Resumo: Os ímanes quadrados permanentes de neodímio das turbinas eólicas utilizam ímanes permanentes de neodímio, ferro e boro sinterizados de elevado desempenho magnético. A força coerciva é suficientemente elevada para evitar que os ímanes percam o magnetismo a altas temperaturas. A vida útil dos ímanes quadrados de neodímio depende do material de base e do tratamento anti-corrosão da superfície. A prevenção da corrosão dos ímanes quadrados de neodímio NdFeB deve começar desde o fabrico.
Palavras-chave: ímanes quadrados permanentes de neodímio para turbinas eólicas, NdFeB sinterizado de elevado desempenho, fiabilidade do íman.
I. Introdução
A turbina eólica de íman permanente de acionamento direto utiliza o impulsor da ventoinha para acionar diretamente a rotação do gerador, eliminando a caixa de velocidades de aumento de velocidade exigida pela tradicional turbina eólica assíncrona de alimentação dupla com excitação CA e evitando falhas na caixa de velocidades e manutenção durante o funcionamento. Ao mesmo tempo, a turbina eólica de ímanes permanentes adopta a excitação de ímanes permanentes, não tem enrolamento de campo e não tem anéis colectores e escovas no rotor; por conseguinte, tem uma estrutura simples e um funcionamento fiável.
Desde 1993, a empresa alemã Enercon GmbH desenvolveu a primeira turbina eólica de ímanes permanentes de acionamento direto em grande escala, até 2008, a Xinjiang Goldwind Technology Co. produziu centenas de ímanes de neodímio quadrados permanentes de acionamento direto de 1,5 MW. O desenvolvimento de turbinas eólicas e de turbinas eólicas de ímanes permanentes está em ascensão. O nível geral das turbinas eólicas de ímanes de neodímio quadrados permanentes da China está na vanguarda do mundo.
O ambiente de trabalho das turbinas eólicas é muito duro. Têm de ser capazes de suportar temperaturas elevadas, frio intenso, vento e areia, humidade e até mesmo névoa salina. A vida útil projectada das turbinas eólicas é geralmente de vinte anos. Atualmente, tanto as pequenas turbinas eólicas como as turbinas eólicas de ímanes permanentes de nível megawatt utilizam ímanes de neodímio quadrados permanentes NdFeB sinterizados. Por conseguinte, a seleção dos parâmetros magnéticos dos ímanes permanentes NdFeB e os requisitos para a resistência à corrosão dos ímanes quadrados de neodímio são muito importantes.
2. Propriedades magnéticas típicas do NdFeB sinterizado utilizado em turbinas eólicas de ímanes permanentes
Os ímanes de neodímio quadrados permanentes NdFeB são designados por ímanes permanentes de terras raras de terceira geração e são o material magnético permanente com o melhor desempenho magnético até à data. A fase principal da liga NdFeB sinterizada é o composto intermetálico Nd2Fe14B, e a sua intensidade de polarização magnética de saturação (Js) é de 1,6T. Uma vez que a liga de ímanes de neodímio quadrados permanentes NdFeB sinterizados é composta pela fase principal Nd2Fe14B e pela fase de contorno de grão, e a orientação dos grãos Nd2Fe14B é limitada pelas condições do processo, a remanência máxima atual do íman pode atingir 1,5T.
A empresa alemã de fundição a vácuo (Vacuumschmelze GmbH) produz ímanes NdFeB com um produto de energia magnética máxima (BH) de 57 MGOe. Os fabricantes nacionais de NdFeB podem produzir ímanes de grau N50 com um produto de energia magnética máxima de 53 MGOe (Nota do editor: Este artigo foi publicado em 2010. Com o desenvolvimento da tecnologia, estão atualmente no mercado ímanes de neodímio quadrados de grau N54, com um produto de energia magnética máxima de 53 MGOe. 55MGOe).
Aumentar a proporção da fase principal da liga, aumentar a orientação dos grãos e a densidade do íman pode aumentar o produto máximo de energia magnética do íman; no entanto, não excederá o valor teórico do produto máximo de energia magnética do cristal único Nd2Fe14B, 64MGOe.
A curva de desmagnetização do NdFeB à temperatura ambiente é aproximadamente uma linha reta. Por conseguinte, ao conceber um motor de ímanes de neodímio quadrados permanentes, o NdFeB de alta qualidade (ou seja, o material tem um máximo elevado (BH)) é frequentemente selecionado para obter uma densidade magnética elevada do espaço de ar. Quando o motor está em funcionamento, devido à existência do campo de desmagnetização alternado e ao efeito de desmagnetização causado pela grande corrente instantânea quando a carga muda subitamente, é necessário selecionar ímanes de neodímio quadrados NdFeB com uma força coerciva suficientemente elevada.
A adição de elementos como o disprósio (térbio) à liga aumenta a força coerciva intrínseca (jHc) do NdFeB, mas a remanência (Br) dos ímanes quadrados de neodímio diminui em conformidade. Por conseguinte, os ímanes de NdFeB de elevado desempenho para turbinas eólicas têm em conta tanto a sua coercividade como a sua remanência.
3. Estabilidade térmica dos ímanes permanentes de neodímio quadrados NdFeB
As turbinas eólicas funcionam no deserto e estão sujeitas a calor e frio severos; ao mesmo tempo, as perdas do motor também fazem com que a temperatura do motor aumente. Os ímãs de neodímio quadrados NdFeB sinterizados fornecidos na tabela acima podem funcionar a 120 ℃. A temperatura Curie da liga de ímã permanente NdFeB é de cerca de 310 ° C. Quando a temperatura dos ímãs quadrados de neodímio excede o ponto Curie, ele muda de ferromagnético para paramagnético.
Abaixo da temperatura de Curie, a remanência do NdFeB diminui à medida que a temperatura aumenta, e seu coeficiente de temperatura de remanência α (Br) é -0,095 ~ -0,105% / ℃. A força coercitiva do NdFeB também diminui à medida que a temperatura aumenta, e seu coeficiente de temperatura de força coercitiva β (jHc) é -0,54 ~ -0,64% / ℃. Selecione uma força coercitiva apropriada para que o ímã ainda tenha uma força coercitiva suficientemente alta na temperatura máxima de operação do projeto do motor; caso contrário, ocorrerá desmagnetização.
A remanência e a força coerciva dos materiais dos ímanes permanentes de neodímio quadrado NdFeB são complementares. A adição de elementos pesados de terras raras disprósio (Dy) e térbio (Tb) à liga pode aumentar significativamente a força coerciva do íman. À medida que a força coerciva aumenta, a remanência e o produto máximo de energia magnética diminuem em conformidade. Obviamente, a escolha de ímanes de elevada coercividade para turbinas eólicas deve ser feita à custa do magnetismo residual e do produto máximo de energia magnética.
4. Consistência das propriedades magnéticas dos ímanes NdFeB para energia eólica
Os ímanes NdFeB são fabricados através de um processo especial de metalurgia do pó, em que o processo de fabrico principal é concluído sob uma atmosfera protetora ou vácuo. O corpo verde do NdFeB é pressionado num campo magnético muito forte (~1,5T). O tamanho dos ímanes de NdFeB é limitado por estas condições especiais do processo.
Uma turbina eólica de ímanes permanentes de grandes dimensões utiliza normalmente milhares de ímanes NdFeB, e cada pólo magnético do rotor é composto por muitas peças de ímanes. A consistência dos pólos magnéticos do rotor requer a consistência do aço magnético, incluindo a consistência das tolerâncias dimensionais e das propriedades magnéticas. A chamada consistência das propriedades magnéticas inclui que o desvio das propriedades magnéticas entre diferentes indivíduos deve ser pequeno, e também inclui que as propriedades magnéticas de um único íman devem ser uniformes.
O magnetismo do aço magnético tem dois tipos: o magnetismo aparente e o magnetismo intrínseco. O chamado magnetismo aparente do aço magnético pode medir o seu fluxo magnético em circuito aberto e a intensidade do seu campo magnético superficial. O magnetismo aparente do aço magnético está relacionado com a forma e o estado de magnetização do aço magnético. As caraterísticas intrínsecas do aço magnético são testadas através da medição da curva de desmagnetização da amostra. A curva de desmagnetização faz parte do ciclo de histerese, que reflecte as caraterísticas de remagnetização do material magnético permanente. Para medir a curva de desmagnetização de amostras de aço magnético, a condição é que a amostra precisa de ser magnetizada por saturação antes da medição.
Para testar se o magnetismo de um único íman é uniforme, é necessário cortar o íman em vários pedaços pequenos e medir as suas curvas de desmagnetização. Durante o processo de produção, para testar se o magnetismo de um forno de aço magnético é consistente, é necessário extrair aço magnético de diferentes partes do forno de sinterização como amostras e medir a curva de desmagnetização das amostras. Porque o equipamento de medição é muito caro, e é quase impossível garantir que cada pedaço de aço magnético que está a ser medido está intacto. Por conseguinte, não é possível efetuar uma inspeção completa do produto. A consistência das propriedades magnéticas do NdFeB deve ser garantida pelo equipamento de produção e pelo controlo do processo.
5. Resistência à corrosão do NdFeB
A liga de NdFeB contém elementos activos de terras raras e é fácil de oxidar e enferrujar. Nas aplicações, a menos que o NdFeB esteja encapsulado e isolado do ar e da água, é necessário um tratamento anticorrosão da superfície do NdFeB. Os revestimentos anticorrosivos mais comuns incluem o revestimento de electroníquel em ímanes de neodímio quadrados, o revestimento electroforético de zinco e a resina epóxi electroforética. O tratamento de fosfatação da superfície pode evitar a corrosão do NdFeB num curto período de tempo num ambiente relativamente seco.
Os compostos intermetálicos de terras raras podem reagir com o hidrogénio a uma determinada pressão e temperatura. Depois de o NdFeB absorver o hidrogénio, liberta calor e fragmenta-se. A fragmentação do hidrogénio no processo de produção de NdFeB utiliza esta caraterística do NdFeB. Do ponto de vista da utilização, a fragmentação do hidrogénio do NdFeB é prejudicial. Em termos estritos, a corrosão do NdFeB começa no seu processo de fabrico. O desengorduramento após o corte e a trituração, a decapagem antes da galvanoplastia dos ímanes quadrados de neodímio e o processo de galvanoplastia têm todos um impacto na camada superficial do NdFeB. Um processamento incorreto pode resultar numa qualidade de revestimento não qualificada (como pinholes) e numa fraca ligação entre a camada superficial de NdFeB e o revestimento.
É de notar que, embora as propriedades magnéticas da mesma marca de ímanes quadrados de neodímio NdFeB produzidos por diferentes fabricantes sejam basicamente as mesmas, haverá diferenças na composição das ligas, especialmente a diferença na microestrutura dos ímanes quadrados de neodímio.
O aço magnético com excelente desempenho e boa resistência à corrosão tem as caraterísticas de grãos finos e uniformes e elevada densidade magnética. Nas duas fotografias metalográficas de ímanes NdFeB sinterizados abaixo, o íman apresentado à esquerda tem grãos finos e uniformes, enquanto o íman apresentado à direita tem grãos maiores e irregulares.
6. Teste de fiabilidade de ímanes de neodímio quadrados NdFeB
A vida útil do projeto do gerador eólico é de vinte anos, o que significa que os ímanes devem ser utilizados durante vinte anos sem atenuação significativa das suas propriedades magnéticas e sem corrosão significativa dos ímanes. Os seguintes métodos de ensaio e deteção podem ser utilizados pelos fabricantes e utilizadores de aço eletromagnético eólico para avaliar e inspecionar os ímanes quadrados de neodímio.
Ensaio de perda de peso: Utilizar uma peça preta retangular de 10mm × 10mm × 12mm como amostra (12mm de altura é a direção de magnetização), colocá-la num ambiente de 2 atmosferas padrão, 100% de humidade e 120°C. Após 48 horas, retire-a e remova a camada de óxido. Quando removida, a perda de peso é inferior a 0,2 mg/cm2.
Teste de desmagnetização térmica: 120℃×4hr, perda de fluxo magnético em circuito aberto é inferior a 3%.
Teste de choque quente e frio: Após três ciclos de temperaturas altas e baixas de -40°C a 120°C, a perda de fluxo magnético em circuito aberto é inferior a 3%.
O ensaio de projeção salina e o ensaio de temperatura e humidade são métodos para avaliar a galvanoplastia e outros revestimentos anticorrosivos.
Outras propriedades físicas, como o coeficiente de dilatação térmica, a condutividade térmica, a resistividade e a resistência mecânica, etc., têm todas um impacto variável na utilização e fiabilidade do aço magnético.
