大型永久磁石
ダイレクトドライブ大型永久磁石風力タービンは、ファンのインペラを直接駆動して発電機を回転させるため、従来の交流励磁二重給電非同期風力タービンで必要だった増速ギアボックスが不要となり、運転中のギアボックスの故障やメンテナンスを回避できる。
同時に、永久大型永久磁石風力タービンは永久磁石励磁を採用し、界磁巻線がなく、ローターにコレクターリングとブラシがないため、構造が簡単で運転が信頼できる。1993年にドイツのEnercon GmbHが初の大型直接駆動永久磁石風力タービンを開発してから、2008年には新疆金風科技有限公司が数百台の1.5MW直接駆動永久磁石風力タービンを生産した。風力タービンと永久磁石風力タービンの開発は上昇傾向にある。中国の永久磁石風力タービンの全体的なレベルは、世界の最前線にある。
風力タービンの作業環境は非常に厳しい。高温、厳しい寒さ、風や砂、湿度、さらには塩水噴霧にも耐えなければならない。風力タービンの設計寿命は通常20年です。
現在、小型風力タービンもメガワット級の永久磁石風力タービンも、焼結 NdFeB 永久磁石を使用している。そのため、NdFeB永久大型永久磁石の磁気パラメータの選定と、磁石の耐食性に対する要求は非常に重要である。
2.永久磁石風力タービンに使用される焼結 NdFeB の代表的な磁気特性。
NdFeB大型永久磁石は、第三世代の希土類永久磁石と呼ばれ、これまでで最も磁気性能が高い永久磁石材料である。焼結NdFeB合金の主相は金属間化合物Nd2Fe14Bであり、その飽和磁気分極強度（Js）は1.6Tである。焼結NdFeB永久磁石合金は、主相Nd2Fe14Bと粒界相から構成され、Nd2Fe14B結晶粒の配向はプロセス条件によって制限されるため、磁石の現在の最大残留磁束は1.5Tに達することができる。
ドイツの真空製錬会社（Vacuumschmelze GmbH）は、最大磁気エネルギー積（BH）57MGOeのNdFeB磁石を生産している。国内のNdFeBメーカーは、最大磁気エネルギー積53MGOeのN50グレードの大型永久磁石を生産できる（編集部注：この記事は2010年に掲載されたものです。現在、技術の発展に伴い、最大磁気エネルギー積53MGOeのN54グレードの磁石が市場に出回っている。55MGOe）。合金の主相の割合を増やし、結晶粒の方位と磁石の密度を上げれば、磁石の最大磁気エネルギー積を増やすことができるが、単結晶Nd2Fe14Bの最大磁気エネルギー積の理論値64MGOeを超えることはない。
NdFeBの室温での減磁曲線はほぼ直線である。そのため、大型永久磁石モータを設計する際には、高いエアギャップ磁束密度を得るために、高品位NdFeB（つまりBH maxが高い材料）が選択されることが多い。モータ運転時には、交番減磁界の存在や負荷急変時の瞬間的な大電流による減磁作用により、保磁力が十分に高いネオジム磁石を選定する必要があります。
合金にジスプロシウム（テルビウム）などの元素を加えると、ネオジム磁石の固有保磁力（jHc）は増加するが、それに伴って磁石の残留磁化（Br）も低下する。そのため、風力タービン用の高性能NdFeB磁石は、保磁力と残留磁化の両方を考慮する必要があります。
3.NdFeB永久磁石の温度安定性
風力タービンは大自然の中で働くため、暑さ寒さが厳しく、同時にモーター損失によりモーターの温度も上昇する。上表の焼結ネオジム磁石は120℃でも使用可能である。NdFeB大型永久磁石合金のキュリー温度は約310℃である。磁石の温度がキュリー点を超えると、強磁性から常磁性に変化する。キュリー温度以下では、NdFeBの残留磁化は温度の上昇とともに減少し、残留磁化温度係数α (Br)は-0.095~-0.105%/℃である。NdFeBの保磁力も温度が高くなると低下し、保磁力温度係数β(jHc)は-0.54~-0.64%/℃である。保磁力は、モータ設計の最高使用温度でもマグネットが十分高い保磁力を持つように適切な保磁力を選択してください。そうでないと減磁が起こります。
NdFeB永久磁石材料の残留磁束と保磁力は相補的である。重希土類元素であるジスプロシウム(Dy)とテルビウム(Tb)を合金に添加すると、磁石の保磁力を大幅に増加させることができます。保磁力が増加すると、それに伴って残留磁化と最大磁気エネルギー積が減少します。明らかに、風力タービン用の高保磁力磁石の選択は、残留磁気と最大磁気エネルギー積を犠牲にしなければなりません。
4.風力発電用NdFeB大型永久磁石の磁気特性の整合性
NdFeB大型永久磁石は、保護雰囲気または真空下で主製造工程が完了する特殊粉末冶金プロセスを使用して製造されています。NdFeBグリーンボディは、非常に強い（～1.5T）磁場中でプレスされます。NdFeB磁石のサイズは、この特殊なプロセス条件によって制限される。
大型永久磁石風力タービンは通常、数千個のネオジム磁石を使用しており、ローターの各磁極は多数の磁石片で構成されている。ローター磁極の整合性には、寸法公差と磁気特性の整合性を含む磁性鋼の整合性が必要です。いわゆる磁気特性の整合性には、個体間の磁気特性の偏差が小さいこと、1個の磁石の磁気特性が均一であることが含まれます。
磁性鋼の磁性には、見かけの磁性と固有の磁性の2種類がある。磁性鋼のいわゆる見かけの磁性は、その開回路磁束と表面磁界強度を測定することができます。磁性鋼の見かけの磁性は、磁性鋼の形状と磁化状態に関連しています。磁性鋼の固有特性は、試料の減磁曲線を測定することで検査されます。減磁曲線はヒステリシスループの一部で、永久磁石材料の再着磁特性を反映しています。磁性鋼サンプルの減磁曲線を測定するには、測定前にサンプルを飽和磁化する必要があります。
一つの大きな永久磁石の磁性が均一であるかどうかを調べるには、磁石をいくつかの小片に切断し、それらの減磁曲線を測定する必要がある。製造工程で、磁石鋼の炉の磁性が一定かどうかを調べるには、焼結炉のさまざまな部分から磁石鋼をサンプルとして取り出し、サンプルの減磁曲線を測定する必要がある。なぜならば、測定装置は非常に高価であり、測定されるすべての磁性鋼片が無傷であることを保証することはほとんど不可能だからである。そのため、完全な製品検査はできない。NdFeBの磁気特性の一貫性は、生産設備と工程管理によって保証されなければならない。
5.NdFeBの耐食性
NdFeB合金は活性希土類元素を含み、酸化しやすく錆びやすい。用途上、NdFeBが封入され、空気や水から隔離されていない限り、大型永久磁石にはNdFeBの表面防錆処理が必要である。一般的な防錆処理には、電子ニッケルめっき、電気泳動亜鉛めっき、電気泳動エポキシ樹脂などがある。表面リン酸塩処理は、比較的乾燥した環境下で短期間にネオジム腐食を防止することができる。
希土類金属間化合物は、ある圧力と温度で水素と反応することができる。NdFeBは水素を吸収した後、熱を放出して破砕する。NdFeBの製造工程における水素の破砕は、NdFeBのこの特性を利用したものである。使用上の観点からは、NdFeBの水素分断は有害である。厳密に言えば、NdFeBの腐食は加工工程から始まる。切削・研削後の脱脂、電気メッキ前の酸洗、電気メッキ工程はすべてNdFeBの表層に影響を与える。不適切な処理は、不適格なコーティング品質（ピンホールなど）やNdFeB大型永久磁石表面層とコーティングの間の弱い結合をもたらす可能性があります。
異なるメーカーが製造する同一ブランドのNdFeB大型永久磁石の磁気特性は基本的に同じですが、合金の組成、特に磁石の微細構造の違いに違いがあることは注目に値します。優れた性能と優れた耐食性を持つ磁性鋼は、結晶粒が細かく均一で、大型永久磁石の密度が高いという特徴があります。下の2枚の焼結ネオジム磁石の金属組織写真では、左の磁石は結晶粒が細かく均一で、右の磁石は結晶粒が大きく不均一です。
6.NdFeB大型永久磁石の信頼性試験
風力発電機の設計寿命は20年であり、磁石は20年間、磁気特性の著しい減衰がなく、磁石の著しい腐食がないことが要求される。風力発電用電磁鋼板のメーカーやユーザーは、磁石の評価や検査に以下のような試験方法や検出方法を利用することができます。
重量減少試験：10mm×10mm×12mmの長方形の黒色片を試料とし（高さ12mmが磁化方向）、標準雰囲気2気圧、湿度100%、温度120℃の環境下に置く。48時間後に取り出し、酸化膜を除去する。除去時の重量減少は0.2mg/cm2以下である。
熱減磁試験：120℃×4hr、開回路磁束損失3%以下。
高温および低温衝撃試験：40℃から120℃までの高温と低温を3サイクル繰り返した後、開回路磁束損失は3%以下である。
塩水噴霧試験や温湿度試験は、電気メッキやその他の防錆コーティングを評価する方法である。
熱膨張係数、熱伝導率、抵抗率、機械的強度など、その他の物理的特性はすべて、磁性鋼の使いやすさと信頼性にさまざまな度合いで影響する。
大型永久磁石は、しばしばバルク磁石と呼ばれ、さまざまな産業分野のさまざまな用途で使用されています。これらの磁石は、その大きなサイズと磁気強度が特徴で、そのユニークな特性により様々な用途に使用されています。ここでは、大型永久磁石の一般的な用途をご紹介します：
マグネットセパレーター大型永久磁石は、食品、鉱物、リサイクル材料などの材料から鉄系汚染物質を除去する磁気分離器に使用されます。これらの磁石は鉄の粒子を引き付け、捕獲し、プロダクト純度および質を保障します。
マグネットリフターとリフティングシステム大型永久磁石は、鉄系の重量物を安全かつ効率的に持ち上げ、移動させる磁気リフターおよびリフティングシステムに採用されています。これらのシステムは製造業、構造および造船のような企業で適用を見つけます。
磁気カップリング：大型永久磁石を使用したマグネットカップリングは、壁やケーシングなどの非磁性バリアを介してトルクを伝達します。これらのカップリングは、ポンプ、ミキサー、その他の回転機器に一般的に使用され、メカニカルシールの必要性をなくし、漏れや汚染のリスクを低減します。
磁気軸受：大型永久磁石を磁気軸受システムに組み込み、タービン、モーター、フライホイールなどの回転機械に摩擦のない支持と安定化を提供します。磁気軸受は、メンテナンスの軽減、効率の向上、信頼性の向上などの利点があります。
磁気共鳴画像法（MRI）：医療用画像診断では、MRI装置に大型の永久磁石が使用され、撮像のために強く均一な磁場を発生させる。この磁石が体内の水素原子の配列と弛緩に必要な条件を作り出すことで、詳細な画像を得ることができる。
粒子加速器：サイクロトロンやシンクロトロンなどの粒子加速器では、荷電粒子の軌道を制御するために大型の永久磁石が使用されています。これらの磁石は、粒子の軌道を曲げたり制御したりする磁場を作り出し、物理学、化学、材料科学などの分野における科学研究を促進します。
風力タービン発電機風力発電システムでは、風からの機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために、大型永久磁石をダイレクトドライブ発電機に利用しています。この発電機によりギアボックスが不要となり、よりシンプルで信頼性の高い風力タービンの設計が可能となります。
磁気浮上輸送システム：大型永久磁石は、磁気浮上（磁気浮上）輸送システムに採用され、磁界を形成して車両を浮上させ、ガイドウェイに沿って推進させる。例えば磁気浮上式鉄道は、高速で摩擦のない走行を実現するために大型磁石を使用している。
これらは、大型永久磁石の多様な用途のほんの一例に過ぎません。高い磁力、安定性、耐久性など、そのユニークな特性は、さまざまな産業、科学、技術の分野で欠かせないものとなっています。
