高性能燒結釹鐵硼磁體在風力發電機中的應用

高性能燒結釹鐵硼磁體在風力發電機中的應用

　　一、前言
　　直驅式永磁風力發風力發電機電 機采取風機葉輪直接驅動發電機旋轉，取消了傳統的交流勵磁雙饋式異步風力發電機所需的增速齒輪箱，避免了運行中齒輪箱的故障和維護。同時，永磁風力發電機 采取永磁勵磁，無勵磁繞組，轉子上也沒有集電環和電刷；因而，結構簡單、運行可靠。從1993年德國埃納康（Enercon GmbH）研制出第一台大型直驅式永磁風力發電機，到2008年新疆金風科技股份有限生產出數百台1。5兆瓦直驅式永磁風力發電機，永磁風力發電機的發展 方興未艾。中國的永磁風力發電機的整體水平已走在世界前列。
　　風力發電機的工作環境非常惡劣，它必須能經受高溫、嚴寒、風沙、潮濕乃至鹽霧的考驗。風力發電機的設計壽命一般是二十年。目前無論是小型風力發電機還 是兆瓦級的永磁風力發電機均選用燒結釹鐵硼永磁。因此，對釹鐵硼永磁磁性參數的選擇，以及對磁體耐蝕性的要求顯得十分重要。
　　二、用於永磁風力發電機的燒結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。燒結釹鐵硼合金的主相是金屬間化合物Nd2Fe14B，它的飽和磁極化強度（Js）為 1。6T[1]。由於燒結釹鐵硼永磁合金是由主相Nd2Fe14B和晶界相構成的，同時Nd2Fe14B晶粒取向度受工藝條件的限制，目前磁體的剩磁最高 能達到1。5T。德國真空熔煉（Vacuumschmelze GmbH）生產出最大磁能積（BH）max達到57MGOe的釹鐵硼磁體。國內的釹鐵硼廠家可以生產N50牌號的磁體，最高磁能積達到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；但是不會超過單晶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於直線。因此，設計永磁電機時，往往選擇高牌號的釹鐵硼（即材料的（BH）max高）以獲得高的氣隙磁密。電機運轉時，由於交變的退磁場存在，以及負荷突然變化時，瞬間大電流產生的退磁場作用，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稟矯頑力（jHc），但磁體的剩磁（Br）會隨之降低。因此，用於風力發電機的高性能釹鐵硼磁鋼兼顧了它的矯頑力和剩磁。
　　國外風力發電機用釹鐵硼磁鋼的磁性參數表
　　（表中是室溫下磁性參數）
　　三、釹鐵硼永磁的溫度穩定性
　　風力發電機工作在曠野裡，經受著酷暑和嚴寒的考驗；同時電機損耗也導致電機溫升。上表給出的燒結釹鐵硼磁鋼可以工發電機作在120℃下。
　　釹鐵硼永磁合金的居裡溫度約310℃，當磁體的溫度超過居裡點，它就由鐵磁性轉為順磁性。在居裡溫度以下，釹鐵硼的剩磁隨溫度升高而降低，其剩磁溫度 系數 （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 （jHc）為 -0。54~-0。64%/℃。選擇適當的矯頑力，在電機設計的最高工作溫度下，磁體仍有足夠高的矯頑力；否則就會發生失磁。
　　釹鐵硼永磁材料的剩磁和矯頑力是互補的。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降低。顯然，風力發電機選擇高矯頑力磁鋼，必然以犧牲剩磁和最大磁能積為代價。

　四、風電釹鐵硼磁鋼磁性充電控制器能的一致性

　　釹鐵硼磁鋼是采用特殊的粉末冶金工藝制造的，其中主要的制造過程是在保護氣氛下或真空下完成的。釹鐵硼生坯是在很強（~1。5T）的磁場中壓制的。釹鐵硼磁鋼的尺寸就受到這些特殊工藝條件的限制。

　　一台大型永磁風力發電機通常使用數千塊釹鐵硼磁鋼，轉子的每一個磁極都由許多塊磁鋼組成。轉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體之間磁性能偏差要小，還包括單個磁體的磁性要均勻。

　　磁鋼的磁性有表觀磁性和內稟磁性兩種。所謂磁鋼的表觀磁性，可以測量它的開路磁通，也可以測量它的表面磁場強度。磁鋼的表觀磁性是與磁鋼的形狀和磁化 狀態有關的。磁鋼的內稟特性，通過測量樣品的退磁曲線來檢驗。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。測量磁鋼樣品的退磁曲線，條件 是樣品在測量前需飽和磁化。

　　檢測單個磁體的磁性是否均勻，需要把磁體切成若干小塊，測量它們的退磁曲線。

　　生產過程中，檢測一爐磁鋼的磁性是否一致，需要抽取燒結爐中不同部位的磁鋼作為樣品，測量樣品的退磁曲線。由於測量設備十分昂貴，而且保證每一塊被測量磁鋼的完好也幾乎是不可能的。因而不能做產品全數檢驗水力發電機。釹鐵硼磁性能的一致性須由生產設備和過程控制來保證。