استخدام مغناطيس NdFeB الملبد عالي الأداء في توربينات الرياح

مغناطيسات النيوديميوم المترابطة

تُعرف أيضًا باسم المغناطيسات المترابطة بالضغط، وهي نوع من المغناطيسات الدائمة المصنوعة من خليط من مسحوق نيوديميوم الحديد البورون المغناطيسي ومغناطيس بوليمر رابط. على عكس مغناطيسات النيوديميوم التقليدية، التي يتم تصنيعها من خلال التلبيد، يتم تشكيل مغناطيسات النيوديميوم المترابطة عن طريق ضغط المسحوق المغناطيسي إلى الشكل المطلوب تحت ضغط عالٍ.

فيما يلي بعض النقاط الرئيسية حول مغناطيسات النيوديميوم المترابطة: عملية التصنيع: تتضمن عملية التصنيع خلط مسحوق بورون الحديد النيوديميوم المغناطيسي (NdFeB) مع مادة رابطة من البوليمر مثل الإيبوكسي أو النايلون، ثم ضغط الخليط في الشكل المطلوب باستخدام قالب.

بعد الضغط، تتم معالجة المادة لتقوية المادة الرابطة وتشكيل مغناطيسات النيوديميوم المترابطة. الخواص: عادةً ما يكون لمغناطيس النيوديميوم المترابط خواص مغناطيسية أقل مقارنةً بمغناطيس النيوديميوم الملبد المترابط. وغالبًا ما يكون لها قوة مغناطيسية وإكراه أقل (مقاومة لإزالة المغناطيسية)، ولكن يمكن تصنيعها بأشكال معقدة وبتفاوتات ضيقة. التطبيقات: تُستخدم مغناطيسات النيوديميوم المترابطة في تطبيقات مختلفة حيث تكون خصائصها الخاصة مفيدة.

وتشمل المحركات الصغيرة وأجهزة الاستشعار والوصلات المغناطيسية والتركيبات المغناطيسية في الإلكترونيات الاستهلاكية ومكونات السيارات والأجهزة الطبية والمعدات الصناعية. المزايا: الأشكال المعقدة: يمكن تصنيع مغناطيسات النيوديميوم المترابطة بأشكال معقدة يصعب أو يستحيل تحقيقها باستخدام المغناطيسات الملبدة.

مقاومة التآكل: توفر مادة البوليمر الرابطة بعض الحماية ضد التآكل، مما يجعل المغناطيسات المترابطة مناسبة لبيئات معينة. فعالة من حيث التكلفة: يمكن أن تكون عملية تصنيع مغناطيسات النيوديميوم الملبدة أقل تكلفة من إنتاج المغناطيسات الملبدة، خاصةً بالنسبة لعمليات الإنتاج الصغيرة والمتوسطة الحجم.

القيود: خواص مغناطيسية أقل: عادةً ما يكون لمغناطيس النيوديميوم المترابط قوة مغناطيسية وإكراه أقل مقارنةً بالمغناطيس الملبد. حساسية درجة الحرارة: يمكن أن تكون مادة البوليمر الرابطة المستخدمة في المغناطيسات المترابطة حساسة لدرجات الحرارة المرتفعة، مما يحد من.

الملخص: تستخدم مغناطيسات الرياح التوربينات الهوائية من النيوديميوم المترابطة الدائمة مغناطيسات نيوديميوم الحديد البورون الدائمة عالية الأداء المغناطيسي. القوة القسرية عالية بما يكفي لمنع المغناطيس من فقدان المغناطيسية في درجات الحرارة العالية. يعتمد عمر المغناطيس على المادة الأساسية والمعالجة السطحية المضادة للتآكل. يجب أن تبدأ الوقاية من تآكل مغناطيس NdFeB من التصنيع.

الكلمات الرئيسية: التوربينات الهوائية ذات المغناطيس الدائم، NdFeB الملبد عالي الأداء، موثوقية المغناطيس

I. مقدمة

وتستخدم توربينات الرياح المغناطيسية الدائمة ذات الدفع المباشر مروحة المروحة لدفع المولد مباشرة للدوران، مما يلغي علبة التروس التي تزيد السرعة التي تتطلبها توربينات الرياح التقليدية غير المتزامنة ذات التغذية المزدوجة بالتيار المتردد، وتجنب تعطل علبة التروس والصيانة أثناء التشغيل.

في الوقت نفسه، تعتمد توربينات الرياح ذات المغناطيس النيوديميوم الدائم المستعبدين على إثارة المغناطيس الدائم، ولا تحتوي على لفات ميدانية، ولا تحتوي على حلقات تجميع وفرش على الدوار؛ وبالتالي، فهي تتميز بهيكل بسيط وتشغيل موثوق به. منذ عام 1993، طوّرت شركة Enercon GmbH الألمانية أول توربينات رياح ذات مغناطيس دائم بمغناطيس دائم واسع النطاق، وحتى عام 2008، أنتجت شركة شينجيانغ جولدويند للتكنولوجيا المحدودة المئات من توربينات الرياح ذات المغناطيس الدائم ذات المغناطيس الدائم ذات الدفع المباشر بقدرة 1.5 ميجاوات. إن تطوير توربينات الرياح وتوربينات الرياح المغناطيسية الدائمة في صعود. المستوى العام لتوربينات الرياح المغناطيسية الدائمة في الصين في طليعة العالم.

بيئة عمل توربينات الرياح قاسية للغاية. حيث يجب أن تكون قادرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة والبرودة الشديدة والرياح والرمال والرطوبة وحتى الرذاذ الملحي. يبلغ العمر التصميمي لتوربينات الرياح بشكل عام عشرين عاماً. في الوقت الحاضر، تستخدم توربينات الرياح الصغيرة وتوربينات الرياح المغناطيسية الدائمة ذات المغناطيس الدائم على مستوى الميغاواط مغناطيسات النيوديميوم الدائمة الملبدة NdFeB. ولذلك، فإن اختيار المعلمات المغناطيسية للمغناطيس الدائم NdFeB ومتطلبات مقاومة المغناطيس للتآكل مهمة للغاية.

2. الخصائص المغناطيسية النموذجية ل NdFeB الملبد المستخدم في توربينات الرياح المغناطيسية الدائمة

يُطلق على مغناطيس NdFeB الدائم اسم الجيل الثالث من مغناطيس النيوديميوم الأرضي النادر الدائم المستعبدين وهو مادة المغناطيس الدائم ذات الأداء المغناطيسي الأعلى حتى الآن. المرحلة الرئيسية من سبيكة NdFeB الملبدة هي المركب بين الفلزات Nd2Fe14B، وتبلغ شدة الاستقطاب المغناطيسي المشبع (Js) 1.6T.

نظرًا لأن سبيكة المغناطيس الدائم Nd2FeB الملبدة تتكون من المرحلة الرئيسية Nd2Fe14B ومرحلة حدود الحبوب، ويكون اتجاه حبيبات Nd2Fe14B محدودًا بظروف العملية، يمكن أن يصل الحد الأقصى الحالي لإعادة التجميع للمغناطيس إلى 1.5T.

تنتج شركة الصهر الفراغي الألمانية (Vacuumschmelze GmbH) مغناطيس NdFeB بحد أقصى لمنتج الطاقة المغناطيسية (BH) يبلغ 57MGOee. يمكن لمصنعي NdFeB المحليين إنتاج مغناطيس NdFeB بدرجة N50 مع منتج طاقة مغناطيسية قصوى تبلغ 53 ميجا جول (ملاحظة المحرر: نُشرت هذه المقالة في عام 2010. مع تطور التكنولوجيا، يوجد حاليًا في السوق مغناطيسات من درجة N54، مع منتج طاقة مغناطيسية قصوى تبلغ 53MGOe. 55MGOe).

يمكن أن تؤدي زيادة نسبة الطور الرئيسي للسبائك، وزيادة اتجاه الحبيبات وكثافة المغناطيس إلى زيادة الحد الأقصى لناتج الطاقة المغناطيسية للمغناطيس؛ ومع ذلك، لن يتجاوز القيمة النظرية للحد الأقصى لناتج الطاقة المغناطيسية القصوى للطاقة المغناطيسية للبلورة المفردة Nd2Fe14B، 64MGOe.

يكون منحنى إزالة المغناطيسية لـ NdFeB في درجة حرارة الغرفة خطًا مستقيمًا تقريبًا. لذلك ، عند تصميم محرك مغناطيسي دائم ، غالبًا ما يتم اختيار NdFeB عالي الجودة (أي أن المادة ذات حد أقصى (BH) مرتفع (BH) للحصول على كثافة مغناطيسية عالية لفجوة الهواء.

عند تشغيل المحرك، نظرًا لوجود المجال المغناطيسي المتناوب وتأثير إزالة المغناطيسية الناجم عن التيار الكبير اللحظي عندما يتغير الحمل فجأة، يلزم اختيار مغناطيس NdFeB بقوة قسرية عالية بما فيه الكفاية.

وتؤدي إضافة عناصر مثل الديسبروسيوم (التيربيوم) إلى السبيكة إلى زيادة القوة القسرية الجوهرية (jHc) لمغناطيس NdFeB، ولكن تقلّ قوة إعادة التماسك (Br) للمغناطيس وفقًا لذلك. ولذلك، فإن مغناطيسات NdFeB عالية الأداء لتوربينات الرياح تأخذ في الاعتبار كلاً من قوة الإكراه والبقايا.

3. ثبات درجة حرارة مغناطيسات النيوديميوم المترابطة الدائمة NdFeB

تعمل توربينات الرياح في البرية وتتعرض للحرارة والبرودة الشديدة؛ وفي الوقت نفسه، تتسبب خسائر المحرك أيضًا في ارتفاع درجة حرارة المحرك. يمكن أن تعمل مغناطيسات النيوديميوم الملبدة NdFeB المترابطة الواردة في الجدول أعلاه عند 120 ℃. تبلغ درجة حرارة كوري لسبائك المغناطيس الدائم NdFeB حوالي 310 درجة مئوية.

عندما تتجاوز درجة حرارة المغناطيس نقطة كوري، يتغير من مغناطيسية حديدية إلى شبه مغناطيسية. وتحت درجة حرارة كوري، يتناقص زوال مغناطيسية NdFeB مع زيادة درجة الحرارة، ومعامل درجة حرارة زوال المغناطيسية α (Br) هو -0.095 ~ -0.105%/℃.

تتناقص القوة القسرية لـ NdFeB أيضًا مع زيادة درجة الحرارة، ومعامل درجة حرارة قوتها القسرية β (jHc) هو -0.54 ~ -0.64%/℃. اختر قوة قسرية مناسبة بحيث يظل مغناطيس النيوديميوم المترابط يتمتع بقوة قسرية عالية بما فيه الكفاية عند درجة حرارة التشغيل القصوى لتصميم المحرك؛ وإلا سيحدث إزالة المغناطيسية.

تتكامل قوة البقايا والقوة القسرية لمواد المغناطيس الدائم NdFeB. يمكن أن تؤدي إضافة العناصر الأرضية النادرة الثقيلة الديسبروسيوم (Dy) والتيربيوم (Tb) إلى السبيكة إلى زيادة القوة القسرية للمغناطيس بشكل كبير. ومع زيادة القوة القسرية، تنخفض تبعًا لذلك قوة البقايا والحد الأقصى لمنتج الطاقة المغناطيسية. من الواضح أن اختيار المغناطيسات عالية الإكراه لتوربينات الرياح يجب أن يكون على حساب المغناطيسية المتبقية والحد الأقصى لمنتج الطاقة المغناطيسية.

4. اتساق الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات NdFeB لطاقة الرياح

يتم تصنيع مغناطيسات النيوديميوم المستعبدين NdFeB باستخدام عملية تعدين مسحوقية خاصة، حيث يتم الانتهاء من عملية التصنيع الرئيسية تحت جو وقائي أو تفريغ. يتم ضغط الجسم الأخضر NdFeB الأخضر في مجال مغناطيسي قوي جدًا (~ 1.5T). ويقتصر حجم مغناطيس NdFeB على ظروف العملية الخاصة هذه.

وعادةً ما تستخدم توربينات الرياح المغناطيسية الدائمة الكبيرة ذات المغناطيس الدائم الآلاف من مغناطيسات NdFeB، ويتكون كل قطب مغناطيسي للدوار من العديد من قطع المغناطيس. ويتطلب اتساق الأقطاب المغناطيسية الدوارة اتساق الفولاذ المغناطيسي، بما في ذلك اتساق تفاوتات الأبعاد والخصائص المغناطيسية. ويشمل ما يسمى باتساق الخواص المغناطيسية أن يكون انحراف الخواص المغناطيسية بين الأفراد المختلفين صغيرًا، ويشمل أيضًا أن تكون الخواص المغناطيسية للمغناطيس الواحد موحدة.

مغناطيسية الفولاذ المغناطيسي نوعان: المغناطيسية الظاهرية والمغناطيسية الجوهرية. ويمكن قياس ما يُسمى بالمغناطيسية الظاهرية للفولاذ المغناطيسي من خلال قياس التدفق المغناطيسي للدائرة المفتوحة وشدة المجال المغناطيسي السطحي لمغناطيس النيوديميوم المستعبدين. وترتبط المغناطيسية الظاهرية للفولاذ المغناطيسي بشكل الفولاذ المغناطيسي وحالة مغنطة الفولاذ المغناطيسي. يتم اختبار الخصائص الجوهرية للفولاذ المغناطيسي عن طريق قياس منحنى إزالة المغنطة للعينة.

منحنى إزالة المغنطة هو جزء من حلقة التباطؤ، والذي يعكس خصائص إعادة المغنطة للمادة المغناطيسية الدائمة. ولقياس منحنى إزالة المغنطة لعينات الفولاذ المغناطيسي، فإن الشرط هو أن تكون العينة ممغنطة بالتشبع قبل القياس.

لاختبار ما إذا كانت مغناطيسية مغناطيس مغناطيس واحد متناسقة، من الضروري تقطيع المغناطيس إلى عدة قطع صغيرة وقياس منحنيات إزالة المغناطيسية الخاصة بها. أثناء عملية الإنتاج، لاختبار ما إذا كانت مغناطيسية فرن مغناطيس النيوديميوم الفولاذي المترابط من الفولاذ النيوديميوم متناسقة، من الضروري استخراج الفولاذ المغناطيسي من أجزاء مختلفة من فرن التلبيد كعينات وقياس منحنى إزالة المغناطيسية للعينة. ولأن معدات القياس مكلفة للغاية، ويكاد يكون من المستحيل التأكد من أن كل قطعة من الفولاذ المغناطيسي الذي يتم قياسه سليمة. ولذلك، لا يمكن إجراء فحص كامل للمنتج. يجب ضمان اتساق الخواص المغناطيسية لـ NdFeB من خلال معدات الإنتاج والتحكم في العملية.

5. مقاومة التآكل في NdFeB

تحتوي سبيكة NdFeB على عناصر أرضية نادرة نشطة وسهلة التأكسد والصدأ. في التطبيقات، ما لم تكن NdFeB مغلفة ومعزولة عن الهواء والماء، فإن المعالجة السطحية المضادة للتآكل لـ NdFeB مطلوبة. تشمل الطلاءات الشائعة المضادة للتآكل الطلاءات المضادة للتآكل الشائعة الطلاء بالنيوديميوم المغناطيسي النيوديميوم المستعبد، والطلاء بالزنك الكهربي وراتنج الإيبوكسي الكهربي. يمكن للمعالجة الفوسفاتية السطحية أن تمنع تآكل NdFeB في فترة زمنية قصيرة في بيئة جافة نسبيًا.

يمكن أن تتفاعل المركبات بين الفلزية الأرضية النادرة مع الهيدروجين تحت ضغط ودرجة حرارة معينة. بعد أن يمتص NdFeB الهيدروجين، يطلق حرارة ويتفتت. ويستخدم تشظّي الهيدروجين في عملية إنتاج NdFeB هذه الخاصية لمغناطيس النيوديميوم المترابط NdFeB. من من منظور الاستخدام، يعتبر التفتت الهيدروجيني لـ NdFeB ضارًا. بالمعنى الدقيق للكلمة، يبدأ تآكل NdFeB من عملية المعالجة. فإزالة الشحوم بعد القطع والطحن، والتخليل قبل الطلاء الكهربائي، وعملية الطلاء الكهربائي، كلها لها تأثير على الطبقة السطحية لـ NdFeB. قد تؤدي المعالجة غير السليمة إلى جودة طلاء غير مؤهلة (مثل الثقوب) وضعف الترابط بين الطبقة السطحية لـ NdFeB والطلاء.

تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن الخصائص المغناطيسية لنفس العلامة التجارية لمغناطيس النيوديميوم المستعبدين NdFeB التي تنتجها جهات تصنيع مختلفة هي نفسها بشكل أساسي، إلا أنه ستكون هناك اختلافات في تكوين السبائك، وخاصة الاختلاف في البنية المجهرية لمغناطيس النيوديميوم المستعبدين. يتميز الفولاذ المغناطيسي ذو الأداء الممتاز والمقاومة الجيدة للتآكل بخصائص الحبيبات الدقيقة والموحدة والكثافة المغناطيسية العالية. في الصورتين المعدنيتين لمغناطيسات NdFeB الملبدة أدناه، يحتوي المغناطيس الموضح على اليسار على حبيبات دقيقة وموحدة، بينما يحتوي المغناطيس الموضح على اليمين على حبيبات أكبر وغير متساوية.

6. اختبار موثوقية مغناطيسات النيوديميوم المترابطة NdFeB

العمر التصميمي لمولد طاقة الرياح هو عشرون عامًا، مما يعني أن الفولاذ المغناطيسي مطلوب استخدامه لمدة عشرين عامًا دون توهين كبير في أدائه المغناطيسي ودون تآكل كبير في الفولاذ المغناطيسي. يمكن استخدام طرق الاختبار والكشف التالية من قبل مصنعي ومستخدمي الفولاذ الكهرومغناطيسي للرياح لتقييم وفحص المغناطيسات.
اختبار فقدان الوزن: استخدم قطعة سوداء مستطيلة الشكل مقاس 10 مم × 10 مم × 10 مم × 12 مم كعينة (ارتفاع 12 مم هو اتجاه المغنطة)، وضعها في بيئة ذات جو قياسي 2، ورطوبة 100%، و120 درجة مئوية. بعد 48 ساعة، أخرجها وأزل طبقة الأكسيد. عند إزالتها، يكون فقدان الوزن أقل من 0.2 مجم/سم2.

اختبار إزالة المغنطة الحرارية: 120 ℃ × 4 ساعة، فقدان التدفق المغناطيسي للدائرة المفتوحة أقل من 3%.
اختبار الصدمة الساخنة والباردة: بعد ثلاث دورات من درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة من -40 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية، يكون فقدان التدفق المغناطيسي للدائرة المفتوحة أقل من 3%.
اختبار رش الملح واختبار درجة الحرارة والرطوبة هما طريقتان لتقييم الطلاء الكهربائي والطلاءات الأخرى المضادة للتآكل.
أما الخواص الفيزيائية الأخرى، مثل معامل التمدد الحراري والتوصيل الحراري والمقاومة والقوة الميكانيكية، فلها درجات متفاوتة من التأثير على قابلية استخدام الفولاذ المغناطيسي وموثوقيته.