高性能烧结钕铁硼磁体在风力发电机中的应用

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1、高性能烧结钕铁硼磁体在风力发电机中的应用摘要：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 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

2、，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（

3、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（BH）max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（BH）ma

4、x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

5、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α（Br）为 -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β（jHc）为 -0.54~-0.64%/℃。选择适当的矫顽

6、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

7、。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。