Ferritmotoren bieten den Vorteil niedriger Kosten, haben aber auch Nachteile wie eine geringe Leistungs-/Drehmomentdichte, eine einfache Entmagnetisierung, eine komplexe mechanische Struktur, große Drehmomentschwankungen und einen großen Temperaturkoeffizienten. Die Vorteile auszunutzen und gleichzeitig die Nachteile zu verringern/beseitigen, ist das sorgfältige Streben von Forschern und Ingenieuren elektrischer Maschinen. Mängel können durch den Einsatz fortschrittlicher Konstruktionstechnologie ausgeglichen werden, sodass die Konstruktionsschwierigkeit der optimalen Lösung für Ferrit-Permanentmagnetmotoren bis zu einem gewissen Grad größer ist als die für Seltenerd-Permanentmagnetmotoren.

Entmagnetisierung

Die Entmagnetisierungsrate kann als der Betrag der irreversiblen Entmagnetisierung geteilt durch den Gesamtbetrag definiert werden. Ferrit-Permanentmagnetmotoren weisen im Allgemeinen höhere Entmagnetisierungsraten im Vergleich zu Seltenerd-Permanentmagnetmotoren auf. Im Vergleich zu NdFeB sind die Curie-Temperaturen verschiedener Sorten von Ferrit-Permanentmagneten relativ hoch, und der übliche Temperaturanstieg von Ferritmotoren führt nicht zu einer irreversiblen Entmagnetisierung. Aufgrund ihrer geringen Koerzitivfeldstärke können Ferrit-Permanentmagnete jedoch leicht durch ein Entmagnetisierungsfeld entmagnetisiert werden.

Die Temperatur beeinflusst die Koerzitivfeldstärke von NdFeB- und Ferrit-Permanentmagneten auf zwei entgegengesetzte Arten. Typische NdFeB-Permanentmagnete haben eine höhere Koerzitivfeldstärke bei niedrigen Temperaturen, während Ferrit-Permanentmagnete eine niedrigere Koerzitivfeldstärke haben, wenn die Temperatur sinkt. Der Koerzitivkraft-Temperaturkoeffizient von Ferrit-Permanentmagneten ist positiv, während der Koerzitivkraft-Temperaturkoeffizient von NdFeB-Permanentmagneten negativ ist. Darüber hinaus verschiebt sich mit abnehmender Temperatur der kritische Kniepunkt auf der Magnetisierungskurve des Ferrit-Permanentmagneten nach oben (vom dritten Quadranten der BH-Ebene zum zweiten Quadranten). Daher sind niedrige Temperaturen in Ferritmotoren im Hinblick auf eine irreversible Entmagnetisierung gefährlicher als hohe Temperaturen. Abbildung 22 zeigt die Entmagnetisierungskurven von Ferrit-Permanentmagnetmaterialien bei verschiedenen Temperaturen.

Abb. 22 Variationen der Entmagnetisierungskurve eines Fe-PM (Sorte: Y33BH) mit der Temperatur.

Temperatur, Motorgeometrie, Anzahl der Wicklungswindungen, Stromamplitude, Stromphasenwinkel und Rotorposition können einen gravierenden Einfluss auf die irreversible Entmagnetisierung von Ferritmotoren haben. Daher sollten sie bei der Untersuchung von Entmagnetisierungseffekten sorgfältig berücksichtigt werden. Um diese Ziele zu erreichen, ist es notwendig, Worst-Case-Szenarien zu berücksichtigen.

Arbeitsbedingungen, die eine Entmagnetisierung verursachen können:

niedrigste mögliche Betriebstemperatur

Maximal möglicher Strom

Schlechtester aktueller Phasenwinkel und schlechteste Rotorposition (was zur niedrigsten Flussdichte führt).

Besondere Ereignisse wie Überlastung oder vorübergehende Kurzschlüsse an den Motorklemmen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, können zur Entmagnetisierung der Ferrit-Permanentmagnete führen. Daher sollte auch dieser ungewöhnliche Betriebszustand berücksichtigt werden. Das endgültige Design sollte eine gute Entmagnetisierungstoleranz aufweisen.

Ein weiterer Parameter, der einen großen Einfluss auf die Entmagnetisierung hat, ist die elektrische Leitfähigkeit des Permanentmagnetmaterials. Bei einem typischen Ferrit-Permanentmagneten ist die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Mit anderen Worten: Der Wirbelstrom im Inneren des Ferrit-Permanentmagneten ist vernachlässigbar.

Bei Anwendungen mit erheblichen Änderungen der Umgebungstemperatur oder notwendiger Feldschwächungskontrolle erfordert die Bewertung der Entmagnetisierungsintensität mehr Aufmerksamkeit.

Die Entmagnetisierungswirkung von Ferriten wird üblicherweise anhand der magnetischen Flussdichteverteilung im Inneren des Permanentmagneten beurteilt.

Ein Bewertungskriterium: Nehmen Sie an, dass jeder Teil des Permanentmagneten mit einer magnetischen Dichte, die unter dem Kniepunkt der BH-Kurve liegt, entmagnetisiert ist (siehe Abbildung 23). Daher muss die Mindestbeschränkung der magnetischen Dichte bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Abb.23 Entmagnetisierungskurve eines Fe-PM-Materials bei -40℃

Die induzierte Spannung in der Motorwicklung kann auch den Entmagnetisierungseffekt von PM widerspiegeln, und diese Größe kann als indirektes Bewertungskriterium für die Entmagnetisierung verwendet werden.

Ein gutes Design sollte nahezu identische Gegen-EMK-Wellenformen ohne Last unter verschiedenen Betriebsbedingungen liefern. Abbildung 24 zeigt beispielsweise die berechneten und gemessenen elektromotorischen Kraftwellenformen im Leerlauf eines gut konstruierten ferritunterstützten Synchronreluktanzmotors. Nicht nur, dass die berechneten und gemessenen Werte sehr nahe beieinander liegen, auch die Wellenform der elektromotorischen Kraft ändert sich nach dem Entmagnetisierungstest (Test unter rauen Betriebsbedingungen) nicht wesentlich.

Abb.24 Die EMF-Wellenformen eines Fe-basierten PMa-SynRM im Leerlaufzustand.

Der entmagnetisierte Bereich wird entsprechend der Magnetfeldverteilung entfernt. Abbildung 26a zeigt beispielsweise den Entmagnetisierungsteil von drei Arten von Ferrit-Permanentmagneten, die in PMa-SynRM verwendet werden (Struktur siehe Abbildung 19).

Eine Vergrößerung der Abschrägung des Permanentmagneten verringert die Entmagnetisierungsfläche, wie in Abbildung 26b dargestellt, und verringert dadurch die Entmagnetisierungsrate. Obwohl diese Technik im Hinblick auf Qualität und Kosten des Ferrit-Permanentmagnetmaterials nützlich ist, verbessert sie nicht die Drehmomentfähigkeit des Motors. Tatsächlich wird der nutzlose Entmagnetisierungsanteil im PM entfernt, und theoretisch ändert sich das erzeugte Drehmoment nicht. In der Praxis kann dies sogar zu einer geringfügigen Verringerung der Drehmomentdichte führen.

Abb. 19 Ein PM-unterstützter Synchronreluktanzmotor mit dreidimensionalem Grabenluftspalt (a) Gesamtansicht (b) ausgeprägter Pol des Rotors (c) Querschnittsansicht.

Abb.26. Verringern des Entmagnetisierungsverhältnisses durch Entfernen bestimmter PM-Bereiche (a) vorher (b) danach.

Strukturelle Modifikationen zur Verhinderung einer irreversiblen Entmagnetisierung von Ferrit-Permanentmagnetmotoren.

Die Wahl dicker Permanentmagnete in bürstenlosen Motoren verringert das Risiko einer Entmagnetisierung. Ebenso kann die Optimierung des Magnetgitterspitzenwinkels in einem Ferrit-unterstützten Synchron-Reluktanzmotor die Auswirkungen von Ankerreaktionen reduzieren und so eine schwere irreversible Entmagnetisierung verhindern.

Abb.27 Auswirkung struktureller Änderungen auf die Verringerung des Entmagnetisierungsverhältnisses

• konventionelle Motorkonfiguration eines Speichen-PMBM
• modifizierte Rotorkonfiguration
• Ladeleitungen
• Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien.

Die traditionelle Speichenstruktur aus Abbildung 27a wurde durch eine verbesserte Struktur in Abbildung 27b ersetzt. Diese Modifikation c verschiebt die Lastlinie des Permanentmagneten vom Kniebereich weg, wie in Abbildung 27c gezeigt, wodurch das Risiko einer Entmagnetisierung verringert wird. Es erweitert auch den Bereich der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors, wie in Abbildung 27d dargestellt.

Daher sollte jede Änderung zur Verbesserung des Drehmoments sorgfältig durchgeführt werden. Beispielsweise sollte bei einem Motor mit gemischtem Ferrit + NdFeB-Permanentmagneten besonderes Augenmerk auf die Entmagnetisierungswirkung des Ferrit-Permanentmagneten gelegt werden. Tatsächlich kann der Streufluss von NdFeB-Permanentmagneten zu einer starken Entmagnetisierung des Ferrits führen. Daher sollte dieser Effekt minimiert werden, wenn die relativen Positionen der beiden Arten von Permanentmagneten gewählt werden.

Struktur

Ferrit- und Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien weisen einige unterschiedliche strukturelle (mechanische) Eigenschaften auf. Beispielsweise haben Ferrite eine geringere Dichte, sind härter und spröder als Permanentmagnete aus seltenen Erden. Die Zugfestigkeit von Ferrit beträgt etwa ein Siebtel der eines ähnlich großen Neodym-Permanentmagneten. Darüber hinaus ist es aufgrund der Einschränkungen der Verarbeitungstechnologie schwierig, sehr dünne Ferritbleche (Dicke weniger als 1 mm) herzustellen. Derzeit ist es in China schwierig, etwas unter 2 mm herzustellen.

Aber Ferrit korrodiert nicht so leicht. Daher können sie im Vergleich zu anderen Permanentmagneten in nahezu allen Anwendungen ohne den Einsatz von Beschichtungen eingesetzt werden. Physikalische Eigenschaften schränken den Einsatz von Ferritmotoren in Anwendungen mit hoher mechanischer Beanspruchung ein. Ein gut konstruierter Ferritmotor (insbesondere ein Hochgeschwindigkeitsmotor) muss eine akzeptable mechanische Festigkeit aufweisen und Zentrifugalkräften standhalten können. Diese Festigkeit wird normalerweise durch Analyse der Verteilung der Von-Mises-Spannung bei maximaler Rotationsgeschwindigkeit bewertet.

Es gibt Techniken, die die Belastungstoleranz von Ferritmotoren verbessern können. Abbildung 28 zeigt beispielsweise die Änderung der geometrischen Details eines Ferrit-unterstützten Synchron-Reluktanzmotors zur Reduzierung der Belastung. In Abbildung 28a ist die Breite der zentralen Magnetbrücke aller dreischichtigen Rotoren grundsätzlich gleich und die äußere Magnetbrücke (der Abstand zwischen der magnetischen Barriere und der Rotoroberfläche) aller Schichten hat die gleiche Dicke. Es ist zu beobachten, dass die zentrale Magnetbrücke und ihre äußere Magnetbrücke der dritten Schicht eine hohe von Mises-Spannung aufweisen.

Wie in Abbildung 28b dargestellt, kann eine Änderung der mittleren Magnetbrückenbreite und der äußeren Brückendicke jeder Schicht die maximale Von-Mises-Spannung (58 %) erheblich reduzieren und letztendlich die mechanische Festigkeit des Rotors verbessern. Dies wirkt sich jedoch negativ auf die Drehmomentfähigkeit des Motors aus (ca. 3 %). Denn die Zunahme der Dicke der Magnetbrücke führt zu einer Zunahme des magnetischen Streuflusses und eine Zunahme von Ld führt zu einer Abnahme des Schenkelpolverhältnisses.

Abb.28. Verteilung der Von-Mises-Spannungen bei 10000 U/min für ein PMa-SynRM (a) anfängliches Rotordesign (b) verbessertes Rotordesign.

Die magnetischen Eigenschaften des Ferrits können sich auch auf die mechanische Konstruktion des Motors auswirken. Aufgrund des geringen Restmagnetismus von Ferrit sind Ferritmotoren relativ groß dimensioniert. Mit zunehmender axialer Länge eines zylindrischen Motors nimmt seine kritische Drehzahl ab. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen, bei denen der Außendurchmesser des Motors keinen strengen Beschränkungen unterliegt, empfiehlt es sich, ein höheres Verhältnis von Durchmesser zu Wellenlänge zu wählen. Dies kann sich jedoch negativ auf die Bilanz der Kupfer- und Eisenverluste auswirken.

Aus einer anderen Perspektive wäre es besser, die Länge einiger Ferritmotoren zu erhöhen. Die Anzahl der Permanentmagnete pro Längeneinheit jedes Motors ist begrenzt und die Anzahl der Reihenwindungen sollte nicht sehr hoch sein, um eine Entmagnetisierung zu vermeiden. Daher muss die Länge des Motors erhöht werden. Daher kann es für den Konstrukteur zu Konflikten kommen, wenn er das Seitenverhältnis des Ferrits wählt.

Andere Überlegungen

Aufgrund der großen Variation der magnetischen Eigenschaften von Ferrit-Permanentmagneten ändern sich die Leistungsmerkmale von Ferritmotoren mit der Temperatur (auch wenn die irreversible Entmagnetisierung des Ferrits außer Acht gelassen wird). Wenn beispielsweise bei einer gegebenen Ausgangsleistung die Temperatur der Permanentmagnete eines oberflächenmontierten Permanentmagnetmotors sinkt, sinkt der Statorphasenstrom und der Leistungsfaktor steigt. Die Temperaturreduzierung von Ferrit-BLDC-Motoren begrenzt die maximale Drehzahl des Motors. Wie in den Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien in Abbildung 29 dargestellt, ist der Temperatureffekt außerhalb des Bereichs mit konstantem Drehmoment offensichtlich.

Abb.29. Drehzahl-Drehmoment-Kurven eines Fe-basierten BLDC-Motors für verschiedene PM-Temperaturen.