如何通过增材制造用稀土元素替换涡轮发电机的高性能永磁体？

如何通过增材制造用稀土元素替换涡轮发电机的高性能永磁体？

随着全球对清洁能源需求的不断增长，风力涡轮机作为无排放的可再生能源设备，其重要性日益凸显。然而，高性能永磁体的制造面临着稀土元素稀缺的挑战。本文将探讨如何通过增材制造技术，特别是3D打印，来解决这一问题，并实现风力涡轮机永磁体的可持续发展。

风力涡轮机作为无排放的可再生能源，具备为全球不断增长的人口提供大量电能的潜力。一些高功率的海上直接驱动风力涡轮机，被设计用于产生高达14 MW的电能，但它们在重量、尺寸和安全挑战方面存在着某些差异。

而针对更高功率的风力涡轮机发电机，研究设计了永磁同步发电机。其中包括用于提升性能的旋转增压器或用于大型直接驱动PMSG的齿轮，以降低长距离运营和维护成本。

大多数高功率涡轮机都是庞大的设备，需要大量的稀土基高性能永磁体来支持低速高扭矩的直接驱动模式，但稀土矿物作为关键资源已经变得非常稀缺。那么有什么能够代替稀土矿物支持涡轮机驱动吗？

增材制造

增材制造，也称为3D打印，是一种制造过程，通过逐层添加材料来制造零件，与传统的减材制造和成型制造形成鲜明对比。它自由形状无限复杂度的特点，使制造商能够保留在传统制造中可能会丧失的关键资源。

对于高性能永磁体而言，增材制造是一种前景广阔的技术，可以在加工、回收以及设计复杂电机几何形状时保护关键稀土元素。虽然永磁体的增材制造及其在电机中的集成仍处于早期研究阶段，但它在制造业中具有巨大的潜力。

在风力涡轮机等大功率电机中，永磁同步发电机是主要类型，而增材制造已经在此领域贡献了许多创新。就像利用长丝挤出技术，可以现场打印塔架和叶片，采用碳纤维复合材料等高质量建筑材料，从而提供出色的机械性能和低重量。

另外，软磁定子是电机中最重要的部分之一，研究人员目前正在探索，将其制造方法改为在增材印刷陶瓷模具中进行铸造。尽管电机增材制造尤其是大型机器，还没有经过充分优化，但其在处理软磁和硬磁材料等关键领域方面有巨大潜力，而传统制造技术与增材制造相结合，可以制造大型电机。这也在替代稀土元素和风力发电机的设计中，有所考虑。

磁稀土元素的作用和PM在风力发电机中的设计考虑

稀土元素基的磁性材料在多个现代技术领域扮演着核心角色，如消费电子、军事、电动汽车，以及逐渐融入清洁能源领域。其中，大部分市场份额用于电机应用或与电机相关的领域，如发电机、硬盘驱动器/光盘驱动器和扬声器，电机应用的典型案例是在电动汽车中使用。

就像特斯拉曾将无永磁感应电机替换为了内部永磁同步磁阻电机，这种转变类似于特斯拉将其电机升级为更高效、更可靠运行的版本，带来了一些设计改进。

风力涡轮机发电机中使用的PMs主要需要三种稀土元素，镝、钕和镨，每兆瓦发电量需要51-208千克的稀土元素。如果没有稀土，风力发电机的磁铁就需要更大的重量，来提供相似的能量密度和所需的能源产品。

相比传统的绕线转子，使用永磁发电机可以实现更高效、更可靠的运行，因为传统的绕线转子常常会出现滑环/电刷故障和损耗问题。设计这些机器时，常常选择具有高剩磁率的高级永磁体，以实现高气隙磁通密度，而且这些永磁体还需要具有高矫顽力，以应对负载变化可能导致的温度升高和退磁风险。

在这其中，镝和铽是最关键的元素，但它们的使用一直是永磁同步发电机迅速扩展的商业障碍。因此在维持永磁同步发电机行业的同时，除了降低钕铁硼中的镝含量外，设计关键的无稀土或非镨钕基PM至关重要。

考虑到这些发电机使用了100多个磁铁，那么每个磁铁都应该表现出均匀的磁性行为，同时在尺寸公差和磁性能方面与其他磁铁保持一致。由于设计寿命为20年，且磁性能预计会保持无衰减，需要对磁体进行特殊处理以防止腐蚀，并将其牢固固定在转子上，以避免松动和机器损坏。

制造磁铁有多种工艺可供选择，包括注塑成型、压缩成型、金属注射成型、铸造、压延或挤压工艺以及热变形，其中最常见的方法是粉末冶金。而带材铸造和烧结成为了制造高性能磁体，如NdFeB磁体，的一种便捷方法，这个过程也被称为压制和烧结。

在这个过程中，合适的材料组合被研磨成细粉，然后通过压实和加热来引发烧结，从而实现致密化。尽管这种技术能够生产复杂的磁铁形状，但它们更适合于较为简单的形状。制造具有孔、大倒角或槽的复杂形状成本较高，难以保持公差，这可能导致通量场的变化以及零件在组件中产生的潜在物理应力。此外，这种工艺可能会导致废料产生，平均废料占总原材料的25-30%，从而降低了捕获和再利用昂贵材料的机会。

在压制和烧结工艺中，适当的磁铁原料组合物先被粉碎成细粉混合物，然后通过压制压实，并通过烧结过程进行致密化。粘结磁铁工艺则涵盖了一系列制造方法，通常通过将磁铁材料粉末与充当载体基质的聚合物混合，来制造永磁体。由于聚合物具有可成型性，这种方法也可以制造更高更复杂额度形状，但由于聚合物本身没有磁性，这样可能会降低永磁体的磁性。粘结磁铁工艺主要包括注塑成型和压缩成型两种方法，在注塑成型中，将磁铁原料粉末与热塑性聚合物混合，然后将复合物注入模具中形成颗粒。

金属注射成型与粘结IM工艺非常相似，唯一的区别在于使用特殊的聚合物粘合剂，和经过额外的后处理步骤，如化学或热脱脂，以提高全磁密度和性能。在铸造工艺中，磁铁原料粉末被混合成了所需比例，然后加热成融化状态，将融化体倒入模具中，然后进行冷却。而在挤出和压延工艺中，这两种方法都从柔性载体基质粉末与磁铁材料粉末的混合开始，然后，混合物才被加热成熔融状态。之后，熔融物被送入螺杆挤出机，然后通过模具挤入柔性磁带或带材中，对于压延过程，熔融物被送入机械辊，在机械辊的作用下被压实和压延成柔性磁铁片。在热变形工艺中，磁铁原料粉末与热塑性粉末混合，然后被送入模具，在高温下进行压制，随后，磁铁在更高温度下进行热变形，以进一步致密化并改善其形状特性，但现有制造与研发尚存在一些差距。

磁铁制造场景和研发中的现有差距

电机制造涉及多个关键任务，包括选择适当的磁铁材料、正确制造它们，并在安全条件下正确安装在所需的设备中，以避免机械损坏。在制造过程完成后，还需要使用夹具来赋予磁铁独特的磁性图案，而且磁体和子组件的定位必须精确，以确保插入机械紧固件时保持一致的磁性性能。制造商通常倾向于在原位进行大型组件的磁化，以避免在磁化状态下处理和组装这些强大的磁铁。

鉴于永磁体将继续是电机制造的关键组成部分，因此在考虑供应、等级和制造工艺等方面，选择合适的磁性材料对于实现最佳性能至关重要。在风力发电机中，使用的磁铁组合物主要包括烧结钕铁硼、铝镍钴、钐钴和铁氧体磁铁。在这其中，钕铁硼磁体在能量产生、矫顽力和剩磁方面在列出的这些材料中，表现出最佳性能，但要在不影响重量的情况下满足能量密度要求，还需要进行更多的研究。

实现高功率密度通常需要使用更高级的磁体，这些磁体通常具有高质量密度，以抵消其重量目标。其中聚合物粘结磁体是一种轻量级的潜在替代品，其质量密度约为5000 kg/m3，但由于磁性性能不如烧结磁体，可能需要更厚的磁体设计。不同的行业对于替代材料的反应方式各有不同，包括“材料对材料”的直接替代、“过程替代”以及“产品间”替代。通过减少材料浪费、再利用或回收废料，可以提高材料的制造效率，尽管目前增材制造磁体与传统烧结磁体在能源产品方面的差距较大。但新型材料和复杂的粉末技术加工方法，可能会缩小低性能磁体与钕铁硼之间的差距，从而在一定程度上替代钕铁硼磁体的使用。但根据研究人员目前来看，增材制造磁体在风能应用中还不能完全取代烧结磁体。

而电机永磁体制造领域的一个主要研发难题，是如何将永磁体、软磁复合材料、导体绕组和冷却通道等元素进行联合制造。永磁体制造过程的化学和微结构处理周期，与软磁铁制造完全不同，目前还没有将它们进行一体化加工以构建整个电机的方法。对于风力涡轮机发电机的制造，巨大的软磁定子和转子框架的制造以及PM和电导体的正确安装，都带来了独特的挑战。而通用电气使用陶瓷模具的喷墨铸造技术，来制造风力涡轮机机舱框架，可以看作是一种混合制造技术，类似的混合制造方法有望应用于风力涡轮机发电机的制造。在这方面，可以考虑借鉴一般电机制造的完整或优化的增材制造流程，但需要特别针对大型金属结构进行定制，而粘结剂喷射技术就是其中之一。

粘结剂喷射技术

通过选择地沉积ExOne专有的液体粘合剂，可以进行磁铁的粘结剂喷射或BJT。这种技术是通过将3D打印头移动到构建平台上，并在每个新的粉末层上沉积粘合剂液滴来连接磁铁粉末材料的。在完成一层后，粉末床向下移动，将新的粉末层铺在构建区域，这一过程逐层重复，直至所有零件完成。打印完成后，零件会处于绿色或未完成状态，需要经过后处理才能准备好使用。

研究首次报道了各向同性钕铁硼粘结磁体的近净成形粘结剂喷射技术，其中磁铁部件的密度达到3.47 g/cm3，并且没有报告磁性能下降的情况。但为了在BJT技术中实现更高密度的磁体，需要进一步优化后烧结过程，这将使得BJT技术同样适用于打印用于大型风力涡轮机的磁体。

结语

本次研究介绍了当前商业磁体的发展状况以及先进制造技术的前景改进，研究列出了利用增材制造方法制造磁体所使用的磁性材料和性能参数，并将其与传统制造方法生产的磁体进行了对比。总的来说，随着AM技术的不断发展，制造磁体的方法也在逐步改变，AM制造磁体的潜力，尤其是在风力涡轮机等领域正逐步加强。但要充分实现这一潜力，仍需解决一系列技术和工程难题，如材料性能的匹配、制造过程的优化以及生产规模的扩展。随着技术的不断成熟和改进，人们有望在清洁能源、电动汽车和其他领域看到更多使用AM制造的高性能磁体的应用。

本文原文来自华为云