應(yīng)用磁控濺射技術(shù)的大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈

王德山 蘆澤仲

蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇蘇州 215131

1 研究背景

能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)是一個國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基本條件,化石能源的日益短缺及其所帶來的環(huán)境污染困擾,使代替能源的開發(fā)利用越來越受到世界各國的重視。風(fēng)能作為一種綠色無污染的清潔能源,具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景。風(fēng)能的開發(fā)利用對于增加能源供給,調(diào)整能源結(jié)構(gòu),緩解環(huán)境污染,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的作用。

目前,風(fēng)能最好的利用方式是風(fēng)力發(fā)電。當(dāng)陸上風(fēng)場資源趨向飽和時,海上風(fēng)力發(fā)電成為未來新能源的主場。我國海洋風(fēng)能資源豐富,風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電不占用大量土地資源,成為國內(nèi)能源發(fā)展的新領(lǐng)域。

與陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境不同,海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期在惡劣的海洋環(huán)境中工作,受到各種不利工況的交互損害,如狂風(fēng)載荷、海浪載荷、低溫影響等,有時還要受到地震、海嘯、臺風(fēng)等意外的損害。在海洋環(huán)境中,海上腐蝕也是較為嚴(yán)重的,海上腐蝕無處不在,無孔不入,會伴隨被腐蝕物體表面積的增大而更容易腐蝕。筆者就此研究應(yīng)用磁控濺射技術(shù)的大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈。

2 磁控濺射技術(shù)的應(yīng)用

針對海洋的嚴(yán)酷環(huán)境和種種惡劣條件,對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件線圈采取一系列的防腐蝕保護(hù)措施,成為目前研究的關(guān)鍵。目前,國內(nèi)外研發(fā)團(tuán)隊對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈防腐蝕的保護(hù)措施大多是對線圈的表面采用化學(xué)電鍍處理工藝,而化學(xué)電鍍對環(huán)境造成極大污染,這顯然不符合環(huán)境保護(hù)的要求。因此,在保護(hù)環(huán)境的前提下,針對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈防腐蝕的措施,采用磁控濺射技術(shù)成為關(guān)鍵。

磁控濺射技術(shù)可以取代傳統(tǒng)的化學(xué)鍍膜和電鍍技術(shù),能夠在線圈表面產(chǎn)生厚度均勻、密度較高的功能性薄膜。對線圈表面采取磁控濺射技術(shù)來取代化學(xué)電鍍工藝,能有效解決污染問題,同時還可以獲得較高質(zhì)量的功能保護(hù)薄膜,使線圈達(dá)到在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作的要求。

3 磁控濺射技術(shù)研究現(xiàn)狀

物理氣相沉積技術(shù)指在真空條件下,利用某種物理過程將固態(tài)的靶材轉(zhuǎn)化為分子、原子或離子的氣相物質(zhì)后,再沉積于被鍍材料表面,形成固體膜層的可控轉(zhuǎn)移。濺射沉積技術(shù)屬于物理氣相沉積技術(shù)。

磁控濺射是為了提高二級濺射的濺射速率,減弱基片由于二次電子撞擊發(fā)熱對膜層產(chǎn)生不利影響而發(fā)展起來的濺射技術(shù)。磁控濺射技術(shù)的關(guān)鍵是在陰極靶材處引入磁場,利用磁場的洛倫茲力束縛,并控制電子在真空場中的運(yùn)動軌跡,這樣電子與氣體原子的碰撞頻率會被大大提高,并提高氣體原子的離化率,對基片轟擊的高能電子會減少,轟擊靶材的離子能量會增加。磁控濺射原理如圖1所示。電子運(yùn)動方向靠磁場來改變,控制和延長電子的運(yùn)動軌跡是磁控濺射的基本原理。磁控濺射不僅使電子的能量得到有效利用,而且使電子對工作氣體的電離率得到提高,從而提高正離子對靶材表面的轟擊效能。

圖1 磁控濺射原理

磁控濺射技術(shù)相比其它濺射技術(shù),有著更高的濺射速率。一般射頻濺射和二級濺射的速率為25～260 nm/min,三級濺射的速率為60～500 nm/min,而磁控濺射的速率可以達(dá)到300～2 100 nm/min。

在磁控濺射技術(shù)發(fā)展的幾十年里,鍍膜保護(hù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用磁控濺射技術(shù)。隨著產(chǎn)品的高標(biāo)準(zhǔn)化、高質(zhì)量化,鍍膜技術(shù)的發(fā)展還可以得到提升。磁控濺射薄膜相比于其它薄膜有著更好的性能,因此,磁控濺射技術(shù)應(yīng)用于在腐蝕性環(huán)境中工作的設(shè)備非常合理。

隨著磁控濺射技術(shù)的發(fā)展,追求高質(zhì)量的產(chǎn)品和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展成為發(fā)展趨勢,磁控濺射鍍膜必是未來的大勢所趨。針對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈在極其惡劣的環(huán)境下工作的情景,使用磁控濺射鍍膜可以起到有效的保護(hù)作用。磁控濺射鍍膜相比其它鍍膜保護(hù)措施,不會帶來化學(xué)污染、重金屬污染和污水排放,可以為污染治理做出貢獻(xiàn)。與此同時,磁控濺射技術(shù)不會伴隨任何化學(xué)反應(yīng),相當(dāng)于原子級別的物理氣相沉積,即使有20%左右的濺射金屬不能變?yōu)樗枰腻儗?也可以做到完全的原料回收。可見,磁控濺射技術(shù)對各種類型表面的保護(hù)有積極作用,而且對國家未來的發(fā)展有積極的促進(jìn)作用。

4 磁控濺射技術(shù)試驗(yàn)

在磁控濺射技術(shù)中,鍍膜設(shè)備是決定鍍膜質(zhì)量的最重要因素。磁控濺射鍍膜制備系統(tǒng)如圖2所示,線圈鍍膜如圖3所示。磁控濺射鍍膜制備系統(tǒng)主要由納米膜層控制系統(tǒng)、真空濺射室、真空清洗室、樣品安裝臺、冷卻系統(tǒng)、傳動裝置組成。磁控濺射鍍膜制備系統(tǒng)為雙室設(shè)計形式,為膜制作的抽真空過程節(jié)省了大量時間。為保持真空濺射室的氣氛清潔,輝光清洗與濺射鍍膜在兩個獨(dú)立的真空室中進(jìn)行。磁控濺射鍍膜制備系統(tǒng)可以制備單層膜、雙層膜、多層膜,可以實(shí)現(xiàn)單靶工作和多靶共同工作。設(shè)置兩個氣體接口,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)濺射的功能,如濺射氧化物薄膜,同時可濺射金屬、化合物、復(fù)合物等多種薄膜。

圖2 磁控濺射鍍膜制備系統(tǒng)

圖3 線圈鍍膜

磁控濺射鍍膜制備系統(tǒng)的控制包括分子泵、機(jī)械泵、前級閥的開啟與關(guān)閉。另外,加工薄膜厚度、氣體流量、真空室和清洗室壓強(qiáng)、靶材電流和電壓都可以進(jìn)行顯示。

根據(jù)在磁控濺射鍍膜過程中的數(shù)據(jù)記錄,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。基片加熱時溫度與真空度變化關(guān)系曲線如圖4所示。隨著溫度的升高,真空度爆炸式增大,之后緩慢減小,在20～160 ℃之間趨于穩(wěn)定,隨后又急劇減小。濺射速率與濺射氣壓的關(guān)系如圖5所示。隨著濺射氣壓的增大,濺射速率逐漸降低。濺射功率與濺射速率的關(guān)系如圖6所示。濺射功率與濺射速率成正比例關(guān)系,濺射功率越大,濺射速率越大。

圖4 基片加熱時溫度與真空度變化關(guān)系曲線

圖5 濺射氣壓與濺射速率關(guān)系

圖6 濺射功率與濺射速率關(guān)系

5 線圈絕緣技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的快速發(fā)展,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量不斷提高,發(fā)電效率也不斷提高,這對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的品質(zhì)和性能提出了更高的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈的絕緣性能是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,線圈的電氣耐受特性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性和運(yùn)行壽命。目前,我國對兆瓦級以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計、研發(fā)、制造、運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)并未完全掌握,大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用時間不長,關(guān)鍵技術(shù)的積累經(jīng)驗(yàn)缺乏,對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈的絕緣性、可靠性和運(yùn)行壽命缺乏認(rèn)識和基礎(chǔ)研究。所以,保證大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈的絕緣性能,達(dá)到長期的安全運(yùn)行,是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計、研發(fā)、運(yùn)行中迫切需要解決的問題。由此,針對大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈絕緣問題進(jìn)行系統(tǒng)研究與評估分析,對日后提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造水平和運(yùn)行可靠性都具有十分重要的意義。絕緣技術(shù)研究關(guān)鍵點(diǎn)主要有三方面。

第一,線圈絕緣性能指標(biāo)。

目前國內(nèi)外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈的研究,并沒有大功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈絕緣性能的統(tǒng)一指標(biāo)。為了保證機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行,根據(jù)JB/T 50133—1999《中型高壓電機(jī)少膠整浸線圈 產(chǎn)品質(zhì)量分等》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,制訂相關(guān)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈絕緣性能技術(shù)指標(biāo)已迫在眉睫。

第二,線圈絕緣性能試驗(yàn)方法。目前,企業(yè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈生產(chǎn)完成之后,會對線圈進(jìn)行一系列絕緣試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目包括絕緣電阻試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、防暈試驗(yàn)、工頻交流耐壓試驗(yàn)、熱態(tài)介質(zhì)損耗試驗(yàn)、瞬時工頻擊穿試驗(yàn)等。

第三,線圈匝之間的絕緣方法。線圈匝之間絕緣方法目前主要有下列幾種。

(1) 粉云母的應(yīng)用。粉云母對絕緣性能的提高有著較大的作用,但其屬于熱固性材料,缺點(diǎn)是若線圈匝之間的絕緣損壞,則不能修復(fù)利用,或者說修復(fù)的難度極大。

(2) 線圈匝之間絕緣結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化。對線圈匝之間的絕緣性在結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)行優(yōu)化是必須的,結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的優(yōu)化可以有效提高絕緣性。對于海上大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的線圈,采用每匝三合一帶加隔匝粉帶,在尺寸允許的范圍之內(nèi),還可以繼續(xù)再加。如在11 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)上,可以用三層粉帶半迭包作匝間絕緣。

(3) 薄膜繞包線。采用聚酞亞胺薄膜繞包雙玻璃絲包線絕緣。

6 結(jié)束語

海洋中的嚴(yán)酷環(huán)境對大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)線圈的侵蝕和破壞性極大,采用磁控濺射技術(shù)對線圈防腐蝕是有效的方法。磁控濺射技術(shù)是鍍膜技術(shù)的新興產(chǎn)業(yè),不僅可以做到國家管理與環(huán)境保護(hù)相一致,而且能夠促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。同時,線圈的絕緣性是線圈保護(hù)的重要環(huán)節(jié),有效提高線圈的絕緣性,可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在惡劣環(huán)境中安全工作。