兆瓦级风力发电机磁组件组装用胶粘剂的研制

李 岳，孙东洲，孔宪志，吕 虎，于国良，孙 禹

（黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

引 言

风力发电以其减轻环境污染、调整电网中的能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，受到人们越来越多的重视[1]。根据国家能源局正式公布的数据，截至2020 年底，我国电源新增装机容量为19087 万千瓦，其中风电并网装机容量达7167 万千瓦，占比高达37.5%，风电累计装机突破2.8 亿千瓦，这是继2010 年以来，我国风电年新增装机连续11 年世界第一。

随着我国可再生能源中长期规划中风电比重的不断增加，永磁直驱风力发电机以其效率高、维护简单及低电压穿透等优点，在风力发电系统中得到了广泛应用，而电机组核心部件永磁结构粘接的可靠性成为了永磁风力发电机制造的关键之一。风力发电机由定子和转子套装构成，其核心结构磁组件通过胶粘剂组装后固定在转子内壁。随着稀土永磁电机在风电领域的发展，高性能永磁材料钕铁硼材料正逐渐成为行业应用的主流[3]。

风电磁组件的结构见图1。目前国内外对磁组件的固定方式多采用胶接，该方法对于磁极与磁轭的加工精度要求不高，成本低，方法简单，在零部件装配中采用胶合工艺，可简化一些零件的结构，甚至可简化整个电机的结构。又因为胶接处的应力分布比螺钉连接更为均匀，因此可使电机在振动和冲击负荷下可靠的工作[4]。钕铁硼材料虽然性能优异，但极其活泼，故其表面采用镀锌等方法进行保护[5]，因而大大增加了粘接难度。磁钢粘接的可靠性成为风力发电机制造的关键技术之一。

图1 风电磁组件结构Fig.1 The structure of magnetic component of wind turbine generator

金属表面镀锌已经成为一种常用的防腐蚀处理技术。但如果镀锌后未对其表面进行处理，镀锌层会与空气中的水、氧气等发生反应，发生腐蚀，从而影响基层金属的耐腐蚀速率，所以需对镀锌金属表面进行钝化处理[6]。传统的镀锌钢板表面钝化主要使用的是铬酸盐，铬酸盐钝化液中含有三价铬和六价铬，三价铬构成钝化膜的骨架，而六价铬填充在骨架内部，形成均质的镀锌层钝化膜，具有自我修复能力[7]。使用胶粘剂进行粘接时，钝化膜的化学平衡极易被破坏，启动自我修复能力，这一过程易造成镀层脱落，影响胶粘剂粘接强度；有时还会产生氢气，使密闭的磁组件内部形成空腔，无法使用。目前风力发电机磁组件用胶粘剂通常有厌氧型结构胶粘剂、第二代丙烯酸酯结构胶粘剂、改性环氧胶等。各种胶粘剂都有其优劣[8～10]。目前国内外风电核心部件磁钢的组装用胶粘剂主要用台湾施敏打硬股份有限公司（中日合资）的Y358-AB 胶粘剂。该胶粘剂为第二代丙烯酸酯胶粘剂，对磁钢、不锈钢、镀锌铁有较高粘接强度，在国际相关行业通用,但价格较高,且受到日本和我国台湾地区的限制。国内同类胶粘剂均存在腐蚀性较强，对镀层有破坏（如图2），影响粘接强度和耐久性的问题。许多风电企业都在寻找可靠的改进产品进行替代。一种低腐蚀性，高性能，适用磁钢、不锈钢、镀锌铁的结构胶粘剂亟待研制。

本研究通过增加稳定剂用量，减少引发剂用量，增加促进剂用量，使用偶联剂等手段，研制出了一种能实现镀锌钝化金属等风力发电磁组件材料可靠粘接的胶粘剂（J-39D 胶粘剂）。

1 试验部分

1.1 试验原料

丁腈橡胶2265E，深圳梦之巅塑胶有限公司；ABS 树脂，台湾奇美实业股份有限公司；甲基丙烯酸甲酯，济南鑫顺化工有限公司；甲基丙烯酸，上海诺泰化工有限公司；甲基丙烯酸羟乙酯，上海海曲化工有限公司；过氧化氢苯甲酰，上海金锦乐实业有限公司；N，N-二乙基对甲苯胺，重庆赛普那斯科技有限公司；对苯二酚，济南百纳利化工有限公司；γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，南京优普化工有限公司。

1.2 J-39D 胶粘剂的制备

J-39D 胶粘剂由甲、乙两组分组成。

将丁腈橡胶于台称称重后在炼胶机上进行破料，素炼15 遍。把丁腈橡胶、ABS 树脂、甲基丙烯酸甲酯按比例加入到玻璃反应器中，搅拌至丁腈橡胶、ABS 树脂完全溶解，向其中加入甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、N，N-二乙基对甲苯胺、对苯二酚等，继续搅拌4h，即制成胶粘剂甲组分。

将ABS、甲基丙烯酸甲酯按比例加入到玻璃反应器中，搅拌至ABS 树脂完全溶解，向其中加入过氧化氢苯甲酰、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、对苯二酚等，继续搅拌4h，即制成胶粘剂乙组分。

1.3 J-39D 胶粘剂的测试

使用符合HB/Z5068 的铬酸钝化的镀锌Q235B钢，制成剪切试片，按GB/T7124-2008 测试剪切强度，对优选方案按GJB446-88 测试90°剥离强度。

2 结果与讨论

2.1 J-39D 胶粘剂力学性能测试

J-39D 胶粘剂力学性能测试结果如表1 所示。

表1 J-39D 胶粘剂力学性能Table 1 The mechanical properties of J-39D adhesive

（1）剪切试件的粘接与测试

剪切试件的测试参照GB/T7124-2008，测试试件断口如图3 所示。

图3 剪切试片断口Fig.3 The fracture of shear strength test specimen

根据图3 可以看出，试片破坏形式为胶粘剂内聚破坏，胶粘剂对剪切试片表面钝化层有较好的保护效果。

（2）剥离试件的粘接与测试

剥离试件的测试参照GJB446-88，测试试件断口如图4 所示。

图4 剥离试片断口Fig.4 The fracture of peel strength test specimen

根据图4 可以看出，胶粘剂对剥离试片表面钝化层有较好的保护效果。

（3）对接拉伸试件的粘接与测试

对接拉伸试件的粘接如图5 所示。

对接拉伸试件的测试参照GB/T6329-1996，测试试件断口如图6 所示。

根据图6 可以看出，胶粘剂粘接镀锌磁体的破坏形式为镀锌磁体材料破坏，粘接黑片磁体、镀锌钝化钢、不锈钢材料均为胶粘剂内聚破坏。

由此可见，胶粘剂对风力发电磁组件各种材料均具有较高的粘接强度。

2.2 J-39D 胶粘剂冷热冲击试验

将低温环境箱温度设置为-50℃，高温环境箱温度设置为100℃。将对接拉伸试件放入低温环境箱中，待温度稳定后持续15min，取出并在1min 内将试样放入高温环境箱中，待温度稳定后持续15min，取出重新放入低温环境箱中；如此循环50次后取出样品。测试试件对接拉伸强度，测试结果如表2 所示。

表2 冷热冲击后对接拉伸测试结果Table 2 The tensile strength after the cold and heat impact test

冷热冲击试验后对接拉伸试件断口如图7 所示。

图7 冷热冲击后对接拉伸试件断口Fig.7 The fracture of tensile specimen after the cold and heat test

根据表2 和图7 可以看出冷热冲击后胶粘剂粘接强度没有发生明显下降。

2.3 J-39D 胶粘剂与Y358-AB 胶粘剂性能对比

目前国内风电企业所使用的磁钢胶主要为台湾施敏打硬股份有限公司（中日合资）的Y358-AB胶粘剂。对这种胶粘剂进行检测，并与J-39D 胶粘剂进行对比，结果见表3。Y358-AB 胶粘剂由绵阳西磁科技有限公司提供。

表3 胶粘剂性能对比数据Table 3 The comparative data of properties of Y358-AB and J-39D adhesive

根据表3 可以看出，J-39D 胶粘剂对镀锌Q235B 钢、镀锌铁等风力发电磁组件材料的粘接性能均优于Y358-AB 胶粘剂。

3 结 论

（1）J-39D 胶粘剂对镀锌Q235B 钢、镀锌铁、304 不锈钢、镀锌磁体、黑片磁体等风力发电磁组件材料具备优异的粘接性能，对镀锌Q235B 钢表面钝化层有较好的保护效果。经过冷热冲击后力学性能没有明显下降。

（2）J-39D 胶粘剂对风力发电磁组件材料的粘接性能均优于Y358-AB 胶粘剂。