Imanes permanentes de gran tamaño
El aerogenerador de imanes permanentes de gran tamaño de accionamiento directo utiliza el impulsor del ventilador para accionar directamente el generador para que gire, lo que elimina la caja de engranajes de aumento de velocidad que requiere el aerogenerador asíncrono de doble alimentación y excitación de CA tradicional, y evita el fallo de la caja de engranajes y su mantenimiento durante el funcionamiento.
Al mismo tiempo, el aerogenerador de imanes permanentes de gran tamaño adopta la excitación por imanes permanentes, no tiene bobinado de campo y no tiene anillos colectores ni escobillas en el rotor; por lo tanto, tiene una estructura sencilla y un funcionamiento fiable. Desde 1993, la empresa alemana Enercon GmbH desarrolló el primer aerogenerador de imanes permanentes de accionamiento directo a gran escala, hasta 2008, Xinjiang Goldwind Technology Co., Ltd. produjo cientos de aerogeneradores de imanes permanentes de accionamiento directo de 1,5 MW. El desarrollo de turbinas eólicas y aerogeneradores de imanes permanentes está en auge. El nivel general de los aerogeneradores de imanes permanentes de China está a la vanguardia del mundo.
El entorno de trabajo de las turbinas eólicas es muy duro. Deben soportar altas temperaturas, frío intenso, viento y arena, humedad e incluso niebla salina. La vida útil de los aerogeneradores suele ser de veinte años.
En la actualidad, tanto los aerogeneradores pequeños como los de megavatios utilizan imanes permanentes de NdFeB sinterizados. Por lo tanto, la selección de los parámetros magnéticos de los grandes imanes permanentes de NdFeB y los requisitos de resistencia a la corrosión de los imanes son muy importantes.
2. Propiedades magnéticas típicas del NdFeB sinterizado utilizado en turbinas eólicas de imanes permanentes.
Los imanes permanentes de gran tamaño NdFeB se denominan imanes permanentes de tierras raras de tercera generación y son el material magnético permanente con mayor rendimiento magnético hasta el momento. La fase principal de la aleación NdFeB sinterizada es el compuesto intermetálico Nd2Fe14B, y su intensidad de polarización magnética de saturación (Js) es de 1,6T. Dado que la aleación de imán permanente NdFeB sinterizada está compuesta por la fase principal Nd2Fe14B y la fase de límite de grano, y la orientación de los granos Nd2Fe14B está limitada por las condiciones del proceso, la remanencia máxima actual del imán puede alcanzar 1,5T.
La empresa alemana de fundición al vacío (Vacuumschmelze GmbH) produce imanes de NdFeB con un producto de energía magnética (BH) máximo de 57 MGOe. Los fabricantes nacionales de NdFeB pueden producir imanes permanentes grandes de grado N50 con un producto de energía magnética máxima de 53 MGOe (Nota del editor: Este artículo se publicó en 2010. Con el desarrollo de la tecnología, los imanes de grado N54 están actualmente en el mercado, con un producto de energía magnética máxima de 53 MGOe. 55MGOe). El aumento de la proporción de la fase principal de la aleación, el aumento de la orientación de los granos y la densidad del imán pueden aumentar el producto de energía magnética máxima del imán; sin embargo, no superará el valor teórico del producto de energía magnética máxima de Nd2Fe14B monocristalino, 64MGOe.
La curva de desmagnetización del NdFeB a temperatura ambiente es aproximadamente una línea recta. Por lo tanto, cuando se diseña un motor de imanes permanentes de gran tamaño, se suele seleccionar NdFeB de alto grado (es decir, el material tiene un (BH) máx. elevado) para obtener una densidad magnética de entrehierro elevada. Cuando el motor está en marcha, debido a la existencia del campo desmagnetizante alterno y al efecto desmagnetizante causado por la gran corriente instantánea cuando la carga cambia repentinamente, es necesario seleccionar imanes de NdFeB con una fuerza coercitiva suficientemente alta.
La adición de elementos como el disprosio (terbio) a la aleación aumenta la fuerza coercitiva intrínseca (jHc) del NdFeB, pero la remanencia (Br) del imán disminuirá en consecuencia. Por lo tanto, los imanes de NdFeB de alto rendimiento para turbinas eólicas tienen en cuenta tanto su coercitividad como su remanencia.
3. Estabilidad térmica de los imanes permanentes de NdFeB
Los aerogeneradores funcionan en la naturaleza y están sometidos a fuertes calores y fríos; al mismo tiempo, las pérdidas del motor también hacen que aumente su temperatura. Los imanes de NdFeB sinterizados que figuran en la tabla anterior pueden trabajar a 120℃. La temperatura de Curie de la aleación de imanes permanentes grandes de NdFeB es de unos 310°C. Cuando la temperatura del imán supera el punto de Curie, cambia de ferromagnético a paramagnético. Por debajo de la temperatura de Curie, la remanencia del NdFeB disminuye a medida que aumenta la temperatura, y su coeficiente de temperatura de remanencia α (Br) es -0,095~-0,105%/℃. La fuerza coercitiva del NdFeB también disminuye al aumentar la temperatura, y su coeficiente de temperatura de fuerza coercitiva β (jHc) es -0,54~-0,64%/℃. Seleccione una fuerza coercitiva adecuada para que el imán siga teniendo una fuerza coercitiva suficientemente alta a la temperatura máxima de funcionamiento del diseño del motor; de lo contrario, se producirá la desmagnetización.
La remanencia y la fuerza coercitiva de los materiales magnéticos permanentes NdFeB son complementarias. La adición de elementos de tierras raras pesadas disprosio (Dy) y terbio (Tb) a la aleación puede aumentar significativamente la fuerza coercitiva del imán. Al aumentar la fuerza coercitiva, la remanencia y el producto de energía magnética máxima disminuyen en consecuencia. Obviamente, la elección de imanes de alta coercitividad para las turbinas eólicas debe hacerse a expensas del magnetismo residual y del producto máximo de energía magnética.
4. Consistencia de las propiedades magnéticas de los grandes imanes permanentes de NdFeB eólicos
Los imanes permanentes grandes de NdFeB se fabrican mediante un proceso pulvimetalúrgico especial, en el que el proceso de fabricación principal se completa bajo una atmósfera protectora o al vacío. El cuerpo verde de NdFeB se prensa en un campo magnético muy fuerte (~1,5T). El tamaño de los imanes de NdFeB está limitado por estas condiciones especiales del proceso.
Las grandes turbinas eólicas de imanes permanentes suelen utilizar miles de imanes de NdFeB, y cada polo magnético del rotor se compone de muchas piezas de imanes. La consistencia de los polos magnéticos del rotor requiere la consistencia del acero magnético, incluida la consistencia de las tolerancias dimensionales y de las propiedades magnéticas. La llamada consistencia de las propiedades magnéticas incluye que la desviación de las propiedades magnéticas entre diferentes individuos debe ser pequeña, y también incluye que las propiedades magnéticas de un solo imán deben ser uniformes.
El magnetismo del acero magnético es de dos tipos: magnetismo aparente y magnetismo intrínseco. El llamado magnetismo aparente del acero magnético puede medir su flujo magnético en circuito abierto y la intensidad de su campo magnético superficial. El magnetismo aparente del acero magnético está relacionado con la forma y el estado de magnetización del acero magnético. Las características intrínsecas del acero magnético se comprueban midiendo la curva de desmagnetización de la muestra. La curva de desmagnetización forma parte del bucle de histéresis, que refleja las características de remagnetización del material magnético permanente. Para medir la curva de desmagnetización de las muestras de acero magnético, la condición es que la muestra debe estar magnetizada por saturación antes de la medición.
Para comprobar si el magnetismo de un único imán permanente de gran tamaño es uniforme, es necesario cortar el imán en varios trozos pequeños y medir sus curvas de desmagnetización. Durante el proceso de producción, para comprobar si el magnetismo de un horno de acero magnético es uniforme, es necesario extraer acero magnético de diferentes partes del horno de sinterización como muestras y medir la curva de desmagnetización de la muestra. Debido a que el equipo de medición es muy caro, y es casi imposible asegurar que cada pieza de acero magnético que se mide está intacta. Por lo tanto, no se puede realizar una inspección completa del producto. La consistencia de las propiedades magnéticas del NdFeB debe garantizarse mediante el equipo de producción y el control del proceso.
5. Resistencia a la corrosión del NdFeB
La aleación NdFeB contiene elementos activos de tierras raras y es fácil de oxidar y oxidarse. En las aplicaciones, a menos que el NdFeB esté encapsulado y aislado del aire y el agua, se requiere un tratamiento superficial anticorrosión de los grandes imanes permanentes de NdFeB. Entre los revestimientos anticorrosión más comunes se encuentran el electrogalvanizado, el cincado electroforético y la resina epoxi electroforética. El tratamiento de fosfatado superficial puede evitar la corrosión del NdFeB en un corto periodo de tiempo en un entorno relativamente seco.
Los compuestos intermetálicos de tierras raras pueden reaccionar con el hidrógeno a determinada presión y temperatura. Cuando el NdFeB absorbe hidrógeno, libera calor y se fragmenta. La fragmentación del hidrógeno en el proceso de producción del NdFeB utiliza esta característica del NdFeB. Desde el punto de vista del uso, la fragmentación por hidrógeno del NdFeB es perjudicial. En sentido estricto, la corrosión del NdFeB comienza en su proceso de elaboración. El desengrasado tras el corte y el esmerilado, el decapado antes de la galvanoplastia y el proceso de galvanoplastia influyen en la capa superficial del NdFeB. Un procesamiento inadecuado puede dar lugar a una calidad de revestimiento no cualificada (como agujeros de alfiler) y a una unión débil entre la capa superficial de los grandes imanes permanentes de NdFeB y el revestimiento.
Cabe señalar que, aunque las propiedades magnéticas de la misma marca de imanes permanentes grandes de NdFeB producidos por distintos fabricantes son básicamente las mismas, habrá diferencias en la composición de las aleaciones, especialmente la diferencia en la microestructura de los imanes. El acero magnético con excelente rendimiento y buena resistencia a la corrosión tiene las características de granos finos y uniformes y alta densidad de imanes permanentes grandes. En las dos fotos metalográficas de imanes de NdFeB sinterizados que se muestran a continuación, el imán de la izquierda tiene granos finos y uniformes, mientras que el imán de la derecha tiene granos más grandes y desiguales.
6. Prueba de fiabilidad de imanes permanentes grandes de NdFeB
La vida útil de diseño del generador eólico es de veinte años, lo que significa que los imanes deben utilizarse durante veinte años sin atenuación significativa de sus propiedades magnéticas y sin corrosión significativa de los imanes. Los fabricantes y usuarios de acero electromagnético eólico pueden utilizar los siguientes métodos de prueba y detección para evaluar e inspeccionar los imanes.
Prueba de pérdida de peso: Utilice una pieza rectangular negra de 10 mm × 10 mm × 12 mm como muestra (12 mm de altura es la dirección de magnetización), colóquela en un ambiente de 2 atmósferas estándar, 100% de humedad y 120°C. Después de 48 horas, sáquela y retire la capa de óxido. Cuando se retira, la pérdida de peso es inferior a 0,2 mg/cm2.
Prueba de desmagnetización térmica: 120℃×4hr, la pérdida de flujo magnético en circuito abierto es inferior a 3%.
Prueba de choque en frío y en caliente: Después de tres ciclos de altas y bajas temperaturas de -40°C a 120°C, la pérdida de flujo magnético en circuito abierto es inferior a 3%.
La prueba de niebla salina y la prueba de temperatura y humedad son métodos para evaluar la galvanoplastia y otros revestimientos anticorrosión.
Otras propiedades físicas, como el coeficiente de dilatación térmica, la conductividad térmica, la resistividad y la resistencia mecánica, influyen en mayor o menor medida en la utilidad y fiabilidad del acero magnético.
Los imanes permanentes de gran tamaño, a menudo denominados imanes a granel, se utilizan en diversas aplicaciones de diferentes sectores. Estos imanes se caracterizan por su gran tamaño y fuerza magnética, y sirven para diversos fines debido a sus propiedades únicas. Estas son algunas aplicaciones comunes de los imanes permanentes grandes:
Separadores magnéticos: Los grandes imanes permanentes se utilizan en separadores magnéticos para eliminar los contaminantes ferrosos de materiales como productos alimenticios, minerales y materiales reciclados. Estos imanes atraen y capturan las partículas ferrosas, garantizando la pureza y calidad del producto.
Elevadores magnéticos y sistemas de elevación: Los grandes imanes permanentes se emplean en elevadores magnéticos y sistemas de elevación para levantar y mover objetos ferrosos pesados de forma segura y eficaz. Estos sistemas se utilizan en sectores como la fabricación, la construcción y la construcción naval.
Acoplamientos magnéticos: En los acoplamientos magnéticos se utilizan imanes permanentes de gran tamaño para transmitir el par a través de una barrera no magnética, como una pared o una carcasa. Estos acoplamientos se utilizan habitualmente en bombas, mezcladoras y otros equipos giratorios para eliminar la necesidad de juntas mecánicas y reducir el riesgo de fugas y contaminación.
Cojinetes magnéticos: Los grandes imanes permanentes se incorporan a los sistemas de cojinetes magnéticos para proporcionar soporte y estabilización sin fricción a la maquinaria rotativa, como turbinas, motores y volantes de inercia. Los cojinetes magnéticos ofrecen ventajas como la reducción del mantenimiento, la mejora de la eficiencia y una mayor fiabilidad.
Imágenes por resonancia magnética (IRM): en las máquinas de IRM se emplean grandes imanes permanentes para generar campos magnéticos potentes y uniformes con fines de diagnóstico por imagen. Estos imanes crean las condiciones necesarias para la alineación y relajación de los átomos de hidrógeno del cuerpo, lo que permite obtener imágenes detalladas.
Aceleradores de partículas: Los grandes imanes permanentes se utilizan en los aceleradores de partículas, como los ciclotrones y los sincrotrones, para dirigir y enfocar las partículas cargadas a lo largo de sus trayectorias. Estos imanes crean campos magnéticos que curvan y controlan las trayectorias de las partículas, facilitando la investigación científica en campos como la física, la química y la ciencia de los materiales.
Generadores eólicos: En los sistemas de energía eólica, se utilizan grandes imanes permanentes en generadores de accionamiento directo para convertir la energía mecánica del viento en energía eléctrica. Estos generadores eliminan la necesidad de cajas de engranajes, lo que permite diseñar aerogeneradores más sencillos y fiables.
Sistemas de transporte de levitación magnética: En los sistemas de transporte de levitación magnética (maglev) se emplean grandes imanes permanentes para crear campos magnéticos que hacen levitar y propulsar vehículos a lo largo de guías. Los trenes de levitación magnética, por ejemplo, utilizan imanes de gran tamaño para viajar a alta velocidad y sin fricción.
Estos son sólo algunos ejemplos de la amplia gama de aplicaciones de los imanes permanentes de gran tamaño. Sus propiedades únicas, como su gran fuerza magnética, estabilidad y durabilidad, los hacen indispensables en diversos campos industriales, científicos y tecnológicos.
