本文作者：蔡報貴 李文科 呂鋒 羅貽萍 王亦忠*
江西金力永磁科技有限公司 *中國科學院物理研究所
小編提示：本文來源於網絡，發表時間為2010年，雖然本中部分磁材性能數據不是最新的，但全文通俗易懂，是瞭解風電機永磁體非常好的學習材料哦。
摘要：永磁風力發電機採用高磁性能燒結釹鐵硼永磁，足夠高的矯頑力可以避免磁體高溫失磁。磁體的壽命取決於基體材質和表面防腐蝕處理。釹鐵硼磁鋼的防腐蝕應該從製造開始。
關鍵詞：永磁風力發電機 高性能燒結釹鐵硼 磁體可靠性
一、前言
直驅式永磁風力發電機採取風機葉輪直接驅動發電機旋轉，取消了傳統的交流勵磁雙饋式異步風力發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，永磁風力發電機採取永磁勵磁，無勵磁繞組，轉子上也沒有集電環和電刷；因而，結構簡單、運行可靠。從1993年德國埃納康公司（Enercon GmbH）研製出第一臺大型直驅式永磁風力發電機，到2008年新疆金風科技股份有限公司生產出數百臺1.5兆瓦直驅式永磁風力發電機，永磁風力發電機的發展方興未艾。中國的永磁風力發電機的整體水平已走在世界前列。
風力發電機的工作環境非常惡劣，它必須能經受高溫、嚴寒、風沙、潮溼乃至鹽霧的考驗。風力發電機的設計壽命一般是二十年。目前無論是小型風力發電機還是兆瓦級的永磁風力發電機均選用燒結釹鐵硼永磁。因此，對釹鐵硼永磁磁性參數的選擇，以及對磁體耐蝕性的要求顯得十分重要。
二、用於永磁風力發電機的燒結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。由於燒結釹鐵硼永磁合金是由主相Nd2Fe14B和晶界相構成的，同時Nd2Fe14B晶粒取向度受工藝條件的限制，目前磁體的剩磁最高能達到1.5T。德國真空熔鍊公司（Vacuumschmelze GmbH）生產出最大磁能積（BH）max達到57MGOe的釹鐵硼磁體。國內的釹鐵硼廠家可以生產N50牌號的磁體，最高磁能積達53MGOe（小編提示：本文發表於2010年，隨著技術的發展，目前市場上已經有N54牌號的磁體了，最高磁能積達55MGOe）。提高合金主相比例、提高晶粒的取向度和磁體的密度，可以提高磁體的最大磁能積；但是不會超過單晶Nd2Fe14B最大磁能積的理論值64MGOe。
釹鐵硼常溫下的退磁曲線近似於直線。因此，設計永磁電機時，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。電機運轉時，由於交變的退磁場存在，以及負荷突然變化時，瞬間大電流產生的退磁場作用，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稟矯頑力（jHc），但磁體的剩磁（Br）會隨之降低。因此，用於風力發電機的高性能釹鐵硼磁鋼兼顧了它的矯頑力和剩磁。
三、釹鐵硼永磁的溫度穩定性
風力發電機工作在曠野裡，經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，其剩磁溫度係數α（Br）為 -0.095~-0.105%/℃。釹鐵硼的矯頑力也隨溫度的升高而降低，其矯頑力的溫度係數β（jHc）為 -0.54~-0.64%/℃。選擇適當的矯頑力，在電機設計的最高工作溫度下，磁體仍有足夠高的矯頑力；否則就會發生失磁。
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，剩磁和最大磁能積相應降低。顯然，風力發電機選擇高矯頑力磁鋼，必然以犧牲剩磁和最大磁能積為代價。
四、風電釹鐵硼磁鋼磁性能的一致性
釹鐵硼磁鋼是採用特殊的粉末冶金工藝製造的，其中主要的製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電機通常使用數千塊釹鐵硼磁鋼，轉子的每一個磁極都由許多塊磁鋼組成。轉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有關的。磁鋼的內稟特性，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。生產過程中，檢測一爐磁鋼的磁性是否一致，需要抽取燒結爐中不同部位的磁鋼作為樣品，測量樣品的退磁曲線。由於測量設備十分昂貴，而且保證每一塊被測量磁鋼的完好也幾乎是不可能的。因而不能做產品全數檢驗。釹鐵硼磁性能的一致性須由生產設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、易鏽蝕。在應用中，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。常見的防腐塗層有電鍍鎳、電鍍鋅和電泳環氧樹脂。表面磷化處理可以在相對乾燥的環境下短時間對釹鐵硼起到防鏽蝕作用。
稀土金屬間化合物在一定的壓力和溫度下能與氫發生反應。釹鐵硼吸氫後，放出熱量併發生碎裂。釹鐵硼生產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。切磨加工後的除油、電鍍前處理的酸洗，以及電鍍過程都對釹鐵硼表層產生影響。不當的處理過程，可能造成鍍層質量不合格（如針孔），釹鐵硼表層與鍍層結合不牢固等。
值得注意的是，不同廠家生產的相同牌號的釹鐵硼磁鋼，雖然磁性能基本相同，但是合金的成分上會有差異，特別是磁鋼顯微組織的差異可能很大。性能優良、耐腐蝕性好的磁鋼具有晶粒細小均勻、磁體的密度高等特點。在下面2幅燒結釹鐵硼磁鋼的金相照片中，左圖所示的磁鋼晶粒細小均勻，右圖所示的磁鋼晶粒較大，而且不均勻。
六、釹鐵硼磁鋼的可靠性試驗
風電發電機的設計壽命為二十年，即要求磁鋼可以使用二十年，其磁性能無明顯衰減，磁鋼無明顯腐蝕。以下試驗和檢測方法，可以作為風電磁鋼的生產廠家和用戶評價和檢驗磁體的方法。
- 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、100%溼度、120℃的環境中，經48h後取出並將氧化層去除，其重量損失小於0.2 mg/cm2。
- 熱減磁試驗：120℃×4hr，開路磁通損失小於3％。
- 冷熱衝擊試驗：經歷－40℃～120℃高低溫3次循環，開路磁通損失小於3％。
- 鹽霧試驗和溫溼試驗是評價電鍍層和其他防腐塗層的方法。
- 其他物理特性，如熱膨脹係數、導熱係數、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。
小結
1.本文介紹了兆瓦級風力發電機用釹鐵硼永磁體的磁性參數。
2.高矯頑力燒結釹鐵硼可以保證在高溫下，磁體仍有足夠的矯頑力，避免高溫失磁。
3.風力電機磁鋼的耐腐蝕性不僅取決於磁體表面塗層處理，還取決於基體的耐腐蝕性。
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。
參考文獻 《超強永磁體》周壽增 董清飛著，冶金工業出版社
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