“科创中国”稀土永磁与风电产学融合会议专家观点
发布时间: 2023-09-27
中国工程院院士、全国政协常委李卫在致辞中表示稀土永磁材料占稀土新材料应用量的60%以上,而以风电为代表的新能源产业是稀土永磁材料最重要的下游应用之一,希望通过本次会议,进一步增强稀土永磁与风电产业的交流互动,推进稀土永磁材料从设计、研发到制造及应用全流程的融合贯通,促进上下游产业链间的协调配合,共同推动我国稀土永磁和风电行业高质量发展。
明阳智慧能源集团股份有限公司总工程师贺小兵表示,我国机组发展进入“大”时代,2021年中国新增装机的风电机组平均单机容量为3514kW,同比增长31.7%。近年来,风电技术发展已经走向“高大上”,功率不断提高,叶片不断加大,塔架不断增高,载荷不断下降,其中稀土材料在发电机、催化剂、稀土合金、稀土陶瓷等领域助力风电技术突破。目前明阳智能在超长叶片、深远海漂浮式风机技术、抗台风方案、柔性直流输电等关键技术方面取得了重大突破。
中车永济电机有限公司副总工程师段志强表示,面对风电行业严峻的市场形势,全产业链持续进行技术创新,逐步形成了双馈、笼型、永磁直驱、永磁半直驱、电励磁直驱统五大技术路线,实现了风电技术快速升级迭代和跨越式发展。随着风电行业的迅速发展,新技术、新材料、新应用不断涌现,全产业链持续开展技术创新和技术储备,推出适用于平原、高原、近海、深远海等不同场景的定制化风机,同时还针对大型化、智能化等通用性技术,进行深耕细作,使风电行业始终呈现健康、高质量的多元化发展态势。风力发电机作为其中最重要的关键大部件之一,在绝缘系统设计、结构设计、通风冷却、滑环系统、仿真技术、防腐技术等方面持续突破,有效解决了关键部件、关键技术“卡脖子”问题,为风电机组大型化提供了重要支撑。
金风科技电机事业部总工程师高亚州表示,中国风电经过了30多年的发展,到2030年至少达到8亿千瓦,到2060年至少达到30亿千瓦,风电将在未来40年保持高速持续发展。风电主流发电机技术路线分为陆上风电、海上风电,其中陆上风电技术的主流技术为双馈和中速永磁,海上风电技术的主流为永磁直驱和中速永磁。镨钕金属是发电机磁钢生产的主要原材料之一,是永磁发电机成本的重要组成部分。永磁风力发电机和全功率变流器的组合方式,充分利用了变流器的快速调制能力,更有利于构网型风机的实现。
大连理工大学常颖教授在《稀土永磁制备工艺关键环节的数值仿真研究与对标分析》中指出,当前烧结钕铁硼制造流程中的关键环节,诸如速凝冷却、气流磨等工艺的数字化仿真技术研究尚处空白,尤其在熔融金属流动特性、水道流速、磨粉等方面,工艺参数与设备结构的匹配度尚未清楚掌握,仍依靠大量的试验“试错”方式来进行调试,开发进程缓慢。数字化仿真可以实现工艺参数、结构的优化,工艺跟踪可视的功能,客观地指导研发速凝新设备和优化工艺路线。数字化仿真的开展流体力学、制造工艺力学和固体力学学科,完成本构关系的建立;并与材料学和先进制造技术学科交叉融合,以指导设备结构的拓扑优化以及工艺体系的配套优化,最终实现磁体目标性能的优化。
北京工业大学岳明教授,在《纳米晶稀土钴基永磁的变形机制和磁性能优化》指出,稀土永磁材料被广泛应用于各类现代科学技术领域。近年来应用领域,如风力发电、电动汽车等,的快速发展也对永磁材料的磁性能提出了新的要求。纳米晶永磁由于强钉扎易获得高矫顽力的特征以及丰富的磁性行为引起了研究者的关注,也为新型稀土永磁材料的开发提供了思路。本研究针对高磁晶各向异性场的钴基稀土永磁,采用热压热变形方法制备各向异性纳米晶磁体,重点研究磁体变形过程中的微结构、织构和磁性能演化规律。一方面,以部分Pr取代Sm,利用PrCo5较优的变形形成织构能力改善热变形磁体的c轴织构。通过工艺调控优化了Sm0.6Pr0.4Co5磁体的磁性能同时获得强c轴织构,制备出了最大磁能积可达21.10 MGOe的热变形稀土钴基永磁。EBSD分析揭示了磁体经过热变形后依然呈现等轴状晶粒,平均晶粒尺寸~720 nm。另一方面,提出了通过构建弥散的纳米晶富稀土相辅助变形的方法,成功降低变形温度同时获得了良好的c轴织构和高矫顽力。所制备的热变形SmCo5磁体(变形量为80 %)的最大磁能积为14.7 MGOe,并保持矫顽力高达27.4 kOe,400℃时依然可以保持矫顽力为10.6 kOe。TEM结合EBSD分析显示出磁体变形是由滑移系开动完成,特定位向的晶粒优势生长、滑移系开动、晶界辅助都与形成强c轴织构相关。
有研稀土新材料股份有限公司、稀土国家工程研究中心张泽博士,在《基于异方性粘结磁体的微特电机的结构设计优化》指出,目前高性能微特电机主流采用烧结钕铁硼材料,由于烧结磁体材料加工、性能特点,暴露出形状受限、材料利用率低、电导率高、成本高的问题,在某些场合已经不适应目前电机的发展需求。异方性粘结钕铁硼磁体可根据磁路要求制造成各种形状,属于近净成型,尺寸精度高、形状自由度大、机械强度良好、重量轻,电导率低,充磁灵活,且易于做成薄壁形状复杂的磁体,符合当今电子产品小、轻、薄的发展潮流,有望在微型永磁无刷直流电机领域替代烧结磁体。本文基于异方性粘结磁体材料特点,针对其在微特电机应用过程中存在的输出转矩小、退磁风险高、齿槽转矩优化方案单一的共性问题[3-5],设计并优化基于异方性粘结磁体的微特电机,创新性的提出双层磁环、梯形磁极分布等方案。结果表明,相比较烧结方案,使用异方性粘结磁体的微特电机,最大输出转矩增大9.02%,总重量降低2.64%,转子重量降低了13.57%,齿槽转矩降低89%。
江西理工大学江庆政副教授,在《烧结钕铁硼基材晶界性质与重稀土扩散行为的关联性研究》指出,目前钕铁硼磁体的磁能积已经非常接近其理论值,但矫顽力仍然远小于其理论值,且其温度稳定性差,难以满足高温下使用的要求。重稀土元素晶界扩散方法能在大幅降低高性能钕铁硼磁体中重稀土含量的同时,有效地提升磁体的矫顽力且剩磁仅轻微下降。该方法目前已应用于制备永磁电机所需的高矫顽力和高工作温度钕铁硼永磁体。然而,重稀土元素在磁体表层富集较为明显,向磁体内部扩散深度有限,且重稀土在磁体内部的梯度分布造成磁体内部不同区域的矫顽力也呈梯度分布规律,导致磁体不同区域表现出不一致的退磁行为,恶化了磁体退磁曲线的方形度。改善重稀土元素在磁体内部的扩散行为,增加重稀土的扩散深度,可以进一步促进重稀土元素的高效利用,延长重稀土战略资源的使用寿命。通过改善钕铁硼基材晶界的成分和分布形态等性质,有效调控了Tb在磁体中的扩散深度和浓度梯度,有助于降低重稀土用量和缩短扩散时间,降低高性能钕铁硼磁体的原材料成本。EPMA结果(图1)显示,基材晶界调控后扩散磁体表层重稀土富集和反向核壳结构现象均有所缓解,团块状富Tb相减少且磁体内部富Tb壳层更加连续清晰。磁性能测试结果(图2)表明,相同扩散时间条件下,晶界改性基材Tb扩散磁体的矫顽力提升幅度从7.5 kOe增加至10.1 kOe,磁体常温方形度从0.89优化至0.94。优化的方形度表明晶界改性后扩散磁体的微观结构更为均匀一致。
京中科三环高技术股份有限公司朱伟副研究员,在《烧结Nd-Fe-B磁体晶界调控相关研究》指出,晶界扩散、晶粒细化和晶界调控是目前提升烧结钕铁硼磁体性能的三大主要技术方向[1,2]。其中,晶界调控技术可以在不用或少用重稀土、常规晶粒尺寸条件下,实现矫顽力的提高。目前,采用晶界调控技术制备的以高Ga低B为特征成分的磁体已开始实现量产,但该类磁体在批量制备时磁性能一致性相对较差。对此,我们重点考察了高Ga低B磁体对不同热处理过程的性能响应,以及相应的显微结构演化,揭示了Ga对低B磁体晶间相变演化路径,以及相应晶间相变对温度和时间敏感的依赖性。
杭州电子科技大学赵利忠研究员,在《多元素协同晶界扩散技术及其设备研发》指出,钕铁硼永磁因其优异的磁性能而被广泛应用于新能源汽车电机和风力发电机当中,这些应用要求磁体在150℃以上的温度运作。电机的转速和功率不断提升对永磁材料的热稳定性也提出了更高的要求。目前,提升钕铁硼永磁的热稳定性主要有两个方法:首先,在钕铁硼磁体中引入昂贵的重稀土Tb和Dy,提高磁体的矫顽力和高温稳定性。其次,电机高速运行过程中,变频供电产生的不同形式的谐波在永磁体内产生涡流损耗是永磁体快速升温的主要原因,可见提升磁体的电阻率亦可有效降低温升。因此,如果能同步提升钕铁硼磁体的矫顽力和电阻,将进一步推动其在高功率电机中的应用。
来源:中国稀土学会