Les moteurs en ferrite ont l'avantage d'être peu coûteux mais présentent également des inconvénients tels qu'une faible densité de puissance/couple, une démagnétisation facile, une structure mécanique complexe, une grande fluctuation de couple et un coefficient de température élevé. Profiter des avantages tout en réduisant/éliminant les inconvénients est la poursuite diligente des chercheurs et des ingénieurs en machines électriques. Les lacunes peuvent être comblées en utilisant une technologie de conception avancée. Ainsi, dans une certaine mesure, la difficulté de conception de la solution optimale pour les moteurs à aimants permanents en ferrite est plus grande que celle des moteurs à aimants permanents aux terres rares.
Démagnétisation
Le taux de démagnétisation peut être défini comme la quantité de démagnétisation irréversible divisée par la quantité totale. Les moteurs à aimant permanent en ferrite ont généralement des taux de démagnétisation plus élevés que les moteurs à aimant permanent aux terres rares. Par rapport au NdFeB, les températures de Curie des différentes qualités d'aimants permanents en ferrite sont relativement élevées, et l'augmentation habituelle de la température des moteurs en ferrite ne provoquera pas de démagnétisation irréversible. Cependant, en raison de leur faible coercivité, les aimants permanents en ferrite peuvent être facilement démagnétisés par un champ démagnétisant.
La température affecte la coercivité des aimants permanents NdFeB et ferrite de deux manières opposées. Les aimants permanents NdFeB typiques ont une coercitivité plus élevée à basse température, tandis que les aimants permanents en ferrite ont une coercivité plus faible lorsque la température baisse. Le coefficient de température de force coercitive des aimants permanents en ferrite est positif, tandis que le coefficient de température de force coercitive des aimants permanents NdFeB est négatif. De plus, à mesure que la température diminue, le point critique de coude sur la courbe de magnétisation de l'aimant permanent en ferrite se déplace vers le haut (du troisième quadrant du plan BH au deuxième quadrant). Par conséquent, les basses températures dans les moteurs en ferrite sont plus dangereuses que les températures élevées en termes de démagnétisation irréversible. La figure 22 montre les courbes de démagnétisation des matériaux à aimants permanents en ferrite à différentes températures.
Fig.22 Variations de la courbe de démagnétisation d'un Fe-PM (Grade : Y33BH) avec la température.
La température, la géométrie du moteur, le nombre de tours d'enroulement, l'amplitude du courant, l'angle de phase du courant et la position du rotor peuvent tous avoir un impact sérieux sur la démagnétisation irréversible des moteurs en ferrite. Par conséquent, ils doivent être soigneusement pris en compte lors de l’étude des effets de démagnétisation. Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire d’envisager les pires scénarios.
Conditions de travail pouvant provoquer une démagnétisation :
température de fonctionnement la plus basse possible
Courant maximum possible
Pire angle de phase actuel et pire position du rotor (entraînant la densité de flux la plus faible).
Des événements particuliers, tels qu'une surcharge ou des courts-circuits temporaires aux bornes du moteur, notamment à basse température, peuvent démagnétiser les aimants permanents en ferrite. Par conséquent, cette condition de fonctionnement inhabituelle doit également être prise en compte. La conception finale doit avoir une bonne tolérance à la démagnétisation.
Un autre paramètre qui a une influence majeure sur la démagnétisation est la conductivité électrique du matériau de l'aimant permanent. Pour un aimant permanent en ferrite typique, la conductivité électrique est très faible. En d’autres termes, les courants de Foucault à l’intérieur de l’aimant permanent en ferrite sont négligeables.
Pour les applications avec des changements considérables de température ambiante ou un contrôle nécessaire de l’affaiblissement du champ, l’évaluation de l’intensité de démagnétisation nécessite plus d’attention.
L'effet de démagnétisation des ferrites est généralement évalué sur la base de la distribution de la densité du flux magnétique à l'intérieur de l'aimant permanent.
Un critère d'évaluation : supposer que toute partie de l'aimant permanent ayant une densité magnétique inférieure au point de coude de la courbe BH est démagnétisée (voir Figure 23). Par conséquent, la contrainte de densité magnétique minimale doit être prise en compte lors de la conception.
Fig.23 Courbe de démagnétisation d'un matériau Fe-PM à -40℃
La tension induite dans l'enroulement du moteur peut également refléter l'effet de démagnétisation des PM, et cette quantité peut être utilisée comme critère d'évaluation indirect de la démagnétisation.
Une bonne conception devrait fournir des formes d'onde EMF sans charge presque identiques dans plusieurs conditions de fonctionnement différentes. Par exemple, la figure 24 montre les formes d'onde de force électromotrice à vide calculées et mesurées d'un moteur à réluctance synchrone assisté par ferrite bien conçu. Non seulement les valeurs calculées et mesurées sont très proches, mais la forme d'onde de la force électromotrice ne change pas de manière significative après le test de démagnétisation (test dans des conditions de fonctionnement difficiles).
Fig.24 Les formes d'onde EMF d'un PMa-SynRM à base de Fe à vide.
La zone démagnétisée est supprimée en fonction de la répartition du champ magnétique. Par exemple, la figure 26a montre la partie démagnétisation de trois types d'aimants permanents en ferrite utilisés dans PMa-SynRM (voir la figure 19 pour la structure).
L'augmentation du chanfrein de l'aimant permanent réduit la zone de démagnétisation, comme le montre la figure 26b, réduisant ainsi le taux de démagnétisation. Bien que cette technique soit utile en termes de qualité et de coût du matériau de l'aimant permanent en ferrite, elle n'améliore pas les capacités de couple du moteur. En fait, la partie inutile de démagnétisation du PM est supprimée, et théoriquement, le couple généré ne changera pas. En pratique, cela peut même conduire à une légère réduction de la densité de couple.
Fig.19 Un moteur à réluctance synchrone assisté par PM avec un entrefer de tranchée tridimensionnel (a) vue d'ensemble (b) pôle saillant du rotor (c) vue en coupe.
Figure 26. Diminution du taux de démagnétisation en supprimant des régions spécifiques des PM (a) avant (b) après.
Modifications structurelles pour empêcher la démagnétisation irréversible des moteurs à aimants permanents en ferrite.
Le choix d'aimants permanents épais dans les moteurs sans balais réduit le risque de démagnétisation. De même, l'optimisation de l'angle de pointe de la grille magnétique dans un moteur à réluctance synchrone assisté par ferrite peut réduire les effets des réactions d'induit et ainsi empêcher une démagnétisation irréversible grave.
Fig.27 Effet des modifications structurelles sur la réduction du taux de démagnétisation
- configuration de moteur conventionnelle d'un PMBM à rayons
- configuration du rotor modifiée
- lignes de charge
- caractéristiques vitesse-couple.
La structure à rayons traditionnelle de la figure 27a a été remplacée par une structure améliorée de la figure 27b. Cette modification c éloigne la ligne de charge de l'aimant permanent de la région du genou, comme le montre la figure 27c, réduisant ainsi le risque de démagnétisation. Il étend également la plage des caractéristiques vitesse-couple du moteur, comme le montre la figure 27d.
Par conséquent, chaque modification visant à améliorer le couple doit être effectuée avec soin. Par exemple, dans un moteur à aimant permanent mixte ferrite + NdFeB, une attention particulière doit être portée à l'effet de démagnétisation de l'aimant permanent en ferrite. En fait, le flux de fuite des aimants permanents NdFeB peut provoquer une forte démagnétisation de la ferrite. Par conséquent, cet effet doit être minimisé lors du choix des positions relatives des deux types d’aimants permanents.
Structure
Les matériaux à aimants permanents en ferrite et en terres rares ont des propriétés structurelles (mécaniques) différentes. Par exemple, les ferrites ont une densité inférieure, sont plus dures et plus cassantes que les aimants permanents aux terres rares. La résistance à la traction de la ferrite est environ un septième de celle d'un aimant permanent en néodyme de taille similaire. De plus, en raison des limites de la technologie de transformation, il est difficile de fabriquer des feuilles de ferrite très fines (épaisseur inférieure à 1 mm). Actuellement, il est difficile de fabriquer quelque chose de moins de 2 mm en Chine.
Mais la ferrite ne se corrode pas facilement. Par conséquent, comparés à d’autres aimants permanents, ils peuvent être utilisés dans presque toutes les applications sans recours à des revêtements. Les propriétés physiques limitent l'utilisation des moteurs en ferrite dans les applications soumises à des contraintes mécaniques élevées. Un moteur en ferrite bien conçu (en particulier un moteur à grande vitesse) doit avoir une résistance mécanique acceptable et doit être capable de résister aux forces centrifuges. Cette résistance est généralement évaluée en analysant la répartition des contraintes de von Mises à la vitesse de rotation maximale.
Il existe des techniques qui peuvent améliorer la tolérance aux contraintes des moteurs en ferrite. Par exemple, la figure 28 illustre la modification des détails géométriques d'un moteur à réluctance synchrone assisté par ferrite pour réduire les contraintes. Sur la figure 28a, la largeur du pont magnétique central de tous les rotors à trois couches est fondamentalement la même et le pont magnétique externe (la distance entre la barrière magnétique et la surface du rotor) de toutes les couches a la même épaisseur. On peut observer que le pont magnétique central et son pont magnétique externe de la troisième couche présentent une contrainte de von Mises élevée.
Comme le montre la figure 28b, la modification de la largeur du pont magnétique central et de l'épaisseur du pont externe de chaque couche peut réduire considérablement la contrainte de Von Mises maximale (58 %), améliorant ainsi la résistance mécanique du rotor. Cependant, cela a un impact négatif sur la capacité de couple du moteur (environ 3 %). Parce que l'augmentation de l'épaisseur du pont magnétique entraîne une augmentation des fuites de flux magnétique, et une augmentation de Ld entraîne une diminution du rapport des pôles saillants.
Figure 28. Répartition des contraintes de Von Mises à 10000 XNUMX tr/min pour un PMa-SynRM (a) conception initiale du rotor (b) conception améliorée du rotor.
Les propriétés magnétiques de la ferrite peuvent également affecter la conception mécanique du moteur. En raison du faible magnétisme résiduel de la ferrite, la taille des moteurs en ferrite est relativement grande. À mesure que la longueur axiale d’un moteur cylindrique augmente, sa vitesse critique diminue. Dans les applications à grande vitesse où le diamètre extérieur du moteur n'est pas strictement contraint, il est judicieux de sélectionner un rapport diamètre/longueur d'arbre plus élevé. Toutefois, cela peut avoir un impact négatif sur le bilan des pertes de cuivre et de fer.
D'un autre point de vue, il serait préférable d'augmenter la longueur de certains moteurs en ferrite. La quantité d'aimants permanents par unité de longueur de chaque moteur est limitée et le nombre de tours en série ne doit pas être très élevé pour éviter la démagnétisation. Il faut donc augmenter la longueur du moteur. Par conséquent, le concepteur peut être confronté à une sorte de conflit lors du choix du rapport hauteur/largeur de la ferrite.
Autres considérations
En raison de la grande variation des propriétés magnétiques des aimants permanents en ferrite, les caractéristiques de performance des moteurs en ferrite changent avec la température (même si la démagnétisation irréversible de la ferrite est ignorée). Par exemple, pour une puissance de sortie donnée, lorsque la température des aimants permanents d'un moteur à aimants permanents monté en surface diminue, le courant de phase du stator diminue et le facteur de puissance augmente. La réduction de température des moteurs BLDC en ferrite limite la vitesse maximale du moteur. Comme le montrent les caractéristiques vitesse-couple de la figure 29, en dehors de la région du couple constant, l'effet de la température est évident.
Figure 29. Courbes vitesse-couple d'un moteur BLDC à base de Fe pour différentes températures de PM.
