Aplikácia vysokovýkonných sintrovaných NdFeB magnetov v generátoroch veterných turbín

Veterný generátor s permanentnými magnetmi využíva sintrovaný neodýmový železobórový permanentný magnet s vysokým magnetickým výkonom, ktorý má dostatočne vysokú koercitivitu, aby sa zabránilo strate magnetizmu pri vysokej teplote. Životnosť magnetu závisí od základného materiálu a povrchovej antikoróznej úpravy. Antikorózna magnetická oceľ NdFeB by mala začať už od výroby.
1. Úvod

Veterný generátor s permanentným magnetom s priamym pohonom využíva obežné koleso ventilátora na priame poháňanie generátora, aby sa otáčal, čím sa eliminuje prevodovka zvyšujúca rýchlosť, ktorú vyžaduje tradičný asynchrónny veterný generátor s dvojitým napájaním striedavým prúdom, a zabraňuje sa poruche a údržbe prevodovky počas prevádzky. Súčasne veterný generátor s permanentnými magnetmi využíva budenie permanentným magnetom, žiadne budecie vinutie a žiadny zberací krúžok a kefu na rotore; preto je konštrukcia jednoduchá a prevádzka spoľahlivá. Od roku 1993 vyvinula spoločnosť Enercon GmbH v Nemecku prvú veľkú veternú turbínu s permanentným magnetom s priamym pohonom. Vývoj veterných turbín a veterných turbín s permanentnými magnetmi je na vzostupe. Celková úroveň čínskych veterných turbín s permanentnými magnetmi je na popredných miestach vo svete.

Kliknite a navštívte naše produkty: Spekaný magnet NdFeB

Pracovné prostredie veternej turbíny je veľmi drsné a musí byť schopné odolať skúške vysokej teploty, silného chladu, vetra a piesku, vlhkosti a dokonca aj soľnej hmly. Konštrukčná životnosť veternej turbíny je vo všeobecnosti dvadsať rokov. V súčasnosti sa permanentné magnety zo spekaného neodýmu a železa a bóru používajú ako pre malé veterné turbíny, tak aj pre megawattové veterné turbíny s permanentnými magnetmi. Preto je veľmi dôležitý výber magnetických parametrov permanentného magnetu NdFeB a požiadavky na koróznu odolnosť magnetu.
2. Typické magnetické vlastnosti spekaného NdFeB používaného v generátoroch veterných turbín s permanentnými magnetmi

Permanentný magnet z neodymového železa a bóru sa nazýva permanentný magnet tretej generácie vzácnych zemín a je to materiál s permanentnými magnetmi s doteraz vyšším magnetickým výkonom. Hlavnou fázou spekanej zliatiny NdFeB je intermetalická zlúčenina Nd2Fe14B a jej saturačná magnetická polarizácia (Js) je 1,6T. Pretože spekaná zliatina permanentného magnetu NdFeB pozostáva z hlavnej fázy Nd2Fe14B a fázy na hranici zŕn a orientácia zŕn Nd2Fe14B je obmedzená procesnými podmienkami, súčasná remanencia magnetu môže dosiahnuť až 1,5T. Nemecká vákuová taviaca spoločnosť (Vacuumschmelze GmbH) vyrobila NdFeB magnety s max. produkt magnetickej energie (BH) max 57MGOe. Domáci výrobcovia NdFeB dokážu vyrobiť magnety triedy N50 s max. magnetický energetický produkt 53MGOe (Poznámka: Tento článok bol publikovaný v roku 2010. S rozvojom technológie sú na trhu už magnety triedy N54 a produkt s vyššou magnetickou energiou je až 55MGOe). Zvýšenie hlavného fázového pomeru zliatiny, zvýšenie orientácie kryštálových zŕn a hustoty magnetu môže zvýšiť max. energetický produkt magnetu; ale nepresiahne teoretickú hodnotu 64MGOe pre max. energetický produkt monokryštálu Nd2Fe14B. Jinluncicai.com je vedúcim výrobcom a továrňou v dodávateľských sériách magnetov a materiálu NdFeb.

Demagnetizačná krivka NdFeB pri izbovej teplote je podobná priamke. Preto sa pri navrhovaní motorov s permanentnými magnetmi často vyberá vysokokvalitný neodýmový železobór (t. j. vysoký (BH) max materiálu) na získanie vysokej magnetickej hustoty vzduchovej medzery. Pri bežiacom motore je v dôsledku existencie striedavého demagnetizačného poľa a demagnetizačného účinku okamžitého veľkého prúdu pri náhlej zmene záťaže potrebné zvoliť neodýmový železobórový magnet s dostatočne vysokou koercitivitou.

Pridanie prvkov, ako je dysprosium (terbium) do zliatiny, zvyšuje vnútornú koercitivitu (jHc) neodýmu a železa bóru, ale remanencia (Br) magnetu sa zodpovedajúcim spôsobom zníži. Preto vysokovýkonné magnety NdFeB používané v generátoroch veterných turbín zohľadňujú jeho koercitivitu a remanenciu.
3. Teplotná stabilita permanentného magnetu NdFeB

Veterné generátory pracujú v divočine a vydržia skúšku horúčavy a chladu; strata motora zároveň vedie k zvýšeniu teploty motora. Spekané magnety NdFeB uvedené v tabuľke vyššie môžu pracovať pri 120 °C. Curieova teplota zliatiny permanentných magnetov NdFeB je približne 310 ℃. Keď teplota magnetu prekročí Curieho bod, zmení sa z feromagnetizmu na paramagnetizmus. Pod Curieho teplotou remanencia NdFeB klesá so zvyšujúcou sa teplotou a jeho teplotný koeficient remanencie α (Br) je -0,095~-0,105%/℃. Koercitívna sila NdFeB tiež klesá so zvyšujúcou sa teplotou a teplotný koeficient β (jHc) jeho koercitívnej sily je -0,54~-0,64%/℃. Zvoľte vhodnú donucovaciu silu, magnet má stále dostatočne vysokú donucovaciu silu pri max. pracovná teplota konštrukcie motora; inak dôjde k strate magnetizácie.

Remanencia a koercivita materiálov permanentných magnetov NdFeB sa navzájom dopĺňajú. Pridanie ťažkých prvkov vzácnych zemín dysprosium (Dy) a terbium (Tb) do zliatiny môže výrazne zvýšiť koercitivitu magnetu. So zvyšujúcou sa koercitivitou sa zvyšuje remanencia a max. súčin magnetickej energie zodpovedajúcim spôsobom klesá. Je zrejmé, že výber vysokokoercitívnej magnetickej ocele pre veterné turbíny musí byť na úkor remanencie a max. produkt magnetickej energie.

4, konzistencia magnetických vlastností magnetov NdFeB veternej energie

Magnety NdFeB sa vyrábajú špeciálnym procesom práškovej metalurgie a hlavný výrobný proces je ukončený v ochrannej atmosfére alebo vo vákuu. Zelené telo neodýmu a železa bóru je lisované vo veľmi silnom (~1,5T) magnetickom poli. Veľkosť NdFeB magnetov je obmedzená týmito špeciálnymi procesnými podmienkami.

Veľký veterný generátor s permanentnými magnetmi zvyčajne používa tisíce neodýmových železobórových magnetov a každý pól rotora sa skladá z mnohých magnetov. Konzistencia pólov rotora vyžaduje konzistenciu magnetickej ocele vrátane konzistencie rozmerových tolerancií a magnetických vlastností. Takzvaná konzistencia magnetických vlastností zahŕňa malú odchýlku magnetických vlastností medzi rôznymi jednotlivcami, ako aj jednotnosť magnetických vlastností jedného magnetu.

Existujú dva typy magnetizmu: zdanlivý magnetizmus a vnútorný magnetizmus. Takzvaný zdanlivý magnetizmus magnetickej ocele možno merať jej magnetickým tokom v otvorenom obvode a silou jej povrchového magnetického poľa. Zdanlivý magnetizmus magnetu súvisí s tvarom a stavom magnetizácie magnetu. Vlastné charakteristiky magnetickej ocele sa testujú meraním demagnetizačnej krivky vzorky. Demagnetizačná krivka je súčasťou hysteréznej slučky, ktorá odráža charakteristiky reverznej magnetizácie materiálu permanentného magnetu. Zmerajte demagnetizačnú krivku vzorky magnetickej ocele za predpokladu, že vzorka musí byť pred meraním nasýtená magnetizáciou.

Na zistenie, či je magnetizmus jedného magnetu rovnomerný, je potrebné magnet rozrezať na niekoľko malých kúskov a zmerať ich demagnetizačné krivky. Počas výrobného procesu, aby sa skontrolovalo, či je magnetizmus pece magnetov konzistentný, je potrebné odobrať vzorky magnetov z rôznych častí spekacej pece, aby sa zmerala demagnetizačná krivka vzorky. Pretože meracie zariadenie je veľmi drahé a je takmer nemožné zabezpečiť integritu každého kusu magnetickej ocele, ktorá sa má merať. Preto nie je možné kontrolovať všetky produkty. Konzistentnosť magnetických vlastností NdFeB musí byť zaručená výrobným zariadením a kontrolou procesu.

5. Odolnosť NdFeB proti korózii

Zliatina NdFeB obsahuje aktívne prvky vzácnych zemín, ktoré ľahko oxidujú a hrdzavejú. V aplikáciách, pokiaľ nie je NdFeB zapuzdrený a izolovaný od vzduchu a vody, musí byť povrch NdFeB ošetrený antikoróznou úpravou. Bežné antikorózne nátery sú galvanizovaný nikel, elektrogalvanizovaná a elektroforetická epoxidová živica. Povrchová fosfátovacia úprava dokáže krátkodobo zabrániť hrdzaveniu NdFeB v relatívne suchom prostredí.

Intermetalické zlúčeniny vzácnych zemín môžu pri určitom tlaku a teplote reagovať s vodíkom. Potom, čo NdFeB absorbuje vodík, uvoľňuje teplo a láme sa. Túto vlastnosť využíva drvenie vodíka pri výrobe NdFeB. Z hľadiska použitia sú vodíkové fragmenty NdFeB škodlivé. Presne povedané, korózia NdFeB začína jeho spracovaním. Odmasťovanie po rezaní a brúsení, morenie pred elektrolytickým pokovovaním a proces elektrolytického pokovovania majú vplyv na povrchovú vrstvu NdFeB. Nesprávny proces úpravy môže spôsobiť nekvalifikovanú kvalitu povlaku (napríklad dierky) a spojenie povrchovej vrstvy NdFeB a vrstvy povlaku nie je pevné.

Stojí za zmienku, že hoci magnetické vlastnosti NdFeB magnetov tej istej značky vyrábaných rôznymi výrobcami sú v podstate rovnaké, rozdiely budú v zložení zliatin, najmä mikroštruktúra magnetov môže byť veľmi odlišná. Magnetická oceľ s dobrým výkonom a dobrou odolnosťou proti korózii má vlastnosti jemných a rovnomerných zŕn a vysokú hustotu magnetov. Na nasledujúcich dvoch metalografických fotografiách sintrovaných magnetov NdFeB majú magnety zobrazené vľavo jemné a rovnomerné zrná a magnety zobrazené vpravo veľké a nerovnomerné zrná.
6. Test spoľahlivosti magnetu NdFeB

Konštrukčná životnosť generátorov veterných turbín je 20 rokov, čo znamená, že magnetickú oceľ možno používať 20 rokov, jej magnetický výkon nie je výrazne utlmený a magnetická oceľ nie je skorodovaná. Nasledujúce testovacie a kontrolné metódy môžu byť použité ako metódy pre výrobcov a používateľov veternej magnetickej ocele na vyhodnotenie a kontrolu magnetov.

Test beztiaže: ako vzorku použite obdĺžnikovú čiernu dosku s rozmermi 10 mm × 10 mm × 12 mm (12 mm výška je smer magnetizácie), umiestnite ju do 2 štandardného atmosférického tlaku, čistej vlhkosti, 120 ° C, vyberte po 48 hodinách a vyberte vrstvu oxidu Odstránenie, strata hmotnosti je menšia ako 0,2 mg / cm2.
Test tepelnej demagnetizácie: 120 ℃ × 4 hodiny, strata magnetického toku v otvorenom obvode je menšia ako 3%.
Test tepelným šokom: Po 3 cykloch vysokých a nízkych teplôt od -40 °C do 120 °C je strata magnetického toku v otvorenom obvode menšia ako 3 %.
Skúška soľným postrekom a skúška teploty a vlhkosti sú metódy na hodnotenie galvanicky pokovovaných povlakov a iných antikoróznych povlakov.
Ostatné fyzikálne vlastnosti, ako sú koeficient tepelnej rozťažnosti, tepelná vodivosť, elektrický odpor a mechanická pevnosť, všetky majú rôzne stupne vplyvu na použiteľnosť a spoľahlivosť magnetickej ocele.

Zhrnutie
1. Tento článok predstavuje magnetické parametre neodymových železobórových permanentných magnetov pre megawattové veterné turbíny.
2. Sintrovaný NdFeB s vysokou koercitivitou môže zabezpečiť, že magnet má stále dostatočnú koercitivitu pri vysokej teplote, aby sa zabránilo vysokej teplotnej strate magnetizmu.
3. Odolnosť magnetickej ocele veterného motora proti korózii závisí nielen od povrchovej úpravy magnetu, ale aj od koróznej odolnosti podkladu.

4. Testovacie metódy spoľahlivosti magnetov zahŕňajú test beztiaže, test tepelnej demagnetizácie, test odolnosti povlaku proti korózii atď.