улучшит механическую прочность ротора. Однако это отрицательно влияет на крутящий момент двигателя (около 3%). Потому что увеличение толщины магнитного мостика приводит к увеличению рассеяния магнитного потока, а увеличение Ld приводит к уменьшению числа явнополюсных полюсов.

Рис.28. Распределение напряжений по фон Мизесу при 10000 об/мин для PMa-SynRM (а) исходная конструкция ротора (б) улучшенная конструкция ротора.

Магнитные свойства феррита также могут влиять на механическую конструкцию двигателя. Из-за низкого остаточного магнетизма феррита размеры ферритовых двигателей относительно велики. По мере увеличения осевой длины цилиндрического двигателя его критическая скорость уменьшается. В высокоскоростных приложениях, где внешний диаметр двигателя не ограничен строго, рекомендуется выбрать большее соотношение диаметра и длины вала. Однако это может оказать негативное влияние на баланс потерь меди и железа.

С другой стороны, было бы лучше увеличить длину некоторых ферритовых двигателей. Количество постоянных магнитов на единицу длины каждого двигателя ограничено, а количество последовательных витков не должно быть очень большим, чтобы избежать размагничивания. Поэтому длину мотора необходимо увеличить. Поэтому конструктор может столкнуться с каким-то конфликтом при выборе соотношения сторон феррита.

Другие соображения

Из-за большого изменения магнитных свойств ферритовых постоянных магнитов рабочие характеристики ферритовых двигателей изменяются с температурой (даже если не обращать внимания на необратимое размагничивание феррита). Например, при заданной выходной мощности, когда температура постоянных магнитов двигателя с постоянными магнитами поверхностного монтажа снижается, фазный ток статора уменьшается, а коэффициент мощности увеличивается. Снижение температуры ферритовых двигателей BLDC ограничивает максимальную скорость двигателя. Как показано на диаграмме скоростно-моментных характеристик на рисунке 29, за пределами области постоянного крутящего момента влияние температуры очевидно.

Рис.29. Кривые скорости и момента двигателя BLDC на основе Fe для различных температур ПМ.