I motori in ferrite hanno il vantaggio di essere a basso costo ma presentano anche svantaggi come bassa densità di potenza/coppia, facile smagnetizzazione, struttura meccanica complessa, ampia fluttuazione di coppia e elevato coefficiente di temperatura. Sfruttare i vantaggi riducendo/eliminando gli svantaggi è la ricerca diligente dei ricercatori e degli ingegneri delle macchine elettriche. Le carenze possono essere colmate utilizzando una tecnologia di progettazione avanzata, quindi, in una certa misura, la difficoltà di progettazione della soluzione ottimale per i motori a magneti permanenti in ferrite è maggiore di quella dei motori a magneti permanenti a terre rare.

Smagnetizzazione

Il tasso di smagnetizzazione può essere definito come la quantità di smagnetizzazione irreversibile divisa per l'importo totale. I motori a magneti permanenti in ferrite hanno generalmente tassi di smagnetizzazione più elevati rispetto ai motori a magneti permanenti a terre rare. Rispetto al NdFeB, le temperature Curie dei diversi gradi di magneti permanenti in ferrite sono relativamente elevate e il normale aumento della temperatura dei motori in ferrite non causerà una smagnetizzazione irreversibile. Tuttavia, a causa della loro bassa coercività, i magneti permanenti in ferrite possono essere facilmente smagnetizzati da un campo smagnetizzante.

La temperatura influenza la coercività dei magneti permanenti NdFeB e ferrite in due modi opposti. I tipici magneti permanenti NdFeB hanno una coercività maggiore alle basse temperature, mentre i magneti permanenti in ferrite hanno una coercività inferiore quando la temperatura scende. Il coefficiente di temperatura della forza coercitiva dei magneti permanenti in ferrite è positivo, mentre il coefficiente di temperatura della forza coercitiva dei magneti permanenti NdFeB è negativo. Inoltre, al diminuire della temperatura, il punto critico sulla curva di magnetizzazione del magnete permanente in ferrite si sposta verso l'alto (dal terzo quadrante del piano BH al secondo quadrante). Pertanto, le basse temperature nei motori in ferrite sono più pericolose delle alte temperature in termini di smagnetizzazione irreversibile. La Figura 22 mostra le curve di smagnetizzazione dei materiali a magnete permanente in ferrite a diverse temperature.

Fig.22 Variazioni della curva di smagnetizzazione di un Fe-PM (Grado:Y33BH) con la temperatura.

La temperatura, la geometria del motore, il numero di spire dell'avvolgimento, l'ampiezza della corrente, l'angolo di fase della corrente e la posizione del rotore possono tutti avere un grave impatto sulla smagnetizzazione irreversibile dei motori in ferrite. Pertanto, dovrebbero essere attentamente presi in considerazione quando si studiano gli effetti della smagnetizzazione. Per raggiungere questi obiettivi è necessario considerare gli scenari peggiori.

Condizioni di lavoro che possono causare smagnetizzazione:

temperatura operativa più bassa possibile

Corrente massima possibile

Peggiore angolo di fase della corrente e peggiore posizione del rotore (con conseguente densità di flusso più bassa).

Eventi particolari, come sovraccarichi o cortocircuiti temporanei ai terminali del motore, soprattutto a basse temperature, possono smagnetizzare i magneti permanenti in ferrite. Pertanto, anche questa insolita condizione operativa dovrebbe essere presa in considerazione. Il progetto finale dovrebbe avere una buona tolleranza alla smagnetizzazione.

Un altro parametro che ha una grande influenza sulla smagnetizzazione è la conduttività elettrica del materiale del magnete permanente. Per un tipico magnete permanente in ferrite, la conduttività elettrica è molto bassa. In altre parole, la corrente parassita all'interno del magnete permanente in ferrite è trascurabile.

Per applicazioni con notevoli variazioni della temperatura ambiente o con la necessità di controllo dell'indebolimento del campo, la valutazione dell'intensità della smagnetizzazione richiede maggiore attenzione.

L'effetto di smagnetizzazione delle ferriti viene solitamente valutato in base alla distribuzione della densità del flusso magnetico all'interno del magnete permanente.

Un criterio di valutazione: supponiamo che qualsiasi parte del magnete permanente con una densità magnetica inferiore al punto di ginocchio della curva BH sia smagnetizzata (vedi Figura 23). Pertanto, durante la progettazione è necessario considerare il vincolo minimo di densità magnetica.

Fig.23 Curva di smagnetizzazione di un materiale Fe-PM a -40℃

La tensione indotta nell'avvolgimento del motore può anche riflettere l'effetto di smagnetizzazione del PM e questa quantità può essere utilizzata come criterio di valutazione della smagnetizzazione indiretta.

Una buona progettazione dovrebbe fornire forme d'onda EMF senza carico quasi identiche in diverse condizioni operative. Ad esempio, la Figura 24 mostra le forme d'onda della forza elettromotrice a vuoto calcolate e misurate di un motore sincrono a riluttanza assistito da ferrite ben progettato. Non solo i valori calcolati e misurati sono molto vicini, ma la forma d'onda della forza elettromotrice non cambia in modo significativo dopo il test di smagnetizzazione (test in condizioni operative difficili).

Fig.24 Le forme d'onda EMF di un PMa-SynRM a base di Fe in condizioni di assenza di carico.

L'area smagnetizzata viene rimossa in base alla distribuzione del campo magnetico. Ad esempio, la Figura 26a mostra la parte di smagnetizzazione di tre tipi di magneti permanenti in ferrite utilizzati in PMa-SynRM (vedere Figura 19 per la struttura).

Aumentando lo smusso del magnete permanente si riduce l'area di smagnetizzazione, come mostrato nella Figura 26b, riducendo così la velocità di smagnetizzazione. Sebbene questa tecnica sia utile in termini di qualità e costo del materiale del magnete permanente in ferrite, non migliora le capacità di coppia del motore. Infatti, la parte di smagnetizzazione inutile nel PM viene rimossa e, teoricamente, la coppia generata non cambierà. In pratica ciò può comportare anche una lieve riduzione della densità di coppia.

Fig.19 Un motore a riluttanza sincrono assistito da PM con un traferro tridimensionale (a) vista complessiva (b) polo saliente del rotore (c) vista in sezione trasversale.

Fig.26. Diminuzione del rapporto di smagnetizzazione rimuovendo regioni specifiche di PM (a) prima (b) dopo.

Modifiche strutturali per prevenire la smagnetizzazione irreversibile dei motori a magneti permanenti in ferrite.

La scelta di magneti permanenti spessi nei motori brushless riduce il rischio di smagnetizzazione. Allo stesso modo, l'ottimizzazione dell'angolo della punta della griglia magnetica in un motore a riluttanza sincrono assistito da ferrite può ridurre gli effetti delle reazioni dell'armatura e quindi prevenire una grave smagnetizzazione irreversibile.

Fig.27 Effetto delle modifiche strutturali sulla riduzione del rapporto di smagnetizzazione

• configurazione del motore convenzionale di un PMBM a raggi
• configurazione del rotore modificata
• linee di carico
• caratteristiche velocità-coppia.

La tradizionale struttura a raggi della Figura 27a è stata sostituita da una struttura migliorata nella Figura 27b. Questa modifica c sposta la linea di carico del magnete permanente lontano dalla regione del ginocchio, come mostrato nella Figura 27c, riducendo così il rischio di smagnetizzazione. Estende inoltre la gamma delle caratteristiche di velocità-coppia del motore, come mostrato nella Figura 27d.

Pertanto, ogni modifica per migliorare la coppia deve essere eseguita con attenzione. Ad esempio, in un motore a magneti permanenti misto ferrite + NdFeB, è necessario prestare particolare attenzione all'effetto di smagnetizzazione del magnete permanente in ferrite. Infatti, il flusso di dispersione dei magneti permanenti NdFeB può causare una grave smagnetizzazione della ferrite. Pertanto, questo effetto dovrebbe essere minimizzato quando si scelgono le posizioni relative dei due tipi di magneti permanenti.

Structure

I materiali a magneti permanenti in ferrite e terre rare hanno proprietà strutturali (meccaniche) diverse. Ad esempio, le ferriti hanno una densità inferiore, sono più dure e più fragili dei magneti permanenti delle terre rare. La resistenza alla trazione della ferrite è circa un settimo di quella di un magnete permanente al neodimio di dimensioni simili. Inoltre, a causa dei limiti della tecnologia di lavorazione, è difficile produrre fogli di ferrite molto sottili (spessore inferiore a 1 mm). Attualmente in Cina è difficile produrre qualcosa di meno di 2 mm.

Ma la ferrite non si corrode facilmente. Pertanto, rispetto ad altri magneti permanenti, possono essere utilizzati in quasi tutte le applicazioni senza l'uso di rivestimenti. Le proprietà fisiche limitano l'uso dei motori in ferrite in applicazioni con elevate sollecitazioni meccaniche. Un motore in ferrite ben progettato (in particolare un motore ad alta velocità) deve avere una resistenza meccanica accettabile e deve essere in grado di resistere alle forze centrifughe. Questa forza viene solitamente valutata analizzando la distribuzione dello stress di von Mises alla massima velocità di rotazione.

Esistono tecniche che possono migliorare la tolleranza allo stress dei motori in ferrite. Ad esempio, la Figura 28 illustra la modifica dei dettagli geometrici di un motore a riluttanza sincrono assistito da ferrite per ridurre lo stress. Nella Figura 28a, la larghezza del ponte magnetico centrale di tutti i rotori a tre strati è sostanzialmente la stessa, e il ponte magnetico esterno (la distanza tra la barriera magnetica e la superficie del rotore) di tutti gli strati ha lo stesso spessore. Si può osservare che il ponte magnetico centrale e il suo ponte magnetico esterno del terzo strato presentano un elevato stress di von Mises.

Come mostrato nella Figura 28b, la modifica della larghezza del ponte magnetico centrale e dello spessore del ponte esterno di ciascuno strato può ridurre notevolmente la sollecitazione massima di Von Mises (58%), migliorando in definitiva la resistenza meccanica del rotore. Tuttavia, ciò ha un impatto negativo sulla capacità di coppia del motore (circa il 3%). Perché l'aumento dello spessore del ponte magnetico porta ad un aumento della dispersione del flusso magnetico e un aumento di Ld porta ad una diminuzione del rapporto dei poli salienti.

Fig.28. Distribuzione delle sollecitazioni di Von Mises a 10000 giri al minuto per un PMa-SynRM (a) progettazione iniziale del rotore (b) progettazione migliorata del rotore.

Le proprietà magnetiche della ferrite possono anche influenzare la progettazione meccanica del motore. A causa del basso magnetismo residuo della ferrite, la dimensione dei motori in ferrite è relativamente grande. All'aumentare della lunghezza assiale di un motore cilindrico, la sua velocità critica diminuisce. Nelle applicazioni ad alta velocità in cui il diametro esterno del motore non è strettamente vincolato, è una buona idea selezionare un rapporto diametro/lunghezza dell'albero più elevato. Tuttavia, ciò potrebbe avere un impatto negativo sul bilancio delle perdite di rame e ferro.

Da un altro punto di vista sarebbe meglio aumentare la lunghezza di alcuni motori in ferrite. La quantità di magneti permanenti per unità di lunghezza di ciascun motore è limitata e il numero di spire in serie non dovrebbe essere molto elevato per evitare la smagnetizzazione. Pertanto, la lunghezza del motore deve essere aumentata. Pertanto, il progettista potrebbe dover affrontare qualche tipo di conflitto nella scelta delle proporzioni della ferrite.

Altre considerazioni

A causa della grande variazione delle proprietà magnetiche dei magneti permanenti in ferrite, le caratteristiche prestazionali dei motori in ferrite cambiano con la temperatura (anche se si ignora la smagnetizzazione irreversibile della ferrite). Ad esempio, a una determinata potenza di uscita, quando la temperatura dei magneti permanenti di un motore a magneti permanenti montato in superficie diminuisce, la corrente di fase dello statore diminuisce e il fattore di potenza aumenta. La riduzione della temperatura dei motori BLDC in ferrite limita la velocità massima del motore. Come mostrato nelle caratteristiche velocità-coppia della Figura 29, al di fuori della regione di coppia costante, l'effetto della temperatura è evidente.

Fig.29. Curve velocità-coppia di un motore BLDC a base Fe per diverse temperature del PM.