高性能烧结钕铁硼磁体在风力发电机组中的应用

永磁风力发电机采用高磁性能烧结钕铁硼永磁体，具有足够高的矫顽力，避免高温下磁损。磁铁的寿命取决于基材和表面防腐处理。钕铁硼磁钢的防腐应从制造开始。
一、简介

直驱永磁风力发电机采用风机叶轮直接带动发电机旋转，省去了传统交流励磁双馈异步风力发电机所需的增速齿轮箱，避免了运行过程中齿轮箱的故障与维护。同时，永磁风力发电机采用永磁励磁，无励磁绕组，转子上无滑环和电刷；因此结构简单，运行可靠。1993年为德国Enercon GmbH研制出第一台大型直驱永磁风力发电机。风力发电机和永磁风力发电机的发展方兴未艾。我国永磁风力发电机组整体水平一直处于世界前列。

风力发电机的工作环境非常恶劣，必须能够经受住高温、严寒、风沙、潮湿甚至盐雾的考验。风力涡轮机的设计寿命一般为二十年。目前，烧结钕铁硼永磁体用于小型风力发电机和兆瓦级永磁风力发电机。因此，钕铁硼永磁体磁参数的选择和对磁体耐腐蚀性能的要求非常重要。
2、永磁风力发电机用烧结钕铁硼的典型磁性能

钕铁硼永磁被称为第三代稀土永磁，是迄今为止磁性能最高的永磁材料。烧结钕铁硼合金的主相为金属间化合物Nd2Fe14B，其饱和磁化极化（Js）为1.6T。由于烧结钕铁硼永磁合金由主相Nd2Fe14B和晶界相组成，而Nd2Fe14B的晶粒取向受工艺条件限制，目前磁体剩磁可达1.5T。德国真空冶炼公司 (Vacuumschmelze GmbH) 已生产出最大磁能积 (BH) 最大为 57MGOe 的 NdFeB 磁体。国内钕铁硼厂家可生产最大磁能积为53MGOe的N50级磁体（注：本文发表于2010年。随着技术的发展，市面上已有N54级磁体，最高磁能积可达55MGOe)。增加合金的主相比，增加晶粒的取向和磁体的密度，可以提高磁体的最大能积；但不会超过单晶Nd2Fe14B的最大能量积64MGOe的理论值。Jinluncicai.com是供应NdFeb磁体和材料系列的领先制造商和工厂。增加晶粒的取向和磁体的密度，可以增加磁体的最大能积；但不会超过单晶Nd2Fe14B的最大能量积64MGOe的理论值。

钕铁硼在室温下的退磁曲线类似于直线。因此，在设计永磁电机时，往往选择高品位的钕铁硼（即材料的高（BH）max），以获得高的气隙磁密度。电机运行时，由于交变退磁场的存在，以及负载突变时瞬时大电流的退磁作用，要求选用矫顽力足够高的钕铁硼磁体。

在合金中添加镝（铽）等元素会增加钕铁硼的内禀矫顽力（jHc），但磁铁的剩磁（Br）会相应降低。因此，用于风力发电机的高性能钕铁硼磁体考虑了其矫顽力和剩磁。
3、钕铁硼永磁体的温度稳定性

风力发电机在旷野工作，经受酷暑和严寒的考验；同时，电机损耗也会导致电机温度升高。上表中给出的烧结钕铁硼磁体可在 120°C 下工作。NdFeB永磁合金的居里温度约为310℃。当磁铁的温度超过居里点时，它就会从铁磁性转变为顺磁性。在居里温度以下，钕铁硼的剩磁随温度升高而减小，其剩磁温度系数α（Br）为-0.095~-0.105%/℃。NdFeB的矫顽力也随着温度的升高而减小，其矫顽力的温度系数β(jHc)为-0.54~-0.64%/℃。选择合适的矫顽力，磁铁在电机设计的最高工作温度下仍具有足够高的矫顽力；否则，会发生退磁现象。

钕铁硼永磁材料的剩磁和矫顽力是互补的。在合金中添加重稀土元素镝（Dy）和铽（Tb）可以显着提高磁体的矫顽力。随着矫顽力的增加，剩磁和最大磁能积相应降低。显然，风力发电机选择高矫顽力磁钢必须以牺牲剩磁和最大磁能积为代价。

4、风电钕铁硼磁体磁性能的一致性

钕铁硼磁体采用特殊的粉末冶金工艺制造，主要制造过程在保护气氛或真空下完成。钕铁硼生坯在非常强（~1.5T）的磁场中压制。钕铁硼磁铁的尺寸受到这些特殊工艺条件的限制。

大型永磁风力发电机通常使用数千个钕铁硼磁铁，转子的每个磁极由许多磁铁组成。转子磁极的一致性要求磁钢的一致性，包括尺寸公差和磁性能的一致性。所谓磁特性的一致性，包括不同个体之间磁特性的微小偏差，以及单个磁体磁特性的均匀性。

有两种类型的磁性：表观磁性和内在磁性。所谓磁钢的表观磁性，可以通过它的开路磁通量和它的表面磁场强度来衡量。磁铁的表观磁性与磁铁的形状和磁化状态有关。通过测量样品的退磁曲线来测试磁钢的内在特性。退磁曲线是磁滞回线的一部分，它反映了永磁材料的磁化反转特性。测量磁钢样品的退磁曲线，前提是样品在测量前需要饱和磁化。

为了检测单个磁铁的磁性是否均匀，需要将磁铁切成几小块，测量它们的退磁曲线。在生产过程中，为了检查一炉磁铁的磁性是否一致，需要从烧结炉的不同部位对磁铁进行取样，测量样品的退磁曲线。因为测量设备非常昂贵，几乎不可能保证每一块被测量的磁钢的完整性。因此，不能对所有产品进行检查。钕铁硼磁性能的一致性必须通过生产设备和工艺控制来保证。

5、钕铁硼的耐腐蚀性能

钕铁硼合金中含有活泼的稀土元素，易氧化生锈。在应用中，除非钕铁硼被封装并与空气和水隔离，否则钕铁硼表面需要进行防腐处理。常见的防腐涂料有电镀镍、电镀锌和电泳环氧树脂。表面磷化处理可以防止钕铁硼在相对干燥的环境中短时间内生锈。

稀土金属间化合物可以在一定压力和温度下与氢气发生反应。钕铁硼吸氢后放出热量而断裂。钕铁硼生产中的氢压碎就是利用了这一特点。从使用的角度来看，钕铁硼的氢碎片是有害的。严格来说，钕铁硼的腐蚀是从它的加工过程开始的。切削磨削后的脱胶、电镀前的酸洗、电镀工艺等都会对钕铁硼表层产生影响。处理工艺不当可能造成镀层质量不合格（如针孔），钕铁硼表层与镀层结合不牢固。

值得注意的是，虽然不同厂家生产的同一品牌的钕铁硼磁体的磁性能基本相同，但合金的成分会存在差异，尤其是磁体的微观结构可能会有很大差异。性能优良、耐蚀性好的磁钢具有晶粒细小均匀、磁体密度高的特点。

6、钕铁硼磁铁的可靠性测试

风力发电机的设计寿命为20年，也就是说磁钢可以使用20年，其磁性能没有明显衰减，磁钢不被腐蚀。风磁钢生产厂家和用户可采用以下试验和检验方法对磁铁进行评价和检验。

失重试验：以10mm×10mm×12mm矩形黑板为试样（12mm高为磁化方向），置于2个标准大气压、100%湿度、120℃环境中，48h后取出，取出氧化层去除，失重小于0.2mg/cm2。
热退磁测试：120℃×4hr，开路磁通损耗小于3%。
热冲击试验：-40℃至120℃高低温3次循环后，开路磁通损耗小于3%。
盐雾试验和温湿度试验是评价电镀涂层和其他防腐涂层的方法。
其他物理性能，如热膨胀系数、热导率、电阻率和机械强度，都对磁钢的可用性和可靠性有不同程度的影响。

小结
1、本文介绍了兆瓦级风力发电机用钕铁硼永磁体的磁参数。
2、高矫顽力烧结钕铁硼可以保证磁铁在高温下仍具有足够的矫顽力，避免高温失磁。
3、风力电机磁钢的耐蚀性不仅取决于磁铁的表面涂层处理，还取决于基材的耐蚀性。
4、磁体可靠性的测试方法有失重试验、热退磁试验、涂层耐腐蚀试验等。