Suorituskykyisten sintrattujen NdFeB-magneettien käyttö tuuliturbiinigeneraattoreissa

Kestomagneettituuligeneraattori käyttää korkean magneettisen suorituskyvyn sintrattua neodyymirautaboorikestomagneettia, jolla on riittävän korkea koersitiivisuus magnetismin häviämisen välttämiseksi korkeassa lämpötilassa. Magneetin käyttöikä riippuu perusmateriaalista ja pinnan korroosionestokäsittelystä. NdFeB-magneettiteräksen korroosionesto tulee aloittaa valmistuksesta.
1. Johdanto

Suorakäyttöinen kestomagneettituuligeneraattori käyttää tuulettimen juoksupyörää suoraan generaattorin pyörittämiseen, mikä eliminoi perinteisen AC-herätetyn kaksoissyöttöisen asynkronisen tuuligeneraattorin vaatiman nopeutta lisäävän vaihteiston ja välttää vaihteiston toimintahäiriöt ja huoltotoimenpiteet käytön aikana. Samanaikaisesti kestomagneettituuligeneraattori käyttää kestomagneettiviritystä, ei virityskäämiä eikä roottorin liukurengasta ja harjaa; siksi rakenne on yksinkertainen ja toiminta luotettava. Vuodesta 1993 lähtien Enercon GmbH, Saksa kehitti ensimmäisen suuren mittakaavan suoravetoisen kestomagneettituuliturbiinin. Tuulivoimaloiden ja kestomagneettituuliturbiinien kehitys on nousussa. Kiinan kestomagneettituuliturbiinien kokonaistaso on ollut maailman kärjessä.

Klikkaa tutustuaksesi tuotteisiimme: Sintrattu NdFeB-magneetti

Tuuliturbiinin työympäristö on erittäin ankara, ja sen on kestettävä korkeita lämpötiloja, kovaa kylmää, tuulta ja hiekkaa, kosteutta ja jopa suolasuihkua. Tuuliturbiinin suunniteltu käyttöikä on yleensä kaksikymmentä vuotta. Tällä hetkellä sintrattuja neodyymirautaboorikestomagneetteja käytetään sekä pienissä tuulivoimaloissa että megawatin kestomagneettituuliturbiineissa. Siksi NdFeB-kestomagneetin magneettisten parametrien valinta ja magneetin korroosionkestävyyden vaatimukset ovat erittäin tärkeitä.
2. Kestomagneettituuliturbiinigeneraattoreissa käytetyn sintratun NdFeB:n tyypilliset magneettiset ominaisuudet

Neodyymirautaboorikestomagneettia kutsutaan kolmannen sukupolven harvinaisen maametallin kestomagneetiksi, ja se on kestomagneettimateriaali, jolla on toistaiseksi korkeampi magneettinen suorituskyky. Sintratun NdFeB-lejeeringin pääfaasi on metallien välinen yhdiste Nd2Fe14B, ja sen kyllästysmagneettinen polarisaatio (Js) on 1,6T. Koska sintrattu NdFeB-kestomagneettiseos koostuu pääfaasista Nd2Fe14B ja raerajavaiheesta, ja Nd2Fe14B:n raesuuntausta rajoittavat prosessiolosuhteet, magneetin remanenssi voi nousta virrankulutukseen jopa 1,5T. Saksalainen tyhjiösulatusyritys (Vacuumschmelze GmbH) on valmistanut NdFeB-magneetteja, joiden max. magneettinen energiatuote (BH) enintään 57MGOe. Kotimaiset NdFeB-valmistajat voivat valmistaa N50-luokan magneetteja max. magneettinen energiatuote 53MGOe (Huomautus: Tämä artikkeli julkaistiin vuonna 2010. Teknologian kehittyessä markkinoilla on jo N54-luokan magneetteja, ja korkeamman magneettisen energian tuote on jopa 55MGOe). Lisäämällä lejeeringin pääfaasisuhdetta, lisäämällä kiderakeiden orientaatiota ja magneetin tiheyttä voidaan lisätä max. energia tuote magneetti; mutta se ei ylitä teoreettista arvoa 64MGOe max. Yksikiteisen Nd2Fe14B:n energiatuote. Jinluncicai.com ohjaa valmistajaa ja tehdasta NdFeb-magneetin ja -materiaalin toimitussarjoissa.

NdFeB:n demagnetisaatiokäyrä huoneenlämpötilassa on samanlainen kuin suora viiva. Siksi kestomagneettimoottoreita suunniteltaessa valitaan usein korkealaatuinen neodyymirautaboori (eli materiaalin korkea (BH) max) korkean ilmavälin magneettisen tiheyden saavuttamiseksi. Moottorin käydessä vaihtuvan demagnetoivan kentän olemassaolon ja hetkellisen suuren virran demagnetoivan vaikutuksen vuoksi kuorman äkillisesti muuttuessa on valittava neodyymirautaboorimagneetti, jolla on riittävän korkea koersitiivisuus.

Alkuaineiden, kuten dysprosiumin (terbium) lisääminen seokseen lisää neodyymirautaboorin sisäistä koersitiivista (jHc), mutta magneetin remanenssi (Br) vähenee vastaavasti. Siksi tuuliturbiinigeneraattoreissa käytetyt korkean suorituskyvyn NdFeB-magneetit ottavat huomioon sen koersitiivisuuden ja remanenssin.
3. NdFeB-kestomagneetin lämpötilavakaus

Tuulivoimageneraattorit työskentelevät erämaassa ja kestävät paahtavan lämmön ja kylmän kokeen; samalla moottorihäviö ohjaa myös moottorin lämpötilan nousua. Yllä olevassa taulukossa esitetyt sintratut NdFeB-magneetit voivat toimia 120 °C:ssa. NdFeB-kestomagneettiseoksen Curie-lämpötila on noin 310 ℃. Kun magneetin lämpötila ylittää Curie-pisteen, se muuttuu ferromagnetismista paramagnetismiin. Curie-lämpötilan alapuolella NdFeB:n remanenssi pienenee lämpötilan noustessa, ja sen remanenssikerroin α (Br) on -0,095-0,105 %/℃. Myös NdFeB:n pakkovoima pienenee lämpötilan noustessa ja sen koersitiivivoiman lämpötilakerroin β (jHc) on -0,54~-0,64 %/℃. Valitse sopiva pakkovoima, magneetilla on edelleen riittävän suuri pakkovoima max. moottorin suunnittelun työlämpötila; muuten tapahtuu magnetisoitumisen menetystä.

NdFeB-kestomagneettimateriaalien remanenssi ja koersitiivisuus täydentävät toisiaan. Raskaiden harvinaisten maametallien dysprosiumin (Dy) ja terbiumin (Tb) lisääminen metalliseokseen voi lisätä merkittävästi magneetin koersitiivisuutta. Koersitiivin kasvaessa remanenssi ja max. magneettinen energiatuote pienenee vastaavasti. On selvää, että korkean koersitiivisen magneettiteräksen valinnan tuuliturbiinien tulee tapahtua remanenssin ja max. magneettinen energiatuote.

4, tuulivoiman NdFeB-magneettien magneettisten ominaisuuksien johdonmukaisuus

NdFeB-magneetit valmistetaan erityisellä jauhemetallurgisella prosessilla, ja päävalmistusprosessi suoritetaan suojakaasussa tai tyhjiössä. Neodyymirautaboorivihreä kappale puristetaan erittäin vahvassa (~1,5T) magneettikentässä. Nämä erityiset prosessiolosuhteet rajoittavat NdFeB-magneettien kokoa.

Suuri kestomagneettituuligeneraattori käyttää yleensä tuhansia neodyymirautaboorimagneetteja, ja roottorin jokainen napa koostuu useista magneeteista. Roottorin napojen tasaisuus edellyttää magneettiteräksen konsistenssia, mukaan lukien mittatoleranssien ja magneettisten ominaisuuksien tasaisuus. Niin sanottu magneettisten ominaisuuksien johdonmukaisuus sisältää magneettisten ominaisuuksien pienen poikkeaman eri yksilöiden välillä sekä yhden magneetin magneettisten ominaisuuksien tasaisuuden.

Magnetismia on kahta tyyppiä: näennäinen magnetismi ja sisäinen magnetismi. Magneettiteräksen ns. näennäinen magnetismi voidaan mitata sen avoimen piirin magneettivuolla ja sen pinnan magneettikentän voimakkuudella. Magneetin näennäinen magnetismi liittyy magneetin muotoon ja magnetointitilaan. Magneettisen teräksen luontaiset ominaisuudet testataan mittaamalla näytteen demagnetointikäyrä. Demagnetisaatiokäyrä on osa hystereesisilmukkaa, joka heijastaa kestomagneettimateriaalin magnetoinnin käänteisominaisuuksia. Mittaa magneettisen teräsnäytteen demagnetointikäyrä edellyttäen, että näyte on kyllästettävä magnetisoitu ennen mittausta.

Sen havaitsemiseksi, onko yhden magneetin magnetismi tasainen, on tarpeen leikata magneetti useiksi pieniksi paloiksi ja mitata niiden demagnetointikäyrät. Tuotantoprosessin aikana, jotta voidaan tarkistaa, onko magneettiuunin magnetismi johdonmukainen, on tarpeen ottaa magneeteista näyte sintrausuunin eri osista näytteen demagnetointikäyrän mittaamiseksi. Koska mittauslaitteet ovat erittäin kalliita ja jokaisen mitattavan magneettisen teräksen eheyden varmistaminen on lähes mahdotonta. Siksi kaikkia tuotteita ei voida tarkastaa. NdFeB:n magneettisten ominaisuuksien johdonmukaisuus on taattava tuotantolaitteistolla ja prosessin ohjauksella.

5. NdFeB:n korroosionkestävyys

NdFeB-seos sisältää aktiivisia harvinaisten maametallien alkuaineita, jotka ovat helposti hapettuvia ja ruostuvia. Sovelluksissa, ellei NdFeB ole kapseloitu ja eristetty ilmasta ja vedestä, NdFeB:n pinta on käsiteltävä korroosionestoaineella. Yleisiä korroosionestopinnoitteita ovat galvanoitu nikkeli, sähkösinkitty ja elektroforeettinen epoksihartsi. Pintafosfatointikäsittely voi estää NdFeB:tä ruostumasta suhteellisen kuivassa ympäristössä lyhyen aikaa.

Harvinaisten maametallien metallien väliset yhdisteet voivat reagoida vedyn kanssa tietyssä paineessa ja lämpötilassa. Kun NdFeB imee vetyä, se vapauttaa lämpöä ja hajoaa. Vetymurskaus NdFeB:n tuotannossa hyödyntää tätä ominaisuutta. NdFeB:n vetyfragmentit ovat käytön kannalta haitallisia. Tarkkaan ottaen NdFeB:n korroosio alkaa sen käsittelystä. Rasvanpoisto leikkauksen ja hionnan jälkeen, peittaus ennen galvanointia ja galvanointiprosessi vaikuttavat kaikki NdFeB:n pintakerrokseen. Väärä käsittelyprosessi voi aiheuttaa epäpätevää pinnoitteen laatua (kuten reikiä), ja NdFeB-pintakerroksen ja pinnoitekerroksen sidos ei ole vahva.

On syytä huomata, että vaikka eri valmistajien saman merkin NdFeB-magneettien magneettiset ominaisuudet ovat periaatteessa samat, seosten koostumuksissa on eroja, erityisesti magneettien mikrorakenne voi olla hyvinkin erilainen. Magneettiteräksellä, jolla on hyvä suorituskyky ja hyvä korroosionkestävyys, on hienoja ja tasalaatuisia rakeita ja korkea magneettitiheys. Seuraavassa kahdessa metallografisessa valokuvassa sintratuista NdFeB-magneeteista vasemmalla näytetyissä magneeteissa on hienoja ja tasaisia ​​rakeita ja oikealla olevissa magneeteissa on suuria ja epätasaisia ​​rakeita.
6. NdFeB-magneetin luotettavuustesti

Tuuliturbiinigeneraattoreiden suunniteltu käyttöikä on 20 vuotta, mikä tarkoittaa, että magneettista terästä voidaan käyttää 20 vuotta, sen magneettinen suorituskyky ei ole merkittävästi vaimentunut ja magneettinen teräs ei ole syöpynyt. Seuraavia testi- ja tarkastusmenetelmiä voidaan käyttää tuulimagneettiteräksen valmistajien ja käyttäjien menetelminä magneettien arvioinnissa ja tarkastamisessa.

Painottomuustesti: käytä näytteenä 10 mm × 10 mm × 12 mm suorakaiteen muotoista mustaa levyä (12 mm korkeus on magnetointisuunta), aseta se 2 normaaliin ilmanpaineeseen, puhtaaseen kosteuteen, 120 ℃ ympäristöön, ota pois 48 tunnin kuluttua ja ota pois oksidikerros. Poistaminen, painon menetys on alle 0,2 mg/cm2.
Lämpödemagnetointitesti: 120 ℃ × 4 tuntia, avoimen piirin magneettivuon häviö on alle 3%.
Lämpöshokkitesti: Kolmen korkean ja matalan lämpötilan -40 °C - 120 °C jakson jälkeen avoimen piirin magneettivuon häviö on alle 3 %.
Suolasumutesti sekä lämpötila- ja kosteustesti ovat menetelmiä galvanoitujen pinnoitteiden ja muiden korroosionestopinnoitteiden arviointiin.
Muut fysikaaliset ominaisuudet, kuten lämpölaajenemiskerroin, lämmönjohtavuus, sähkövastus ja mekaaninen lujuus, vaikuttavat kaikki eriasteisesti magneettisen teräksen käytettävyyteen ja luotettavuuteen.

Yhteenveto
1. Tässä artikkelissa esitellään megawattituuliturbiinien neodyymirautaboorikestomagneettien magneettiset parametrit.
2. Korkean koersitiivisen sintratun NdFeB:n avulla voidaan varmistaa, että magneetilla on edelleen riittävä koersitiivisuus korkeassa lämpötilassa, jotta vältetään magnetismin korkea lämpötilahäviö.
3. Tuulimoottorin magneettisen teräksen korroosionkestävyys ei riipu pelkästään magneetin pintakäsittelystä, vaan myös alustan korroosionkestävyydestä.

4. Magneetin luotettavuuden testausmenetelmiä ovat painottomuustesti, lämpödemagnetointitesti, pinnoitteen korroosionkestävyystesti jne.