Zastosowanie wysokowydajnych spiekanych magnesów NdFeB w generatorach turbin wiatrowych

Generator wiatrowy z magnesami trwałymi wykorzystuje magnes trwały ze spiekanego neodymu, żelaza i boru o wysokiej wydajności magnetycznej, który ma wystarczająco wysoką koercję, aby uniknąć utraty magnetyzmu w wysokiej temperaturze. Żywotność magnesu zależy od materiału bazowego i zabezpieczenia antykorozyjnego powierzchni. Antykorozję stali magnesowej NdFeB należy rozpocząć od produkcji.
1. Wprowadzenie

Generator wiatrowy z magnesem trwałym z napędem bezpośrednim wykorzystuje wirnik wentylatora do bezpośredniego napędzania generatora w celu jego obracania, eliminując skrzynię biegów zwiększającą prędkość wymaganą przez tradycyjny asynchroniczny generator wiatrowy zasilany prądem przemiennym z podwójnym zasilaniem oraz unikając nieprawidłowego działania i konserwacji skrzyni biegów podczas pracy. Jednocześnie generator wiatrowy z magnesami trwałymi wykorzystuje wzbudzenie magnesem trwałym, brak uzwojenia wzbudzenia oraz brak pierścienia ślizgowego i szczotki na wirniku; dlatego konstrukcja jest prosta, a działanie niezawodne. W 1993 r. firma Enercon GmbH w Niemczech opracowała pierwszą na dużą skalę turbinę wiatrową z napędem bezpośrednim i magnesami trwałymi. Rozwój turbin wiatrowych i turbin wiatrowych z magnesami trwałymi nabiera tempa. Ogólny poziom chińskich turbin wiatrowych z magnesami trwałymi plasuje się w czołówce świata.

Kliknij, aby odwiedzić nasze produkty: Spiekany magnes NdFeB

Środowisko pracy turbiny wiatrowej jest bardzo trudne i musi ona wytrzymać próbę wysokiej temperatury, silnego zimna, wiatru i piasku, wilgoci, a nawet mgły solnej. Projektowany okres eksploatacji turbiny wiatrowej wynosi zazwyczaj dwadzieścia lat. Obecnie magnesy trwałe ze spiekanego neodymu, żelaza i boru są stosowane zarówno w małych turbinach wiatrowych, jak i megawatowych turbinach wiatrowych z magnesami trwałymi. Dlatego bardzo ważny jest dobór parametrów magnetycznych magnesu trwałego NdFeB oraz wymagania dotyczące odporności magnesu na korozję.
2. Typowe właściwości magnetyczne spiekanego NdFeB stosowanego w generatorach turbin wiatrowych z magnesami trwałymi

Magnes trwały neodymowo-żelazowo-borowy nazywany jest magnesem trwałym ziem rzadkich trzeciej generacji i jest to materiał na magnes trwały o wyższej wydajności magnetycznej. Główną fazą spiekanego stopu NdFeB jest związek międzymetaliczny Nd2Fe14B, a jego polaryzacja magnetyczna nasycenia (Js) wynosi 1,6T. Ponieważ spiekany stop magnesów trwałych NdFeB składa się z fazy głównej Nd2Fe14B i fazy granicznej ziaren, a orientacja ziaren Nd2Fe14B jest ograniczona warunkami procesu, obecna remanencja magnesu może osiągnąć nawet 1,5 T. Niemiecka firma zajmująca się wytapianiem próżniowym (Vacuumschmelze GmbH) wyprodukowała magnesy NdFeB o max. produkt energii magnetycznej (BH) maksymalnie 57MGOe. Krajowi producenci NdFeB mogą produkować magnesy klasy N50 o max. produkt o energii magnetycznej 53MGOe (Uwaga: artykuł ten ukazał się w 2010 roku. Wraz z rozwojem technologii na rynku pojawiły się już magnesy klasy N54, a produkt o wyższej energii magnetycznej to aż 55MGOe). Zwiększenie stosunku fazy głównej stopu, zwiększenie orientacji ziaren kryształu i gęstości magnesu może zwiększyć max. produkt energetyczny magnesu; ale nie przekroczy ona teoretycznej wartości 64MGOe dla max. produkt energetyczny monokryształu Nd2Fe14B. Jinluncicai.com jest przewodnikiem producenta i fabryki w zakresie dostaw magnesów i materiałów NdFeb.

Krzywa rozmagnesowania NdFeB w temperaturze pokojowej jest podobna do linii prostej. Dlatego też przy projektowaniu silników z magnesami trwałymi często wybiera się wysokiej jakości bor neodymowo-żelazowy (to znaczy o wysokim (BH) max materiału) w celu uzyskania dużej gęstości magnetycznej w szczelinie powietrznej. Podczas pracy silnika, ze względu na istnienie zmiennego pola rozmagnesowującego i efekt rozmagnesowania chwilowego dużego prądu przy nagłej zmianie obciążenia, należy wybrać magnes neodymowo-żelazowo-borowy o odpowiednio dużej koercji.

Dodanie do stopu pierwiastków takich jak dysproz (terb) zwiększa koercję wewnętrzną (jHc) neodymowo-żelazowo-borowego, ale remanencja (Br) magnesu odpowiednio się zmniejsza. Dlatego wysokowydajne magnesy NdFeB stosowane w generatorach turbin wiatrowych uwzględniają ich koercję i remanencję.
3. Stabilność temperaturowa magnesu trwałego NdFeB

Generatory energii wiatrowej pracują na pustyni i wytrzymują próbę palącego ciepła i zimna; jednocześnie utrata silnika prowadzi również do wzrostu temperatury silnika. Spiekane magnesy NdFeB podane w powyższej tabeli mogą pracować w temperaturze 120°C. Temperatura Curie stopu z magnesami trwałymi NdFeB wynosi około 310 ℃. Kiedy temperatura magnesu przekracza punkt Curie, następuje przejście z ferromagnetyzmu w paramagnetyzm. Poniżej temperatury Curie remanencja NdFeB maleje wraz ze wzrostem temperatury, a jego temperaturowy współczynnik remanencji α (Br) wynosi -0,095 ~ -0,105%/℃. Siła koercyjna NdFeB również maleje wraz ze wzrostem temperatury, a współczynnik temperaturowy β (jHc) jego siły koercyjnej wynosi -0,54~-0,64%/℃. Wybierz odpowiednią siłę koercji, magnes nadal ma wystarczająco dużą siłę koercji na max. temperatura pracy konstrukcji silnika; w przeciwnym razie nastąpi utrata namagnesowania.

Remanencja i koercja materiałów z magnesami trwałymi NdFeB uzupełniają się. Dodanie do stopu ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, dysprozu (Dy) i terbu (Tb), może znacznie zwiększyć koercję magnesu. Wraz ze wzrostem koercji remanencja i max. produkt energii magnetycznej odpowiednio się zmniejsza. Oczywiście wybór stali magnetycznej o wysokiej koercji do turbin wiatrowych musi odbywać się kosztem remanencji i max. produkt energii magnetycznej.

4, zgodność właściwości magnetycznych magnesów NdFeB elektrowni wiatrowych

Magnesy NdFeB produkowane są w specjalnym procesie metalurgii proszków, a główny proces produkcyjny odbywa się w atmosferze ochronnej lub w próżni. Korpus z neodymu, żelaza i boru jest prasowany w bardzo silnym (~1,5 T) polu magnetycznym. Rozmiar magnesów NdFeB jest ograniczony przez te specjalne warunki procesu.

Duży generator wiatrowy z magnesami trwałymi zwykle wykorzystuje tysiące magnesów neodymowo-żelazowo-borowych, a każdy biegun wirnika składa się z wielu magnesów. Konsystencja biegunów wirnika wymaga konsystencji stali magnetycznej, w tym zgodności tolerancji wymiarowych i właściwości magnetycznych. Tak zwana zgodność właściwości magnetycznych obejmuje niewielkie odchylenie właściwości magnetycznych pomiędzy różnymi osobnikami, a także jednorodność właściwości magnetycznych pojedynczego magnesu.

Istnieją dwa rodzaje magnetyzmu: magnetyzm pozorny i magnetyzm wewnętrzny. Tak zwany pozorny magnetyzm stali magnetycznej można zmierzyć na podstawie jej strumienia magnetycznego w obwodzie otwartym i natężenia powierzchniowego pola magnetycznego. Pozorny magnetyzm magnesu jest powiązany z kształtem i stanem namagnesowania magnesu. Własne właściwości stali magnetycznej bada się poprzez pomiar krzywej rozmagnesowania próbki. Krzywa rozmagnesowania jest częścią pętli histerezy, która odzwierciedla charakterystykę odwrócenia magnesowania materiału magnesu trwałego. Zmierzyć krzywą rozmagnesowania próbki stali magnetycznej, pod warunkiem, że przed pomiarem próbka musi zostać nasycona namagnesowaniem.

Aby wykryć, czy magnetyzm pojedynczego magnesu jest jednolity, należy pociąć magnes na kilka małych kawałków i zmierzyć ich krzywe rozmagnesowania. Aby podczas procesu produkcyjnego sprawdzić, czy magnetyzm pieca magnesów jest spójny, konieczne jest pobranie próbek magnesów z różnych części pieca do spiekania w celu zmierzenia krzywej rozmagnesowania próbki. Ponieważ sprzęt pomiarowy jest bardzo drogi i prawie niemożliwe jest zapewnienie integralności każdego mierzonego kawałka stali magnetycznej. Dlatego nie można sprawdzić wszystkich produktów. Spójność właściwości magnetycznych NdFeB musi być gwarantowana przez urządzenia produkcyjne i kontrolę procesu.

5. Odporność korozyjna NdFeB

Stop NdFeB zawiera aktywne pierwiastki ziem rzadkich, które łatwo ulegają utlenieniu i rdzewieniu. W zastosowaniach, o ile NdFeB nie jest zamknięty i odizolowany od powietrza i wody, powierzchnię NdFeB należy zabezpieczyć antykorozją. Typowe powłoki antykorozyjne to nikiel galwaniczny, cynkowana galwanicznie i elektroforetyczna żywica epoksydowa. Fosforanowanie powierzchniowe może zapobiec rdzewieniu NdFeB w stosunkowo suchym środowisku przez krótki czas.

Związki międzymetaliczne ziem rzadkich mogą reagować z wodorem pod pewnym ciśnieniem i temperaturą. Gdy NdFeB wchłonie wodór, uwalnia ciepło i pęka. Tę cechę wykorzystuje się w procesie kruszenia wodoru podczas produkcji NdFeB. Z punktu widzenia użytkowego fragmenty wodorowe NdFeB są szkodliwe. Ściśle mówiąc, korozja NdFeB rozpoczyna się od jego obróbki. Odtłuszczanie po cięciu i szlifowaniu, trawienie przed galwanizacją i proces galwanizacji mają wpływ na warstwę powierzchniową NdFeB. Niewłaściwy proces obróbki może spowodować nieodpowiednią jakość powłoki (np. dziury), a połączenie warstwy powierzchniowej NdFeB z warstwą powłoki nie będzie mocne.

Warto zaznaczyć, że choć właściwości magnetyczne magnesów NdFeB tej samej marki produkowanych przez różnych producentów są w zasadzie takie same, to jednak wystąpią różnice w składzie stopów, zwłaszcza mikrostruktura magnesów może być bardzo różna. Stal magnetyczna o dobrych parametrach i dobrej odporności na korozję charakteryzuje się drobnymi i jednolitymi ziarnami oraz dużą gęstością magnesu. Na poniższych dwóch zdjęciach metalograficznych spiekanych magnesów NdFeB magnesy pokazane po lewej stronie mają drobne i jednolite ziarna, a magnesy pokazane po prawej stronie mają duże i nierówne ziarna.
6. Test niezawodności magnesu NdFeB

Projektowana żywotność generatorów turbin wiatrowych wynosi 20 lat, co oznacza, że stal magnetyczna może być używana przez 20 lat, jej właściwości magnetyczne nie są znacząco osłabione, a stal magnetyczna nie jest skorodowana. Poniższe metody testów i kontroli mogą być stosowane przez producentów i użytkowników stali magnetycznej do oceny i kontroli magnesów.

Test nieważkości: użyj prostokątnej czarnej płytki o wymiarach 10 mm × 10 mm × 12 mm jako próbki (wysokość 12 mm to kierunek magnesowania), umieść ją w 2 standardowych ciśnieniach atmosferycznych, czystej wilgotności, środowisku 120 ℃, wyjmij po 48 godzinach i usuń warstwę tlenku. Utrata masy jest mniejsza niż 0,2 mg/cm2.
Test rozmagnesowania termicznego: 120 ℃ × 4 godziny, utrata strumienia magnetycznego w obwodzie otwartym jest mniejsza niż 3%.
Test szoku termicznego: Po 3 cyklach wysokich i niskich temperatur od -40°C do 120°C, utrata strumienia magnetycznego w obwodzie otwartym jest mniejsza niż 3%.
Test mgły solnej oraz test temperatury i wilgotności to metody oceny powłok galwanicznych i innych powłok antykorozyjnych.
Inne właściwości fizyczne, takie jak współczynnik rozszerzalności cieplnej, przewodność cieplna, oporność elektryczna i wytrzymałość mechaniczna, mają różny wpływ na użyteczność i niezawodność stali magnetycznej.

Podsumowanie
1. W artykule przedstawiono parametry magnetyczne magnesów trwałych neodymowo-żelazowo-borowych do megawatowych turbin wiatrowych.
2. Spiek NdFeB o wysokiej koercji może zapewnić, że magnes nadal będzie miał wystarczającą koercję w wysokiej temperaturze, aby uniknąć utraty magnetyzmu w wysokiej temperaturze.
3. Odporność na korozję stali magnetycznej silnika wiatrowego zależy nie tylko od powłoki powierzchniowej magnesu, ale także od odporności podłoża na korozję.

4. Metody badania niezawodności magnesu obejmują test nieważkości, test rozmagnesowania termicznego, test odporności powłoki na korozję itp.