高性能燒結(jié)釹鐵硼磁體在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

　　摘要

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用高磁性能燒結(jié)釹鐵硼永磁，足夠高的矯頑力可以避免磁體高溫失磁。磁體的壽命取決于基體材質(zhì)和表面防腐蝕處理。釹鐵硼磁鋼的防腐蝕應(yīng)該從制造開始。

　　關(guān)鍵詞永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 高性能燒結(jié)釹鐵硼 磁體可靠性

　　一、前言

　　直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取風(fēng)機(jī)葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，取消了傳統(tǒng)的交流勵(lì)磁雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的增速齒輪箱，避免了運(yùn)行中齒輪箱的故障和維護(hù)。同時(shí)，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取永磁勵(lì)磁，無(wú)勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上也沒有集電環(huán)和電刷；因而，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。從1993年德國(guó)埃納康公司（Enercon GmbH）研制出第一臺(tái)大型直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，到2008年新疆金風(fēng)科技股份有限公司生產(chǎn)出數(shù)百臺(tái)1.5兆瓦直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方興未艾。中國(guó)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體水平已走在世界前列。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，它必須能經(jīng)受高溫、嚴(yán)寒、風(fēng)沙、潮濕乃至鹽霧的考驗(yàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命一般是二十年。目前無(wú)論是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)還是兆瓦級(jí)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)均選用燒結(jié)釹鐵硼永磁。因此，對(duì)釹鐵硼永磁磁性參數(shù)的選擇，以及對(duì)磁體耐蝕性的要求顯得十分重要。

　　二、用于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的燒結(jié)釹鐵硼的典型磁性能

　　釹鐵硼永磁被稱為第三代稀土永磁，是迄今磁性能最高的永磁材料。燒結(jié)釹鐵硼合金的主相是金屬間化合物Nd2Fe14B，它的飽和磁極化強(qiáng)度（Js）為1.6T[1]。由于燒結(jié)釹鐵硼永磁合金是由主相Nd2Fe14B和晶界相構(gòu)成的，同時(shí)Nd2Fe14B晶粒取向度受工藝條件的限制，目前磁體的剩磁最高能達(dá)到1.5T。德國(guó)真空熔煉公司（Vacuumschmelze GmbH）生產(chǎn)出最大磁能積（BH）max達(dá)到57MGOe的釹鐵硼磁體。國(guó)內(nèi)的釹鐵硼廠家可以生產(chǎn)N50牌號(hào)的磁體，最高磁能積達(dá)到53MGOe。提高合金主相比例、提高晶粒的取向度和磁體的密度，可以提高磁體的最大磁能積；但是不會(huì)超過單晶Nd2Fe14B最大磁能積的理論值64MGOe[1]。

　　釹鐵硼常溫下的退磁曲線近似于直線。因此，設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)，往往選擇高牌號(hào)的釹鐵硼（即材料的（BH）max高）以獲得高的氣隙磁密。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于交變的退磁場(chǎng)存在，以及負(fù)荷突然變化時(shí)，瞬間大電流產(chǎn)生的退磁場(chǎng)作用，要求選擇矯頑力足夠高的釹鐵硼磁鋼。

　　在合金中添加鏑（鋱）等元素提高釹鐵硼的內(nèi)稟矯頑力（jHc），但磁體的剩磁（Br）會(huì)隨之降低。因此，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高性能釹鐵硼磁鋼兼顧了它的矯頑力和剩磁。

　　國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)用釹鐵硼磁鋼的磁性參數(shù)表

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　　三、釹鐵硼永磁的溫度穩(wěn)定性

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在曠野里，經(jīng)受著酷暑和嚴(yán)寒的考驗(yàn)；同時(shí)電機(jī)損耗也導(dǎo)致電機(jī)溫升。上表給出的燒結(jié)釹鐵硼磁鋼可以工作在120℃下。

　　釹鐵硼永磁合金的居里溫度約310℃，當(dāng)磁體的溫度超過居里點(diǎn)，它就由鐵磁性轉(zhuǎn)為順磁性。在居里溫度以下，釹鐵硼的剩磁隨溫度升高而降低，其剩磁溫度系數(shù)α（Br）為 -0.095~-0.105%/℃。釹鐵硼的矯頑力也隨溫度的升高而降低，其矯頑力的溫度系數(shù)β（jHc）為 -0.54~-0.64%/℃。選擇適當(dāng)?shù)某C頑力，在電機(jī)設(shè)計(jì)的最高工作溫度下，磁體仍有足夠高的矯頑力；否則就會(huì)發(fā)生失磁。

　　釹鐵硼永磁材料的剩磁和矯頑力是互補(bǔ)的。合金中添加重稀土元素鏑（Dy）和鋱（Tb）可以顯著提高磁體的矯頑力。隨著矯頑力的提高，剩磁和最大磁能積相應(yīng)降低。顯然，風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇高矯頑力磁鋼，必然以犧牲剩磁和最大磁能積為代價(jià)。