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高性能烧结钕铁硼磁体在风力发电机中的应用
来源:技术文献 | 作者:maximmagnet | 发布时间: 2017-03-25 | 2404 次浏览 | 分享到:
永磁风力发电机采用高磁性能烧结钕铁硼永磁,足够高的矫顽力可以避免磁体高温失磁。磁体的寿命取决于基体材质和表面防腐蚀处理。钕铁硼磁钢的防腐蚀应该从制造开始。
关键词:永磁风力发电机 高性能烧结钕铁硼 磁体可靠性

                     高性能烧结钕铁硼磁体在风力发电机中的应用                       蔡报贵 李文科 吕锋 罗贻萍 王亦忠
                 

                             中国科学院物理研究所

 

一、 前言

直驱式永磁风力发电机采取风机叶轮直接驱动发电机旋转,取消了传统的交流励磁双馈式异步风力发电机所需的增速齿轮箱,避免了运行中齿轮箱的故障和维护。同时,永磁风力发电机采取永磁励磁,无励磁绕组,转子上也没有集电环和电刷;因而,结构简单、运行可靠。从1993年德国埃纳康公司(Enercon GmbH)研制出第一台大型直驱式永磁风力发电机,到2008年新疆金风科技股份有限公司生产出数百台1.5兆瓦直驱式永磁风力发电机,永磁风力发电机的发展方兴未艾。中国的永磁风力发电机的整体水平已走在世界前列。

风力发电机的工作环境非常恶劣,它必须能经受高温、严寒、风沙、潮湿乃至盐雾的考验。风力发电机的设计寿命一般是二十年。目前无论是小型风力发电机还是兆瓦级的永磁风力发电机均选用烧结钕铁硼永磁。因此,对钕铁硼永磁磁性参数的选择,以及对磁体耐蚀性的要求显得十分重要。

 

二、 用于永磁风力发电机的烧结钕铁硼的典型磁性能

 

钕铁硼永磁被称为第三代稀土永磁,是迄今磁性能最高的永磁材料。烧结钕铁硼合金的主相是金属间化合物Nd2Fe14B,它的饱和磁极化强度(Js)为1.6T[1]。由于烧结钕铁硼永磁合金是由主相Nd2Fe14B和晶界相构成的,同时Nd2Fe14B晶粒取向度受工艺条件的限制,目前磁体的剩磁最高能达到1.5T。德国真空熔炼公司(Vacuumschmelze GmbH)生产出最大磁能积(BHmax达到57MGOe的钕铁硼磁体。国内的钕铁硼厂家可以生产N50牌号的磁体,最高磁能积达到53MGOe。提高合金主相比例、提高晶粒的取向度和磁体的密度,可以提高磁体的最大磁能积;但是不会超过单晶Nd2Fe14B最大磁能积的理论值64MGOe[1]

钕铁硼常温下的退磁曲线近似于直线。因此,设计永磁电机时,往往选择高牌号的钕铁硼(即材料的(BHmax高)以获得高的气隙磁密。电机运转时,由于交变的退磁场存在,以及负荷突然变化时,瞬间大电流产生的退磁场作用,要求选择矫顽力足够高的钕铁硼磁钢。

在合金中添加镝(鋱)等元素提高钕铁硼的内禀矫顽力(jHc),但磁体的剩磁(Br)会随之降低。因此,用于风力发电机的高性能钕铁硼磁钢兼顾了它的矫顽力和剩磁。

 

国外风力发电机用钕铁硼磁钢的磁性参数表

剩余磁感应强度

Br  [T]

磁感应矫顽力

bHc  [kA/m]

内禀矫顽力

jHc  [kA/m]

最大磁能积

(BH)max  [kJ/m3]

Nom

Min

Nom

Min

Nom

Min

Nom

Min

1.35

1.29

995

963

1831

1592

334

318

(表中是室温下磁性参数)

 

三、 钕铁硼永磁的温度稳定性

风力发电机工作在旷野里,经受着酷暑和严寒的考验;同时电机损耗也导致电机温升。上表给出的烧结钕铁硼磁钢可以工作在120℃下。

钕铁硼永磁合金的居里温度约310℃,当磁体的温度超过居里点,它就由铁磁性转为顺磁性。在居里温度以下,钕铁硼的剩磁随温度升高而降低,其剩磁温度系数αBr -0.095~-0.105%/℃。钕铁硼的矫顽力也随温度的升高而降低,其矫顽力的温度系数βjHc)为 -0.54~-0.64%/℃。选择适当的矫顽力,在电机设计的最高工作温度下,磁体仍有足够高的矫顽力;否则就会发生失磁。

钕铁硼永磁材料的剩磁和矫顽力是互补的。合金中添加重稀土元素镝(Dy)和铽(Tb)可以显著提高磁体的矫顽力。随着矫顽力的提高,剩磁和最大磁能积相应降低。显然,风力发电机选择高矫顽力磁钢,必然以牺牲剩磁和最大磁能积为代价。

 

四、 风电钕铁硼磁钢磁性能的一致性

钕铁硼磁钢是采用特殊的粉末冶金工艺制造的,其中主要的制造过程是在保护气氛下或真空下完成的。钕铁硼生坯是在很强(~1.5T)的磁场中压制的。钕铁硼磁钢的尺寸就受到这些特殊工艺条件的限制。

一台大型永磁风力发电机通常使用数千块钕铁硼磁钢,转子的每一个磁极都由许多块磁钢组成。转子磁极的一致性要求磁钢的一致性,包括尺寸公差和磁性能的一致。所谓磁性能的一致性即包括不同个体之间磁性能偏差要小,还包括单个磁体的磁性要均匀。

磁钢的磁性有表观磁性和内禀磁性两种。所谓磁钢的表观磁性,可以测量它的开路磁通,也可以测量它的表面磁场强度。磁钢的表观磁性是与磁钢的形状和磁化状态有关的。磁钢的内禀特性,通过测量样品的退磁曲线来检验。退磁曲线是磁滞回线的一部分,反映的是永磁材料的反磁化特性。测量磁钢样品的退磁曲线,条件是样品在测量前需饱和磁化。

检测单个磁体的磁性是否均匀,需要把磁体切成若干小块,测量它们的退磁曲线。

生产过程中,检测一炉磁钢的磁性是否一致,需要抽取烧结炉中不同部位的磁钢作为样品,测量样品的退磁曲线。由于测量设备十分昂贵,而且保证每一块被测量磁钢的完好也几乎是不可能的。因而不能做产品全数检验。钕铁硼磁性能的一致性须由生产设备和过程控制来保证。

 

五、 钕铁硼的耐腐蚀性

钕铁硼合金含有活泼的稀土元素,易氧化、易锈蚀。在应用中,除非钕铁硼被封装起来,与空气和水隔绝,否则需要对钕铁硼做表面防腐蚀处理。常见的防腐涂层有电镀镍、电镀锌和电泳环氧树脂。表面磷化处理可以在相对干燥的环境下短时间对钕铁硼起到防锈蚀作用。

稀土金属间化合物在一定的压力和温度下能与氢发生反应。钕铁硼吸氢后,放出热量并发生碎裂。钕铁硼生产过程中的氢破碎就是利用了它的这一特性。

从使用的角度来看,钕铁硼的氢碎是有害的。

严格地说,钕铁硼的腐蚀从它的加工过程就开始了。切磨加工后的除油、电镀前处理的酸洗,以及电镀过程都对钕铁硼表层产生影响。不当的处理过程,可能造成镀层质量不合格(如针孔),钕铁硼表层与镀层结合不牢固等。

值得注意的是,不同厂家生产的相同牌号的钕铁硼磁钢,虽然磁性能基本相同,但是合金的成分上会有差异,特别是磁钢显微组织的差异可能很大。性能优良、耐腐蚀性好的磁钢具有晶粒细小均匀、磁体的密度高等特点。在下面2幅烧结钕铁硼磁钢的金相照片中,左图所示的磁钢晶粒细小均匀,右图所示的磁钢晶粒较大,而且不均匀。

                    

钕铁硼磁钢显微组织的比较(金相照片)

 

六、 钕铁硼磁钢的可靠性试验

风电发电机的设计寿命为二十年,即要求磁钢可以使用二十年,其磁性能无明显衰减,磁钢无明显腐蚀。

以下试验和检测方法,可以作为风电磁钢的生产厂家和用户评价和检验磁体的方法。

失重试验:用10mm×10mm×12mm的长方体黑片作试样(12mm高度为充磁方向),放置在2个标准大气压、100%湿度、120℃的环境中,经48h后取出并将氧化层去除,其重量损失小于0.2 mg/cm2

热减磁试验:120×4hr,开路磁通损失小于3

冷热冲击试验:经历40℃~120高低温3次循环,开路磁通损失小于3%。

盐雾试验和温湿试验是评价电镀层和其他防腐涂层的方法。

 

其他物理特性,如热膨胀系数、导热系数、电阻率和机械强度等,都对磁钢的使用性和可靠性有不同程度的影响。

 

小结

1. 本文介绍了兆瓦级风力发电机用钕铁硼永磁体的磁性参数。

    2. 高矫顽力烧结钕铁硼可以保证在高温下,磁体仍有足够的矫顽力,避免高温失磁。

3. 风力电机磁钢的耐腐蚀性不仅取决于磁体表面涂层处理,还取决于基体的耐腐蚀性。

4. 磁体可靠性的试验方法包括失重试验、热减磁试验、镀层耐腐蚀试验等。

 

参考文献

《超强永磁体》周寿增 董清飞著,冶金工业出版社