Aplicação de ímãs NdFeB sinterizados de alto desempenho em geradores de turbinas eólicas

O gerador eólico de ímã permanente adota ímã permanente de neodímio ferro boro de alto desempenho magnético, que tem uma coercividade suficientemente alta para evitar perda de magnetismo em alta temperatura. A vida útil do ímã depende do material de base e do tratamento anticorrosivo da superfície. A anticorrosão do aço magnético NdFeB deve começar desde a fabricação.
1. Introdução

O gerador eólico de ímã permanente de acionamento direto adota o impulsor do ventilador para acionar diretamente o gerador para girar, eliminando a caixa de engrenagens de aumento de velocidade exigida pelo tradicional gerador eólico assíncrono de alimentação dupla com excitação CA tradicional e evitando o mau funcionamento e manutenção da caixa de engrenagens durante a operação. Ao mesmo tempo, o gerador eólico de ímã permanente adota excitação de ímã permanente, sem enrolamento de excitação e sem anel coletor e escova no rotor; portanto, a estrutura é simples e a operação é confiável. De 1993, a Enercon GmbH, na Alemanha, desenvolveu a primeira turbina eólica de ímã permanente de acionamento direto em grande escala. O desenvolvimento de turbinas eólicas e turbinas eólicas de ímã permanente está em ascensão. O nível geral das turbinas eólicas de ímã permanente da China tem estado na vanguarda mundial.

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O ambiente de trabalho de uma turbina eólica é muito severo e deve ser capaz de resistir ao teste de altas temperaturas, frio intenso, vento e areia, umidade e até névoa salina. A vida útil projetada de uma turbina eólica é geralmente de vinte anos. Atualmente, ímãs permanentes de neodímio, ferro e boro são usados ​​tanto para pequenas turbinas eólicas quanto para turbinas eólicas de ímã permanente de megawatts. Portanto, a seleção dos parâmetros magnéticos do ímã permanente NdFeB e os requisitos para a resistência à corrosão do ímã são muito importantes.
2. Propriedades magnéticas típicas de NdFeB sinterizado usado em geradores de turbinas eólicas de ímã permanente

O ímã permanente de neodímio ferro boro é chamado de ímã permanente de terras raras de terceira geração e é o material de ímã permanente com maior desempenho magnético até agora. A fase principal da liga NdFeB sinterizada é o composto intermetálico Nd2Fe14B, e sua polarização magnética de saturação (Js) é 1,6T. Como a liga magnética permanente NdFeB sinterizada é composta pela fase principal Nd2Fe14B e pela fase de contorno de grão, e a orientação do grão de Nd2Fe14B é limitada pelas condições do processo, a remanência atual do ímã pode atingir até 1,5T. A empresa alemã de fundição a vácuo (Vacuumschmelze GmbH) produziu ímãs NdFeB com máx. produto de energia magnética (BH) máximo de 57MGOe. Os fabricantes nacionais de NdFeB podem produzir ímãs de grau N50 com no máximo. produto de energia magnética de 53MGOe (Nota: Este artigo foi publicado em 2010. Com o desenvolvimento da tecnologia, já existem ímãs de grau N54 no mercado, e o produto de energia magnética superior é de até 55MGOe). Aumentar a proporção da fase principal da liga, aumentar a orientação dos grãos de cristal e a densidade do ímã pode aumentar o máximo. produto energético do ímã; mas não excederá o valor teórico de 64MGOe para o máximo. produto energético do monocristal Nd2Fe14B. Jinluncicai.com está orientando o fabricante e a fábrica na série de fornecimento de ímã e material NdFeb.

A curva de desmagnetização do NdFeB à temperatura ambiente é semelhante a uma linha reta. Portanto, ao projetar motores de ímã permanente, o boro de ferro neodímio de alto grau (ou seja, alto (BH) máximo do material) é frequentemente selecionado para obter uma alta densidade magnética de entreferro. Quando o motor está funcionando, devido à existência do campo desmagnetizador alternado e ao efeito desmagnetizador da grande corrente instantânea quando a carga muda repentinamente, é necessário selecionar um ímã de neodímio ferro boro com uma coercividade suficientemente alta.

A adição de elementos como disprósio (térbio) à liga aumenta a coercividade intrínseca (jHc) do neodímio ferro boro, mas a remanência (Br) do ímã diminuirá proporcionalmente. Portanto, ímãs NdFeB de alto desempenho usados ​​em geradores de turbinas eólicas levam em consideração sua coercividade e remanência.
3. Estabilidade de temperatura do ímã permanente NdFeB

Os geradores de energia eólica funcionam no deserto e resistem ao teste do calor e do frio escaldantes; ao mesmo tempo, a perda do motor também leva ao aumento da temperatura do motor. Os ímãs NdFeB sinterizados fornecidos na tabela acima podem funcionar a 120°C. A temperatura Curie da liga de ímã permanente NdFeB é de cerca de 310 ℃. Quando a temperatura do ímã excede o ponto Curie, ele passa de ferromagnetismo para paramagnetismo. Abaixo da temperatura Curie, a remanência de NdFeB diminui com o aumento da temperatura, e seu coeficiente de remanência de temperatura α (Br) é de -0,095 ~ -0,105%/℃. A força coercitiva do NdFeB também diminui com o aumento da temperatura, e o coeficiente de temperatura β (jHc) de sua força coercitiva é de -0,54 ~ -0,64%/℃. Escolha a força coercitiva apropriada, o ímã ainda tem uma força coercitiva suficientemente alta no máximo. temperatura de trabalho do projeto do motor; caso contrário, ocorrerá perda de magnetização.

A remanência e a coercividade dos materiais magnéticos permanentes NdFeB são complementares. Adicionar elementos pesados ​​de terras raras disprósio (Dy) e térbio (Tb) à liga pode aumentar significativamente a coercividade do ímã. À medida que a coercividade aumenta, a remanência e o máx. o produto de energia magnética diminui correspondentemente. Obviamente, a escolha de aço magnético de alta coercividade para turbinas eólicas deve ser feita às custas da remanência e do máx. produto de energia magnética.

4, a consistência das propriedades magnéticas dos ímãs NdFeB de energia eólica

Os ímãs NdFeB são fabricados usando um processo especial de metalurgia do pó, e o processo principal de fabricação é concluído em atmosfera protetora ou sob vácuo. O corpo neodímio ferro boro verde é pressionado em um campo magnético muito forte (~1,5T). O tamanho dos ímãs NdFeB é limitado por essas condições especiais de processo.

Um grande gerador eólico de ímã permanente geralmente usa milhares de ímãs de neodímio, ferro e boro, e cada pólo do rotor é composto por muitos ímãs. A consistência dos pólos do rotor requer a consistência do aço magnético, incluindo a consistência das tolerâncias dimensionais e das propriedades magnéticas. A chamada consistência das propriedades magnéticas inclui o pequeno desvio das propriedades magnéticas entre diferentes indivíduos, bem como a uniformidade das propriedades magnéticas de um único ímã.

Existem dois tipos de magnetismo: magnetismo aparente e magnetismo intrínseco. O chamado magnetismo aparente do aço magnético pode ser medido pelo fluxo magnético de circuito aberto e pela intensidade do campo magnético superficial. O magnetismo aparente do ímã está relacionado à forma e ao estado de magnetização do ímã. As características intrínsecas do aço magnético são testadas medindo a curva de desmagnetização da amostra. A curva de desmagnetização faz parte do ciclo de histerese, que reflete as características de reversão da magnetização do material do ímã permanente. Meça a curva de desmagnetização de uma amostra de aço magnético, desde que a amostra precise ser magnetizada saturada antes da medição.

Para detectar se o magnetismo de um único íman é uniforme, é necessário cortar o íman em vários pequenos pedaços e medir as suas curvas de desmagnetização. Durante o processo de produção, para verificar se o magnetismo de um forno de ímãs é consistente, é necessário amostrar os ímãs de diferentes partes do forno de sinterização para medir a curva de desmagnetização da amostra. Porque o equipamento de medição é muito caro e é quase impossível garantir a integridade de cada peça de aço magnético a ser medida. Portanto, todos os produtos não podem ser inspecionados. A consistência das propriedades magnéticas do NdFeB deve ser garantida por equipamentos de produção e controle de processo.

5. Resistência à corrosão de NdFeB

A liga NdFeB contém elementos ativos de terras raras, que são fáceis de oxidar e enferrujar. Nas aplicações, a menos que o NdFeB seja encapsulado e isolado do ar e da água, a superfície do NdFeB precisa ser tratada com anticorrosão. Os revestimentos anticorrosivos comuns são níquel galvanizado, resina epóxi eletrogalvanizada e eletroforética. O tratamento de fosfatação de superfície pode evitar que o NdFeB enferruje em um ambiente relativamente seco por um curto período de tempo.

Compostos intermetálicos de terras raras podem reagir com hidrogênio sob certas pressões e temperaturas. Depois que o NdFeB absorve o hidrogênio, ele libera calor e quebra. A britagem de hidrogênio na produção de NdFeB aproveita essa característica. Do ponto de vista do uso, os fragmentos de hidrogênio do NdFeB são prejudiciais. A rigor, a corrosão do NdFeB começa a partir do seu processamento. O desengorduramento após o corte e retificação, a decapagem antes da galvanoplastia e o processo de galvanoplastia têm impacto na camada superficial do NdFeB. O processo de tratamento inadequado pode causar qualidade de revestimento não qualificada (como furos), e a ligação da camada superficial de NdFeB e da camada de revestimento não é forte.

Vale ressaltar que embora as propriedades magnéticas dos ímãs NdFeB da mesma marca produzidos por diferentes fabricantes sejam basicamente as mesmas, haverá diferenças na composição das ligas, principalmente a microestrutura dos ímãs pode ser muito diferente. O aço magnético com bom desempenho e boa resistência à corrosão possui características de grãos finos e uniformes e alta densidade magnética. Nas duas fotos metalográficas a seguir de ímãs NdFeB sinterizados, os ímãs mostrados à esquerda possuem grãos finos e uniformes, e os ímãs mostrados à direita possuem grãos grandes e irregulares.
6. Teste de confiabilidade do ímã NdFeB

A vida útil projetada dos geradores de turbina eólica é de 20 anos, o que significa que o aço magnético pode ser usado por 20 anos, seu desempenho magnético não é significativamente atenuado e o aço magnético não é corroído. Os seguintes métodos de teste e inspeção podem ser usados ​​como métodos para os fabricantes e usuários de aço magnético eólico avaliarem e inspecionarem os ímãs.

Teste de ausência de peso: use placa preta retangular de 10 mm × 10 mm × 12 mm como amostra (altura de 12 mm é a direção de magnetização), coloque-a em 2 pressões atmosféricas padrão, umidade pura, ambiente de 120 ℃, retire após 48h e retire a camada de óxido Remoção, a perda de peso é inferior a 0,2 mg/cm2.
Teste de desmagnetização térmica: 120 ℃ × 4 horas, a perda de fluxo magnético em circuito aberto é inferior a 3%.
Teste de choque térmico: Após 3 ciclos de altas e baixas temperaturas de -40°C a 120°C, a perda de fluxo magnético em circuito aberto é inferior a 3%.
O teste de névoa salina e o teste de temperatura e umidade são métodos para avaliar revestimentos galvanizados e outros revestimentos anticorrosivos.
Outras propriedades físicas, como coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, resistividade elétrica e resistência mecânica, têm graus variados de influência na usabilidade e confiabilidade do aço magnético.

Resumo
1. Este artigo apresenta os parâmetros magnéticos de ímãs permanentes de neodímio ferro boro para turbinas eólicas de megawatts.
2. NdFeB sinterizado de alta coercividade pode garantir que o ímã ainda tenha coercividade suficiente em alta temperatura para evitar perda de magnetismo em alta temperatura.
3. A resistência à corrosão do aço magnético do motor eólico depende não apenas do tratamento do revestimento superficial do ímã, mas também da resistência à corrosão do substrato.

4. Os métodos de teste de confiabilidade do ímã incluem teste de ausência de peso, teste de desmagnetização térmica, teste de resistência à corrosão do revestimento, etc.