Aplikace vysoce výkonných slinutých NdFeB magnetů v generátorech větrných turbín

Větrný generátor s permanentními magnety využívá vysoce magnetický slinutý permanentní magnet z neodymového železa a boru, který má dostatečně vysokou koercitivitu, aby se zabránilo ztrátě magnetismu při vysoké teplotě. Životnost magnetu závisí na základním materiálu a povrchové antikorozní úpravě. Antikorozní magnetická ocel NdFeB by měla začít již od výroby.
1. Úvod

Větrný generátor s permanentním magnetem s přímým pohonem využívá oběžné kolo ventilátoru, aby přímo pohánělo generátor, aby se otáčel, čímž se eliminuje převodovka zvyšující rychlost, kterou vyžaduje tradiční asynchronní větrný generátor s dvojitým napájením střídavým proudem, a zabraňuje se chybné funkci a údržbě převodovky během provozu. Větrný generátor s permanentními magnety zároveň využívá buzení permanentním magnetem, žádné budicí vinutí a žádný sběrací kroužek a kartáč na rotoru; proto je struktura jednoduchá a provoz je spolehlivý. V roce 1993 vyvinula společnost Enercon GmbH v Německu první velkou větrnou turbínu s přímým pohonem s permanentními magnety. Vývoj větrných turbín a větrných turbín s permanentními magnety je na vzestupu. Celková úroveň čínských větrných turbín s permanentními magnety je ve světě na předních místech.

Kliknutím navštívíte naše produkty: Sintrovaný magnet NdFeB

Pracovní prostředí větrné turbíny je velmi drsné a musí odolat zkoušce vysoké teploty, silného chladu, větru a písku, vlhkosti a dokonce i solné mlhy. Konstrukční životnost větrné turbíny je obecně dvacet let. V současné době se permanentní magnety ze spékaného neodymu železoboru používají jak pro malé větrné turbíny, tak pro větrné turbíny s megawattovými permanentními magnety. Proto je velmi důležitý výběr magnetických parametrů permanentního magnetu NdFeB a požadavky na korozní odolnost magnetu.
2. Typické magnetické vlastnosti slinutého NdFeB používaného v generátorech větrných turbín s permanentními magnety

Permanentní magnet z neodymového železa a bóru se nazývá permanentní magnet třetí generace vzácných zemin a je to materiál s permanentními magnety s dosud vyšším magnetickým výkonem. Hlavní fází slinuté slitiny NdFeB je intermetalická sloučenina Nd2Fe14B a její saturační magnetická polarizace (Js) je 1,6T. Vzhledem k tomu, že slinutá slitina permanentních magnetů NdFeB se skládá z hlavní fáze Nd2Fe14B a fáze na hranicích zrn a orientace zrn Nd2Fe14B je omezena podmínkami procesu, může aktuální remanence magnetu dosáhnout až 1,5T. Německá společnost pro vakuové tavení (Vacuumschmelze GmbH) vyrobila magnety NdFeB s max. produkt magnetické energie (BH) max. 57MGOe. Domácí výrobci NdFeB mohou vyrábět magnety třídy N50 s max. produkt magnetické energie 53MGOe (Poznámka: Tento článek byl publikován v roce 2010. S rozvojem technologie jsou na trhu již magnety třídy N54 a produkt s vyšší magnetickou energií je až 55MGOe). Zvýšení hlavního fázového poměru slitiny, zvýšení orientace krystalových zrn a hustoty magnetu může zvýšit max. energetický produkt magnetu; ale nepřekročí teoretickou hodnotu 64MGOe pro max. energetický produkt monokrystalu Nd2Fe14B. Jinluncicai.com je vedoucí výrobce a továrna v dodavatelských sériích magnetů a materiálu NdFeb.

Křivka demagnetizace NdFeB při pokojové teplotě je podobná přímce. Proto se při navrhování motorů s permanentními magnety často volí vysoce kvalitní neodymový železitý bór (tj. vysoký (BH) max materiálu) pro získání vysoké magnetické hustoty vzduchové mezery. Za chodu motoru je z důvodu existence střídavého demagnetizačního pole a demagnetizačního efektu okamžitého velkého proudu při náhlé změně zátěže nutné zvolit neodymový železnoborový magnet s dostatečně vysokou koercitivitou.

Přidání prvků, jako je dysprosium (terbium) do slitiny, zvyšuje vnitřní koercitivitu (jHc) neodymového železa a boru, ale odpovídajícím způsobem se sníží remanence (Br) magnetu. Proto vysoce výkonné magnety NdFeB používané v generátorech větrných turbín zohledňují jeho koercitivitu a remanenci.
3. Teplotní stabilita permanentního magnetu NdFeB

Větrné elektrárny pracují v divočině a odolávají zkoušce spalujícího horka a chladu; současně ztráta motoru také vede k nárůstu teploty motoru. Slinuté magnety NdFeB uvedené v tabulce výše mohou pracovat při 120 °C. Curieova teplota slitiny permanentních magnetů NdFeB je asi 310 ℃. Když teplota magnetu překročí Curieův bod, změní se z feromagnetismu na paramagnetismus. Pod Curieovou teplotou remanence NdFeB klesá s rostoucí teplotou a jeho teplotní koeficient remanence α (Br) je -0,095~-0,105%/℃. Koercitivní síla NdFeB také klesá s rostoucí teplotou a teplotní koeficient β (jHc) jeho koercitivní síly je -0,54~-0,64%/℃. Zvolte vhodnou koercitivní sílu, magnet má stále dostatečně vysokou koercitivní sílu při max. pracovní teplota konstrukce motoru; jinak dojde ke ztrátě magnetizace.

Remanence a koercivita materiálů permanentních magnetů NdFeB se vzájemně doplňují. Přidání těžkých prvků vzácných zemin dysprosium (Dy) a terbium (Tb) do slitiny může významně zvýšit koercitivitu magnetu. Jak se koercivita zvyšuje, remanence a max. součin magnetické energie se odpovídajícím způsobem snižuje. Je zřejmé, že volba vysokokoercitivní magnetické oceli pro větrné turbíny musí být na úkor remanence a max. produkt magnetické energie.

4, konzistence magnetických vlastností větrných magnetů NdFeB

NdFeB magnety jsou vyráběny speciálním procesem práškové metalurgie a hlavní výrobní proces je dokončen v ochranné atmosféře nebo ve vakuu. Neodymové železo borové zelené tělo je lisováno ve velmi silném (~1,5T) magnetickém poli. Velikost NdFeB magnetů je omezena těmito speciálními procesními podmínkami.

Velký větrný generátor s permanentními magnety obvykle používá tisíce neodymových železných bórových magnetů a každý pól rotoru se skládá z mnoha magnetů. Konzistence pólů rotoru vyžaduje konzistenci magnetické oceli, včetně konzistence rozměrových tolerancí a magnetických vlastností. Takzvaná konzistence magnetických vlastností zahrnuje malou odchylku magnetických vlastností mezi různými jedinci, stejně jako jednotnost magnetických vlastností jednoho magnetu.

Existují dva typy magnetismu: zdánlivý magnetismus a vnitřní magnetismus. Takzvaný zdánlivý magnetismus magnetické oceli lze měřit jejím magnetickým tokem v otevřeném obvodu a silou jejího povrchového magnetického pole. Zdánlivý magnetismus magnetu souvisí s tvarem a stavem magnetizace magnetu. Vlastní charakteristiky magnetické oceli se testují měřením demagnetizační křivky vzorku. Křivka demagnetizace je součástí hysterezní smyčky, která odráží charakteristiky obrácení magnetizace materiálu permanentního magnetu. Změřte demagnetizační křivku vzorku magnetické oceli za předpokladu, že vzorek musí být před měřením nasycený magnetizován.

Pro zjištění, zda je magnetismus jednoho magnetu rovnoměrný, je nutné magnet rozřezat na několik malých kousků a změřit jejich demagnetizační křivky. Během výrobního procesu, aby bylo možné zkontrolovat, zda je magnetismus pece s magnety konzistentní, je nutné odebírat vzorky magnetů z různých částí slinovací pece, aby se změřila demagnetizační křivka vzorku. Protože měřicí zařízení je velmi drahé a je již nemožné zajistit integritu každého kusu magnetické oceli, který má být měřen. Nelze tedy kontrolovat všechny produkty. Konzistence magnetických vlastností NdFeB musí být zaručena výrobním zařízením a řízením procesu.

5. Korozní odolnost NdFeB

Slitina NdFeB obsahuje aktivní prvky vzácných zemin, které snadno oxidují a korodují. V aplikacích, pokud není NdFeB zapouzdřen a izolován od vzduchu a vody, je třeba povrch NdFeB ošetřit antikorozní úpravou. Běžnými antikorozními povlaky jsou galvanicky pokovený nikl, elektrogalvanizovaná a elektroforetická epoxidová pryskyřice. Povrchová úprava fosfátováním může krátkodobě zabránit rezivění NdFeB v relativně suchém prostředí.

Intermetalické sloučeniny vzácných zemin mohou reagovat s vodíkem za určitého tlaku a teploty. Poté, co NdFeB absorbuje vodík, uvolňuje teplo a rozbije se. Této vlastnosti využívá drcení vodíku při výrobě NdFeB. Z hlediska použití jsou vodíkové fragmenty NdFeB škodlivé. Přesně řečeno, koroze NdFeB začíná jeho zpracováním. Odmašťování po řezání a broušení, moření před galvanickým pokovováním a proces galvanického pokovování, to vše má vliv na povrchovou vrstvu NdFeB. Nesprávný proces úpravy může způsobit nekvalifikovanou kvalitu povlaku (jako jsou dírky) a spojení povrchové vrstvy NdFeB a vrstvy povlaku není pevné.

Stojí za zmínku, že ačkoli jsou magnetické vlastnosti NdFeB magnetů stejné značky vyráběných různými výrobci v zásadě stejné, budou rozdíly ve složení slitin, zejména mikrostruktura magnetů může být velmi odlišná. Magnetická ocel s dobrým výkonem a dobrou odolností proti korozi má vlastnosti jemných a stejnoměrných zrn a vysokou hustotu magnetů. Na následujících dvou metalografických fotografiích slinutých NdFeB magnetů mají magnety vlevo jemná a stejnoměrná zrna a magnety vpravo velká a nerovnoměrná zrna.
6. Test spolehlivosti NdFeB magnetu

Konstrukční životnost generátorů větrných turbín je 20 let, což znamená, že magnetickou ocel lze používat 20 let, její magnetický výkon není výrazně utlumen a magnetická ocel není zkorodovaná. Následující zkušební a kontrolní metody mohou být použity jako metody pro výrobce a uživatele větrné magnetické oceli pro hodnocení a kontrolu magnetů.

Test beztíže: jako vzorek použijte obdélníkovou černou desku o rozměrech 10 mm × 10 mm × 12 mm (výška 12 mm je směr magnetizace), umístěte jej do 2 standardního atmosférického tlaku, čisté vlhkosti, prostředí 120 °C, vyjměte po 48 hodinách a vyjměte vrstvu oxidu Odstranění, ztráta hmotnosti je menší než 0,2 mg/cm2.
Test tepelné demagnetizace: 120 ℃ × 4 hodiny, ztráta magnetického toku v otevřeném obvodu je menší než 3 %.
Test tepelného šoku: Po 3 cyklech vysokých a nízkých teplot od -40 °C do 120 °C je ztráta magnetického toku v otevřeném obvodu menší než 3 %.
Test solnou mlhou a test teploty a vlhkosti jsou metody pro hodnocení galvanicky pokovených povlaků a jiných antikorozních povlaků.
Další fyzikální vlastnosti, jako je koeficient tepelné roztažnosti, tepelná vodivost, elektrický odpor a mechanická pevnost, všechny mají různý stupeň vlivu na použitelnost a spolehlivost magnetické oceli.

Shrnutí
1. Tento článek představuje magnetické parametry neodymových železobórových permanentních magnetů pro megawattové větrné turbíny.
2. Slinutý NdFeB s vysokou koercitivitou může zajistit, že magnet má stále dostatečnou koercitivitu při vysoké teplotě, aby se zabránilo vysoké teplotní ztrátě magnetismu.
3. Odolnost magnetické oceli větrného motoru proti korozi závisí nejen na povrchové úpravě magnetu, ale také na odolnosti substrátu proti korozi.

4. Testovací metody spolehlivosti magnetů zahrnují test beztíže, test tepelné demagnetizace, test odolnosti povlaku proti korozi atd.