Magneti permanenti di grandi dimensioni
La turbina eolica a magneti permanenti di grandi dimensioni a trasmissione diretta utilizza la girante della ventola per azionare direttamente la rotazione del generatore, eliminando il riduttore ad aumento di velocità richiesto dalla tradizionale turbina eolica asincrona a doppia alimentazione con eccitazione CA ed evitando guasti e manutenzione del riduttore durante il funzionamento.
Allo stesso tempo, la turbina eolica a magneti permanenti di grandi dimensioni adotta l'eccitazione a magneti permanenti, non ha avvolgimenti di campo e non ha anelli collettori e spazzole sul rotore; pertanto, ha una struttura semplice e un funzionamento affidabile. Dal 1993, la tedesca Enercon GmbH ha sviluppato la prima turbina eolica a magneti permanenti ad azionamento diretto su larga scala, al 2008, la Xinjiang Goldwind Technology Co. Ltd. ha prodotto centinaia di magneti permanenti ad azionamento diretto da 1,5 MW. Lo sviluppo delle turbine eoliche e delle turbine eoliche a magneti permanenti è in ascesa. Il livello complessivo delle turbine eoliche a magneti permanenti cinesi è all'avanguardia nel mondo.
L'ambiente di lavoro delle turbine eoliche è molto difficile. Devono essere in grado di resistere a temperature elevate, freddo intenso, vento e sabbia, umidità e persino nebbia salina. La vita utile delle turbine eoliche è generalmente di vent'anni.
Attualmente, sia le turbine eoliche di piccole dimensioni che quelle a magnete permanente a livello di megawatt utilizzano magneti permanenti NdFeB sinterizzati. Pertanto, la selezione dei parametri magnetici dei magneti permanenti NdFeB di grandi dimensioni e i requisiti di resistenza alla corrosione dei magneti sono molto importanti.
2. Proprietà magnetiche tipiche dell'NdFeB sinterizzato utilizzato nelle turbine eoliche a magnete permanente.
I magneti permanenti di grandi dimensioni NdFeB sono chiamati magneti permanenti di terza generazione di terre rare e sono il materiale magnetico permanente con le più alte prestazioni magnetiche fino ad oggi. La fase principale della lega NdFeB sinterizzata è il composto intermetallico Nd2Fe14B e la sua intensità di polarizzazione magnetica di saturazione (Js) è di 1,6T. Poiché la lega di magneti permanenti NdFeB sinterizzati è composta dalla fase principale Nd2Fe14B e dalla fase di confine dei grani, e l'orientamento dei grani Nd2Fe14B è limitato dalle condizioni di processo, l'attuale massima remanenza del magnete può raggiungere 1,5T.
L'azienda tedesca di fusione sotto vuoto (Vacuumschmelze GmbH) produce magneti NdFeB con un prodotto di energia magnetica (BH) massimo di 57MGOe. I produttori nazionali di NdFeB sono in grado di produrre grandi magneti permanenti di grado N50 con un prodotto di energia magnetica massima di 53 MGOe (N.d.T.: questo articolo è stato pubblicato nel 2010. Con lo sviluppo della tecnologia, attualmente sono disponibili sul mercato magneti di grado N54, con un prodotto di energia magnetica massima di 53 MGOe. 55MGOe). Aumentando la proporzione della fase principale della lega, aumentando l'orientamento dei grani e la densità del magnete si può aumentare il prodotto massimo di energia magnetica del magnete; tuttavia, non si supererà il valore teorico del prodotto massimo di energia magnetica del cristallo singolo Nd2Fe14B, 64MGOe.
La curva di smagnetizzazione dell'NdFeB a temperatura ambiente è approssimativamente una linea retta. Pertanto, quando si progettano motori a magneti permanenti di grandi dimensioni, si sceglie spesso NdFeB di alta qualità (cioè il materiale ha un valore massimo (BH)) per ottenere un'elevata densità magnetica del traferro. Quando il motore è in funzione, a causa dell'esistenza del campo di smagnetizzazione alternato e dell'effetto di smagnetizzazione causato dalla grande corrente istantanea quando il carico cambia improvvisamente, è necessario selezionare magneti NdFeB con una forza coercitiva sufficientemente elevata.
L'aggiunta di elementi come il disprosio (terbio) alla lega aumenta la forza coercitiva intrinseca (jHc) dell'NdFeB, ma la remanenza (Br) del magnete diminuisce di conseguenza. Pertanto, i magneti NdFeB ad alte prestazioni per le turbine eoliche tengono conto sia della coercitività che della remanenza.
3. Stabilità di temperatura dei magneti permanenti NdFeB
Le turbine eoliche funzionano in ambiente naturale e sono soggette a forte calore e freddo; allo stesso tempo, le perdite del motore fanno aumentare la temperatura del motore stesso. I magneti NdFeB sinterizzati riportati nella tabella precedente possono funzionare a 120℃. La temperatura di Curie della lega di magneti permanenti di grandi dimensioni NdFeB è di circa 310 °C. Quando la temperatura del magnete supera il punto di Curie, passa da ferromagnetico a paramagnetico. Al di sotto della temperatura di Curie, la remanenza dell'NdFeB diminuisce all'aumentare della temperatura e il suo coefficiente di temperatura di remanenza α (Br) è -0,095~-0,105%/℃. Anche la forza coercitiva dell'NdFeB diminuisce all'aumentare della temperatura e il suo coefficiente di temperatura della forza coercitiva β (jHc) è -0,54~-0,64%/℃. Selezionare una forza coercitiva appropriata in modo che il magnete abbia ancora una forza coercitiva sufficientemente elevata alla temperatura massima di funzionamento del progetto del motore; in caso contrario, si verificherà una smagnetizzazione.
La remanenza e la forza coercitiva dei materiali per magneti permanenti NdFeB sono complementari. L'aggiunta alla lega degli elementi pesanti delle terre rare disprosio (Dy) e terbio (Tb) può aumentare significativamente la forza coercitiva del magnete. Con l'aumento della forza coercitiva, diminuiscono di conseguenza la remanenza e il prodotto massimo di energia magnetica. Ovviamente, la scelta di magneti ad alta coercitività per le turbine eoliche deve avvenire a scapito del magnetismo residuo e del prodotto massimo di energia magnetica.
4. Consistenza delle proprietà magnetiche dei magneti permanenti NdFeB di grandi dimensioni per l'energia eolica
I magneti permanenti di grandi dimensioni NdFeB sono prodotti con uno speciale processo di metallurgia delle polveri, in cui il processo di produzione principale è completato in atmosfera protettiva o sotto vuoto. Il corpo verde NdFeB viene pressato in un campo magnetico molto forte (~1,5T). Le dimensioni dei magneti NdFeB sono limitate da queste speciali condizioni di processo.
Le turbine eoliche a magneti permanenti di grandi dimensioni utilizzano solitamente migliaia di magneti NdFeB e ogni polo magnetico del rotore è composto da molti pezzi di magneti. La coerenza dei poli magnetici del rotore richiede la coerenza dell'acciaio magnetico, compresa la coerenza delle tolleranze dimensionali e delle proprietà magnetiche. La cosiddetta coerenza delle proprietà magnetiche prevede che la deviazione delle proprietà magnetiche tra individui diversi sia minima e che le proprietà magnetiche di un singolo magnete siano uniformi.
Il magnetismo dell'acciaio magnetico è di due tipi: magnetismo apparente e magnetismo intrinseco. Il cosiddetto magnetismo apparente dell'acciaio magnetico può misurare il flusso magnetico a circuito aperto e l'intensità del campo magnetico superficiale. Il magnetismo apparente dell'acciaio magnetico è legato alla forma e allo stato di magnetizzazione dell'acciaio magnetico. Le caratteristiche intrinseche dell'acciaio magnetico vengono testate misurando la curva di smagnetizzazione del campione. La curva di smagnetizzazione fa parte dell'anello di isteresi, che riflette le caratteristiche di rimagnetizzazione del materiale del magnete permanente. Per misurare la curva di smagnetizzazione dei campioni di acciaio magnetico, è necessario che il campione sia magnetizzato a saturazione prima della misurazione.
Per verificare se il magnetismo di un singolo magnete permanente di grandi dimensioni è uniforme, è necessario tagliare il magnete in diversi piccoli pezzi e misurare le loro curve di smagnetizzazione. Durante il processo di produzione, per verificare se il magnetismo di un forno di acciaio magnetico è uniforme, è necessario estrarre l'acciaio magnetico da diverse parti del forno di sinterizzazione come campioni e misurare la curva di smagnetizzazione del campione. Poiché le apparecchiature di misurazione sono molto costose, è quasi impossibile garantire che ogni pezzo di acciaio magnetico misurato sia intatto. Pertanto, non è possibile effettuare un'ispezione completa del prodotto. La coerenza delle proprietà magnetiche dell'NdFeB deve essere garantita dalle attrezzature di produzione e dal controllo del processo.
5. Resistenza alla corrosione di NdFeB
La lega NdFeB contiene elementi attivi delle terre rare ed è facile da ossidare e arrugginire. Nelle applicazioni, a meno che l'NdFeB non sia incapsulato e isolato dall'aria e dall'acqua, è necessario un trattamento superficiale anticorrosione dell'NdFeB per magneti permanenti di grandi dimensioni. I rivestimenti anticorrosione più comuni includono la placcatura con electronickel, la zincatura elettroforetica e la resina epossidica elettroforetica. Il trattamento di fosfatazione superficiale può prevenire la corrosione dell'NdFeB in un breve periodo di tempo in un ambiente relativamente secco.
I composti intermetallici delle terre rare possono reagire con l'idrogeno a determinate pressioni e temperature. Dopo aver assorbito l'idrogeno, l'NdFeB rilascia calore e si frammenta. La frammentazione dell'idrogeno nel processo di produzione dell'NdFeB sfrutta questa caratteristica dell'NdFeB. Dal punto di vista dell'utilizzo, la frammentazione dell'idrogeno dell'NdFeB è dannosa. In senso stretto, la corrosione dell'NdFeB inizia dal suo processo di lavorazione. Lo sgrassaggio dopo il taglio e la rettifica, il decapaggio prima della galvanizzazione e il processo di galvanizzazione hanno tutti un impatto sullo strato superficiale di NdFeB. Una lavorazione inadeguata può causare una qualità del rivestimento non qualificata (ad esempio fori di spillo) e un legame debole tra lo strato superficiale dei magneti permanenti di grandi dimensioni NdFeB e il rivestimento.
Vale la pena notare che, sebbene le proprietà magnetiche dei magneti permanenti di grandi dimensioni NdFeB della stessa marca prodotti da produttori diversi siano fondamentalmente le stesse, vi saranno differenze nella composizione delle leghe, in particolare nella microstruttura dei magneti. L'acciaio magnetico con prestazioni eccellenti e buona resistenza alla corrosione ha le caratteristiche di grani fini e uniformi e un'alta densità di grandi magneti permanenti. Nelle due foto metallografiche di magneti NdFeB sinterizzati qui sotto, il magnete mostrato a sinistra ha grani fini e uniformi, mentre il magnete mostrato a destra ha grani più grandi e irregolari.
6. Test di affidabilità dei magneti permanenti NdFeB di grandi dimensioni
La vita utile del generatore eolico è di vent'anni, il che significa che i magneti devono essere utilizzati per vent'anni senza una significativa attenuazione delle loro proprietà magnetiche e senza una significativa corrosione dei magneti. I seguenti metodi di prova e rilevamento possono essere utilizzati dai produttori e dagli utilizzatori di acciaio elettromagnetico eolico per valutare e ispezionare i magneti.
Test di perdita di peso: Utilizzare come campione un pezzo nero rettangolare di 10 mm × 10 mm × 12 mm (l'altezza di 12 mm è la direzione di magnetizzazione), collocarlo in un ambiente con 2 atmosfere standard, umidità 100% e 120°C. Dopo 48 ore, estrarlo e rimuovere lo strato di ossido. Una volta rimosso, la perdita di peso è inferiore a 0,2 mg/cm2.
Test di smagnetizzazione termica: 120℃×4hr, perdita di flusso magnetico a circuito aperto inferiore a 3%.
Test di shock caldo e freddo: Dopo tre cicli di alte e basse temperature da -40°C a 120°C, la perdita di flusso magnetico a circuito aperto è inferiore a 3%.
Il test in nebbia salina e il test di temperatura e umidità sono metodi per valutare la galvanica e altri rivestimenti anticorrosione.
Altre proprietà fisiche, come il coefficiente di espansione termica, la conducibilità termica, la resistività e la resistenza meccanica, hanno un impatto variabile sull'utilizzabilità e l'affidabilità dell'acciaio magnetico.
I magneti permanenti di grandi dimensioni, spesso chiamati magneti bulk, sono utilizzati in una varietà di applicazioni in diversi settori industriali. Questi magneti sono caratterizzati da dimensioni significative e forza magnetica e servono a vari scopi grazie alle loro proprietà uniche. Ecco alcune applicazioni comuni dei magneti permanenti di grandi dimensioni:
Separatori magnetici: I magneti permanenti di grandi dimensioni sono utilizzati nei separatori magnetici per rimuovere i contaminanti ferrosi da materiali come prodotti alimentari, minerali e materiali riciclati. Questi magneti attraggono e catturano le particelle ferrose, garantendo la purezza e la qualità del prodotto.
Sollevatori magnetici e sistemi di sollevamento: I magneti permanenti di grandi dimensioni sono utilizzati nei sollevatori magnetici e nei sistemi di sollevamento per sollevare e spostare oggetti ferrosi pesanti in modo sicuro ed efficiente. Questi sistemi trovano applicazione in settori quali la produzione, l'edilizia e la cantieristica.
Giunti magnetici: I giunti magnetici utilizzano grandi magneti permanenti per trasmettere la coppia attraverso una barriera non magnetica, come una parete o un involucro. Questi giunti sono comunemente utilizzati in pompe, miscelatori e altre apparecchiature rotanti per eliminare la necessità di guarnizioni meccaniche, riducendo il rischio di perdite e contaminazione.
Cuscinetti magnetici: Grandi magneti permanenti sono incorporati in sistemi di cuscinetti magnetici per fornire supporto e stabilizzazione senza attrito a macchinari rotanti, come turbine, motori e volani. I cuscinetti magnetici offrono vantaggi quali una manutenzione ridotta, una maggiore efficienza e una maggiore affidabilità.
Risonanza magnetica (MRI): nell'imaging medico, i grandi magneti permanenti sono impiegati nelle macchine MRI per generare campi magnetici forti e uniformi a scopo di imaging. Questi magneti creano le condizioni necessarie per l'allineamento e il rilassamento degli atomi di idrogeno nel corpo, consentendo la produzione di immagini dettagliate.
Acceleratori di particelle: Negli acceleratori di particelle, come i ciclotroni e i sincrotroni, si utilizzano grandi magneti permanenti per orientare e focalizzare le particelle cariche lungo le loro traiettorie. Questi magneti creano campi magnetici che piegano e controllano il percorso delle particelle, facilitando la ricerca scientifica in campi come la fisica, la chimica e la scienza dei materiali.
Generatori di turbine eoliche: Nei sistemi di energia eolica, i grandi magneti permanenti vengono utilizzati nei generatori ad azionamento diretto per convertire l'energia meccanica del vento in energia elettrica. Questi generatori eliminano la necessità di riduttori, rendendo i progetti delle turbine eoliche più semplici e affidabili.
Sistemi di trasporto Maglev: Nei sistemi di trasporto a levitazione magnetica (maglev) si utilizzano grandi magneti permanenti per creare campi magnetici che fanno levitare e spingere i veicoli lungo le guide. I treni Maglev, ad esempio, utilizzano grandi magneti per viaggiare ad alta velocità e senza attrito.
Questi sono solo alcuni esempi della vasta gamma di applicazioni dei magneti permanenti di grandi dimensioni. Le loro proprietà uniche, tra cui l'elevata forza magnetica, la stabilità e la durata, li rendono indispensabili in diversi settori industriali, scientifici e tecnologici.
