Aimants en néodyme collés
également connus sous le nom d'aimants liés par compression, sont un type d'aimant permanent constitué d'un mélange de poudre magnétique de néodyme, de fer et de bore et d'un liant polymère. Contrairement aux aimants au néodyme traditionnels, qui sont fabriqués par frittage, les aimants au néodyme liés sont formés en comprimant la poudre magnétique sous haute pression pour lui donner la forme souhaitée.
Voici quelques points clés concernant les aimants néodyme collés : Processus de fabrication : Le processus de fabrication consiste à mélanger de la poudre magnétique de néodyme fer bore (NdFeB) avec un liant polymère tel que l'époxy ou le nylon, puis à comprimer le mélange dans la forme souhaitée à l'aide d'un moule.
Après compression, le matériau est polymérisé pour durcir le liant et former les aimants au néodyme collés. Propriétés : Les aimants au néodyme collés ont généralement des propriétés magnétiques inférieures à celles des aimants au néodyme collés frittés. Ils ont souvent une force magnétique et une coercivité (résistance à la démagnétisation) plus faibles, mais ils peuvent être fabriqués dans des formes complexes et avec des tolérances serrées. Applications : Les aimants au néodyme collés sont utilisés dans diverses applications où leurs propriétés spécifiques sont avantageuses.
Il s'agit notamment de petits moteurs, de capteurs, d'accouplements magnétiques et d'assemblages magnétiques dans l'électronique grand public, les composants automobiles, les appareils médicaux et les équipements industriels. Avantages : Formes complexes : Les aimants au néodyme liés peuvent être fabriqués dans des formes complexes qu'il est difficile ou impossible d'obtenir avec des aimants frittés.
Résistance à la corrosion : Le liant polymère offre une certaine protection contre la corrosion, ce qui rend les aimants collés adaptés à certains environnements. Rentabilité : Le processus de fabrication des aimants au néodyme liés peut être moins coûteux que la production d'aimants frittés, en particulier pour les petites et moyennes séries.
Limites : Propriétés magnétiques inférieures : Les aimants au néodyme collés ont généralement une force magnétique et une coercivité inférieures à celles des aimants frittés. Sensibilité à la température : Le liant polymère utilisé dans les aimants collés peut être sensible aux températures élevées, ce qui constitue une limitation.
Résumé : Les aimants permanents en néodyme liés aux éoliennes utilisent des aimants permanents en néodyme fer bore frittés à haute performance magnétique. La force coercitive est suffisamment élevée pour empêcher les aimants de perdre leur magnétisme à des températures élevées. La durée de vie de l'aimant dépend du matériau de base et du traitement anticorrosion de la surface. La prévention de la corrosion des aimants NdFeB doit commencer dès la fabrication.
Mots-clés : éolienne à aimant permanent, NdFeB fritté haute performance, fiabilité de l'aimant
I. Introduction
L'éolienne à aimant permanent à entraînement direct utilise la roue du ventilateur pour entraîner directement la rotation du générateur, éliminant ainsi le multiplicateur de vitesse requis par l'éolienne asynchrone traditionnelle à double alimentation et excitation par courant alternatif, et évitant les pannes de multiplicateur et la maintenance en cours d'exploitation.
Par ailleurs, l'éolienne à aimants permanents en néodyme adopte une excitation par aimant permanent, n'a pas d'enroulement de champ, ni d'anneaux collecteurs ou de brosses sur le rotor ; elle a donc une structure simple et un fonctionnement fiable. Depuis 1993, la société allemande Enercon GmbH a mis au point la première éolienne à aimants permanents à entraînement direct à grande échelle, jusqu'en 2008, Xinjiang Goldwind Technology Co. a produit des centaines d'aimants au néodyme à entraînement permanent à entraînement direct de 1,5 MW. Le développement des éoliennes et des éoliennes à aimant permanent est en plein essor. Le niveau général des éoliennes à aimant permanent chinoises est à l'avant-garde du monde.
L'environnement de travail des éoliennes est très rude. Elles doivent pouvoir résister à des températures élevées, au froid intense, au vent et au sable, à l'humidité et même au brouillard salin. La durée de vie des éoliennes est généralement de vingt ans. À l'heure actuelle, les petites éoliennes et les éoliennes à aimant permanent de plusieurs mégawatts utilisent des aimants permanents frittés en NdFeB liés à des aimants en néodyme. Par conséquent, la sélection des paramètres magnétiques des aimants permanents NdFeB et les exigences en matière de résistance à la corrosion des aimants sont très importantes.
2. Propriétés magnétiques typiques du NdFeB fritté utilisé dans les éoliennes à aimant permanent
L'aimant permanent NdFeB est appelé la troisième génération d'aimants permanents en néodyme liés aux terres rares et est le matériau d'aimant permanent ayant les performances magnétiques les plus élevées à ce jour. La phase principale de l'alliage NdFeB fritté est le composé intermétallique Nd2Fe14B, et son intensité de polarisation magnétique à saturation (Js) est de 1,6T.
Étant donné que l'alliage fritté de l'aimant permanent NdFeB est composé de la phase principale Nd2Fe14B et de la phase de limite de grain, et que l'orientation des grains de Nd2Fe14B est limitée par les conditions du processus, la rémanence maximale actuelle de l'aimant peut atteindre 1,5T.
L'entreprise allemande de fusion sous vide (Vacuumschmelze GmbH) produit des aimants NdFeB avec un produit d'énergie magnétique maximale (BH) de 57 MGOe. Les fabricants nationaux de NdFeB peuvent produire des aimants de qualité N50 avec un produit d'énergie magnétique maximal de 53 MGOe (Note de l'éditeur : cet article a été publié en 2010. Avec le développement de la technologie, des aimants de qualité N54 sont actuellement sur le marché, avec un produit d'énergie magnétique maximale de 53 MGOe. 55MGOe).
L'augmentation de la proportion de la phase principale de l'alliage, de l'orientation des grains et de la densité de l'aimant peut augmenter le produit d'énergie magnétique maximal de l'aimant ; cependant, il ne dépassera pas la valeur théorique du produit d'énergie magnétique maximal du monocristal de Nd2Fe14B, 64MGOe.
La courbe de démagnétisation du NdFeB à température ambiante est approximativement une ligne droite. Par conséquent, lors de la conception d'un moteur à aimant permanent, on choisit souvent du NdFeB de qualité supérieure (c'est-à-dire que le matériau a un max élevé (BH)) pour obtenir une densité magnétique élevée dans l'entrefer.
Lorsque le moteur fonctionne, en raison de l'existence d'un champ démagnétisant alternatif et de l'effet démagnétisant causé par le courant instantané important lorsque la charge change soudainement, il est nécessaire de sélectionner des aimants NdFeB avec une force coercitive suffisamment élevée.
L'ajout d'éléments tels que le dysprosium (terbium) à l'alliage augmente la force coercitive intrinsèque (jHc) du NdFeB, mais la rémanence (Br) de l'aimant diminue en conséquence. Par conséquent, les aimants NdFeB à haute performance pour les éoliennes tiennent compte à la fois de la coercivité et de la rémanence.
3. Stabilité en température des aimants permanents en néodyme liés au NdFeB
Les éoliennes fonctionnent en pleine nature et sont soumises à de fortes chaleurs et à des froids importants ; en même temps, les pertes du moteur entraînent également une augmentation de sa température. Les aimants néodyme frittés à liant NdFeB indiqués dans le tableau ci-dessus peuvent fonctionner à 120℃. La température de Curie de l'alliage d'aimants permanents NdFeB est d'environ 310°C.
Lorsque la température de l'aimant dépasse le point de Curie, il passe de ferromagnétique à paramagnétique. En dessous de la température de Curie, la rémanence du NdFeB diminue lorsque la température augmente, et son coefficient de température de rémanence α (Br) est de -0,095~-0,105%/℃.
La force coercitive du NdFeB diminue également lorsque la température augmente, et son coefficient de température de force coercitive β (jHc) est de -0,54~-0,64%/℃. Choisir une force coercitive appropriée de sorte que l'aimant néodyme collé ait encore une force coercitive suffisamment élevée à la température de fonctionnement maximale de la conception du moteur ; dans le cas contraire, une démagnétisation se produira.
La rémanence et la force coercitive des aimants permanents NdFeB sont complémentaires. L'ajout de terres rares lourdes (dysprosium (Dy) et terbium (Tb)) à l'alliage peut augmenter de manière significative la force coercitive de l'aimant. Lorsque la force coercitive augmente, la rémanence et l'énergie magnétique maximale produite diminuent en conséquence. Il est évident que le choix d'aimants à haute coercivité pour les éoliennes doit se faire au détriment du magnétisme résiduel et de l'énergie magnétique maximale produite.
4. Cohérence des propriétés magnétiques des aimants NdFeB pour éoliennes
Les aimants au néodyme liés au NdFeB sont fabriqués à l'aide d'un procédé spécial de métallurgie des poudres, dans lequel le processus de fabrication principal est réalisé sous atmosphère protectrice ou sous vide. Le corps vert en NdFeB est pressé dans un champ magnétique très puissant (~1,5T). La taille des aimants en NdFeB est limitée par ces conditions spéciales.
Une grande éolienne à aimants permanents utilise généralement des milliers d'aimants NdFeB, et chaque pôle magnétique du rotor est composé de nombreux morceaux d'aimants. La cohérence des pôles magnétiques du rotor exige la cohérence de l'acier magnétique, y compris la cohérence des tolérances dimensionnelles et des propriétés magnétiques. Ce que l'on appelle la cohérence des propriétés magnétiques signifie que l'écart des propriétés magnétiques entre différents individus doit être faible et que les propriétés magnétiques d'un seul aimant doivent être uniformes.
Le magnétisme de l'acier magnétique est de deux types : le magnétisme apparent et le magnétisme intrinsèque. Le magnétisme apparent de l'acier magnétique permet de mesurer le flux magnétique en circuit ouvert et l'intensité du champ magnétique de surface des aimants au néodyme. Le magnétisme apparent de l'acier magnétique est lié à la forme et à l'état de magnétisation de l'acier magnétique. Les caractéristiques intrinsèques de l'acier magnétique sont testées en mesurant la courbe de désaimantation de l'échantillon.
La courbe de démagnétisation fait partie de la boucle d'hystérésis, qui reflète les caractéristiques de remagnétisation du matériau magnétique permanent. Pour mesurer la courbe de démagnétisation d'échantillons d'acier magnétique, l'échantillon doit être magnétisé à saturation avant la mesure.
Pour vérifier si le magnétisme d'un aimant unique est uniforme, il est nécessaire de couper l'aimant en plusieurs petits morceaux et de mesurer leurs courbes de démagnétisation. Au cours du processus de production, pour vérifier si le magnétisme d'un four d'aimants au néodyme liés est uniforme, il est nécessaire d'extraire de l'acier magnétique de différentes parties du four de frittage en tant qu'échantillons et de mesurer la courbe de démagnétisation de l'échantillon. L'équipement de mesure étant très coûteux, il est pratiquement impossible de s'assurer que chaque pièce d'acier magnétique mesurée est intacte. Il n'est donc pas possible de procéder à une inspection complète du produit. La constance des propriétés magnétiques du NdFeB doit être garantie par l'équipement de production et le contrôle du processus.
5. Résistance à la corrosion du NdFeB
L'alliage NdFeB contient des éléments de terre rare actifs et est facile à oxyder et à rouiller. Dans les applications, à moins que le NdFeB ne soit encapsulé et isolé de l'air et de l'eau, un traitement anticorrosion de surface du NdFeB est nécessaire. Les revêtements anticorrosion les plus courants sont le placage d'électronickel sur les aimants en néodyme, le zingage électrophorétique et la résine époxy électrophorétique. Le traitement de phosphatation de surface peut empêcher la corrosion du NdFeB sur une courte période dans un environnement relativement sec.
Les composés intermétalliques des terres rares peuvent réagir avec l'hydrogène sous certaines pressions et températures. Lorsque le NdFeB absorbe de l'hydrogène, il dégage de la chaleur et se fragmente. La fragmentation de l'hydrogène dans le processus de production du NdFeB utilise cette caractéristique des aimants au néodyme liés au NdFeB. Du point de vue de l'utilisation, la fragmentation du NdFeB par l'hydrogène est nuisible. Strictement parlant, la corrosion du NdFeB commence par son processus de traitement. Le dégraissage après le découpage et le meulage, le décapage avant l'électrodéposition et le processus d'électrodéposition ont tous un impact sur la couche superficielle du NdFeB. Un traitement inadéquat peut entraîner une mauvaise qualité du revêtement (comme des trous d'épingle) et une faible liaison entre la couche superficielle de NdFeB et le revêtement.
Il convient de noter que, bien que les propriétés magnétiques d'une même marque d'aimants au néodyme liés au NdFeB produits par différents fabricants soient fondamentalement les mêmes, il existe des différences dans la composition des alliages, en particulier dans la microstructure des aimants au néodyme liés au NdFeB. L'acier magnétique qui présente d'excellentes performances et une bonne résistance à la corrosion se caractérise par des grains fins et uniformes et une forte densité d'aimants. Dans les deux photos métallographiques d'aimants NdFeB frittés ci-dessous, l'aimant de gauche présente des grains fins et uniformes, tandis que l'aimant de droite présente des grains plus gros et irréguliers.
6. Essai de fiabilité des aimants au néodyme collés au NdFeB
La durée de vie du générateur d'énergie éolienne est de vingt ans, ce qui signifie que l'acier magnétique doit être utilisé pendant vingt ans sans atténuation significative de ses performances magnétiques et sans corrosion significative de l'acier magnétique. Les méthodes d'essai et de détection suivantes peuvent être utilisées par les fabricants et les utilisateurs d'acier électromagnétique pour éoliennes afin d'évaluer et d'inspecter les aimants.
Test de perte de poids : Utiliser une pièce noire rectangulaire de 10 mm × 10 mm × 12 mm comme échantillon (la hauteur de 12 mm correspond à la direction de l'aimantation), la placer dans un environnement de 2 atmosphères standard, 100% d'humidité et 120°C. Après 48 heures, retirer l'échantillon et enlever la couche d'oxyde. La perte de poids est inférieure à 0,2 mg/cm2.
Test de démagnétisation thermique : 120℃×4hr, la perte de flux magnétique en circuit ouvert est inférieure à 3%.
Essai de choc à chaud et à froid : Après trois cycles de températures élevées et basses de -40°C à 120°C, la perte de flux magnétique en circuit ouvert est inférieure à 3%.
L'essai au brouillard salin et l'essai de température et d'humidité sont des méthodes d'évaluation de la galvanoplastie et d'autres revêtements anticorrosion.
D'autres propriétés physiques, telles que le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la résistivité et la résistance mécanique, ont toutes un impact plus ou moins important sur l'utilisation et la fiabilité de l'acier magnétique.
