الملخص: تستخدم توربينات الرياح مغناطيسات النيوديميوم المربعة الدائمة من النيوديميوم مغناطيسات نيوديميوم الحديد البورون الدائمة عالية الأداء المغناطيسي. القوة القسرية عالية بما يكفي لمنع المغناطيس من فقدان المغناطيسية في درجات الحرارة العالية. يعتمد عمر مغناطيس النيوديميوم المربع على المادة الأساسية والمعالجة السطحية المضادة للتآكل. يجب أن تبدأ الوقاية من تآكل مغناطيسات النيوديميوم المربعة NdFeB من التصنيع.
الكلمات المفتاحية: مغناطيس النيوديميوم المربع الدائم لتوربينات الرياح، NdFeB الملبد عالي الأداء، موثوقية المغناطيس.
I. مقدمة
تستخدم توربينات الرياح ذات المغناطيس الدائم ذات الدفع المباشر مروحة الدفع 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. وفي الوقت نفسه، تعتمد توربينات الرياح المغناطيسية الدائمة على الإثارة بالمغناطيس الدائم، ولا تحتوي على لفات مجال، ولا تحتوي على حلقات تجميع وفرش على الدوار؛ وبالتالي، فهي تتميز بهيكل بسيط وتشغيل موثوق به.
منذ عام 1993، قامت شركة Enercon GmbH الألمانية بتطوير أول توربينات رياح ذات مغناطيس دائم مغناطيسي مباشر واسع النطاق، وحتى عام 2008، أنتجت شركة شينجيانغ جولدويند للتكنولوجيا المحدودة المئات من توربينات الرياح ذات المغناطيس الدائم المربع النيوديميوم ذات الدفع المباشر بقدرة 1.5 ميجاوات. إن تطوير توربينات الرياح وتوربينات الرياح المغناطيسية الدائمة في صعود. المستوى العام لتوربينات الرياح المغناطيسية النيوديميوم المربعة 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 على مستوى الميغاواط مغناطيسات النيوديميوم المربعة الدائمة الملبدة NdFeB. ولذلك، فإن اختيار المعلمات المغناطيسية لمغناطيس النيوديميوم الدائم NdFeB ومتطلبات مقاومة التآكل لمغناطيس النيوديميوم المربع مهم للغاية.
2. الخصائص المغناطيسية النموذجية ل NdFeB الملبد المستخدم في توربينات الرياح المغناطيسية الدائمة
يُطلق على مغناطيس النيوديميوم المربع الدائم NdFeB مغناطيس النيوديميوم الدائم من الجيل الثالث من المغناطيس الدائم للأرض النادرة وهو مادة المغناطيس الدائم ذات الأداء المغناطيسي الأعلى حتى الآن. المرحلة الرئيسية من سبيكة NdFeB الملبدة هي المركب بين الفلزات Nd2Fe14B، وشدة الاستقطاب المغناطيسي التشبعي (Js) هي 1.6T. نظرًا لأن سبيكة مغناطيس النيوديميوم المربعة المربعة الدائمة Nd2FeB الملبدة تتكون من المرحلة الرئيسية Nd2Fe14B ومرحلة حدود الحبوب، ويكون اتجاه حبيبات Nd2Fe14B محدودًا بظروف العملية، يمكن أن يصل الحد الأقصى الحالي لشدة الاستقطاب المغناطيسي 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 جيجاوات (ملاحظة المحرر: نُشرت هذه المقالة في عام 2010. مع تطور التكنولوجيا، يوجد حاليًا في السوق مغناطيس نيوديميوم مربع بدرجة 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 مغناطيس نيوديميوم مربع دائم ، غالبًا ما يتم اختيار NdFeB عالي الجودة (أي أن المادة ذات حد أقصى (BH) مرتفع (BH) للحصول على كثافة مغناطيسية عالية الفجوة الهوائية. عند تشغيل المحرك، نظرًا لوجود مجال إزالة المغناطيسية بالتناوب وتأثير إزالة المغناطيسية الناجم عن التيار الكبير اللحظي عندما يتغير الحمل فجأة، يلزم اختيار مغناطيس نيوديميوم مربع NdFeB بقوة قسرية عالية بما فيه الكفاية.
وتؤدي إضافة عناصر مثل الديسبروسيوم (التيربيوم) إلى السبيكة إلى زيادة القوة القسرية الجوهرية (jHc) لمغناطيس NdFeB، ولكن سيقلّ زوال (Br) مغناطيس النيوديميوم المربع (Br) تبعًا لذلك. ولذلك، فإن مغناطيسات NdFeB عالية الأداء لتوربينات الرياح تأخذ في الاعتبار كلاً من قوة الإكراه والبقايا.
3. استقرار درجة حرارة مغناطيسات النيوديميوم المربعة المربعة 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 يعمل مغناطيس النيوديميوم المربع NdFeB الملبد NdFeB الوارد في الجدول أعلاه عند 120 ℃. تبلغ درجة حرارة كوري لسبائك المغناطيس الدائم NdFeB حوالي 310 درجة مئوية. عندما تتجاوز درجة حرارة مغناطيس النيوديميوم المربع نقطة كوري، فإنه يتغير من مغناطيسية حديدية إلى شبه مغناطيسية.
تحت درجة حرارة كوري، يتناقص زوال NdFeB مع زيادة درجة الحرارة، ومعامل درجة حرارة زواله α (Br) هو -0.095 ~ -0.105%/℃. تتناقص القوة القسرية لـ NdFeB أيضًا مع زيادة درجة الحرارة، ومعامل درجة حرارة قسره β (jHc) هو -0.54 ~ -0.54 ~ -0.64%/℃. حدد قوة قسرية مناسبة بحيث يظل للمغناطيس قوة قسرية عالية بما فيه الكفاية عند درجة حرارة التشغيل القصوى لتصميم المحرك؛ وإلا سيحدث إزالة المغناطيسية.
تتكامل قوة البقايا والقوة القسرية لمواد مغناطيس النيوديميوم المربع 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
تُصنع مغناطيسات NdFeB باستخدام عملية تعدين مسحوق معدني خاص، حيث تكتمل عملية التصنيع الرئيسية تحت جو وقائي أو تفريغ. يتم ضغط جسم 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 المختلفة صغيرًا، ويشمل أيضًا أن تكون الخواص المغناطيسية للمغناطيس الواحد موحدة.
لمغناطيسية الصلب المغناطيسي نوعان: المغناطيسية الظاهرية والمغناطيسية الجوهرية. يمكن قياس ما يسمى بالمغناطيسية الظاهرية للفولاذ المغناطيسي من خلال قياس التدفق المغناطيسي للدائرة المفتوحة وشدة المجال المغناطيسي السطحي. 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. ويُعد منحنى إزالة المغنطة جزءًا من حلقة التباطؤ المغناطيسي التي تعكس 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 مغناطيسية المغناطيس الواحد متناسقة، من الضروري تقطيع المغناطيس إلى عدة قطع صغيرة وقياس منحنيات إزالة المغناطيسية الخاصة بها. أثناء عملية الإنتاج، لاختبار ما إذا كانت مغناطيسية فرن الفولاذ المغناطيسي متناسقة، من الضروري استخراج الفولاذ المغناطيسي من أجزاء مختلفة من فرن التلبيد كعينات وقياس منحنى إزالة المغناطيسية للعينات. نظرًا لأن 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 مغناطيسات النيوديميوم المربعة المطلية بالنيوديميوم 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. ويستفيد تشظّي الهيدروجين في عملية إنتاج NdFeB من هذه الخاصية في NdFeB. من من منظور الاستخدام، يعتبر تشظّي الهيدروجين في NdFeB ضارًا. بالمعنى الدقيق للكلمة، يبدأ تآكل NdFeB من عملية المعالجة. إزالة الشحوم بعد القطع والطحن، والتخليل قبل الطلاء الكهربائي لمغناطيس النيوديميوم المربع، 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 المربع 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 المربع.
يتميز الفولاذ المغناطيسي ذو الأداء الممتاز والمقاومة الجيدة للتآكل بخصائص الحبيبات الدقيقة والموحدة والكثافة المغناطيسية العالية. في الصورتين المعدنيتين لمغناطيس NdFeB الملبد 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 المربعة NdFeB
العمر التصميمي لمولد طاقة الرياح هو عشرون عامًا، مما يعني أن المغناطيسات مطلوبة للاستخدام لمدة عشرين عامًا دون توهين كبير في خواصها المغناطيسية وعدم وجود تآكل كبير في المغناطيسات. يمكن استخدام طرق الاختبار والكشف التالية من قبل مصنعي ومستخدمي الفولاذ الكهرومغناطيسي للرياح لتقييم وفحص مغناطيس النيوديميوم المربع.
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 وما إلى ذلك، فجميعها لها درجات متفاوتة من التأثير على قابلية استخدام الفولاذ المغناطيسي وموثوقيته.
