Động cơ Ferrite có ưu điểm là giá thành thấp nhưng cũng có nhược điểm như mật độ công suất/mô-men xoắn thấp, dễ khử từ, kết cấu cơ học phức tạp, dao động mô-men xoắn lớn và hệ số nhiệt độ lớn. Tận dụng những ưu điểm đồng thời hạn chế/loại bỏ những nhược điểm là sự theo đuổi miệt mài của các nhà nghiên cứu, kỹ sư máy điện. Những thiếu sót có thể được bù đắp bằng cách sử dụng công nghệ thiết kế tiên tiến, do đó, ở một mức độ nhất định, độ khó thiết kế của giải pháp tối ưu cho động cơ nam châm vĩnh cửu ferrite lớn hơn so với động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm.

Khử từ

Tốc độ khử từ có thể được định nghĩa là lượng khử từ không thể đảo ngược chia cho tổng lượng. Động cơ nam châm vĩnh cửu Ferrite thường có tốc độ khử từ cao hơn so với động cơ nam châm vĩnh cửu đất hiếm. So với NdFeB, nhiệt độ Curie của các loại nam châm vĩnh cửu ferrite khác nhau tương đối cao và sự tăng nhiệt độ thông thường của động cơ ferrite sẽ không gây ra hiện tượng khử từ không thể đảo ngược. Tuy nhiên, do lực kháng từ thấp nên nam châm vĩnh cửu ferit có thể dễ dàng bị khử từ bằng trường khử từ.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến lực kháng từ của nam châm vĩnh cửu NdFeB và ferrite theo hai cách trái ngược nhau. Nam châm vĩnh cửu NdFeB điển hình có độ kháng từ cao hơn ở nhiệt độ thấp, trong khi nam châm vĩnh cửu ferrite có độ kháng từ thấp hơn khi nhiệt độ giảm xuống. Hệ số nhiệt độ lực cưỡng bức của nam châm vĩnh cửu ferrite là dương, trong khi hệ số nhiệt độ lực cưỡng bức của nam châm vĩnh cửu NdFeB là âm. Ngoài ra, khi nhiệt độ giảm, điểm uốn tới hạn trên đường cong từ hóa nam châm vĩnh cửu ferit di chuyển lên trên (từ góc phần tư thứ ba của mặt phẳng BH đến góc phần tư thứ hai). Do đó, nhiệt độ thấp trong động cơ ferrite nguy hiểm hơn nhiệt độ cao về khả năng khử từ không thể đảo ngược. Hình 22 thể hiện đường cong khử từ của vật liệu nam châm vĩnh cửu ferit ở các nhiệt độ khác nhau.

Hình 22 Các biến thể của đường cong khử từ của Fe-PM (Cấp: Y33BH) theo nhiệt độ.

Nhiệt độ, hình dạng động cơ, số vòng dây, biên độ dòng điện, góc pha dòng điện và vị trí rôto đều có thể có tác động nghiêm trọng đến quá trình khử từ không thể đảo ngược của động cơ ferit. Vì vậy, chúng cần được tính đến cẩn thận khi nghiên cứu hiệu ứng khử từ. Để đạt được những mục đích này, cần phải xem xét các tình huống xấu nhất.

Điều kiện làm việc có thể gây ra hiện tượng khử từ:

nhiệt độ hoạt động thấp nhất có thể

Dòng điện tối đa có thể

Góc pha dòng điện xấu nhất và vị trí rôto kém nhất (dẫn đến mật độ từ thông thấp nhất).

Các trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như quá tải hoặc đoản mạch tạm thời ở các cực của động cơ, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp, có thể khử từ các nam châm vĩnh cửu ferit. Vì vậy, điều kiện hoạt động bất thường này cũng cần được tính đến. Thiết kế cuối cùng phải có khả năng khử từ tốt.

Một thông số khác có ảnh hưởng lớn đến quá trình khử từ là độ dẫn điện của vật liệu nam châm vĩnh cửu. Đối với nam châm vĩnh cửu ferrite điển hình, độ dẫn điện rất thấp. Nói cách khác, dòng điện xoáy bên trong nam châm vĩnh cửu ferit là không đáng kể.

Đối với các ứng dụng có nhiệt độ môi trường thay đổi đáng kể hoặc cần phải kiểm soát sự suy yếu trường, việc đánh giá cường độ khử từ cần được chú ý nhiều hơn.

Hiệu quả khử từ của ferrite thường được đánh giá dựa trên sự phân bố mật độ từ thông bên trong nam châm vĩnh cửu.

Một tiêu chí đánh giá: Giả sử rằng bất kỳ bộ phận nào của nam châm vĩnh cửu có mật độ từ thấp hơn điểm uốn của đường cong BH đều bị khử từ (xem Hình 23). Do đó, hạn chế mật độ từ tối thiểu cần được xem xét trong quá trình thiết kế.

Hình 23 Đường cong khử từ của vật liệu Fe-PM ở -40oC

Điện áp cảm ứng trong cuộn dây động cơ cũng có thể phản ánh tác dụng khử từ của PM và đại lượng này có thể được sử dụng làm tiêu chí đánh giá khả năng khử từ gián tiếp.

Một thiết kế tốt phải cung cấp dạng sóng EMF không tải gần như giống hệt nhau trong một số điều kiện hoạt động khác nhau. Ví dụ, Hình 24 cho thấy dạng sóng lực điện động không tải được tính toán và đo lường của động cơ từ trở đồng bộ được hỗ trợ bằng ferit được thiết kế tốt. Không chỉ các giá trị tính toán và đo được rất gần nhau mà dạng sóng lực điện động cũng không thay đổi đáng kể sau thử nghiệm khử từ (thử nghiệm trong điều kiện vận hành khắc nghiệt).

Hình 24 Dạng sóng EMF của PMa-SynRM dựa trên Fe ở điều kiện không tải.

Vùng khử từ được loại bỏ theo sự phân bố từ trường. Ví dụ, Hình 26a thể hiện phần khử từ của ba loại nam châm vĩnh cửu ferit được sử dụng trong PMa-SynRM (xem Hình 19 để biết cấu trúc).

Việc tăng góc vát của nam châm vĩnh cửu sẽ làm giảm diện tích khử từ, như trên Hình 26b, do đó làm giảm tốc độ khử từ. Mặc dù kỹ thuật này hữu ích về mặt chất lượng và giá thành của vật liệu nam châm vĩnh cửu ferrite nhưng nó không cải thiện khả năng mô-men xoắn của động cơ. Trên thực tế, bộ phận khử từ vô dụng trong PM đã được loại bỏ và về mặt lý thuyết, mô-men xoắn sinh ra sẽ không thay đổi. Trong thực tế, điều này thậm chí có thể làm giảm mật độ mô-men xoắn một chút.

Hình 19 Một động cơ từ trở đồng bộ được PM hỗ trợ với khe hở không khí rãnh ba chiều(a) hình ảnh tổng thể(b) cực lồi của mặt cắt ngang rôto(c).

Hình 26. Giảm tỷ lệ khử từ bằng cách loại bỏ các vùng cụ thể của PM (a) trước (b) sau.

Sửa đổi cấu trúc để ngăn chặn quá trình khử từ không thể đảo ngược của động cơ nam châm vĩnh cửu ferit.

Việc lựa chọn nam châm vĩnh cửu dày trong động cơ không chổi than giúp giảm nguy cơ khử từ. Tương tự như vậy, việc tối ưu hóa góc đầu lưới từ trong động cơ từ trở đồng bộ được hỗ trợ bằng ferit có thể làm giảm tác động của phản ứng phần ứng và do đó ngăn chặn quá trình khử từ nghiêm trọng không thể đảo ngược.

Hình 27 Ảnh hưởng của việc sửa đổi cấu trúc đến việc giảm tỷ lệ khử từ

• cấu hình động cơ thông thường của PMBM nan hoa
• cấu hình rôto sửa đổi
• dòng tải
• đặc tính tốc độ-mô-men xoắn.

Cấu trúc nan hoa truyền thống của Hình 27a đã được thay thế bằng cấu trúc cải tiến trong Hình 27b. Sự sửa đổi c này di chuyển đường tải của nam châm vĩnh cửu ra khỏi vùng đầu gối, như trong Hình 27c, do đó làm giảm nguy cơ khử từ. Nó cũng mở rộng phạm vi đặc tính tốc độ-mô-men xoắn của động cơ, như trong Hình 27d.

Vì vậy, mọi sửa đổi để cải thiện mô-men xoắn đều phải được thực hiện cẩn thận. Ví dụ, trong động cơ nam châm vĩnh cửu ferrite + NdFeB hỗn hợp, cần đặc biệt chú ý đến hiệu ứng khử từ của nam châm vĩnh cửu ferrite. Trên thực tế, dòng rò của nam châm vĩnh cửu NdFeB có thể gây ra hiện tượng khử từ nghiêm trọng của ferrite. Vì vậy, cần giảm thiểu ảnh hưởng này khi lựa chọn vị trí tương đối của hai loại nam châm vĩnh cửu.

Structure

Vật liệu nam châm vĩnh cửu Ferrite và đất hiếm có một số đặc tính cấu trúc (cơ học) khác nhau. Ví dụ, ferrite có mật độ thấp hơn, cứng hơn và giòn hơn nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Độ bền kéo của ferit xấp xỉ bằng 1/2 so với nam châm vĩnh cửu neodymium có kích thước tương tự. Ngoài ra, do hạn chế của công nghệ gia công nên khó có thể chế tạo được các tấm ferit siêu mỏng (độ dày dưới XNUMXmm). Hiện tại, rất khó để sản xuất bất cứ thứ gì có kích thước nhỏ hơn XNUMX mm ở Trung Quốc.

Nhưng ferrite không dễ bị ăn mòn. Do đó, so với các nam châm vĩnh cửu khác, chúng có thể được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng mà không cần sử dụng lớp phủ. Tính chất vật lý hạn chế việc sử dụng động cơ ferit trong các ứng dụng có ứng suất cơ học cao. Một động cơ ferrite được thiết kế tốt (đặc biệt là động cơ tốc độ cao) phải có độ bền cơ học chấp nhận được và có thể chịu được lực ly tâm. Độ bền này thường được đánh giá bằng cách phân tích sự phân bố ứng suất von Mises ở tốc độ quay tối đa.

Có những kỹ thuật có thể cải thiện khả năng chịu ứng suất của động cơ ferit. Ví dụ, Hình 28 minh họa việc thay đổi các chi tiết hình học của động cơ từ trở đồng bộ được hỗ trợ bằng ferit để giảm ứng suất. Trong Hình 28a, chiều rộng của cầu từ trung tâm của tất cả các rôto ba lớp về cơ bản là giống nhau và cầu từ bên ngoài (khoảng cách giữa hàng rào từ và bề mặt rôto) của tất cả các lớp có cùng độ dày. Có thể quan sát thấy rằng cầu từ trung tâm và cầu từ bên ngoài của lớp thứ ba có ứng suất von Mises cao.

Như được hiển thị trong Hình 28b, việc thay đổi độ rộng cầu từ trung tâm và độ dày cầu từ ngoài của mỗi lớp có thể làm giảm đáng kể ứng suất Von Mises tối đa (58%), cuối cùng là cải thiện độ bền cơ học của rôto. Tuy nhiên, điều này có tác động tiêu cực đến khả năng mô-men xoắn của động cơ (khoảng 3%). Bởi vì độ dày cầu từ tăng dẫn đến tăng độ rò rỉ từ thông, còn Ld tăng dẫn đến tỷ lệ cực lồi giảm.

Hình 28. Phân phối ứng suất Von Mises ở tốc độ 10000 vòng/phút đối với thiết kế rôto ban đầu PMa-SynRM (a) (b) thiết kế rôto cải tiến.

Tính chất từ ​​của ferit cũng có thể ảnh hưởng đến thiết kế cơ khí của động cơ. Do từ tính dư của ferrite thấp nên kích thước của động cơ ferrite tương đối lớn. Khi chiều dài trục của động cơ hình trụ tăng lên, tốc độ tới hạn của nó sẽ giảm. Trong các ứng dụng tốc độ cao mà đường kính ngoài của động cơ không bị hạn chế nghiêm ngặt, nên chọn tỷ lệ đường kính trên chiều dài trục cao hơn. Tuy nhiên, điều này có thể có tác động tiêu cực đến sự cân bằng tổn thất đồng và sắt.

Từ một góc độ khác, sẽ tốt hơn nếu tăng chiều dài của một số động cơ ferit. Số lượng nam châm vĩnh cửu trên một đơn vị chiều dài của mỗi động cơ bị hạn chế và số vòng quay nối tiếp không được quá cao để tránh hiện tượng khử từ. Vì vậy, chiều dài của động cơ phải được tăng lên. Do đó, người thiết kế có thể gặp phải một số xung đột khi chọn tỷ lệ khung hình của ferit.

Những ý kiến ​​khác

Do sự thay đổi lớn về tính chất từ ​​của nam châm vĩnh cửu ferrite, đặc tính hiệu suất của động cơ ferrite thay đổi theo nhiệt độ (ngay cả khi bỏ qua quá trình khử từ không thể đảo ngược của ferrite). Ví dụ, ở công suất đầu ra nhất định, khi nhiệt độ của nam châm vĩnh cửu của động cơ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt giảm, dòng điện pha stato giảm và hệ số công suất tăng. Việc giảm nhiệt độ của động cơ BLDC ferrite sẽ hạn chế tốc độ tối đa của động cơ. Như thể hiện trong các đặc tính tốc độ-mômen của Hình 29, bên ngoài vùng mô men xoắn không đổi, hiệu ứng nhiệt độ là rõ ràng.

Hình 29. Đường cong mô-men xoắn tốc độ của động cơ BLDC dựa trên Fe cho các nhiệt độ PM khác nhau.