تتمتع محركات الفريت بميزة التكلفة المنخفضة ولكن لها أيضًا عيوبًا مثل انخفاض كثافة الطاقة / عزم الدوران، وسهولة إزالة المغناطيسية، والهيكل الميكانيكي المعقد، وتقلب عزم الدوران الكبير، ومعامل درجة الحرارة الكبير. إن الاستفادة من المزايا مع تقليل/القضاء على العيوب هو السعي الدؤوب للباحثين والمهندسين في مجال الآلات الكهربائية. يمكن تعويض أوجه القصور باستخدام تكنولوجيا التصميم المتقدمة، لذلك، إلى حد ما، تكون صعوبة تصميم الحل الأمثل لمحركات المغناطيس الدائم من الفريت أكبر من صعوبة محركات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة.

إزالة المغناطيسية

يمكن تعريف معدل إزالة المغناطيسية على أنه مقدار إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها مقسومًا على المبلغ الإجمالي. تتمتع محركات المغناطيس الدائم من الفريت عمومًا بمعدلات أعلى لإزالة المغناطيسية مقارنةً بمحركات المغناطيس الدائم الأرضية النادرة. بالمقارنة مع NdFeB، فإن درجات حرارة كوري لدرجات مختلفة من المغناطيس الدائم من الفريت مرتفعة نسبيًا، ولن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة المعتاد لمحركات الفريت إلى إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض قوتها القسرية، يمكن إزالة مغنطة المغناطيس الدائم من الفريت بسهولة عن طريق مجال إزالة المغناطيسية.

تؤثر درجة الحرارة على قوة مغناطيس NdFeB والمغناطيس الدائم من الفريت بطريقتين متعاكستين. تتميز المغناطيسات الدائمة النموذجية NdFeB بقدرة قهرية أعلى عند درجات حرارة منخفضة، في حين أن المغناطيس الدائم من الفريت لديها قوة قهرية أقل عندما تنخفض درجة الحرارة. يكون معامل درجة حرارة القوة القسرية للمغناطيس الدائم من الفريت إيجابيا، في حين أن معامل درجة حرارة القوة القسرية للمغناطيس الدائم ندفيب سلبي. بالإضافة إلى ذلك، مع انخفاض درجة الحرارة، تتحرك نقطة الركبة الحرجة على منحنى مغنطة المغناطيس الدائم للفريت لأعلى (من الربع الثالث لمستوى BH إلى الربع الثاني). ولذلك، فإن درجات الحرارة المنخفضة في محركات الفريت أكثر خطورة من درجات الحرارة المرتفعة من حيث إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها. يوضح الشكل 22 منحنيات إزالة المغناطيسية لمواد الفريت ذات المغناطيس الدائم عند درجات حرارة مختلفة.

الشكل 22 الاختلافات في منحنى إزالة المغناطيسية لـ Fe-PM (الصف: Y33BH) مع درجة الحرارة.

يمكن أن يكون لدرجة الحرارة، وهندسة المحرك، وعدد لفات اللفات، وسعة التيار، وزاوية الطور الحالي، وموضع الدوار، تأثير خطير على إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها لمحركات الفريت. ولذلك، ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار بعناية عند دراسة آثار إزالة المغناطيسية. ولتحقيق هذه الغايات، من الضروري النظر في أسوأ السيناريوهات.

ظروف العمل التي قد تسبب إزالة المغناطيسية:

أدنى درجة حرارة تشغيل ممكنة

أقصى تيار ممكن

أسوأ زاوية للطور الحالي وأسوأ موضع للدوار (مما يؤدي إلى انخفاض كثافة التدفق).

الأحداث الخاصة، مثل التحميل الزائد أو الدوائر القصيرة المؤقتة في أطراف المحرك، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن تؤدي إلى إزالة مغناطيسية المغناطيس الدائم من الفريت. ولذلك، ينبغي أيضا أن تؤخذ في الاعتبار حالة التشغيل غير العادية هذه. يجب أن يتمتع التصميم النهائي بقدرة جيدة على تحمل إزالة المغناطيسية.

هناك معلمة أخرى لها تأثير كبير على إزالة المغناطيسية وهي التوصيل الكهربائي لمادة المغناطيس الدائم. بالنسبة للمغناطيس الدائم من الفريت النموذجي، تكون الموصلية الكهربائية منخفضة جدًا. وبعبارة أخرى، فإن التيار الدوامي داخل المغناطيس الدائم من الفريت لا يكاد يذكر.

بالنسبة للتطبيقات ذات التغيرات الكبيرة في درجات الحرارة المحيطة أو التحكم الضروري في إضعاف المجال، فإن تقييم كثافة إزالة المغناطيسية يتطلب المزيد من الاهتمام.

عادة ما يتم تقييم تأثير إزالة المغناطيسية من الفريت على أساس توزيع كثافة التدفق المغناطيسي داخل المغناطيس الدائم.

أحد معايير التقييم: افترض أن أي جزء من المغناطيس الدائم ذو كثافة مغناطيسية أقل من نقطة الركبة لمنحنى BH قد تم إزالة مغنطته (انظر الشكل 23). ولذلك، يجب مراعاة الحد الأدنى لقيود الكثافة المغناطيسية أثناء التصميم.

الشكل 23 منحنى إزالة المغناطيسية لمادة Fe-PM عند -40 درجة مئوية

يمكن أن يعكس الجهد المستحث في ملف المحرك أيضًا تأثير إزالة المغناطيسية لـ PM، ويمكن استخدام هذه الكمية كمعيار لتقييم إزالة المغناطيسية غير المباشرة.

يجب أن يوفر التصميم الجيد أشكال موجية EMF متطابقة تقريبًا بدون تحميل في ظل ظروف تشغيل مختلفة عديدة. على سبيل المثال، يوضح الشكل 24 أشكال موجات القوة الدافعة الكهربية المحسوبة والمقاسة لمحرك ممانعة متزامنة مدعوم بالفريت مصمم جيدًا. ليست القيم المحسوبة والمقاسة قريبة جدًا فحسب، بل إن شكل موجة القوة الدافعة الكهربائية لا يتغير بشكل ملحوظ بعد اختبار إزالة المغناطيسية (اختبار في ظل ظروف التشغيل القاسية).

الشكل 24 أشكال موجات EMF لـ PMa-SynRM القائم على Fe في حالة عدم التحميل.

تتم إزالة المنطقة المغنطيسية وفقًا لتوزيع المجال المغناطيسي. على سبيل المثال، يوضح الشكل 26أ جزء إزالة المغناطيسية من ثلاثة أنواع من المغناطيس الدائم من الفريت المستخدم في PMa-SynRM (انظر الشكل 19 للتعرف على الهيكل).

تؤدي زيادة شطب المغناطيس الدائم إلى تقليل منطقة إزالة المغناطيسية، كما هو موضح في الشكل 26ب، وبالتالي تقليل معدل إزالة المغناطيسية. في حين أن هذه التقنية مفيدة من حيث الجودة وتكلفة مادة الفريت ذات المغناطيس الدائم، إلا أنها لا تعمل على تحسين قدرات عزم الدوران للمحرك. في الواقع، تتم إزالة جزء إزالة المغناطيسية عديم الفائدة في PM، ومن الناحية النظرية، لن يتغير عزم الدوران المتولد. ومن الناحية العملية، قد يؤدي هذا إلى انخفاض طفيف في كثافة عزم الدوران.

الشكل 19: محرك ممانعة متزامن مدعوم من PM مع فجوة هوائية ثلاثية الأبعاد للخندق (أ) منظر عام (ب) قطب بارز للجزء الدوار (ج) عرض مقطعي.

الشكل 26. تقليل نسبة إزالة المغناطيسية عن طريق إزالة مناطق محددة من PMs (أ) قبل (ب) بعد.

التعديلات الهيكلية لمنع إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها لمحركات المغناطيس الدائم من الفريت.

إن اختيار مغناطيس دائم سميك في المحركات بدون فرش يقلل من خطر إزالة المغناطيسية. وبالمثل، فإن تحسين زاوية طرف الشبكة المغناطيسية في محرك الممانعة المتزامنة بمساعدة الفريت يمكن أن يقلل من تأثيرات تفاعلات عضو الإنتاج وبالتالي يمنع إزالة المغناطيسية الشديدة التي لا رجعة فيها.

الشكل 27 تأثير التعديلات الهيكلية على تقليل نسبة إزالة المغناطيسية

• تكوين المحرك التقليدي لـ PMBM
• تكوين الدوار المعدل
• خطوط التحميل
• خصائص السرعة وعزم الدوران.

تم استبدال البنية التقليدية في الشكل 27أ ببنية محسنة في الشكل 27ب. يقوم هذا التعديل بتحريك خط تحميل المغناطيس الدائم بعيدًا عن منطقة الركبة، كما هو موضح في الشكل 27ج، مما يقلل من خطر إزالة المغناطيسية. كما أنه يعمل على توسيع نطاق خصائص سرعة وعزم دوران المحرك، كما هو موضح في الشكل 27د.

ولذلك، ينبغي إجراء كل تعديل لتحسين عزم الدوران بعناية. على سبيل المثال، في محرك الفريت المختلط + NdFeB ذو المغناطيس الدائم، يجب إيلاء اهتمام خاص لتأثير إزالة المغناطيسية للمغناطيس الدائم من الفريت. في الواقع، قد يتسبب تدفق التسرب للمغناطيس الدائم NdFeB في إزالة مغناطيسية شديدة للفريت. ولذلك، ينبغي التقليل من هذا التأثير عند اختيار المواضع النسبية لنوعي المغناطيس الدائم.

الهيكلية

تحتوي المواد المغناطيسية الدائمة من الفريت والأتربة النادرة على بعض الخصائص الهيكلية (الميكانيكية) المختلفة. على سبيل المثال، الفريت أقل كثافة، وأكثر صلابة، وأكثر هشاشة من المغناطيسات الأرضية النادرة. تبلغ قوة الشد للفريت ما يقرب من سبع قوة مغناطيس نيوديميوم دائم مماثل الحجم. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للقيود المفروضة على تكنولوجيا المعالجة، فمن الصعب تصنيع صفائح الفريت الرقيقة جدًا (سمك أقل من 1 مم). وفي الوقت الحالي، من الصعب تصنيع أي شيء أقل من 2 ملم في الصين.

لكن الفريت لا يتآكل بسهولة. لذلك، بالمقارنة مع المغناطيس الدائم الآخر، يمكن استخدامها في جميع التطبيقات تقريبًا دون استخدام الطلاء. تحد الخصائص الفيزيائية من استخدام محركات الفريت في التطبيقات ذات الضغط الميكانيكي العالي. يجب أن يتمتع محرك الفريت المصمم جيدًا (خاصة المحرك عالي السرعة) بقوة ميكانيكية مقبولة ويجب أن يكون قادرًا على تحمل قوى الطرد المركزي. يتم تقييم هذه القوة عادةً من خلال تحليل توزيع إجهاد فون ميزس عند أقصى سرعة دوران.

هناك تقنيات يمكنها تحسين تحمل الضغط لمحركات الفريت. على سبيل المثال، يوضح الشكل 28 تغيير التفاصيل الهندسية لمحرك الممانعة المتزامنة بمساعدة الفريت لتقليل الإجهاد. في الشكل 28أ، يكون عرض الجسر المغناطيسي المركزي لجميع الدوارات ثلاثية الطبقات هو نفسه بشكل أساسي، ويكون للجسر المغناطيسي الخارجي (المسافة بين الحاجز المغناطيسي وسطح الدوار) لجميع الطبقات نفس السمك. ويمكن ملاحظة أن الجسر المغناطيسي المركزي والجسر المغناطيسي الخارجي للطبقة الثالثة لديهما إجهاد فون ميزس عالي.

كما هو موضح في الشكل 28ب، فإن تغيير عرض الجسر المغناطيسي المركزي وسمك الجسر الخارجي لكل طبقة يمكن أن يقلل بشكل كبير من الحد الأقصى لإجهاد Von Mises (58%)، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين القوة الميكانيكية للدوار. ومع ذلك، فإن هذا له تأثير سلبي على قدرة عزم دوران المحرك (حوالي 3%). لأن زيادة سمك الجسر المغناطيسي تؤدي إلى زيادة تسرب التدفق المغناطيسي، وزيادة Ld تؤدي إلى انخفاض نسبة القطب البارز.

الشكل 28. يشدد توزيع Von Mises عند 10000 دورة في الدقيقة لتصميم الدوار الأولي PMa-SynRM (أ) (ب) تحسين تصميم الدوار.

قد تؤثر الخواص المغناطيسية للفريت أيضًا على التصميم الميكانيكي للمحرك. نظرًا لانخفاض المغناطيسية المتبقية للفريت، فإن حجم محركات الفريت كبير نسبيًا. كلما زاد الطول المحوري للمحرك الأسطواني، انخفضت سرعته الحرجة. في التطبيقات عالية السرعة حيث لا يكون القطر الخارجي للمحرك مقيدًا بشكل صارم، فمن الجيد تحديد نسبة قطر أعلى إلى طول العمود. ومع ذلك، قد يكون لذلك تأثير سلبي على ميزان خسائر النحاس والحديد.

ومن ناحية أخرى، سيكون من الأفضل زيادة طول بعض محركات الفريت. كمية المغناطيس الدائم لكل وحدة طول لكل محرك محدودة، ويجب ألا يكون عدد دورات السلسلة مرتفعًا جدًا لتجنب إزالة المغناطيسية. ولذلك، يجب زيادة طول المحرك. لذلك قد يواجه المصمم نوعاً من التعارض عند اختيار نسبة العرض إلى الارتفاع للفريت.

اعتبارات أخرى

نظرًا للتباين الكبير في الخواص المغناطيسية للمغناطيس الدائم من الفريت، تتغير خصائص أداء محركات الفريت مع درجة الحرارة (حتى لو تم تجاهل إزالة مغنطة الفريت التي لا رجعة فيها). على سبيل المثال، عند طاقة خرج معينة، عندما تنخفض درجة حرارة المغناطيس الدائم لمحرك المغناطيس الدائم المثبت على السطح، ينخفض ​​تيار الطور الثابت، ويزداد عامل القدرة. يحد انخفاض درجة حرارة محركات الفريت BLDC من السرعة القصوى للمحرك. كما هو موضح في خصائص سرعة عزم الدوران في الشكل 29، خارج منطقة عزم الدوران الثابت، يكون تأثير درجة الحرارة واضحًا.

الشكل 29. منحنيات عزم الدوران السريع لمحرك BLDC القائم على Fe لدرجات حرارة مختلفة بعد الظهر.