Große Dauermagnete
Die direktangetriebene Windturbine mit großen Permanentmagneten nutzt das Laufrad des Ventilators, um den Generator direkt anzutreiben. 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 Windkraftanlage mit großen Permanentmagneten durch einen Permanentmagneten 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 direktangetriebene Permanentmagnet-Windturbine, bis 2008 produzierte die Xinjiang Goldwind Technology Co. Ltd. Hunderte von 1,5-MW-Permanentmagneten mit Direktantrieb. 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 Windkraftanlagen beträgt in der Regel zwanzig Jahre.
Gegenwärtig werden sowohl in kleinen Windkraftanlagen als auch in Windkraftanlagen mit Megawattleistung gesinterte NdFeB-Dauermagnete verwendet. Daher sind die Auswahl der magnetischen Parameter von großen 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.
Große NdFeB-Dauermagnete werden als Seltene-Erden-Dauermagnete der dritten Generation bezeichnet und sind das Dauermagnetmaterial 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 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 große Dauermagnete 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 53MGOe. 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 von Motoren mit großen Dauermagneten oft hochwertiges NdFeB (d.h. das Material hat einen hohen (BH) max) gewählt, um eine hohe magnetische Dichte des Luftspalts zu erreichen. Wenn der Motor läuft, ist es aufgrund der Existenz des entmagnetisierenden Wechselfeldes und des entmagnetisierenden Effekts, der 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 NdFeB-Dauermagneten
Windturbinen arbeiten in der Wildnis und sind starker Hitze und Kälte ausgesetzt; gleichzeitig lassen die Motorverluste auch die Temperatur des Motors ansteigen. Die in der obigen Tabelle aufgeführten gesinterten NdFeB-Magnete können bei 120℃ arbeiten. Die Curie-Temperatur von großen NdFeB-Dauermagneten 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 Magnet bei der maximalen Betriebstemperatur der Motorkonstruktion noch eine ausreichend hohe Koerzitivkraft hat; andernfalls kommt es zu einer 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 großen NdFeB-Dauermagneten für Windkraftanlagen
Große NdFeB-Dauermagnete werden in einem speziellen pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt, bei dem der Hauptfertigungsprozess unter Schutzatmosphäre oder 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.
Große Dauermagnete Windkraftanlagen verwenden 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.
Es gibt zwei Arten des Magnetismus von Magnetstahl: den scheinbaren Magnetismus und den Eigenmagnetismus. Mit dem so genannten scheinbaren Magnetismus von Magnetstahl lassen sich der magnetische Fluss bei offenem Stromkreis und die magnetische Feldstärke an der Oberfläche messen. 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 Permanentmagnetmaterials widerspiegelt. Um die Entmagnetisierungskurve von Magnetstahlproben zu messen, muss die Probe vor der Messung sättigungsmagnetisiert werden.
Um zu prüfen, ob der Magnetismus eines einzelnen großen Dauermagneten gleichmäßig 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 aus Magnetstahl 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. Wenn das NdFeB nicht gekapselt und von Luft und Wasser isoliert ist, ist bei großen Dauermagneten eine Oberflächenbehandlung gegen Korrosion erforderlich. Zu den üblichen Korrosionsschutzbeschichtungen gehören Elektronenvernickelung, elektrophoretische Verzinkung und elektrophoretisches 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. Bei der Wasserstofffragmentierung im Produktionsprozess von NdFeB wird diese Eigenschaft von NdFeB ausgenutzt. Aus Sicht der Nutzung ist die Wasserstoffsplitterung von NdFeB schädlich. Streng genommen beginnt die Korrosion von NdFeB mit dem Verarbeitungsprozess. Die Entfettung nach dem Schneiden und Schleifen, das Beizen vor dem Galvanisieren und der Galvanisierungsprozess haben alle einen Einfluss auf die Oberflächenschicht von NdFeB. Eine unsachgemäße Verarbeitung kann zu einer unzureichenden Qualität der Beschichtung (z. B. Nadellöcher) und einer schwachen Verbindung zwischen der Oberflächenschicht der NdFeB-Dauermagnete und der Beschichtung führen.
Es ist erwähnenswert, dass, obwohl die magnetischen Eigenschaften der gleichen Marke von NdFeB großen Dauermagneten, die von verschiedenen Herstellern produziert werden, im Grunde die gleichen sind, gibt es Unterschiede in der Zusammensetzung der Legierungen, insbesondere der Unterschied in der Mikrostruktur der Magnete. Magnetischer Stahl mit hervorragender Leistung und guter Korrosionsbeständigkeit zeichnet sich durch feine und gleichmäßige Körner und eine hohe Dichte der großen Dauermagnete aus. In den beiden folgenden metallografischen Fotos von gesinterten NdFeB-Magneten weist der links abgebildete Magnet feine und gleichmäßige Körner auf, während der rechts abgebildete Magnet größere und ungleichmäßige Körner aufweist.
6. Zuverlässigkeitsprüfung von großen NdFeB-Dauermagneten
Die Lebensdauer des Windkraftgenerators beträgt zwanzig Jahre, was bedeutet, dass die Magnete zwanzig Jahre lang ohne signifikante Abschwächung ihrer magnetischen Eigenschaften und ohne signifikante Korrosion der Magnete verwendet werden müssen. Die folgenden Prüf- und Nachweismethoden können von Herstellern und Anwendern von elektromagnetischem Windstahl zur Bewertung und Inspektion der Magnete 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.
Große Dauermagnete, oft auch als Schüttgutmagnete bezeichnet, werden in einer Vielzahl von Anwendungen in unterschiedlichen Branchen eingesetzt. Diese Magnete zeichnen sich durch ihre beträchtliche Größe und magnetische Stärke aus und dienen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften verschiedenen Zwecken. Hier sind einige häufige Anwendungen von großen Dauermagneten:
Magnetische Abscheider: Große Dauermagnete werden in Magnetabscheidern eingesetzt, um eisenhaltige Verunreinigungen aus Materialien wie Lebensmitteln, Mineralien und recycelten Materialien zu entfernen. Diese Magnete ziehen eisenhaltige Partikel an und halten sie fest, um die Reinheit und Qualität der Produkte zu gewährleisten.
Magnetische Hebevorrichtungen und Hebesysteme: Große Permanentmagnete werden in magnetischen Hebern und Hebesystemen eingesetzt, um schwere eisenhaltige Gegenstände sicher und effizient zu heben und zu bewegen. Diese Systeme finden Anwendung in Branchen wie der verarbeitenden Industrie, dem Baugewerbe und dem Schiffbau.
Magnetische Kupplungen: Große Dauermagnete werden in Magnetkupplungen verwendet, um ein Drehmoment durch eine nichtmagnetische Barriere, wie z. B. eine Wand oder ein Gehäuse, zu übertragen. Diese Kupplungen werden häufig in Pumpen, Mischern und anderen rotierenden Geräten eingesetzt, um mechanische Dichtungen überflüssig zu machen und das Risiko von Lecks und Verunreinigungen zu verringern.
Magnetische Lager: Große Dauermagnete werden in Magnetlagersysteme eingebaut, um eine reibungslose Unterstützung und Stabilisierung für rotierende Maschinen wie Turbinen, Motoren und Schwungräder zu gewährleisten. Magnetlager bieten Vorteile wie geringeren Wartungsaufwand, verbesserte Effizienz und erhöhte Zuverlässigkeit.
Magnetresonanztomographie (MRT): In der medizinischen Bildgebung werden in MRT-Geräten große Dauermagnete eingesetzt, um starke und gleichmäßige Magnetfelder für die Bildgebung zu erzeugen. Diese Magnete schaffen die notwendigen Bedingungen für die Ausrichtung und Entspannung von Wasserstoffatomen im Körper, so dass detaillierte Bilder erzeugt werden können.
Teilchenbeschleuniger: Große Dauermagnete werden in Teilchenbeschleunigern wie Zyklotronen und Synchrotrons eingesetzt, um geladene Teilchen auf ihren Bahnen zu lenken und zu fokussieren. Diese Magnete erzeugen Magnetfelder, die die Bahnen der Teilchen krümmen und steuern und so die wissenschaftliche Forschung in Bereichen wie Physik, Chemie und Materialwissenschaft erleichtern.
Windturbinen-Generatoren: In Windenergiesystemen werden große Permanentmagnete in direkt angetriebenen Generatoren eingesetzt, um die mechanische Energie des Windes in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Generatoren machen Getriebe überflüssig, was zu einfacheren und zuverlässigeren Windturbinenkonstruktionen führt.
Magnetschwebebahn-Transportsysteme: In Magnetschwebebahnsystemen werden große Dauermagnete eingesetzt, um Magnetfelder zu erzeugen, die Fahrzeuge schweben lassen und sie entlang von Führungsschienen antreiben. Magnetschwebebahnen zum Beispiel nutzen große Magnete, um eine reibungslose Hochgeschwindigkeitsfahrt zu ermöglichen.
Dies sind nur einige Beispiele für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von großen Dauermagneten. Ihre einzigartigen Eigenschaften wie hohe magnetische Stärke, Stabilität und Haltbarkeit machen sie in verschiedenen industriellen, wissenschaftlichen und technologischen Bereichen unverzichtbar.
