มอเตอร์เฟอร์ไรต์มีข้อได้เปรียบตรงที่มีต้นทุนต่ำ แต่ก็มีข้อเสีย เช่น กำลังต่ำ/ความหนาแน่นของแรงบิด การล้างอำนาจแม่เหล็กได้ง่าย โครงสร้างทางกลที่ซับซ้อน ความผันผวนของแรงบิดขนาดใหญ่ และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่สูง การใช้ประโยชน์จากข้อดีในขณะที่ลด/ขจัดข้อเสียคือการแสวงหานักวิจัยและวิศวกรเครื่องจักรไฟฟ้าอย่างขยันขันแข็ง ข้อบกพร่องสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เทคโนโลยีการออกแบบขั้นสูง ดังนั้นในระดับหนึ่ง ความยากในการออกแบบของโซลูชั่นที่ดีที่สุดสำหรับมอเตอร์แม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์นั้นมากกว่ามอเตอร์แม่เหล็กถาวรชนิดหายาก

การล้างอำนาจแม่เหล็ก

อัตราการล้างอำนาจแม่เหล็กสามารถกำหนดได้จากจำนวนการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ไม่สามารถย้อนกลับได้หารด้วยจำนวนทั้งหมด มอเตอร์แม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์โดยทั่วไปมีอัตราการล้างอำนาจแม่เหล็กที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับมอเตอร์แม่เหล็กถาวรชนิดแรร์เอิร์ธ เมื่อเปรียบเทียบกับ NdFeB อุณหภูมิของ Curie ของแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์เกรดต่างๆ จะค่อนข้างสูง และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตามปกติของมอเตอร์เฟอร์ไรต์จะไม่ทำให้เกิดการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบย้อนกลับไม่ได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีค่าบังคับต่ำ แม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์จึงสามารถล้างอำนาจแม่เหล็กได้อย่างง่ายดายด้วยสนามล้างอำนาจแม่เหล็ก

อุณหภูมิส่งผลต่อการบีบบังคับของแม่เหล็กถาวร NdFeB และเฟอร์ไรต์ในลักษณะที่ตรงกันข้ามกันสองประการ แม่เหล็กถาวร NdFeB ทั่วไปจะมีค่าแรงบังคับสูงกว่าที่อุณหภูมิต่ำ ในขณะที่แม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์จะมีค่าแรงบังคับน้อยกว่าเมื่ออุณหภูมิลดลง ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิแรงบีบบังคับของแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์เป็นค่าบวก ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิแรงบีบบังคับของแม่เหล็กถาวร NdFeB จะเป็นค่าลบ นอกจากนี้ เมื่ออุณหภูมิลดลง จุดเข่าวิกฤตบนกราฟแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์จะเคลื่อนขึ้นด้านบน (จากควอแดรนท์ที่สามของระนาบ BH ไปยังควอแดรนท์ที่สอง) ดังนั้นอุณหภูมิต่ำในมอเตอร์เฟอร์ไรต์จึงเป็นอันตรายมากกว่าอุณหภูมิสูงในแง่ของการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ รูปที่ 22 แสดงเส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กของวัสดุแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ที่อุณหภูมิต่างๆ

รูปที่ 22 ความแปรผันของเส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กของ Fe-PM (เกรด: Y33BH) พร้อมอุณหภูมิ

อุณหภูมิ รูปทรงของมอเตอร์ จำนวนรอบของขดลวด แอมพลิจูดกระแส มุมเฟสกระแส และตำแหน่งของโรเตอร์ ล้วนมีผลกระทบร้ายแรงต่อการล้างอำนาจแม่เหล็กของมอเตอร์เฟอร์ไรต์แบบกลับไม่ได้ ดังนั้นจึงควรนำมาพิจารณาอย่างรอบคอบเมื่อศึกษาผลการล้างอำนาจแม่เหล็ก เพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้ จำเป็นต้องพิจารณาสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด

สภาพการทำงานที่อาจทำให้เกิดการล้างอำนาจแม่เหล็ก:

อุณหภูมิในการทำงานต่ำสุดที่เป็นไปได้

กระแสสูงสุดที่เป็นไปได้

มุมเฟสกระแสแย่ที่สุดและตำแหน่งโรเตอร์แย่ที่สุด (ส่งผลให้ความหนาแน่นฟลักซ์ต่ำที่สุด)

เหตุการณ์พิเศษ เช่น การโอเวอร์โหลดหรือการลัดวงจรชั่วคราวที่ขั้วต่อมอเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิต่ำ สามารถล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ได้ ดังนั้นควรคำนึงถึงสภาพการทำงานที่ผิดปกตินี้ด้วย การออกแบบขั้นสุดท้ายควรมีความทนทานต่อการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ดี

พารามิเตอร์อีกประการหนึ่งที่มีอิทธิพลสำคัญต่อการล้างอำนาจแม่เหล็กคือค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุแม่เหล็กถาวร สำหรับแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ทั่วไป ค่าการนำไฟฟ้าต่ำมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระแสไหลวนภายในแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์นั้นมีค่าเล็กน้อย

สำหรับการใช้งานที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแวดล้อมอย่างมากหรือการควบคุมการลดสนามแม่เหล็กที่จำเป็น การประเมินความเข้มของการล้างอำนาจแม่เหล็กต้องได้รับความเอาใจใส่มากขึ้น

โดยทั่วไปผลการล้างอำนาจแม่เหล็กของเฟอร์ไรต์จะได้รับการประเมินตามการกระจายความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กภายในแม่เหล็กถาวร

เกณฑ์การประเมินประการหนึ่ง: สมมติว่าส่วนใดๆ ของแม่เหล็กถาวรที่มีความหนาแน่นของแม่เหล็กต่ำกว่าจุดเข่าของเส้นโค้ง BH ถูกล้างอำนาจแม่เหล็ก (ดูรูปที่ 23) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาข้อจำกัดความหนาแน่นแม่เหล็กขั้นต่ำในระหว่างการออกแบบ

รูปที่ 23 เส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กของวัสดุ Fe-PM ที่ -40°C

แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดมอเตอร์ยังสามารถสะท้อนผลการล้างอำนาจแม่เหล็กของ PM ได้ และปริมาณนี้สามารถใช้เป็นเกณฑ์การประเมินการล้างอำนาจแม่เหล็กทางอ้อมได้

การออกแบบที่ดีควรจัดให้มีรูปคลื่น EMF ด้านหลังที่ไม่มีโหลดที่เหมือนกันเกือบทั้งหมดภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกันหลายประการ ตัวอย่างเช่น รูปที่ 24 แสดงรูปคลื่นแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบไม่โหลดที่คำนวณและวัดได้ของมอเตอร์รีลัคแทนซ์ซิงโครนัสที่ได้รับความช่วยเหลือจากเฟอร์ไรต์ที่ออกแบบมาอย่างดี ไม่เพียงแต่ค่าที่คำนวณและวัดได้จะใกล้เคียงกันมาก แต่รูปคลื่นของแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญหลังการทดสอบการลดอำนาจแม่เหล็ก (ทดสอบภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรง)

รูปที่ 24 รูปคลื่น EMF ของ PMa-SynRM แบบอิง Fe ที่สภาวะไม่มีโหลด

พื้นที่ล้างอำนาจแม่เหล็กจะถูกลบออกตามการกระจายตัวของสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น รูปที่ 26a แสดงส่วนการล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์สามประเภทที่ใช้ใน PMa-SynRM (ดูรูปที่ 19 สำหรับโครงสร้าง)

การเพิ่มการลบมุมของแม่เหล็กถาวรจะช่วยลดพื้นที่การล้างอำนาจแม่เหล็ก ดังแสดงในรูปที่ 26b ซึ่งจะช่วยลดอัตราการล้างอำนาจแม่เหล็ก แม้ว่าเทคนิคนี้จะมีประโยชน์ในแง่ของคุณภาพและราคาของวัสดุแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ แต่ก็ไม่ได้ปรับปรุงความสามารถในการบิดของมอเตอร์ ในความเป็นจริง ส่วนการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ไม่มีประโยชน์ใน PM จะถูกลบออก และตามทฤษฎีแล้ว แรงบิดที่สร้างขึ้นจะไม่เปลี่ยนแปลง ในทางปฏิบัติ สิ่งนี้อาจส่งผลให้ความหนาแน่นของแรงบิดลดลงเล็กน้อย

รูปที่ 19 มอเตอร์รีลัคแตนซ์ซิงโครนัสช่วย PM พร้อมช่องว่างอากาศร่องลึกสามมิติ (a) มุมมองโดยรวม (b) ขั้วเด่นของโรเตอร์ (c) มุมมองหน้าตัด

รูปที่.26. ลดอัตราส่วนการล้างอำนาจแม่เหล็กโดยการลบบริเวณเฉพาะของ PMs (a) ก่อน (b) หลัง

การปรับเปลี่ยนโครงสร้างเพื่อป้องกันการลดอำนาจแม่เหล็กของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์แบบกลับไม่ได้

การเลือกแม่เหล็กถาวรแบบหนาในมอเตอร์ไร้แปรงถ่านช่วยลดความเสี่ยงของการล้างอำนาจแม่เหล็ก ในทำนองเดียวกัน การปรับมุมปลายกริดแม่เหล็กให้เหมาะสมในมอเตอร์รีลัคแตนซ์ซิงโครนัสที่มีเฟอร์ไรต์ช่วยสามารถลดผลกระทบของปฏิกิริยากระดอง และป้องกันการล้างอำนาจแม่เหล็กอย่างรุนแรงที่ไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้

รูปที่ 27 ผลของการปรับเปลี่ยนโครงสร้างต่อการลดอัตราส่วนการล้างอำนาจแม่เหล็ก

• การกำหนดค่ามอเตอร์แบบธรรมดาของ PMBM แบบซี่ล้อ
• การกำหนดค่าโรเตอร์ที่ปรับเปลี่ยน
• เส้นโหลด
• ลักษณะความเร็ว-แรงบิด

โครงสร้างซี่ล้อแบบดั้งเดิมของรูปที่ 27a ถูกแทนที่ด้วยโครงสร้างที่ได้รับการปรับปรุงในรูปที่ 27b การปรับเปลี่ยนนี้จะย้ายเส้นรับน้ำหนักของแม่เหล็กถาวรออกจากบริเวณข้อเข่า ดังแสดงในรูปที่ 27c ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงของการล้างอำนาจแม่เหล็ก นอกจากนี้ยังขยายช่วงของคุณลักษณะแรงบิดความเร็วของมอเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 27d

ดังนั้นการปรับเปลี่ยนเพื่อปรับปรุงแรงบิดทุกครั้งจึงควรทำอย่างระมัดระวัง ตัวอย่างเช่น ในมอเตอร์แม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์แบบผสม + NdFeB ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับผลการล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ ในความเป็นจริง ฟลักซ์การรั่วไหลของแม่เหล็กถาวร NdFeB อาจทำให้เกิดการล้างอำนาจแม่เหล็กอย่างรุนแรงของเฟอร์ไรต์ ดังนั้นควรลดผลกระทบนี้ให้เหลือน้อยที่สุดเมื่อเลือกตำแหน่งสัมพัทธ์ของแม่เหล็กถาวรทั้งสองประเภท

โครงสร้าง

วัสดุแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์และธาตุหายากมีคุณสมบัติทางโครงสร้าง (ทางกล) ที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น เฟอร์ไรต์มีความหนาแน่นต่ำกว่า แข็งกว่า และเปราะมากกว่าแม่เหล็กถาวรชนิดแรร์เอิร์ธ ความต้านทานแรงดึงของเฟอร์ไรต์อยู่ที่ประมาณหนึ่งในเจ็ดของแม่เหล็กถาวรนีโอไดเมียมที่มีขนาดใกล้เคียงกัน นอกจากนี้ เนื่องจากข้อจำกัดของเทคโนโลยีการประมวลผล จึงเป็นเรื่องยากในการผลิตแผ่นเฟอร์ไรต์ที่บางมาก (ความหนาน้อยกว่า 1 มม.) ปัจจุบันการผลิตอะไรที่น้อยกว่า 2 มม. ในจีนเป็นเรื่องยาก

แต่เฟอร์ไรต์ไม่สึกกร่อนง่าย ดังนั้นเมื่อเทียบกับแม่เหล็กถาวรอื่นๆ จึงสามารถนำไปใช้ในการใช้งานเกือบทั้งหมดโดยไม่ต้องใช้การเคลือบ คุณสมบัติทางกายภาพจำกัดการใช้มอเตอร์เฟอร์ไรต์ในการใช้งานที่มีความเค้นเชิงกลสูง มอเตอร์เฟอร์ไรต์ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี (โดยเฉพาะมอเตอร์ความเร็วสูง) ต้องมีความแข็งแรงทางกลที่ยอมรับได้ และควรสามารถทนต่อแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ได้ โดยทั่วไปความแรงนี้จะถูกประเมินโดยการวิเคราะห์การกระจายตัวของความเครียดฟอน มิเซสที่ความเร็วการหมุนสูงสุด

มีเทคนิคที่สามารถปรับปรุงความทนทานต่อความเค้นของมอเตอร์เฟอร์ไรต์ได้ ตัวอย่างเช่น รูปที่ 28 แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงรายละเอียดทางเรขาคณิตของมอเตอร์รีลัคแทนซ์ซิงโครนัสที่มีเฟอร์ไรต์ช่วยเพื่อลดความเครียด ในรูปที่ 28a ความกว้างของสะพานแม่เหล็กกลางของโรเตอร์สามชั้นทั้งหมดนั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเท่ากัน และสะพานแม่เหล็กด้านนอก (ระยะห่างระหว่างสิ่งกีดขวางแม่เหล็กและพื้นผิวโรเตอร์) ของทุกชั้นมีความหนาเท่ากัน สังเกตได้ว่าสะพานแม่เหล็กกลางและสะพานแม่เหล็กด้านนอกของชั้นที่สามมีความเครียดฟอนมิเซสสูง

ดังที่แสดงในรูปที่ 28b การเปลี่ยนความกว้างของสะพานแม่เหล็กกลางและความหนาของสะพานด้านนอกของแต่ละชั้นสามารถลดความเครียด Von Mises สูงสุดได้อย่างมาก (58%) ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะเป็นการปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกลของโรเตอร์ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้มีผลกระทบด้านลบต่อความสามารถในการบิดของมอเตอร์ (ประมาณ 3%) เนื่องจากความหนาของสะพานแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดการรั่วไหลของฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้น และการเพิ่มขึ้นของ Ld จะทำให้อัตราส่วนขั้วเด่นลดลง

รูปที่ 28. การกระจายของ Von Mises เน้นที่ 10000 รอบต่อนาทีสำหรับ PMa-SynRM (a) การออกแบบโรเตอร์เริ่มต้น (b) การออกแบบโรเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุง

คุณสมบัติทางแม่เหล็กของเฟอร์ไรต์อาจส่งผลต่อการออกแบบทางกลของมอเตอร์ด้วย เนื่องจากแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ตกค้างต่ำ ขนาดของมอเตอร์เฟอร์ไรต์จึงค่อนข้างใหญ่ เมื่อความยาวแกนของมอเตอร์ทรงกระบอกเพิ่มขึ้น ความเร็ววิกฤตจะลดลง ในการใช้งานความเร็วสูงซึ่งไม่ได้จำกัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของมอเตอร์อย่างเคร่งครัด เป็นความคิดที่ดีที่จะเลือกอัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางต่อความยาวเพลาที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อาจส่งผลเสียต่อความสมดุลของการสูญเสียทองแดงและเหล็ก

จากมุมมองอื่น จะดีกว่าถ้าเพิ่มความยาวของมอเตอร์เฟอร์ไรต์บางตัว จำนวนแม่เหล็กถาวรต่อความยาวหน่วยของมอเตอร์แต่ละตัวมีจำกัด และจำนวนรอบของอนุกรมไม่ควรสูงมากเพื่อหลีกเลี่ยงการล้างอำนาจแม่เหล็ก ดังนั้นจึงต้องเพิ่มความยาวของมอเตอร์ ดังนั้นผู้ออกแบบอาจเผชิญกับข้อขัดแย้งเมื่อเลือกอัตราส่วนเฟอร์ไรต์

การพิจารณาอื่น ๆ

เนื่องจากคุณสมบัติทางแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ลักษณะการทำงานของมอเตอร์เฟอร์ไรต์จึงเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ (แม้ว่าจะละเว้นการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบถาวรของเฟอร์ไรต์ก็ตาม) ตัวอย่างเช่น ที่กำลังไฟฟ้าเอาท์พุตที่กำหนด เมื่ออุณหภูมิของแม่เหล็กถาวรของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่ติดตั้งบนพื้นผิวลดลง กระแสเฟสสเตเตอร์จะลดลง และตัวประกอบกำลังจะเพิ่มขึ้น การลดอุณหภูมิของมอเตอร์เฟอร์ไรต์ BLDC จะจำกัดความเร็วสูงสุดของมอเตอร์ ดังที่แสดงในคุณลักษณะแรงบิดความเร็วของรูปที่ 29 นอกขอบเขตแรงบิดคงที่ ผลกระทบของอุณหภูมิจะเห็นได้ชัด

รูปที่ 29. เส้นโค้งความเร็ว-แรงบิดของมอเตอร์ BLDC แบบ Fe สำหรับอุณหภูมิ PM ที่แตกต่างกัน