Resumen: Las turbinas eólicas de imanes permanentes cuadrados de neodimio utilizan imanes permanentes de neodimio hierro boro sinterizados de alto rendimiento magnético. La fuerza coercitiva es lo suficientemente alta como para evitar que los imanes pierdan magnetismo a altas temperaturas. La vida útil de los imanes cuadrados de neodimio depende del material de base y del tratamiento anticorrosión de la superficie. La prevención de la corrosión de los imanes cuadrados de neodimio NdFeB debe comenzar desde la fabricación.
Palabras clave: imanes permanentes cuadrados de neodimio turbina eólica, NdFeB sinterizado de alto rendimiento, fiabilidad del imán.
I. Introducción
El aerogenerador de imanes permanentes 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 el mantenimiento durante el funcionamiento. Al mismo tiempo, la turbina eólica de imanes permanentes adopta la excitación de 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 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 imanes de neodimio cuadrados permanentes de accionamiento directo de 1,5 MW. El desarrollo de aerogeneradores y turbinas eólicas de imanes permanentes está en auge. El nivel general de los aerogeneradores de imanes permanentes cuadrados de neodimio 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 las pequeñas turbinas eólicas como las turbinas eólicas de imanes permanentes de nivel megavatio utilizan imanes de neodimio cuadrados permanentes NdFeB sinterizados. Por lo tanto, la selección de los parámetros magnéticos de los imanes permanentes de NdFeB y los requisitos de resistencia a la corrosión de los imanes cuadrados de neodimio son muy importantes.
2. Propiedades magnéticas típicas del NdFeB sinterizado utilizado en las turbinas eólicas de imanes permanentes.
Los imanes permanentes cuadrados de neodimio 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 imanes de neodimio cuadrados permanentes NdFeB sinterizados 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 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, actualmente se comercializan imanes de neodimio cuadrados de grado N54, 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 del monocristal de Nd2Fe14B, 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 de neodimio cuadrados permanentes, 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 cuadrados de neodimio 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) de los imanes de neodimio cuadrados 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 cuadrados de neodimio NdFeB
Los aerogeneradores funcionan en plena naturaleza y están sometidos a fuertes calores y fríos; al mismo tiempo, las pérdidas del motor también hacen que aumente su temperatura. Los imanes cuadrados de neodimio NdFeB sinterizados que figuran en la tabla anterior pueden funcionar a 120℃. La temperatura de Curie de la aleación de imanes permanentes de NdFeB es de unos 310°C. Cuando la temperatura de los imanes cuadrados de neodimio supera el punto de Curie, cambia de ferromagnético a paramagnético.
Por debajo de la temperatura de Curie, la remanencia del NdFeB disminuye al aumentar 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 de los imanes permanentes cuadrados de neodimio 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, disminuyen en consecuencia la remanencia y el producto de energía magnética máxima. 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 imanes de NdFeB eólicos
Los imanes 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.
Una gran turbina eólica de imanes permanentes suele utilizar miles de imanes 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, incluyendo 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 solo imán 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 las muestras. Debido a que el equipo de medición es muy caro, y es casi imposible garantizar 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 anticorrosión superficial del NdFeB. Entre los revestimientos anticorrosión más comunes se encuentran el electrogalvanizado de imanes de neodimio cuadrados, 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 rectificado, el decapado antes de la galvanoplastia de los imanes de neodimio cuadrados 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 NdFeB y el revestimiento.
Cabe señalar que aunque las propiedades magnéticas de la misma marca de imanes cuadrados de neodimio NdFeB producidos por diferentes fabricantes son básicamente las mismas, habrá diferencias en la composición de las aleaciones, especialmente la diferencia en la microestructura de los imanes cuadrados de neodimio.
El acero magnético con excelente rendimiento y buena resistencia a la corrosión tiene las características de granos finos y uniformes y alta densidad magnética. 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 los imanes cuadrados de neodimio 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 de neodimio cuadrados.
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, etc., influyen en mayor o menor medida en la utilidad y fiabilidad del acero magnético.
