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摘要:随着永磁风力发电机技术发展,风力发电机结构得到不断优化。其中,磁钢作为风力发电机结构中重要组成部分,起到产生磁场作用,它的质量是风机正常运行的前提保证。在前期永磁风电产品设计中,多应用磷化结构磁钢(简称磷化磁钢)。在发电机长期运行过程中,常出现因磁钢结构故障导致风机维修。本文将对磷化磁钢结构材料本身特性、结构设计、装配工艺等角度进行失效情况分析,总结已采取优化措施,以及改进磁钢结构仍存在问题及改进建议
关键词:永磁风力发电机;磁钢、失效;钕铁硼
引言
因传统能源的不可再生的特性,石油、煤炭能源不断枯竭。人们意识到仅仅依靠传统能源,在不久的将来会出现严重的能源危机,未来将无法得到长足发展,不断开发清洁、可再生能源技术。随着清洁、可再生能源技术的不断发展,21 世纪以来光伏、风电、潮汐等领域得到长足发展。风力发电机采用电磁感应现象,通过线圈切割磁力线产生电流。在各种类型风力发电机中,永磁风力发电机因其结构特点,免去齿轮箱这一传统部件,规避了齿轮箱过载等失效风险,拥有低风速时高效率、低噪音、高寿命的特点。在永磁风力发电机中,采用永磁体材料产生磁场,在初期产品设计中,多采用磷化磁钢结构(材质为钕铁硼),在产品运行过程中,存在失效风险。以下将从材料性能、结构设计等角度进行原因分析。
1.磁钢材料性能
钕铁硼材料,是第三代稀土永磁材料[1],因为高剩磁、高矫顽力、高磁能积等优异性能,而被称为“磁王”[2]。但因其特殊的成分和结构导致材料本身具有先天的不足:耐腐蚀能力极差。因而在日常环境中容易被腐蚀,导致磁体粉化失效。
钕铁硼永磁体极差的耐腐蚀性是由其特殊的成分和结构所决定的:
(1)钕和铁都是非常活泼的元素,还原电位分别是-2.4eV 和-0.4eV。由于其极负的电极电位,因此很容易发生氧化。(2)钕铁硼的多相结构和各
个相之间电极电位的差异也是导致其较差耐蚀性的重要原因。钕铁硼是由薄层相富钕、富硼以及基相金属间化合物Nd2Fe14B 组成。不同相相互接
触,因电动势的差异形成无数微电池,薄层相为阳极,基相为阴极,体积极小的薄层相在阳极电流作用下加速腐蚀,引起磁体不同程度的变形,从
而导致磁性能下降而影响风机的正常运行。
2.结构设计
2.1 磁钢镀层因数
传统设计磁钢表面采用化学转化膜(磷化膜)对磁钢进行防护。磷化处理是将预处理过的钕铁硼永磁体放入相应磷化剂中,在接触界面形成一层具有一定耐腐蚀性能的结晶型磷酸盐化学膜[3]。其整体一致性较好,与基体结合力较强。但磷化膜非常薄,只有几个微米的厚度,而且具有一定的粗糙度和孔隙率,耐腐蚀性能较差。在恶劣环境下,不能对钕铁硼材料起到很好的保护作用。
2.2 磁钢固定结构因数
在传统表贴式磁钢固定采用胶粘接固定。为了检测粘接剂的吸潮性能,对其进行了85%湿度环境的强度试验,结果见表1。表1 85%湿度环境下树脂胶粘结强度变化粘结强度 7 天后粘结强度 保持率1927 psi 1017 psi 53%从表中可知,在85%湿度环境下,7 天后粘结强度下降了近一半。随着时间的延长和湿度的进一步增大,粘接强度会下降得更快。因此,采用粘接式固定存在固有的质量隐患。
2.3 磁钢防护结构因数
磁钢固定后,需在磁钢周围注入树脂胶,对磁钢进行防护。树脂胶由树脂和固化剂组成,其中树脂含有羟基结构、固化剂为芳香族聚异氰酸酯。树脂和固化剂混合后,形成树脂胶。因为固化剂中异氰酸酯基,易与水反应生产二氧化碳,影响树脂胶的储存期和固化速度,并导致固化后胶体中存在气泡,影响粘接性能。在树脂胶搅拌过程中,若真空度不足,存在水气进入的风险,导致成型后的树脂胶中存在气孔,存在对磁钢保护失效的风险。
3.改进措施