Aplicación de imanes NdFeB sinterizados de alto rendimiento en aerogeneradores

El generador eólico de imán permanente adopta un imán permanente de boro, hierro y neodimio sinterizado de alto rendimiento magnético, que tiene una coercitividad suficientemente alta para evitar la pérdida de magnetismo a altas temperaturas. La vida útil del imán depende del material base y del tratamiento anticorrosión de la superficie. La anticorrosión del acero magnético NdFeB debe comenzar desde la fabricación.
1. Introducción

El generador eólico de imán permanente de accionamiento directo adopta el impulsor del ventilador para hacer girar directamente el generador, eliminando la caja de engranajes de aumento de velocidad requerida por el tradicional generador eólico asíncrono de doble alimentación excitado por CA y evitando el mal funcionamiento y el mantenimiento de la caja de engranajes durante la operación. Al mismo tiempo, el generador eólico de imán permanente adopta excitación de imán permanente, sin devanado de excitación y sin anillo colector ni cepillo en el rotor; por lo tanto, la estructura es simple y el funcionamiento confiable. Desde 1993, Enercon GmbH, Alemania desarrolló la primera turbina eólica de imán permanente de accionamiento directo a gran escala. El desarrollo de turbinas eólicas y de imanes permanentes está en auge. El nivel general de turbinas eólicas de imanes permanentes de China ha estado a la vanguardia del mundo.

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El entorno de trabajo de una turbina eólica es muy duro y debe poder resistir la prueba de altas temperaturas, frío severo, viento y arena, humedad e incluso niebla salina. La vida útil de diseño de una turbina eólica es generalmente de veinte años. En la actualidad, los imanes permanentes sinterizados de neodimio, hierro y boro se utilizan tanto para turbinas eólicas pequeñas como para turbinas eólicas de imanes permanentes de megavatios. Por lo tanto, la selección de los parámetros magnéticos del imán permanente de NdFeB y los requisitos de resistencia a la corrosión del imán son muy importantes.
2. Propiedades magnéticas típicas del NdFeB sinterizado utilizado en aerogeneradores de imanes permanentes

El imán permanente de neodimio, hierro y boro se denomina imán permanente de tierras raras de tercera generación y es el material de imán permanente con mayor rendimiento magnético hasta el momento. La fase principal de la aleación de NdFeB sinterizada es el compuesto intermetálico Nd2Fe14B, y su polarización magnética de saturación (Js) es 1,6T. Dado que la aleación de imán permanente de NdFeB sinterizado está compuesta por la fase principal Nd2Fe14B y la fase límite de grano, y la orientación del grano de Nd2Fe14B está limitada por las condiciones del proceso, la remanencia del imán actual puede alcanzar hasta 1,5 T. La empresa alemana de fundición al vacío (Vacuumschmelze GmbH) ha fabricado imanes de NdFeB con un máx. Producto de energía magnética (BH) máximo de 57 MGOe. Los fabricantes nacionales de NdFeB pueden producir imanes de grado N50 con un máximo. Producto de energía magnética de 53 MGOe (Nota: este artículo se publicó en 2010. Con el desarrollo de la tecnología, ya existen imanes de grado N54 en el mercado y el producto de energía magnética superior es de hasta 55 MGOe). Aumentar la relación de fase principal de la aleación, aumentar la orientación de los granos de cristal y la densidad del imán puede aumentar el máximo. producto energético del imán; pero no superará el valor teórico de 64MGOe para el máximo. Producto energético del monocristal Nd2Fe14B. Jinluncicai.com guía al fabricante y la fábrica en el suministro de series de imanes y materiales NdFeb.

La curva de desmagnetización del NdFeB a temperatura ambiente es similar a una línea recta. Por lo tanto, al diseñar motores de imanes permanentes, a menudo se selecciona neodimio-hierro-boro de alta calidad (es decir, alto (BH) máximo del material) para obtener una alta densidad magnética del entrehierro. Cuando el motor está en marcha, debido a la existencia del campo desmagnetizador alterno y al efecto desmagnetizador de la gran corriente instantánea cuando la carga cambia repentinamente, es necesario seleccionar un imán de neodimio, hierro y boro con una coercitividad suficientemente alta.

Agregar elementos como disprosio (terbio) a la aleación aumenta la coercitividad intrínseca (jHc) del neodimio hierro boro, pero la remanencia (Br) del imán disminuirá en consecuencia. Por lo tanto, los imanes de NdFeB de alto rendimiento utilizados en los aerogeneradores tienen en cuenta su coercitividad y remanencia.
3. Estabilidad de temperatura del imán permanente de NdFeB

Los generadores de energía eólica funcionan en la naturaleza y soportan la prueba del calor y el frío abrasadores; Al mismo tiempo, la pérdida del motor también provoca un aumento de la temperatura del motor. Los imanes de NdFeB sinterizados que aparecen en la tabla anterior pueden funcionar a 120 °C. La temperatura Curie de la aleación de imán permanente NdFeB es de aproximadamente 310 ℃. Cuando la temperatura del imán excede el punto de Curie, pasa del ferromagnetismo al paramagnetismo. Por debajo de la temperatura de Curie, la remanencia de NdFeB disminuye al aumentar la temperatura, y su coeficiente de temperatura de remanencia α (Br) es -0,095~-0,105%/℃. La fuerza coercitiva de NdFeB también disminuye con el aumento de la temperatura, y el coeficiente de temperatura β (jHc) de su fuerza coercitiva es -0,54~-0,64%/℃. Elija la fuerza coercitiva adecuada, el imán todavía tiene una fuerza coercitiva suficientemente alta como máximo. temperatura de trabajo del diseño del motor; de lo contrario, se producirá una pérdida de magnetización.

La remanencia y coercitividad de los materiales magnéticos permanentes de NdFeB son complementarias. Agregar elementos pesados ​​de tierras raras disprosio (Dy) y terbio (Tb) a la aleación puede aumentar significativamente la coercitividad del imán. A medida que aumenta la coercitividad, la remanencia y el máx. El producto de energía magnética disminuye en consecuencia. Obviamente, la elección de acero magnético de alta coercitividad para turbinas eólicas debe hacerse a expensas de la remanencia y el máx. Producto de energía magnética.

4, la consistencia de las propiedades magnéticas de los imanes NdFeB de energía eólica

Los imanes de NdFeB se fabrican mediante un proceso especial de pulvimetalurgia y el proceso de fabricación principal se completa en una atmósfera protectora o al vacío. El cuerpo verde de neodimio, hierro y boro se presiona en un campo magnético muy fuerte (~1,5 T). El tamaño de los imanes de NdFeB está limitado por estas condiciones especiales del proceso.

Un gran generador eólico de imán permanente suele utilizar miles de imanes de neodimio, hierro y boro, y cada polo del rotor está compuesto por muchos imanes. La consistencia de los polos del rotor requiere la consistencia del acero magnético, incluida la consistencia de las tolerancias dimensionales y las propiedades magnéticas. La llamada consistencia de las propiedades magnéticas incluye la pequeña desviación de las propiedades magnéticas entre diferentes individuos, así como la uniformidad de las propiedades magnéticas de un solo imán.

Hay dos tipos de magnetismo: magnetismo aparente y magnetismo intrínseco. El llamado magnetismo aparente del acero magnético se puede medir por su flujo magnético en circuito abierto y la intensidad del campo magnético superficial. El magnetismo aparente del imán está relacionado con la forma y el estado de magnetización del imán. Las características intrínsecas del acero magnético se prueban midiendo la curva de desmagnetización de la muestra. La curva de desmagnetización es parte del bucle de histéresis, que refleja las características de inversión de magnetización del material del imán permanente. Mida la curva de desmagnetización de una muestra de acero magnético, siempre que la muestra deba estar saturada y magnetizada antes de la medición.

Para detectar si el magnetismo de un solo imán es uniforme, es necesario cortar el imán en varios trozos pequeños y medir sus curvas de desmagnetización. Durante el proceso de producción, para comprobar si el magnetismo de un horno de imanes es consistente, es necesario tomar muestras de los imanes de diferentes partes del horno de sinterización para medir la curva de desmagnetización de la muestra. Porque el equipo de medición es muy caro y es casi imposible asegurar la integridad de cada pieza de acero magnético a medir. Por lo tanto, no todos los productos pueden inspeccionarse. La coherencia de las propiedades magnéticas del NdFeB debe garantizarse mediante equipos de producción y control de procesos.

5. Resistencia a la corrosión de NdFeB

La aleación NdFeB contiene elementos activos de tierras raras, que son fáciles de oxidar y oxidar. En las aplicaciones, a menos que el NdFeB esté encapsulado y aislado del aire y el agua, la superficie del NdFeB debe tratarse con anticorrosión. Los recubrimientos anticorrosión comunes son el níquel galvanizado, el electrogalvanizado y la resina epoxi electroforética. El tratamiento de fosfatación de la superficie puede evitar que el NdFeB se oxide en un ambiente relativamente seco durante un corto tiempo.

Los compuestos intermetálicos de tierras raras pueden reaccionar con el hidrógeno bajo cierta presión y temperatura. Después de que el NdFeB absorbe hidrógeno, libera calor y se rompe. La trituración del hidrógeno en la producción de NdFeB aprovecha esta característica. Desde el punto de vista del uso, los fragmentos de hidrógeno del NdFeB son perjudiciales. Estrictamente hablando, la corrosión del NdFeB comienza desde su procesamiento. El desengrasado después del corte y pulido, el decapado antes de la galvanoplastia y el proceso de galvanoplastia tienen un impacto en la capa superficial de NdFeB. Un proceso de tratamiento inadecuado puede causar una calidad de recubrimiento no calificada (como poros) y la unión de la capa superficial de NdFeB y la capa de recubrimiento no es fuerte.

Vale la pena señalar que, aunque las propiedades magnéticas de los imanes NdFeB de la misma marca producidos por diferentes fabricantes son básicamente las mismas, habrá diferencias en la composición de las aleaciones, especialmente la microestructura de los imanes puede ser muy diferente. El acero magnético con buen rendimiento y buena resistencia a la corrosión tiene las características de granos finos y uniformes y alta densidad magnética. En las siguientes dos fotografías metalográficas de imanes de NdFeB sinterizados, los imanes que se muestran a la izquierda tienen granos finos y uniformes, y los imanes que se muestran a la derecha tienen granos grandes y desiguales.
6. Prueba de confiabilidad del imán NdFeB

La vida útil de diseño de los generadores de turbinas eólicas es de 20 años, lo que significa que el acero magnético se puede utilizar durante 20 años, su rendimiento magnético no se atenúa significativamente y el acero magnético no se corroe. Los siguientes métodos de prueba e inspección se pueden utilizar como métodos para que los fabricantes y usuarios de acero magnético eólico evalúen e inspeccionen los imanes.

Prueba de ingravidez: use una placa negra rectangular de 10 mm × 10 mm × 12 mm como muestra (la altura de 12 mm es la dirección de magnetización), colóquela en 2 presiones atmosféricas estándar, humedad pura, ambiente de 120 ℃, sáquela después de 48 h y retire la capa de óxido. Eliminación, la pérdida de peso es inferior a 0,2 mg/cm2.
Prueba de desmagnetización térmica: 120 ℃ × 4 h, la pérdida de flujo magnético en circuito abierto es inferior al 3 %.
Prueba de choque térmico: después de 3 ciclos de temperaturas altas y bajas de -40 °C a 120 °C, la pérdida de flujo magnético en circuito abierto es inferior al 3 %.
La prueba de niebla salina y la prueba de temperatura y humedad son métodos para evaluar recubrimientos galvanizados y otros recubrimientos anticorrosivos.
Otras propiedades físicas, como el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la resistividad eléctrica y la resistencia mecánica, tienen distintos grados de influencia en la usabilidad y confiabilidad del acero magnético.

Resumen
1. Este artículo presenta los parámetros magnéticos de los imanes permanentes de neodimio, hierro y boro para turbinas eólicas de megavatios.
2. El NdFeB sinterizado de alta coercitividad puede garantizar que el imán todavía tenga suficiente coercitividad a alta temperatura para evitar la pérdida de magnetismo a alta temperatura.
3. La resistencia a la corrosión del acero magnético del motor eólico depende no sólo del tratamiento de revestimiento de la superficie del imán, sino también de la resistencia a la corrosión del sustrato.

4. Los métodos de prueba de confiabilidad del imán incluyen prueba de ingravidez, prueba de desmagnetización térmica, prueba de resistencia a la corrosión del recubrimiento, etc.