Gebundene Neodym-Magnete
auch bekannt als kompressionsgebundene Magnete, sind eine Art von Dauermagneten, die aus einer Mischung von Neodym-Eisen-Bor-Magnetpulver und einem Polymerbindemittel hergestellt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Neodym-Magneten, die durch Sintern hergestellt werden, werden gebundene Neodym-Magnete durch Pressen des Magnetpulvers unter hohem Druck in die gewünschte Form gebracht.
Hier sind einige wichtige Punkte über gebundene Neodym-Magnete: Herstellungsprozess: Bei der Herstellung wird Neodym-Eisen-Bor-Magnetpulver (NdFeB) mit einem Polymerbindemittel wie Epoxid oder Nylon gemischt und dann in einer Form in die gewünschte Form gepresst.
Nach dem Pressen wird das Material ausgehärtet, um das Bindemittel zu härten und die gebundenen Neodym-Magnete zu bilden. Eigenschaften: Gebundene Neodym-Magnete haben im Vergleich zu gesinterten gebundenen Neodym-Magneten in der Regel geringere magnetische Eigenschaften. Sie haben oft eine geringere Magnetstärke und Koerzitivfeldstärke (Widerstand gegen Entmagnetisierung), können aber in komplexen Formen und mit engen Toleranzen hergestellt werden. Anwendungen: Gebundene Neodym-Magnete werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, bei denen ihre spezifischen Eigenschaften von Vorteil sind.
Dazu gehören kleine Motoren, Sensoren, Magnetkupplungen und magnetische Baugruppen in der Unterhaltungselektronik, in Automobilkomponenten, medizinischen Geräten und Industrieanlagen. Vorteile: Komplexe Formen: Gebundene Neodym-Magnete können in komplizierten Formen hergestellt werden, die mit gesinterten Magneten nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.
Korrosionsbeständigkeit: Das Polymerbindemittel bietet einen gewissen Schutz gegen Korrosion, so dass sich gebundene Magnete für bestimmte Umgebungen eignen. Kostengünstig: Das Herstellungsverfahren für gebundene Neodym-Magnete kann kostengünstiger sein als die Herstellung von gesinterten Magneten, insbesondere bei kleinen bis mittleren Produktionsserien.
Beschränkungen: Geringere magnetische Eigenschaften: Gebundene Neodym-Magnete haben im Vergleich zu gesinterten Magneten in der Regel eine geringere Magnetstärke und Koerzitivfeldstärke. Temperaturempfindlichkeit: Das in gebundenen Magneten verwendete Polymerbindemittel kann empfindlich auf hohe Temperaturen reagieren, was zu Einschränkungen führt.
Zusammenfassung: In Windkraftanlagen mit permanent gebundenen Neodym-Magneten werden gesinterte Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete mit hoher magnetischer Leistung verwendet. Die Koerzitivkraft ist hoch genug, um zu verhindern, dass die Magnete bei hohen Temperaturen an Magnetismus verlieren. Die Lebensdauer des Magneten hängt vom Grundmaterial und der Oberflächenbehandlung zum Schutz vor Korrosion ab. Der Korrosionsschutz von NdFeB-Magneten sollte bereits bei der Herstellung beginnen.
Schlüsselwörter: Permanentmagnet-Windturbine, gesintertes Hochleistungs-NdFeB, Magnetzuverlässigkeit
I. Einleitung
Die direktangetriebene Permanentmagnet-Windturbine nutzt das Lüfterrad, um den Generator direkt in Drehung zu versetzen. Dadurch entfällt das drehzahlerhöhende Getriebe, das bei der herkömmlichen doppelt gespeisten Asynchron-Windturbine mit Wechselstromerregung erforderlich ist, und es werden Getriebeausfälle und Wartungsarbeiten während des Betriebs vermieden.
Gleichzeitig wird die Windturbine mit permanent gebundenen Neodym-Magneten durch einen Dauermagneten erregt, hat keine Feldwicklung und keine Schleifringe und Bürsten auf dem Rotor; daher hat sie eine einfache Struktur und einen zuverlässigen Betrieb. Von 1993 an entwickelte die deutsche Enercon GmbH die erste große Windturbine mit Direktantrieb durch Permanentmagnete, und 2008 produzierte die Xinjiang Goldwind Technology Co. Ltd. Hunderte von 1,5-MW-Direktantriebs-Permanentmagneten mit Neodym-Bindung. Die Entwicklung von Windturbinen und Permanentmagnet-Windturbinen ist auf dem Vormarsch. Das Gesamtniveau von Chinas Permanentmagnet-Windturbinen ist weltweit führend.
Die Arbeitsumgebung von Windkraftanlagen ist sehr rau. Sie müssen hohen Temperaturen, starker Kälte, Wind und Sand, Feuchtigkeit und sogar Salzsprühnebel standhalten können. Die Lebensdauer von Windturbinen beträgt in der Regel zwanzig Jahre. Derzeit werden sowohl für kleine Windturbinen als auch für Megawatt-Windturbinen Permanentmagnete aus gesintertem NdFeB verwendet, die mit Neodym-Magneten verbunden sind. Daher sind die Auswahl der magnetischen Parameter von NdFeB-Dauermagneten und die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der Magnete sehr wichtig.
2. Typische magnetische Eigenschaften von gesintertem NdFeB, das in Windkraftanlagen mit Permanentmagneten verwendet wird
NdFeB-Permanentmagnete werden als die dritte Generation von gebundenen Seltenerd-Permanentmagneten bezeichnet und sind das Permanentmagnetmaterial mit der bisher höchsten magnetischen Leistung. Die Hauptphase der gesinterten NdFeB-Legierung ist die intermetallische Verbindung Nd2Fe14B, und ihre magnetische Sättigungspolarisationsintensität (Js) beträgt 1,6 T.
Da die gesinterte NdFeB-Dauermagnetlegierung aus der Hauptphase Nd2Fe14B und der Korngrenzenphase besteht und die Ausrichtung der Nd2Fe14B-Körner durch die Prozessbedingungen begrenzt ist, kann die derzeitige maximale Remanenz des Magneten 1,5 T erreichen.
Das deutsche Unternehmen Vacuumschmelze GmbH produziert NdFeB-Magnete mit einem maximalen magnetischen Energieprodukt (BH) von 57 MGOe. Inländische NdFeB-Hersteller können Magnete der Sorte N50 mit einem maximalen magnetischen Energieprodukt von 53 MGOe produzieren (Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde 2010 veröffentlicht. Mit der Entwicklung der Technologie sind derzeit Magnete der Qualität N54 auf dem Markt, mit einem maximalen magnetischen Energieprodukt von 53 MGOe. 55MGOe).
Die Erhöhung des Anteils der Hauptphase der Legierung, die Erhöhung der Orientierung der Körner und der Dichte des Magneten kann das maximale magnetische Energieprodukt des Magneten erhöhen; es wird jedoch nicht den theoretischen Wert des maximalen magnetischen Energieprodukts von einkristallinem Nd2Fe14B, 64MGOe, überschreiten.
Die Entmagnetisierungskurve von NdFeB bei Raumtemperatur ist annähernd eine gerade Linie. Daher wird bei der Konstruktion eines Permanentmagnetmotors häufig hochwertiges NdFeB (d. h. das Material hat einen hohen (BH) max) gewählt, um eine hohe magnetische Dichte im Luftspalt zu erzielen.
Wenn der Motor läuft, ist es aufgrund des entmagnetisierenden Wechselfeldes und der entmagnetisierenden Wirkung, die durch den momentanen großen Strom bei plötzlichen Lastwechseln verursacht wird, erforderlich, NdFeB-Magnete mit ausreichend hoher Koerzitivkraft auszuwählen.
Die Zugabe von Elementen wie Dysprosium (Terbium) zur Legierung erhöht die Eigenkoerzitivkraft (jHc) von NdFeB, aber die Remanenz (Br) des Magneten nimmt entsprechend ab. Daher werden bei Hochleistungs-NdFeB-Magneten für Windkraftanlagen sowohl die Koerzitivfeldstärke als auch die Remanenz berücksichtigt.
3. Temperaturstabilität von dauergeschweißten NdFeB-Neodym-Magneten
Windturbinen arbeiten in der Wildnis und sind starker Hitze und Kälte ausgesetzt; gleichzeitig lassen die Motorverluste auch die Motortemperatur ansteigen. Die in der obigen Tabelle aufgeführten gesinterten NdFeB-gebundenen Neodym-Magnete können bei 120℃ arbeiten. Die Curie-Temperatur der NdFeB-Permanentmagnetlegierung liegt bei 310 °C.
Wenn die Temperatur des Magneten den Curie-Punkt überschreitet, wechselt er von ferromagnetisch zu paramagnetisch. Unterhalb der Curie-Temperatur nimmt die Remanenz von NdFeB mit steigender Temperatur ab, und der Remanenztemperaturkoeffizient α (Br) beträgt -0,095~-0,105%/℃.
Die Koerzitivkraft von NdFeB nimmt ebenfalls mit steigender Temperatur ab, und ihr Koerzitivkraft-Temperaturkoeffizient β (jHc) beträgt -0,54~-0,64%/℃. Wählen Sie eine geeignete Koerzitivkraft, so dass der gebundene Neodym-Magnet bei der maximalen Betriebstemperatur der Motorkonstruktion noch eine ausreichend hohe Koerzitivkraft aufweist; andernfalls kommt es zur Entmagnetisierung.
Die Remanenz und die Koerzitivfeldstärke von NdFeB-Dauermagneten sind komplementär. Die Zugabe der schweren Seltenerdelemente Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb) zur Legierung kann die Koerzitivfeldstärke des Magneten deutlich erhöhen. Mit zunehmender Koerzitivkraft nehmen die Remanenz und das maximale magnetische Energieprodukt entsprechend ab. Es liegt auf der Hand, dass die Wahl von Magneten mit hoher Koerzitivfeldstärke für Windkraftanlagen auf Kosten des Restmagnetismus und des maximalen magnetischen Energieprodukts gehen muss.
4. Konsistenz der magnetischen Eigenschaften von NdFeB-Magneten für Windkraftanlagen
Gebundene NdFeB-Neodym-Magnete werden nach einem speziellen pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt, bei dem der Hauptfertigungsprozess unter einer Schutzatmosphäre oder im Vakuum erfolgt. Der NdFeB-Grünkörper wird in einem sehr starken Magnetfeld (~1,5T) gepresst. Die Größe der NdFeB-Magnete ist durch diese speziellen Prozessbedingungen begrenzt.
Eine große Permanentmagnet-Windturbine verwendet in der Regel Tausende von NdFeB-Magneten, und jeder Magnetpol des Rotors besteht aus vielen Magneten. Die Konsistenz der Magnetpole des Rotors erfordert die Konsistenz des Magnetstahls, einschließlich der Konsistenz der Maßtoleranzen und der magnetischen Eigenschaften. Die so genannte Konsistenz der magnetischen Eigenschaften beinhaltet, dass die Abweichung der magnetischen Eigenschaften zwischen verschiedenen Individuen gering sein sollte, und sie beinhaltet auch, dass die magnetischen Eigenschaften eines einzelnen Magneten einheitlich sein sollten.
Der Magnetismus von Magnetstahl hat zwei Arten: scheinbarer Magnetismus und intrinsischer Magnetismus. Mit dem so genannten scheinbaren Magnetismus von Magnetstahl können der magnetische Fluss bei offenem Stromkreis und die magnetische Feldstärke an der Oberfläche von gebundenen Neodym-Magneten gemessen werden. Der scheinbare Magnetismus von Magnetstahl hängt mit der Form und dem Magnetisierungszustand des Magnetstahls zusammen. Die intrinsischen Eigenschaften von Magnetstahl werden durch Messung der Entmagnetisierungskurve der Probe geprüft.
Die Entmagnetisierungskurve ist Teil der Hystereseschleife, die die Ummagnetisierungseigenschaften des Dauermagnetmaterials widerspiegelt. Um die Entmagnetisierungskurve von magnetischen Stahlproben zu messen, muss die Probe vor der Messung sättigungsmagnetisiert werden.
Um zu prüfen, ob der Magnetismus eines einzelnen Magneten einheitlich ist, muss man den Magneten in mehrere kleine Stücke schneiden und deren Entmagnetisierungskurven messen. Um während des Produktionsprozesses zu prüfen, ob der Magnetismus eines Ofens mit gebundenen Neodym-Magneten aus Stahl gleichmäßig ist, muss man Magnetstahl aus verschiedenen Teilen des Sinterofens als Proben entnehmen und die Entmagnetisierungskurve der Probe messen. Da die Messgeräte sehr teuer sind und es fast unmöglich ist, sicherzustellen, dass jedes Stück des gemessenen Magnetstahls intakt ist. Daher kann keine vollständige Produktprüfung durchgeführt werden. Die Konsistenz der magnetischen Eigenschaften von NdFeB muss durch Produktionsanlagen und Prozesskontrolle gewährleistet werden.
5. Korrosionsbeständigkeit von NdFeB
NdFeB-Legierungen enthalten aktive Seltene Erden und sind leicht zu oxidieren und zu rosten. In Anwendungen, in denen das NdFeB nicht gekapselt und von Luft und Wasser isoliert ist, ist eine Oberflächenkorrosionsschutzbehandlung des NdFeB erforderlich. Zu den üblichen Korrosionsschutzbeschichtungen gehören die Elektronenvernickelung von gebundenen Neodym-Magneten, die elektrophoretische Verzinkung und das elektrophoretische Epoxidharz. Eine Oberflächenphosphatierung kann die Korrosion von NdFeB in einer relativ trockenen Umgebung innerhalb kurzer Zeit verhindern.
Intermetallische Verbindungen der Seltenen Erden können unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen mit Wasserstoff reagieren. Nachdem NdFeB Wasserstoff absorbiert hat, setzt es Wärme frei und zersplittert. Die Wasserstofffragmentierung bei der Herstellung von NdFeB macht sich diese Eigenschaft von NdFeB-gebundenen Neodym-Magneten zunutze. Aus Sicht der Nutzung ist die Wasserstoffsplitterung von NdFeB schädlich. Streng genommen beginnt die Korrosion von NdFeB mit dem Verarbeitungsprozess. Das Entfetten nach dem Schneiden und Schleifen, das Beizen vor dem Galvanisieren und der Galvanisierungsprozess wirken sich alle auf die Oberflächenschicht von NdFeB aus. Eine unsachgemäße Verarbeitung kann zu einer unzureichenden Beschichtungsqualität (z. B. Nadellöcher) und einer schwachen Bindung zwischen der NdFeB-Oberflächenschicht und der Beschichtung führen.
Es ist erwähnenswert, dass, obwohl die magnetischen Eigenschaften der gleichen Marke von NdFeB-gebundenen Neodym-Magneten, die von verschiedenen Herstellern produziert werden, im Grunde die gleichen sind, es Unterschiede in der Zusammensetzung der Legierungen gibt, insbesondere den Unterschied in der Mikrostruktur der gebundenen Neodym-Magnete. Magnetischer Stahl mit hervorragender Leistung und guter Korrosionsbeständigkeit zeichnet sich durch feine und gleichmäßige Körner und eine hohe Magnetdichte aus. In den beiden folgenden metallografischen Fotos von gesinterten NdFeB-Magneten weist der links gezeigte Magnet feine und gleichmäßige Körner auf, während der rechts gezeigte Magnet größere und ungleichmäßige Körner aufweist.
6. Zuverlässigkeitsprüfung von NdFeB-gebundenen Neodym-Magneten
Die Lebensdauer des Windkraftgenerators beträgt zwanzig Jahre, was bedeutet, dass der Magnetstahl zwanzig Jahre lang ohne signifikante Abschwächung seiner magnetischen Leistung und ohne signifikante Korrosion des Magnetstahls verwendet werden muss. Die folgenden Prüf- und Nachweismethoden können von Herstellern und Anwendern von elektromagnetischem Stahl für Windkraftanlagen zur Bewertung und Inspektion von Magneten verwendet werden.
Prüfung des Gewichtsverlusts: Verwenden Sie ein 10 mm × 10 mm × 12 mm großes rechteckiges schwarzes Stück als Probe (12 mm Höhe ist die Magnetisierungsrichtung) und legen Sie es in eine Umgebung mit 2 Standardatmosphären, 100% Luftfeuchtigkeit und 120 °C. Nach 48 Stunden nehmen Sie es heraus und entfernen die Oxidschicht. Nach dem Entfernen beträgt der Gewichtsverlust weniger als 0,2 mg/cm2.
Thermische Entmagnetisierungsprüfung: 120℃×4hr, offener Kreislauf magnetischer Flussverlust ist weniger als 3%.
Heiß- und Kälteschocktest: Nach drei Zyklen mit hohen und niedrigen Temperaturen von -40°C bis 120°C beträgt der Verlust des magnetischen Flusses bei offenem Stromkreis weniger als 3%.
Salzsprühnebeltests sowie Temperatur- und Feuchtigkeitstests sind Methoden zur Bewertung von Galvanik- und anderen Korrosionsschutzbeschichtungen.
Andere physikalische Eigenschaften wie der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit, der spezifische Widerstand und die mechanische Festigkeit wirken sich alle in unterschiedlichem Maße auf die Verwendbarkeit und Zuverlässigkeit von Magnetstahl aus.
