Los motores de ferrita tienen la ventaja de su bajo costo, pero también tienen desventajas como baja densidad de potencia/par, fácil desmagnetización, estructura mecánica compleja, gran fluctuación de par y gran coeficiente de temperatura. Aprovechar las ventajas y al mismo tiempo reducir o eliminar las desventajas es la búsqueda diligente de los investigadores e ingenieros de máquinas eléctricas. Las deficiencias se pueden compensar mediante el uso de tecnología de diseño avanzada, por lo que, hasta cierto punto, la dificultad de diseño de la solución óptima para los motores de imanes permanentes de ferrita es mayor que la de los motores de imanes permanentes de tierras raras.

Desmagnetización

La tasa de desmagnetización se puede definir como la cantidad de desmagnetización irreversible dividida por la cantidad total. Los motores de imanes permanentes de ferrita generalmente tienen tasas de desmagnetización más altas en comparación con los motores de imanes permanentes de tierras raras. En comparación con NdFeB, las temperaturas Curie de diferentes grados de imanes permanentes de ferrita son relativamente altas y el aumento de temperatura habitual de los motores de ferrita no provocará una desmagnetización irreversible. Sin embargo, debido a su baja coercitividad, los imanes permanentes de ferrita pueden desmagnetizarse fácilmente mediante un campo desmagnetizador.

La temperatura afecta la coercitividad de los imanes permanentes de NdFeB y de ferrita de dos maneras opuestas. Los imanes permanentes típicos de NdFeB tienen una mayor coercitividad a bajas temperaturas, mientras que los imanes permanentes de ferrita tienen una menor coercitividad cuando la temperatura baja. El coeficiente de temperatura de la fuerza coercitiva de los imanes permanentes de ferrita es positivo, mientras que el coeficiente de temperatura de la fuerza coercitiva de los imanes permanentes de NdFeB es negativo. Además, a medida que la temperatura disminuye, el punto crítico de la curva de magnetización del imán permanente de ferrita se mueve hacia arriba (desde el tercer cuadrante del plano BH al segundo cuadrante). Por tanto, las bajas temperaturas en los motores de ferrita son más peligrosas que las altas en términos de desmagnetización irreversible. La Figura 22 muestra las curvas de desmagnetización de materiales de imanes permanentes de ferrita a diferentes temperaturas.

Fig.22 Variaciones de la curva de desmagnetización de un Fe-PM (Grado:Y33BH) con la temperatura.

La temperatura, la geometría del motor, el número de vueltas del devanado, la amplitud de la corriente, el ángulo de fase de la corriente y la posición del rotor pueden tener un impacto grave en la desmagnetización irreversible de los motores de ferrita. Por lo tanto, deben tenerse muy en cuenta al estudiar los efectos de la desmagnetización. Para lograr estos fines, es necesario considerar los peores escenarios.

Condiciones de trabajo que pueden provocar desmagnetización:

temperatura de funcionamiento más baja posible

Corriente máxima posible

Peor ángulo de fase de corriente y peor posición del rotor (lo que resulta en la menor densidad de flujo).

Eventos especiales, como sobrecargas o cortocircuitos temporales en los terminales del motor, especialmente a bajas temperaturas, pueden desmagnetizar los imanes permanentes de ferrita. Por lo tanto, también se debe tener en cuenta esta condición operativa inusual. El diseño final debería tener una buena tolerancia a la desmagnetización.

Otro parámetro que tiene una influencia importante en la desmagnetización es la conductividad eléctrica del material del imán permanente. Para un imán permanente de ferrita típico, la conductividad eléctrica es muy baja. En otras palabras, la corriente parásita dentro del imán permanente de ferrita es insignificante.

Para aplicaciones con cambios considerables de temperatura ambiente o control necesario del debilitamiento del campo, la evaluación de la intensidad de desmagnetización requiere más atención.

El efecto de desmagnetización de las ferritas generalmente se evalúa en función de la distribución de la densidad del flujo magnético dentro del imán permanente.

Un criterio de evaluación: suponga que cualquier parte del imán permanente con una densidad magnética inferior al punto de inflexión de la curva BH está desmagnetizada (consulte la Figura 23). Por lo tanto, durante el diseño se debe considerar la restricción mínima de densidad magnética.

Fig.23 Curva de desmagnetización de un material Fe-PM a -40 ℃

El voltaje inducido en el devanado del motor también puede reflejar el efecto de desmagnetización de las PM, y esta cantidad puede usarse como criterio de evaluación de desmagnetización indirecta.

Un buen diseño debería proporcionar formas de onda de EMF sin carga casi idénticas en varias condiciones operativas diferentes. Por ejemplo, la Figura 24 muestra las formas de onda de fuerza electromotriz sin carga calculadas y medidas de un motor de reluctancia síncrono asistido por ferrita bien diseñado. No sólo los valores calculados y medidos son muy similares, sino que la forma de onda de la fuerza electromotriz no cambia significativamente después de la prueba de desmagnetización (prueba en condiciones de funcionamiento duras).

Fig.24 Las formas de onda EMF de un PMa-SynRM basado en Fe en condiciones sin carga.

El área desmagnetizada se elimina según la distribución del campo magnético. Por ejemplo, la Figura 26a muestra la parte de desmagnetización de tres tipos de imanes permanentes de ferrita utilizados en PMa-SynRM (consulte la Figura 19 para ver la estructura).

Aumentar el chaflán del imán permanente reduce el área de desmagnetización, como se muestra en la Figura 26b, reduciendo así la tasa de desmagnetización. Si bien esta técnica es útil en términos de calidad y costo del material del imán permanente de ferrita, no mejora las capacidades de torque del motor. De hecho, la parte desmagnetizadora inútil del PM se elimina y, en teoría, el par generado no cambiará. En la práctica, esto puede incluso conducir a una pequeña reducción de la densidad de par.

Fig.19 Un motor de reluctancia síncrono asistido por PM con un espacio de aire de zanja tridimensional (a) vista general (b) polo saliente del rotor (c) vista en sección transversal.

Fig.26. Disminución del índice de desmagnetización mediante la eliminación de regiones específicas de PM (a) antes (b) después.

Modificaciones estructurales para evitar la desmagnetización irreversible de motores de imanes permanentes de ferrita.

La elección de imanes permanentes gruesos en motores sin escobillas reduce el riesgo de desmagnetización. Asimismo, optimizar el ángulo de la punta de la rejilla magnética en un motor de reluctancia síncrono asistido por ferrita puede reducir los efectos de las reacciones de la armadura y así prevenir una desmagnetización grave e irreversible.

Fig.27 Efecto de las modificaciones estructurales en la reducción del índice de desmagnetización

• Configuración de motor convencional de un PMBM de radios.
• configuración del rotor modificada
• líneas de carga
• características velocidad-par.

La estructura de radios tradicional de la Figura 27a ha sido reemplazada por una estructura mejorada en la Figura 27b. Esta modificación c aleja la línea de carga del imán permanente de la región de la rodilla, como se muestra en la Figura 27c, reduciendo así el riesgo de desmagnetización. También amplía el rango de características de velocidad-par del motor, como se muestra en la Figura 27d.

Por lo tanto, cada modificación para mejorar el torque debe realizarse con cuidado. Por ejemplo, en un motor mixto de ferrita + imán permanente de NdFeB, se debe prestar especial atención al efecto de desmagnetización del imán permanente de ferrita. De hecho, el flujo de fuga de los imanes permanentes de NdFeB puede provocar una desmagnetización grave de la ferrita. Por tanto, este efecto debe minimizarse al elegir las posiciones relativas de los dos tipos de imanes permanentes.

Estructura

Los materiales de imanes permanentes de ferrita y tierras raras tienen algunas propiedades estructurales (mecánicas) diferentes. Por ejemplo, las ferritas son de menor densidad, más duras y más frágiles que los imanes permanentes de tierras raras. La resistencia a la tracción de la ferrita es aproximadamente una séptima parte de la de un imán permanente de neodimio de tamaño similar. Además, debido a las limitaciones de la tecnología de procesamiento, es difícil fabricar láminas de ferrita muy delgadas (espesores inferiores a 1 mm). Actualmente, es difícil fabricar algo de menos de 2 mm en China.

Pero la ferrita no se corroe fácilmente. Por lo tanto, en comparación con otros imanes permanentes, se pueden utilizar en casi todas las aplicaciones sin necesidad de recubrimientos. Las propiedades físicas limitan el uso de motores de ferrita en aplicaciones con alto estrés mecánico. Un motor de ferrita bien diseñado (especialmente un motor de alta velocidad) debe tener una resistencia mecánica aceptable y ser capaz de soportar fuerzas centrífugas. Esta fuerza generalmente se evalúa analizando la distribución de la tensión de von Mises a la velocidad de rotación máxima.

Existen técnicas que pueden mejorar la tolerancia al estrés de los motores de ferrita. Por ejemplo, la Figura 28 ilustra el cambio de los detalles geométricos de un motor de reluctancia síncrono asistido por ferrita para reducir la tensión. En la Figura 28a, el ancho del puente magnético central de todos los rotores de tres capas es básicamente el mismo, y el puente magnético exterior (la distancia entre la barrera magnética y la superficie del rotor) de todas las capas tiene el mismo espesor. Se puede observar que el puente magnético central y su puente magnético exterior de la tercera capa tienen una alta tensión de von Mises.

Como se muestra en la Figura 28b, cambiar el ancho del puente magnético central y el espesor del puente exterior de cada capa puede reducir en gran medida la tensión máxima de Von Mises (58%), mejorando en última instancia la resistencia mecánica del rotor. Sin embargo, esto tiene un impacto negativo en la capacidad de par del motor (aproximadamente un 3%). Porque el aumento en el espesor del puente magnético conduce a un aumento en la fuga de flujo magnético, y un aumento en Ld conduce a una disminución en la relación de polos salientes.

Fig.28. Distribución de tensiones de Von Mises a 10000 rpm para un PMa-SynRM (a) diseño inicial del rotor (b) diseño mejorado del rotor.

Las propiedades magnéticas de la ferrita también pueden afectar el diseño mecánico del motor. Debido al bajo magnetismo residual de la ferrita, el tamaño de los motores de ferrita es relativamente grande. A medida que aumenta la longitud axial de un motor cilíndrico, su velocidad crítica disminuye. En aplicaciones de alta velocidad donde el diámetro exterior del motor no está estrictamente restringido, es una buena idea seleccionar una relación mayor entre diámetro y longitud del eje. Sin embargo, esto puede tener un impacto negativo en el balance de pérdidas de cobre y hierro.

Desde otra perspectiva, sería mejor aumentar la longitud de algunos motores de ferrita. La cantidad de imanes permanentes por unidad de longitud de cada motor es limitada y el número de vueltas en serie no debe ser muy elevado para evitar la desmagnetización. Por lo tanto, se debe aumentar la longitud del motor. Por lo tanto, el diseñador puede enfrentarse a algún tipo de conflicto a la hora de elegir la relación de aspecto de la ferrita.

Otras Consideraciones

Debido a la gran variación en las propiedades magnéticas de los imanes permanentes de ferrita, las características de rendimiento de los motores de ferrita cambian con la temperatura (incluso si se ignora la desmagnetización irreversible de la ferrita). Por ejemplo, a una potencia de salida determinada, cuando la temperatura de los imanes permanentes de un motor de imán permanente montado en superficie disminuye, la corriente de fase del estator disminuye y el factor de potencia aumenta. La reducción de temperatura de los motores BLDC de ferrita limita la velocidad máxima del motor. Como se muestra en las características de velocidad-par de la Figura 29, fuera de la región de par constante, el efecto de la temperatura es obvio.

Fig.29. Curvas velocidad-par de un motor BLDC basado en Fe para diferentes temperaturas de PM.