CN101373113B - 一种旋转磁制冷用永磁磁体系统 - Google Patents

Abstract

一种旋转磁制冷用永磁磁体系统。定子是一个基于Halbach旋转定理的中空圆柱形永磁磁体。中空的圆柱形磁体由永磁块以磁体横截面上的中心轴对称拼装而成，这些永磁块的充磁方向由Halbach旋转定理来确定。转子主要包括导磁铁心、磁工质和转轴，转子的轴位于转子的旋转中心位置，两段转子轴的中心线与定子的几何中心线相重合。转子的两块导磁铁心为横截面形状为弓形的柱状体，通过连接支架与转轴联结成为一体，套装在转轴上。磁工质紧贴地固定在所述的两块导磁铁心之间，随导磁铁心一起转动；磁工质为长方体。定子与转子之间留有一定的间隙。

Description

一种旋转磁制冷用永磁磁体系统

技术领域

本发明涉及一种永磁磁体系统，特别涉及用于旋转磁制冷设备的永磁磁体系统。

背景技术

磁制冷是一种绿色环保的新型制冷技术。与传统蒸汽压缩式制冷相比，磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，对臭氧层无破坏作用，无温室效应。最新开发的磁制冷机采用基于水的传热流体，能最大程度上避免全球温室效应。

磁制冷技术是基于磁热效应原理的一种制冷技术。磁热效应是指磁工质(磁制冷材料)在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强，对外放出热量，而再将其去磁，则磁有序度下降，又要从外界吸收热量，即在变化的外磁场中表现出的磁性材料本身的熵变和温变的一种物理现象。利用磁工质的磁热效应现象，可以实现制冷的目的。

相对低温磁制冷而言，室温磁制冷具有更广泛的应用领域，例如：工业、商业及家用空调、冰箱等，它的广泛应用将对能源节约和环境保护起到重大作用。因此，室温磁制冷技术被视为一种应用前景十分看好的新型制冷技术。在室温磁制冷的研究中，由于在室温附近，磁性材料的晶格熵比磁熵大得多，晶格系统的热容量显著增加，磁自旋系统的热骚动能量也增加，因此，要得到一定的磁熵变化，除了开发出居里点在室温附近而且具有巨磁热效应的磁工质外，还必须采用很强的外磁场。对大多数磁制冷样机来说，磁工质与外磁场做相对运动，以便磁工质进出外磁场进行磁化、退磁。根据热力学方程式，外磁场越高，磁场强度的变化越大，磁热效应越显著，制冷效果越明显。

在以往的室温磁制冷样机中，其磁场由液氦浸泡的超导磁体提供，最后分别实现大的制冷温跨，但很显然在家用的磁制冷机上使用超导磁体是不现实的。目前，提供磁化场方式除了超导磁体外，还有电磁铁和永磁体，但为了使室温磁制冷实用化、商业化，采用体积庞大、结构复杂的电磁体(通常需要增加一套冷却系统)也是不可取的，因而永磁体成了室温磁制冷提供磁化场的最佳选择。而简单的永磁磁路设计不能满足室温磁制冷机所需的磁场，如Bohigas在一旋转式室温磁制冷样机中，利用NdFeB永磁体互相平行放置，在磁体间隙间产生0.3T的场强，只得到了1.6K的制冷温跨。因而，设计出高场强的永磁体对于室温磁制冷技术应用是非常重要的。

为了获得较高强度的磁化场，增加磁制冷机的制冷温跨和制冷功率，人们在基于Halbach旋转定理的中空圆柱形磁场源的基础上，已经制作出了“C”型结构的高场强NdFeB永磁磁体，例如：美国Ames实验室的S.J.Lee等设计出了适合于旋转样机的场强为1.9T的磁体(Permanent magnet array for the magnetic refrigerator，Journal of Applied Physics，Volume91，Number10，pp.8894-8896，2002)。虽然这种结构的永磁磁体可以产生较高强度的磁场，但是它存在着两个缺点：一是转轮的大部分位于永磁磁体之外，这一旋转部件没有被封闭，它将给磁制冷机的结构设计造成困难；二是转轮的圆周仅有一部分处于永磁磁体的磁场中，这将在转轮上产生非常大的单边磁拉力。当转轮旋转时，这一单边磁拉力会造成转轮的振动，甚至会损坏轴和轴承。

为了克服基于Halbach旋转定理的中空圆柱形磁场源为基础的“C”型结构永磁磁体系统，其旋转部分未被封闭在磁体之内和磁化场在转轮上产生单边磁拉力等缺点，申请号为200610165503.X的“旋转磁制冷设备用永磁磁体系统”提出了一种用于旋转磁制冷机的高场强永磁磁体系统。这种永磁磁体系统由定子和转子组成，定子包括中空柱形永磁磁体和导磁极靴；中空的圆柱形磁体由偶数数量的永磁块以磁体横截面上的中心轴对称拼装而成，永磁块的充磁方向由Halbach旋转定理确定；导磁极靴由两块导磁性能良好的金属材料组成，其一侧面形状与永磁磁体内腔壁一致，另一侧面为圆弧面；两块导磁极靴分别紧贴在永磁磁体N、S极中心的内腔壁上，空间位置相差180°。转子包括转轴、导磁铁心和磁工质；转轴为圆柱形，导磁铁心由高性能金属导磁材料制成，形状为带有中心孔的圆柱或削去两边的圆柱，套装在转轴上，转轴位于其中心位置；两块磁工质分别安装在导磁铁心的两外圆弧面上，其空间位置相差180°。

这种磁体系统包含两个磁工质区域，并且它们沿径向的内、外面都是圆弧形，这将导致了磁制冷机的热交换系统较为复杂和磁工质加工较为困难；另一个问题是由于磁工质退磁的需要，定子导磁极靴的周向尺寸不能大于45度，也就是意味着磁工质区域的周向尺寸不能大于45度，这样一来限制了磁工质区域的范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种用于旋转磁制冷机的高场强永磁磁体系统，本发明将现有技术磁体系统转子中的内、外面为圆弧形的两个磁工质区域改进为一个矩形区域，并扩大了磁工质区域的范围。本发明可产生异常高强度的磁化场。

本发明永磁磁体系统由定子和转子两部分组成。

定子是一个基于Halbach旋转定理的中空圆柱形永磁磁体。为了永磁磁体加工的方便，中空的圆柱形磁体可由偶数数量的永磁块以磁体横截面上的中心轴对称拼装而成，这些永磁块的充磁方向由Halbach旋转定理来确定，它们在中空圆柱体空腔内产生一个两极磁场。

转子主要包括导磁铁心、磁工质、转轴和连接支架四部分。导磁铁心由两块横截面形状为弓形的柱状金属导磁材料制成，弓形柱状体的曲边为圆弧。导磁铁心通过连接支架与转轴联结成为一体，套装在转轴上。磁工质为长方体，紧贴地固定在所述的两块导磁铁心之间，并可随导磁铁心一起转动。

相对申请号为200610165503.X的“旋转磁制冷设备用永磁磁体系统”的专利而言，本发明转子上的磁工质区域由两个变为一个，并去除了定子导磁极靴，使磁体系统的结构、磁制冷机的热交换系统、磁工质加工和绝热变得更加简单，并且扩大了磁工质区域的范围。

永磁磁体系统中的各部件的主要功能是：定子部分的中空圆柱形磁体在其内部空间产生一个两极的永磁磁化场，转子中的导磁铁心为该永磁磁化场提供良好的导磁路径，转轴和连接支架用于支撑和驱动转子。在旋转磁制冷机工作时，永磁磁体系统的转子在外力驱动下旋转。当导磁铁心的圆弧中心与定子的中空圆柱形磁体的磁极中心线重合时，永磁磁化场通过导磁铁心流经磁工质，这时磁工质受到的磁化场最大，其温度最高。随着转子的转动，在磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质开始退磁。当转子转过90°空间角度时，永磁磁体所产生的绝大部分磁通流经导磁铁心，而不流经磁工质，磁工质所受的磁化场为最小，此时它的温度变得最低。随着转子的进一步旋转，磁工质所受的磁化场又变得越来越强，它的温度也不断增加。磁工质在转子的旋转过程中周期性不断地磁化和退磁，产生磁制冷所必须的磁热功率。

由于转子的结构是完全对称的，并且定子、转子同心，因此永磁磁化场在转子上面所产生的径向磁拉力完全抵消，因此不会产生单边磁拉力。

本发明的永磁磁体系统与现有的系统相比，有着磁化场强高、体积小、重量轻、结构简单、紧凑、运行可靠性高、振动和噪声小等优点。

本发明除了用于旋转磁制冷机之外，还可作为其它旋转的高场强永磁机构。

附图说明

图1本发明永磁磁体系统的横截面图；

图2本发明永磁磁体系统转子的轴向截面图；

图3磁工质区域磁化场最大时的磁力线分布；

图4磁工质区域磁化场最小时的磁力线分布。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，定子的Halbach中空圆柱形永磁磁体由8块梯形永磁块组成，它的充磁方向由Halbach旋转定理所确定，如图1中箭头所示。沿永磁块充磁方向的永磁磁势在中空圆柱体空腔内产生一个两极磁场。

转子的轴位于转子的旋转中心位置，两段转子轴的中心线与定子的几何中心线相重合。转子两块导磁铁心为横截面形状为弓形的柱状体，通过连接支架与转轴联结成为一体套装在转轴上，如图2所示。弓形柱状体的曲边为圆弧。导磁铁心由金属导磁材料制成。磁工质为长方体，紧贴地固定在所述的两块导磁铁心之间，并可随导磁铁心一起转动。

定子与转子之间留有一定的间隙，间隙的大小可根据转子旋转的机械要求来确定。

磁制冷机工作时，永磁磁体系统的转子沿顺时针或逆时针旋转，当导磁铁心的圆弧中心与定子的中空圆柱形磁体的磁极中心线重合时，磁工质受到很大的磁化场，如图3所示，使磁工质材料磁化，其温度升高。随着转子的转动，在磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质开始退磁。当转子转过90°空间角度时，磁工质所受的磁化场为最小，如图4所示，此时它的温度变得最低。随着转子的进一步旋转，磁工质所受的磁化场又变得越来越强，它的温度也不断增加。转子转过180°空间角度时，磁工质磁化和退磁过程完成一次循环，它的温度变化也完成了一次循环，可利用这一温度的变化来实现制冷。

Claims (1)

1.一种旋转磁制冷用永磁磁体系统，包括定子和转子，转子包括导磁铁心、磁工质和转轴，其特征在于，转轴位于转子的旋转中心位置，两段转轴的中心线与定子的几何中心线相重合；定子由一个基于Halbach旋转定理的中空圆柱形永磁磁体组成；转子的两块导磁铁心为横截面形状为弓形的柱状体，弓形柱状体的曲边为圆弧；所述的两块导磁铁心通过连接支架与转轴联结成为一体，套装在转轴上；磁工质为长方体，紧贴地固定在所述的两块导磁铁心之间，随导磁铁心一起转动；定子去除了导磁极靴，定子的Halbach中空圆柱形永磁磁体由永磁块组成，沿永磁块充磁方向的永磁磁势在中空圆柱体空腔内产生一个两极磁场；定子与转子之间留有间隙。

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