摘要：永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用高磁性能燒結(jié)釹鐵硼永磁，足夠高的矯頑力可以避免磁體高溫失磁。磁體的壽命取決于基體材質(zhì)和表面防腐蝕處理。釹鐵硼磁鋼的防腐蝕應(yīng)該從制造開始。
關(guān)鍵詞：永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)高性能燒結(jié)釹鐵硼磁體可靠性
一、前言
直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取風(fēng)機(jī)葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，取消了傳統(tǒng)的交流勵(lì)磁雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的增速齒輪箱，避免了運(yùn)行中齒輪箱的故障和維護(hù)。同時(shí)，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取永磁勵(lì)磁，無(wú)勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上也沒有集電環(huán)和電刷；因而，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。從1993年德國(guó)埃納康公司（EnerconGmbH）研制出第一臺(tái)大型直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，到2008年新疆金風(fēng)科技股份有限公司生產(chǎn)出數(shù)百臺(tái)1.5兆瓦直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方興未艾。中國(guó)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體水平已走在世界前列。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，它必須能經(jīng)受高溫、嚴(yán)寒、風(fēng)沙、潮濕乃至鹽霧的考驗(yàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命一般是二十年。目前無(wú)論是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)還是兆瓦級(jí)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)均選用燒結(jié)釹鐵硼永磁。因此，對(duì)釹鐵硼永磁磁性參數(shù)的選擇，以及對(duì)磁體耐蝕性的要求顯得十分重要。
二、用于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的燒結(jié)釹鐵硼的典型磁性能
釹鐵硼永磁被稱為第三代稀土永磁，是迄今磁性能最高的永磁材料。燒結(jié)釹鐵硼合金的主相是金屬間化合物Nd2Fe14B，它的飽和磁極化強(qiáng)度（Js）為1.6T[1]。由于燒結(jié)釹鐵硼永磁合金是由主相Nd2Fe14B和晶界相構(gòu)成的，同時(shí)Nd2Fe14B晶粒取向度受工藝條件的限制，目前磁體的剩磁最高能達(dá)到1.5T。德國(guó)真空熔煉公司（VacuumschmelzeGmbH）生產(chǎn)出最大磁能積（BH）max達(dá)到57MGOe的釹鐵硼磁體。國(guó)內(nèi)的釹鐵硼廠家可以生產(chǎn)N50牌號(hào)的磁體，最高磁能積達(dá)到53MGOe。提高合金主相比例、提高晶粒的取向度和磁體的密度，可以提高磁體的最大磁能積；但是不會(huì)超過(guò)單晶Nd2Fe14B最大磁能積的理論值64MGOe[1]。
釹鐵硼常溫下的退磁曲線近似于直線。因此，設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)，往往選擇高牌號(hào)的釹鐵硼（即材料的（BH）max高）以獲得高的氣隙磁密。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于交變的退磁場(chǎng)存在，以及負(fù)荷突然變化時(shí)，瞬間大電流產(chǎn)生的退磁場(chǎng)作用，要求選擇矯頑力足夠高的釹鐵硼磁鋼。
在合金中添加鏑（鋱）等元素提高釹鐵硼的內(nèi)稟矯頑力（jHc），但磁體的剩磁（Br）會(huì)隨之降低。因此，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高性能釹鐵硼磁鋼兼顧了它的矯頑力和剩磁。
國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)用釹鐵硼磁鋼的磁性參數(shù)表
（表中是室溫下磁性參數(shù)）
三、釹鐵硼永磁的溫度穩(wěn)定性
風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在曠野里，經(jīng)受著酷暑和嚴(yán)寒的考驗(yàn)；同時(shí)電機(jī)損耗也導(dǎo)致電機(jī)溫升。上表給出的燒結(jié)釹鐵硼磁鋼可以工作在120℃下。
釹鐵硼永磁合金的居里溫度約310℃，當(dāng)磁體的溫度超過(guò)居里點(diǎn)，它就由鐵磁性轉(zhuǎn)為順磁性。在居里溫度以下，釹鐵硼的剩磁隨溫度升高而降低，其剩磁溫度系數(shù)α（Br）為-0.095~-0.105%/℃。釹鐵硼的矯頑力也隨溫度的升高而降低，其矯頑力的溫度系數(shù)β（jHc）為-0.54~-0.64%/℃。選擇適當(dāng)?shù)某C頑力，在電機(jī)設(shè)計(jì)的最高工作溫度下，磁體仍有足夠高的矯頑力；否則就會(huì)發(fā)生失磁。
釹鐵硼永磁材料的剩磁和矯頑力是互補(bǔ)的。合金中添加重稀土元素鏑（Dy）和鋱（Tb）可以顯著提高磁體的矯頑力。隨著矯頑力的提高，剩磁和最大磁能積相應(yīng)降低。顯然，風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇高矯頑力磁鋼，必然以犧牲剩磁和最大磁能積為代價(jià)。
四、風(fēng)電釹鐵硼磁鋼磁性能的一致性
釹鐵硼磁鋼是采用特殊的粉末冶金工藝制造的，其中主要的制造過(guò)程是在保護(hù)氣氛下或真空下完成的。釹鐵硼生坯是在很強(qiáng)（~1.5T）的磁場(chǎng)中壓制的。釹鐵硼磁鋼的尺寸就受到這些特殊工藝條件的限制。
一臺(tái)大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常使用數(shù)千塊釹鐵硼磁鋼，轉(zhuǎn)子的每一個(gè)磁極都由許多塊磁鋼組成。轉(zhuǎn)子磁極的一致性要求磁鋼的一致性，包括尺寸公差和磁性能的一致。所謂磁性能的一致性即包括不同個(gè)體之間磁性能偏差要小，還包括單個(gè)磁體的磁性要均勻。
磁鋼的磁性有表觀磁性和內(nèi)稟磁性兩種。所謂磁鋼的表觀磁性，可以測(cè)量它的開路磁通，也可以測(cè)量它的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁鋼的表觀磁性是與磁鋼的形狀和磁化狀態(tài)有關(guān)的。磁鋼的內(nèi)稟特性，通過(guò)測(cè)量樣品的退磁曲線來(lái)檢驗(yàn)。退磁曲線是磁滯回線的一部分，反映的是永磁材料的反磁化特性。測(cè)量磁鋼樣品的退磁曲線，條件是樣品在測(cè)量前需飽和磁化。
檢測(cè)單個(gè)磁體的磁性是否均勻，需要把磁體切成若干小塊，測(cè)量它們的退磁曲線。
生產(chǎn)過(guò)程中，檢測(cè)一爐磁鋼的磁性是否一致，需要抽取燒結(jié)爐中不同部位的磁鋼作為樣品，測(cè)量樣品的退磁曲線。由于測(cè)量設(shè)備十分昂貴，而且保證每一塊被測(cè)量磁鋼的完好也幾乎是不可能的。因而不能做產(chǎn)品全數(shù)檢驗(yàn)。釹鐵硼磁性能的一致性須由生產(chǎn)設(shè)備和過(guò)程控制來(lái)保證。
五、釹鐵硼的耐腐蝕性
釹鐵硼合金含有活潑的稀土元素，易氧化、易銹蝕。在應(yīng)用中，除非釹鐵硼被封裝起來(lái)，與空氣和水隔絕，否則需要對(duì)釹鐵硼做表面防腐蝕處理。常見的防腐涂層有電鍍鎳、電鍍鋅和電泳環(huán)氧樹脂。表面磷化處理可以在相對(duì)干燥的環(huán)境下短時(shí)間對(duì)釹鐵硼起到防銹蝕作用。
稀土金屬間化合物在一定的壓力和溫度下能與氫發(fā)生反應(yīng)。釹鐵硼吸氫后，放出熱量并發(fā)生碎裂。釹鐵硼生產(chǎn)過(guò)程中的氫破碎就是利用了它的這一特性。
從使用的角度來(lái)看，釹鐵硼的氫碎是有害的。
嚴(yán)格地說(shuō)，釹鐵硼的腐蝕從它的加工過(guò)程就開始了。切磨加工后的除油、電鍍前處理的酸洗，以及電鍍過(guò)程都對(duì)釹鐵硼表層產(chǎn)生影響。不當(dāng)?shù)奶幚磉^(guò)程，可能造成鍍層質(zhì)量不合格（如針孔），釹鐵硼表層與鍍層結(jié)合不牢固等。
值得注意的是，不同廠家生產(chǎn)的相同牌號(hào)的釹鐵硼磁鋼，雖然磁性能基本相同，但是合金的成分上會(huì)有差異，特別是磁鋼顯微組織的差異可能很大。性能優(yōu)良、耐腐蝕性好的磁鋼具有晶粒細(xì)小均勻、磁體的密度高等特點(diǎn)。在下面2幅燒結(jié)釹鐵硼磁鋼的金相照片中，左圖所示的磁鋼晶粒細(xì)小均勻，右圖所示的磁鋼晶粒較大，而且不均勻。
釹鐵硼磁鋼顯微組織的比較（金相照片）
六、釹鐵硼磁鋼的可靠性試驗(yàn)
風(fēng)電發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命為二十年，即要求磁鋼可以使用二十年，其磁性能無(wú)明顯衰減，磁鋼無(wú)明顯腐蝕。
以下試驗(yàn)和檢測(cè)方法，可以作為風(fēng)電磁鋼的生產(chǎn)廠家和用戶評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)磁體的方法。
失重試驗(yàn)：用10mm×10mm×12mm的長(zhǎng)方體黑片作試樣（12mm高度為充磁方向），放置在2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、100%濕度、120℃的環(huán)境中，經(jīng)48h后取出并將氧化層去除，其重量損失小于0.2mg/cm2。
熱減磁試驗(yàn)：120℃×4hr，開路磁通損失小于3％。
冷熱沖擊試驗(yàn)：經(jīng)歷－40℃～120℃高低溫3次循環(huán)，開路磁通損失小于3％。
鹽霧試驗(yàn)和溫濕試驗(yàn)是評(píng)價(jià)電鍍層和其他防腐涂層的方法。
其他物理特性，如熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率和機(jī)械強(qiáng)度等，都對(duì)磁鋼的使用性和可靠性有不同程度的影響。
小結(jié)
1.本文介紹了兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)用釹鐵硼永磁體的磁性參數(shù)。
2.高矯頑力燒結(jié)釹鐵硼可以保證在高溫下，磁體仍有足夠的矯頑力，避免高溫失磁。
3.風(fēng)力電機(jī)磁鋼的耐腐蝕性不僅取決于磁體表面涂層處理，還取決于基體的耐腐蝕性。
4.磁體可靠性的試驗(yàn)方法包括失重試驗(yàn)、熱減磁試驗(yàn)、鍍層耐腐蝕試驗(yàn)等
浙公網(wǎng)安備 33032402002151號(hào)