Applicazione di magneti NdFeB sinterizzati ad alte prestazioni nei generatori di turbine eoliche

Il generatore eolico a magnete permanente adotta un magnete permanente al neodimio ferro boro sinterizzato ad alte prestazioni magnetiche, che ha una coercività sufficientemente elevata per evitare la perdita di magnetismo ad alta temperatura. La durata del magnete dipende dal materiale di base e dal trattamento anticorrosivo superficiale. L'anticorrosione dell'acciaio magnetico NdFeB dovrebbe iniziare dalla produzione.
1. Introduzione

Il generatore eolico a magnete permanente a trasmissione diretta adotta la girante della ventola per azionare direttamente il generatore in rotazione, eliminando la scatola del cambio con aumento di velocità richiesta dal tradizionale generatore eolico asincrono a doppia alimentazione con eccitazione CA ed evitando il malfunzionamento e la manutenzione della scatola del cambio durante il funzionamento. Allo stesso tempo, il generatore eolico a magnete permanente adotta l'eccitazione a magnete permanente, nessun avvolgimento di eccitazione e nessun anello collettore e spazzola sul rotore; pertanto, la struttura è semplice e l'operazione è affidabile. Dal 1993 la Enercon GmbH ha sviluppato in Germania la prima turbina eolica a magneti permanenti ad azionamento diretto su larga scala. Lo sviluppo delle turbine eoliche e delle turbine eoliche a magneti permanenti è in ascesa. Il livello complessivo delle turbine eoliche a magneti permanenti della Cina è stato all'avanguardia nel mondo.

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L'ambiente di lavoro di una turbina eolica è molto duro e deve essere in grado di resistere alla prova di alte temperature, freddo intenso, vento e sabbia, umidità e persino nebbia salina. La vita di progetto di una turbina eolica è generalmente di venti anni. Attualmente, i magneti permanenti al neodimio ferro boro sinterizzati vengono utilizzati sia per piccole turbine eoliche che per turbine eoliche a magneti permanenti da megawatt. Pertanto, la selezione dei parametri magnetici del magnete permanente NdFeB e i requisiti per la resistenza alla corrosione del magnete sono molto importanti.
2. Proprietà magnetiche tipiche del NdFeB sinterizzato utilizzato nei generatori di turbine eoliche a magneti permanenti

Il magnete permanente al neodimio ferro boro è chiamato il magnete permanente delle terre rare di terza generazione ed è finora il materiale magnetico permanente con le prestazioni magnetiche più elevate. La fase principale della lega NdFeB sinterizzata è il composto intermetallico Nd2Fe14B e la sua polarizzazione magnetica di saturazione (Js) è 1,6T. Poiché la lega a magnete permanente NdFeB sinterizzata è composta dalla fase principale Nd2Fe14B e dalla fase limite del grano, e l'orientamento del grano di Nd2Fe14B è limitato dalle condizioni di processo, la rimanenza del magnete attuale può raggiungere fino a 1,5T. L'azienda tedesca di fusione sotto vuoto (Vacuumschmelze GmbH) ha prodotto magneti NdFeB con una dimensione max. prodotto di energia magnetica (BH) massimo di 57MGOe. I produttori nazionali di NdFeB possono produrre magneti di grado N50 con un max. prodotto di energia magnetica di 53MGOe (Nota: questo articolo è stato pubblicato nel 2010. Con lo sviluppo della tecnologia, ci sono già magneti di grado N54 sul mercato e il prodotto di energia magnetica più elevato arriva fino a 55MGOe). Aumentando il rapporto di fase principale della lega, aumentando l'orientamento dei grani di cristallo e la densità del magnete è possibile aumentare la max. prodotto energetico del magnete; ma non supererà il valore teorico di 64MGOe per il massimo. prodotto energetico del singolo cristallo Nd2Fe14B. Jinluncicai.com guida il produttore e la fabbrica nella serie di forniture di magneti e materiali NdFeb.

La curva di smagnetizzazione del NdFeB a temperatura ambiente è simile ad una linea retta. Pertanto, quando si progettano motori a magneti permanenti, viene spesso selezionato neodimio ferro boro di alta qualità (ovvero un elevato (BH) massimo del materiale) per ottenere un'elevata densità magnetica del traferro. Quando il motore è in funzione, a causa dell'esistenza del campo di smagnetizzazione alternato e dell'effetto smagnetizzante della grande corrente istantanea quando il carico cambia improvvisamente, è necessario selezionare un magnete al neodimio ferro boro con una coercività sufficientemente elevata.

L'aggiunta di elementi come il disprosio (terbio) alla lega aumenta la coercività intrinseca (jHc) del neodimio ferro boro, ma la rimanenza (Br) del magnete diminuirà di conseguenza. Pertanto, i magneti NdFeB ad alte prestazioni utilizzati nei generatori di turbine eoliche tengono conto della sua coercitività e rimanenza.
3. Stabilità della temperatura del magnete permanente NdFeB

I generatori eolici lavorano nelle zone selvagge e sopportano la prova del caldo e del freddo torridi; allo stesso tempo, la perdita del motore porta anche all'aumento della temperatura del motore. I magneti NdFeB sinterizzati indicati nella tabella sopra possono funzionare a 120°C. La temperatura Curie della lega a magneti permanenti NdFeB è di circa 310 ℃. Quando la temperatura del magnete supera il punto di Curie, passa dal ferromagnetismo al paramagnetismo. Al di sotto della temperatura di Curie, la rimanenza di NdFeB diminuisce con l'aumentare della temperatura e il suo coefficiente di temperatura di rimanenza α (Br) è -0,095~-0,105%/℃. Anche la forza coercitiva di NdFeB diminuisce con l'aumento della temperatura e il coefficiente di temperatura β (jHc) della sua forza coercitiva è -0,54~-0,64%/℃. Scegliere la forza coercitiva adeguata, al massimo il magnete ha ancora una forza coercitiva sufficientemente elevata. temperatura di esercizio del progetto del motore; in caso contrario, si verificherà una perdita di magnetizzazione.

La rimanenza e la coercività dei materiali magnetici permanenti NdFeB sono complementari. L'aggiunta di elementi pesanti delle terre rare disprosio (Dy) e terbio (Tb) alla lega può aumentare significativamente la coercività del magnete. All'aumentare della coercività, la rimanenza e il max. il prodotto di energia magnetica diminuisce di conseguenza. Ovviamente, la scelta dell'acciaio magnetico ad alta coercività per le turbine eoliche deve avvenire a scapito della rimanenza e del max. prodotto di energia magnetica.

4, la consistenza delle proprietà magnetiche dei magneti NdFeB dell'energia eolica

I magneti NdFeB sono prodotti utilizzando uno speciale processo di metallurgia delle polveri e il processo di produzione principale viene completato in atmosfera protettiva o sotto vuoto. Il corpo verde boro ferro neodimio è pressato in un campo magnetico molto forte (~ 1,5 T). La dimensione dei magneti NdFeB è limitata da queste speciali condizioni di processo.

Un grande generatore eolico a magnete permanente utilizza solitamente migliaia di magneti al neodimio ferro boro e ciascun polo del rotore è composto da molti magneti. La consistenza dei poli del rotore richiede la consistenza dell'acciaio magnetico, inclusa la consistenza delle tolleranze dimensionali e delle proprietà magnetiche. La cosiddetta coerenza delle proprietà magnetiche comprende la piccola deviazione delle proprietà magnetiche tra individui diversi, nonché l'uniformità delle proprietà magnetiche di un singolo magnete.

Esistono due tipi di magnetismo: magnetismo apparente e magnetismo intrinseco. Il cosiddetto magnetismo apparente dell'acciaio magnetico può essere misurato dal suo flusso magnetico a circuito aperto e dall'intensità del campo magnetico superficiale. Il magnetismo apparente del magnete è legato alla forma e allo stato di magnetizzazione del magnete. Le caratteristiche intrinseche dell'acciaio magnetico vengono testate misurando la curva di smagnetizzazione del campione. La curva di smagnetizzazione fa parte del ciclo di isteresi, che riflette le caratteristiche di inversione della magnetizzazione del materiale del magnete permanente. Misurare la curva di smagnetizzazione di un campione di acciaio magnetico, a condizione che il campione debba essere magnetizzato saturato prima della misurazione.

Per rilevare se il magnetismo di un singolo magnete è uniforme, è necessario tagliare il magnete in più piccoli pezzi e misurare le loro curve di smagnetizzazione. Durante il processo di produzione, per verificare se il magnetismo di un forno di magneti è coerente, è necessario campionare i magneti da diverse parti del forno di sinterizzazione per misurare la curva di smagnetizzazione del campione. Perché gli strumenti di misura sono molto costosi ed è quasi impossibile garantire l'integrità di ogni pezzo di acciaio magnetico da misurare. Pertanto, non tutti i prodotti possono essere ispezionati. La coerenza delle proprietà magnetiche del NdFeB deve essere garantita dalle apparecchiature di produzione e dal controllo del processo.

5. Resistenza alla corrosione di NdFeB

La lega NdFeB contiene elementi attivi di terre rare, facili da ossidare e arrugginire. Nelle applicazioni, a meno che l'NdFeB non sia incapsulato e isolato dall'aria e dall'acqua, la superficie dell'NdFeB deve essere trattata con anticorrosione. I rivestimenti anticorrosione comuni sono nichel elettrolitico, resina epossidica elettrogalvanizzata ed elettroforetica. Il trattamento di fosfatazione superficiale può impedire la ruggine del NdFeB in un ambiente relativamente secco per un breve periodo.

I composti intermetallici delle terre rare possono reagire con l'idrogeno a determinate pressioni e temperature. Dopo che NdFeB ha assorbito l'idrogeno, rilascia calore e si rompe. La frantumazione dell'idrogeno nella produzione di NdFeB sfrutta questa caratteristica. Dal punto di vista dell'utilizzo i frammenti idrogeno del NdFeB sono dannosi. A rigor di termini, la corrosione del NdFeB inizia dalla sua lavorazione. Lo sgrassaggio dopo il taglio e la macinazione, il decapaggio prima della galvanica e il processo di galvanica hanno tutti un impatto sullo strato superficiale di NdFeB. Un processo di trattamento improprio può causare una qualità del rivestimento non qualificata (come fori di spillo) e il legame dello strato superficiale NdFeB e dello strato di rivestimento non è forte.

Vale la pena notare che sebbene le proprietà magnetiche dei magneti NdFeB della stessa marca prodotti da diversi produttori siano sostanzialmente le stesse, ci saranno differenze nella composizione delle leghe, in particolare la microstruttura dei magneti potrebbe essere molto diversa. L'acciaio magnetico con buone prestazioni e buona resistenza alla corrosione ha le caratteristiche di grani fini e uniformi e un'elevata densità dei magneti. Nelle seguenti due foto metallografiche di magneti NdFeB sinterizzati, i magneti mostrati a sinistra hanno grani fini e uniformi, mentre i magneti mostrati a destra hanno grani grandi e irregolari.
6. Test di affidabilità del magnete NdFeB

La durata di progettazione dei generatori eolici è di 20 anni, il che significa che l'acciaio magnetico può essere utilizzato per 20 anni, le sue prestazioni magnetiche non sono significativamente attenuate e l'acciaio magnetico non è corroso. I seguenti metodi di test e ispezione possono essere utilizzati dai produttori e dagli utenti dell'acciaio magnetico eolico per valutare e ispezionare i magneti.

Test di assenza di gravità: utilizzare una piastra nera rettangolare da 10 mm x 10 mm x 12 mm come campione (l'altezza di 12 mm è la direzione di magnetizzazione), posizionarla a 2 pressioni atmosferiche standard, umidità pura, ambiente a 120 ℃, estrarre dopo 48 ore ed eliminare lo strato di ossido. Rimozione, la perdita di peso è inferiore a 0,2 mg/cm2.
Test di smagnetizzazione termica: 120 ℃ × 4 ore, la perdita di flusso magnetico a circuito aperto è inferiore al 3%.
Test di shock termico: dopo 3 cicli di alte e basse temperature da -40°C a 120°C, la perdita di flusso magnetico a circuito aperto è inferiore al 3%.
Il test in nebbia salina e il test di temperatura e umidità sono metodi per valutare i rivestimenti galvanici e altri rivestimenti anticorrosivi.
Altre proprietà fisiche, come il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica, la resistività elettrica e la resistenza meccanica, hanno tutte diversi gradi di influenza sull'utilizzabilità e sull'affidabilità dell'acciaio magnetico.

Sommario
1. Questo articolo introduce i parametri magnetici dei magneti permanenti al neodimio ferro boro per turbine eoliche da megawatt.
2. NdFeB sinterizzato ad alta coercività può garantire che il magnete abbia ancora abbastanza coercività ad alta temperatura per evitare perdita di magnetismo ad alta temperatura.
3. La resistenza alla corrosione dell'acciaio magnetico del motore eolico dipende non solo dal trattamento di rivestimento superficiale del magnete, ma anche dalla resistenza alla corrosione del substrato.

4. I metodi di prova dell'affidabilità del magnete includono test di assenza di gravità, test di smagnetizzazione termica, test di resistenza alla corrosione del rivestimento, ecc.