Grands aimants permanents
L'éolienne à entraînement direct à grands aimants permanents 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.
En même temps, l'éolienne à aimants permanents de grande taille adopte une excitation par aimants permanents, n'a pas d'enroulement de champ et n'a pas d'anneaux collecteurs ni de brosses sur le rotor ; par conséquent, elle a 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, la société Xinjiang Goldwind Technology Co. a produit des centaines d'éoliennes à aimants permanents à entraînement direct de 1,5 MW. Le développement des éoliennes et des éoliennes à aimants permanents 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. Par conséquent, la sélection des paramètres magnétiques des grands aimants permanents en 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.
Les grands aimants permanents NdFeB sont appelés la troisième génération d'aimants permanents à base de terres rares et constituent 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 NdFeB fritté pour aimant permanent 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 permanents de grande taille 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 Nd2Fe14B monocristallin, 64MGOe.
La courbe de démagnétisation du NdFeB à température ambiante est approximativement une ligne droite. Par conséquent, lors de la conception de grands moteurs à aimants permanents, on choisit souvent du NdFeB de qualité supérieure (c'est-à-dire que le matériau a un max élevé (BH)) afin d'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 NdFeB
Les éoliennes fonctionnent en pleine nature et sont soumises à de fortes chaleurs et à de grands froids ; en même temps, les pertes du moteur entraînent également une augmentation de sa température. Les aimants NdFeB frittés indiqués dans le tableau ci-dessus peuvent fonctionner à 120℃. La température de Curie de l'alliage NdFeB des grands aimants permanents 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 pour que l'aimant ait encore une force coercitive suffisamment élevée à la température de fonctionnement maximale de la conception du moteur ; sinon, 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 grands aimants permanents NdFeB pour l'énergie éolienne
Les grands aimants permanents en 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.
Les grandes éoliennes à aimants permanents utilisent 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 son flux magnétique en circuit ouvert et l'intensité de son champ magnétique de surface. 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 démagnétisation de l'échantillon. La courbe de démagnétisation fait partie de la boucle d'hystérésis, qui reflète les caractéristiques de réaimantation 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 grand aimant permanent est uniforme, il faut couper l'aimant en plusieurs petits morceaux et mesurer leurs courbes de démagnétisation. Au cours du processus de production, pour vérifier si le magnétisme d'un four d'acier magnétique est constant, 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 pour les grands aimants permanents. Les revêtements anticorrosion les plus courants sont le placage d'électronickel, le placage de zinc 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. Après avoir absorbé de l'hydrogène, le NdFeB dégage de la chaleur et se fragmente. La fragmentation de l'hydrogène dans le processus de production du NdFeB utilise cette caractéristique du NdFeB. Du point de vue de l'utilisation, la fragmentation du NdFeB par l'hydrogène est nocive. 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 des grands aimants permanents en NdFeB et le revêtement.
Il convient de noter que, bien que les propriétés magnétiques d'une même marque de gros aimants permanents 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. 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 densité élevée de gros aimants permanents. Dans les deux photos métallographiques d'aimants NdFeB frittés ci-dessous, l'aimant montré à gauche a des grains fins et uniformes, tandis que l'aimant montré à droite a des grains plus gros et irréguliers.
6. Essai de fiabilité des grands aimants permanents en NdFeB
La durée de vie du générateur d'énergie éolienne est de vingt ans, ce qui signifie que les aimants doivent être utilisés pendant vingt ans sans atténuation significative de leurs propriétés magnétiques et sans corrosion significative des aimants. 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.
Les grands aimants permanents, souvent appelés aimants en vrac, sont utilisés dans une grande variété d'applications dans différents secteurs. Ces aimants se caractérisent par leur taille importante et leur force magnétique, et ils servent à diverses fins en raison de leurs propriétés uniques. Voici quelques applications courantes des gros aimants permanents :
Séparateurs magnétiques : Les grands aimants permanents sont utilisés dans les séparateurs magnétiques pour éliminer les contaminants ferreux de matériaux tels que les produits alimentaires, les minéraux et les matériaux recyclés. Ces aimants attirent et capturent les particules ferreuses, garantissant ainsi la pureté et la qualité des produits.
Lève-personnes et systèmes de levage magnétiques : Les grands aimants permanents sont utilisés dans les élévateurs magnétiques et les systèmes de levage pour soulever et déplacer des objets ferreux lourds de manière sûre et efficace. Ces systèmes trouvent des applications dans des secteurs tels que l'industrie manufacturière, la construction et la construction navale.
Accouplements magnétiques : De grands aimants permanents sont utilisés dans les accouplements magnétiques pour transmettre le couple à travers une barrière non magnétique, telle qu'une paroi ou un boîtier. Ces accouplements sont couramment utilisés dans les pompes, les mélangeurs et d'autres équipements rotatifs pour éliminer le besoin de joints mécaniques, réduisant ainsi le risque de fuites et de contamination.
Paliers magnétiques : De grands aimants permanents sont incorporés dans des systèmes de paliers magnétiques afin de fournir un support et une stabilisation sans frottement pour les machines tournantes, telles que les turbines, les moteurs et les volants d'inertie. Les paliers magnétiques offrent des avantages tels que la réduction de la maintenance, l'amélioration de l'efficacité et de la fiabilité.
Imagerie par résonance magnétique (IRM) : en imagerie médicale, de grands aimants permanents sont utilisés dans les appareils d'IRM pour générer des champs magnétiques puissants et uniformes à des fins d'imagerie. Ces aimants créent les conditions nécessaires à l'alignement et à la relaxation des atomes d'hydrogène dans le corps, ce qui permet de produire des images détaillées.
Accélérateurs de particules : De grands aimants permanents sont utilisés dans les accélérateurs de particules, tels que les cyclotrons et les synchrotrons, pour diriger et concentrer les particules chargées le long de leur trajectoire. Ces aimants créent des champs magnétiques qui courbent et contrôlent les trajectoires des particules, facilitant ainsi la recherche scientifique dans des domaines tels que la physique, la chimie et la science des matériaux.
Éoliennes : Dans les systèmes d'énergie éolienne, de grands aimants permanents sont utilisés dans les générateurs à entraînement direct pour convertir l'énergie mécanique du vent en énergie électrique. Ces générateurs éliminent le besoin de boîtes de vitesses, ce qui permet de concevoir des éoliennes plus simples et plus fiables.
Systèmes de transport maglev : De grands aimants permanents sont utilisés dans les systèmes de transport à sustentation magnétique (maglev) pour créer des champs magnétiques qui font léviter et propulsent les véhicules le long des voies de guidage. Les trains à sustentation magnétique, par exemple, utilisent de grands aimants pour se déplacer à grande vitesse et sans frottement.
Ce ne sont là que quelques exemples de la diversité des applications des grands aimants permanents. Leurs propriétés uniques, notamment leur force magnétique élevée, leur stabilité et leur durabilité, les rendent indispensables dans divers domaines industriels, scientifiques et technologiques.
