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摘要：永磁風力發(fā)電機采用高磁性能燒結(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：永磁風力發(fā)電機 高性能燒結(jié)釹鐵硼 磁體可靠性

一、前言

直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機采取風機葉輪直接驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，取消了傳統(tǒng)的交流勵磁雙饋式異步風力發(fā)電機所需的增速齒輪箱，避免了運行中齒輪箱的故障和維護。同時，永磁風力發(fā)電機采取永磁勵磁，無勵磁繞組，轉(zhuǎn)子上也沒有集電環(huán)和電刷；因而，結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。從1993年德國埃納康公司（Enercon GmbH）研制出臺大型直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機，到2008年新疆金風科技股份有限公司生產(chǎn)出數(shù)百臺1.5兆瓦直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機，永磁風力發(fā)電機的發(fā)展方興未艾。中國的永磁風力發(fā)電機的整體水平已走在世界前列。

風力發(fā)電機的工作環(huán)境非常惡劣，它必須能經(jīng)受高溫、嚴寒、風沙、潮濕乃至鹽霧的考驗。風力發(fā)電機的設(shè)計壽命一般是二十年。目前無論是小型風力發(fā)電機還是兆瓦級的永磁風力發(fā)電機均選用燒結(jié)釹鐵硼永磁。因此，對釹鐵硼永磁磁性參數(shù)的選擇，以及對磁體耐蝕性的要求顯得十分重要。

二、用于永磁風力發(fā)電機的燒結(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，它的飽和磁極化強度（Js）為1.6T。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Nd₂Fe₁₄B晶粒取向度受工藝條件的限制，目前磁體的剩磁能達到1.5T。德國真空熔煉公司（Vacuumschmelze GmbH）生產(chǎn)出磁能積（BH）max達到57MGOe的釹鐵硼磁體。國內(nèi)的釹鐵硼廠家可以生產(chǎn)N50牌號的磁體，磁能積達53MGOe（小編提示：本文發(fā)表于2010年，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前市場上已經(jīng)有N54牌號的磁體了，磁能積達55MGOe）。提高合金主相比例、提高晶粒的取向度和磁體的密度，可以提高磁體的磁能積；但是不會超過單晶Nd₂Fe₁₄B磁能積的理論值64MGOe。

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

三、釹鐵硼永磁的溫度穩(wěn)定性

風力發(fā)電機工作在曠野里，經(jīng)受著酷暑和嚴寒的考驗；同時電機損耗也導致電機溫升。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℃，當磁體的溫度超過居里點，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?shù)某C頑力，在電機設(shè)計的工作溫度下，磁體仍有足夠高的矯頑力；否則就會發(fā)生失磁。

釹鐵硼永磁材料的剩磁和矯頑力是互補的。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，剩磁和磁能積相應(yīng)降低。顯然，風力發(fā)電機選擇高矯頑力磁鋼，必然以犧牲剩磁和磁能積為代價。

四、風電釹鐵硼磁鋼磁性能的一致性

釹鐵硼磁鋼是采用特殊的粉末冶金工藝制造的，其中主要的制造過程是在保護氣氛下或真空下完成的。釹鐵硼生坯是在很強（~1.5T）的磁場中壓制的。釹鐵硼磁鋼的尺寸就受到這些特殊工藝條件的限制。

一臺大型永磁風力發(fā)電機通常使用數(shù)千塊釹鐵硼磁鋼，轉(zhuǎn)子的每一個磁極都由許多塊磁鋼組成。轉(zhuǎn)子磁極的一致性要求磁鋼的一致性，包括尺寸公差和磁性能的一致。所謂磁性能的一致性即包括不同個體之間磁性能偏差要小，還包括單個磁體的磁性要均勻。

磁鋼的磁性有表觀磁性和內(nèi)稟磁性兩種。所謂磁鋼的表觀磁性，可以測量它的開路磁通，也可以測量它的表面磁場強度。磁鋼的表觀磁性是與磁鋼的形狀和磁化狀態(tài)有關(guān)的。磁鋼的內(nèi)稟特性，通過測量樣品的退磁曲線來檢驗。退磁曲線是磁滯回線的一部分，反映的是永磁材料的反磁化特性。測量磁鋼樣品的退磁曲線，條件是樣品在測量前需飽和磁化。

檢測單個磁體的磁性是否均勻，需要把磁體切成若干小塊，測量它們的退磁曲線。生產(chǎn)過程中，檢測一爐磁鋼的磁性是否一致，需要抽取燒結(jié)爐中不同部位的磁鋼作為樣品，測量樣品的退磁曲線。由于測量設(shè)備十分昂貴，而且保證每一塊被測量磁鋼的完好也幾乎是不可能的。因而不能做產(chǎn)品全數(shù)檢驗。釹鐵硼磁性能的一致性須由生產(chǎn)設(shè)備和過程控制來保證。

五、 釹鐵硼的耐腐蝕性

釹鐵硼合金含有活潑的稀土元素，易氧化、易銹蝕。在應(yīng)用中，除非釹鐵硼被封裝起來，與空氣和水隔絕，否則需要對釹鐵硼做表面防腐蝕處理。常見的防腐涂層有電鍍鎳、電鍍鋅和電泳環(huán)氧樹脂。表面磷化處理可以在相對干燥的環(huán)境下短時間對釹鐵硼起到防銹蝕作用。

稀土金屬間化合物在一定的壓力和溫度下能與氫發(fā)生反應(yīng)。釹鐵硼吸氫后，放出熱量并發(fā)生碎裂。釹鐵硼生產(chǎn)過程中的氫破碎就是利用了它的這一特性。從使用的角度來看，釹鐵硼的氫碎是有害的。嚴格地說，釹鐵硼的腐蝕從它的加工過程就開始了。切磨加工后的除油、電鍍前處理的酸洗，以及電鍍過程都對釹鐵硼表層產(chǎn)生影響。不當?shù)奶幚磉^程，可能造成鍍層質(zhì)量不合格（如針孔），釹鐵硼表層與鍍層結(jié)合不牢固等。

六、釹鐵硼磁鋼的可靠性試驗

• 失重試驗：用10mm×10mm×12mm的長方體黑片作試樣（12mm高度為充磁方向），放置在2個標準大氣壓、99%濕度、120℃的環(huán)境中，經(jīng)48h后取出并將氧化層去除，其重量損失小于0.2 mg/cm2。
• 熱減磁試驗：120℃×4hr，開路磁通損失小于3％。
• 冷熱沖擊試驗：經(jīng)歷－40℃～120℃高低溫3次循環(huán)，開路磁通損失小于3％。
• 鹽霧試驗和溫濕試驗是評價電鍍層和其他防腐涂層的方法。

• 其他物理特性，如熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)、電阻率和機械強度等，都對磁鋼的使用性和可靠性有不同程度的影響。

4.磁體可靠性的試驗方法包括失重試驗、熱減磁試驗、鍍層耐腐蝕試驗等。