CN104930749B - 磁蓄冷器单元以及具有其的磁冷却系统 - Google Patents
磁蓄冷器单元以及具有其的磁冷却系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开磁蓄冷器单元以及具有其的磁冷却系统。通过能够使传热流体均匀地流动的圆形磁蓄冷器结构以及被以相同的方式改变的磁场和传热流体的流动，以及具有与磁蓄冷器的相对磁导率相似的相对磁导率的磁条，可以在减小转子的转矩的同时获得高效率的磁通产生器。用于驱动的功耗由于齿槽转矩的减小可以降低，并且磁条可以通过使用便宜的铁粉而以低成本制造。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及利用磁热材料的磁热效应的磁蓄冷器单元(magneticregenerator unit)以及具有该磁蓄冷器单元的磁冷却系统。
背景技术
磁冷却系统被配置为利用磁热材料的在被磁场磁化时产生热并在被外磁场退磁时吸收热的特性。此外，磁冷却系统可以代替使用空气压缩循环的传统冷却装置。
通常，磁冷却系统包括：磁蓄冷器，其由磁热材料形成；磁通产生器，用于从磁热材料获得磁热效应；流体供应装置，用于由磁热效应形成热梯度；热交换器，用于利用热梯度从外部吸收热或用于发射热到外部；以及其他部件。
在磁冷却系统中，包括外部定子和内部转子的磁通产生器提供有磁热材料，所述磁热材料均匀地布置在定子的内表面上以降低转子的转矩从而获得高效率。当磁热材料均匀地布置在定子的内表面上时，被形成为椭圆形形状的磁通产生器被分成磁化区域和退磁区域。
在椭圆形形状的磁通产生器中，磁场的变化增大的区域和磁场的变化减小的区域通过永磁体的旋转而出现，因此传热流体的流动可以不对应于磁场的变化。当磁场的变化和传热流体的流动成比例地改变时，磁通产生器可以获得最大的冷却能力。然而，在椭圆形形状的磁通产生器中，传热流体可不成比例地改变并且可不均匀地流动，使得在考虑材料的量时不能获得最大的冷却能力。
发明内容
在一个或更多个实施例的一方面中，提供一种磁蓄冷器单元以及具有该磁蓄冷器单元的磁冷却系统，该磁蓄冷器单元通过允许传热流体均匀地流动的圆形磁蓄冷器结构能够获得磁蓄冷器的最大冷却能力，通过具有与磁蓄冷器的相对磁导率类似的相对磁导率的磁条能在降低转子的转矩的同时实现高效率的磁蓄冷器。
在一个或更多个实施例的一方面中，提供一种磁蓄冷器单元，其包括：磁蓄冷器，由磁热材料形成；以及磁条(magnetic band)，具有与磁蓄冷器的相对磁导率类似的相对磁导率，并设置在磁蓄冷器的一侧。
磁蓄冷器可以提供有多个，所述多个磁蓄冷器设置为彼此间隔开，磁条可以提供有多个，所述多个磁条被设置为在多个磁蓄冷器之间彼此间隔开。
磁蓄冷器和磁条可以在圆周方向上彼此交替地设置。
磁条可以形成为具有与磁条的圆柱表面的曲率相同的曲率的弯曲板的形状，并可以设置在磁蓄冷器之间。
磁条可以由具有高的相对磁导率的磁性材料和非磁性材料的化合物材料形成。
磁性材料可以包括铁粉，非磁性材料可以包括空气、塑料、聚合物和铁氧化物中的至少一种。
磁条的相对磁导率可以通过在调整磁性材料和非磁性材料的体积比或调整每单位面积(per unit area)的磁性材料的密度比之后混合磁性材料和非磁性材料来改变。
磁条的相对磁导率可以具有在磁热材料的相对磁导率的20％至150％的范围内的值。
磁条的相对磁导率可以具有在由于温度变化而改变的磁热材料的相对磁导率的范围内的值。
磁条可以包括在形成磁蓄冷器的温度梯度的纵向方向上具有一个或更多个不同的相对磁导率的部分。
磁条可以形成为与磁蓄冷器相同的形状，并设置在磁蓄冷器的一侧。
磁条可以形成为不同于磁蓄冷器的椭圆形形状，并设置在磁蓄冷器的一侧。
磁条可以包括其中容纳磁蓄冷器的容纳槽。
磁条可以形成为环形。
磁条的厚度可以不同于磁蓄冷器的厚度。
磁蓄冷器单元还可以包括容器，磁蓄冷器和磁条被插入和固定在该容器中，该容器可以包括其中插入磁蓄冷器的磁蓄冷器容纳槽和其中插入磁条的磁条容纳槽。
容器可以形成为环形，其中磁蓄冷器容纳槽和磁条容纳槽可以在圆周方向上交替地布置。
在一个或更多个实施例的一方面中，提供一种磁冷却系统，其包括：磁通产生器，产生磁场以从磁热材料获得磁热效应；磁蓄冷器单元，设置在磁通产生器产生的磁场中；流体供应装置，由磁热效应形成温度梯度；以及热交换器，利用温度梯度与外部交换热，其中磁蓄冷器单元包括由磁热材料形成的磁蓄冷器、以及具有与磁蓄冷器的相对磁导率类似的相对磁导率并设置在磁蓄冷器的一侧的磁条。
磁通产生器可以包括作为定子的磁轭和作为转子的永磁体。
磁轭可以形成为空心圆柱的形状，并由硅钢制成。
磁蓄冷器和磁条可以沿圆周方向布置在磁轭和永磁体之间。
磁冷却系统还可以包括被配置为旋转提供有永磁体的转子的驱动装置，其中驱动装置可以包括安装在磁冷却系统的外面的电机。
磁冷却系统还可以包括被配置为旋转提供有永磁体的转子的驱动装置，其中驱动装置可以包括形成在定子磁轭上的齿和线圈。
磁蓄冷器单元可以包括磁蓄冷器和磁条之间的间隙。
磁蓄冷器的形状可以与磁条的形状相同，以降低齿槽转矩。
磁条可以形成为椭圆形形状。
磁蓄冷器可以形成为椭圆形形状。
磁蓄冷器可以设置在磁条内部，磁条和磁蓄冷器之间没有间隙。
附图说明
由以下结合附图的对实施例的描述，本公开的这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，附图中：
图1A和图1B是示出一般的磁冷却系统中传热流体的流动的示意配置的图；
图2是示出一般磁冷却系统中的冷却循环的图，包括该循环中的状态(点或位置)(a)至(d)；
图3是示出根据一实施例的磁冷却系统的外观的透视图；
图4是示出根据一实施例的旋转磁冷却系统的分解透视图；
图5是图3的纵向截面图；
图6是图3的垂直截面图；
图7是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的分解图；
图8是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的磁条的取决于磁性材料的体积比的磁通分布的图；
图9是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的磁条的相对磁导率的随磁性材料的体积比的变化的图；
图10是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的磁条的相对磁导率随铁粉的密度的变化的图；
图11是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的转矩的变化的图；
图12是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的相对磁导率随磁热材料的温度的变化的曲线图；
图13是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的磁条的构造的示例的图；
图14是图13中示出的铁的密度的表格；
图15是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的平面图；
图16是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的分解图；
图17是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的齿槽转矩(cogging torque)的曲线图；
图18是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的齿槽转矩的曲线图；
图19是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的平面图；
图20是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的分解图；
图21是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的齿槽转矩的曲线图；
图22是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的平面图；
图23是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的分解图；以及
图24是示出根据一实施例的磁蓄冷器单元的平面图。
具体实施方式
现在将详细参照本公开的实施例，其示例在附图中示出。
图1A和1B是示出传统/一般磁冷却系统中的传热流体的流动的示意配置的图。
如图1A和1B所示，一般的磁冷却系统100包括一对由磁热材料形成的磁蓄冷器110、用于施加磁场到磁蓄冷器110或从磁蓄冷器110除去磁场的永磁体120、用于供应传热流体到磁蓄冷器110的内部的流体供应装置130、用于允许经过了磁蓄冷器110的传热流体从外部吸收热或排出热到外部的热侧热交换器140和冷侧热交换器150、用于引导传热流体的流动的供给管160、以及设置在供给管上以循环传热流体的泵170。
该对磁蓄冷器110包括第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2。
第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2可以采用以热交换材料填充的主动磁蓄冷器(AMR)，热交换材料使第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的传热流体流通过。
永磁体120安装在第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的两侧以施加磁场到第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2或从第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2除去磁场。
永磁体120包括至少一对北极和南极，并且是可移动的以施加磁场到第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2或从第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2除去磁场。第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2保持在静止状态。
当永磁体120移动以通过往复运动和旋转运动施加磁场到第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2或从第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2除去磁场时，第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2可以交替地进入和离开永磁体120的北极和南极之间产生的磁场。第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2在磁场中时被磁化，第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2在离开磁场时被退磁。当第一磁蓄冷器110-1通过进入磁场而被磁化时，第二磁蓄冷器110-2通过离开磁场而退磁。而且，第二磁蓄冷器110-2通过离开磁场而退磁，第一磁蓄冷器110-1通过进入磁场而被磁化。
或者，当永磁体120不移动时，第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2可以通过第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的往复运动和旋转运动而被允许交替地进入和离开磁场。在此示例中，流体供应装置130和热交换器140和150可以一起移动。
流体供应装置130将传热流体的移动方向改变成两个方向(实线和虚线)以供应传热流体到第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的内部。
当第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2分别被磁化和退磁时，流体供应装置130允许供给管160沿实线和虚线的方向穿过，如图1A和1B所示。
因此，当第一磁蓄冷器110-1被磁化并且第二磁蓄冷器110-2被退磁时，热侧流动路径通过磁化的第一磁蓄冷器110-1形成以允许流体流动，冷侧流动路径通过退磁的第二磁蓄冷器110-2形成以允许流体流动。
或者，在第一磁蓄冷器110-1被退磁并且第二磁蓄冷器110-2被磁化的情形下，冷侧流动路径通过退磁的第一磁蓄冷器110-1形成以允许流体流动，并且热侧流动路径通过磁化的第二磁蓄冷器110-2形成以允许流体流动。
根据永磁体120的极性，第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的磁化和退磁被连续地改变，并且流体供应装置130在磁化和退磁时供应传热流体到第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的内部。随着循环被重复，热侧和冷侧之间的温度差增大。于是，热交换在热侧热交换器140和冷侧热交换器150处发生，从而实现磁冷却系统的冷却性能。
因此，第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的磁化和退磁的热辐射效应和热吸收效应可以应用于加热和冷却。磁冷却系统100可以通过第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2的热辐射效应和热吸收效应获得高温和低温。
热侧热交换器140被提供在热侧使得传热流体辐射热能到热侧，冷侧热交换器150被提供在冷侧使得传热流体从冷侧吸收热能。热侧热交换器140和冷侧热交换器150可以包括热交换器鳍(未示出)以提高热交换效率。
供给管160分别将第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2连接到热侧热交换器140和冷侧热交换器150，以通过传输传热流体而允许传热流体被循环。
传热流体可以是通过供给管160流动的流体。水、酒精、诸如乙二醇的防冻剂、氦气等可以用于传热流体，此外也可以使用混合水、酒精、诸如乙二醇的防冻剂、氦气等的混合流体。传热流体从冷侧热交换器150吸收热能，传输热能到第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2，从第一磁蓄冷器110-1和第二磁蓄冷器110-2吸收热能，以及传输热能到热侧热交换器140。
泵170允许传热流体经过供给管160循环。在图1A和1B中，泵170允许传热流体逆时针地经供给管160循环，但是不限于此。泵170可以允许传热流体顺时针地在供给管160中循环。
图2是示出一般磁冷却系统中的冷却循环的图，包括冷却循环中的状态(点或位置)(a)至(d)。
在图2的(a)中，就磁场没有被产生的状态下与热交换流体交换热的磁蓄冷器110而言，磁蓄冷器110保持为被退磁。在磁蓄冷器110被退磁时，磁蓄冷器110内部的磁偶极子如图2的(a)所示不规则地布置。
当磁蓄冷器110进入磁场时，磁蓄冷器110被磁场磁化。磁蓄冷器110内的磁偶极子沿磁场的方向规则地布置，如图2的(b)所示。磁蓄冷器110放出热能，该热能为磁蓄冷器110被退磁时的内能和磁蓄冷器110被磁化时的内能之间的差的量。因此，磁蓄冷器110的温度升高，如图2的(b)所示。
也就是说，当磁蓄冷器110被磁化时，磁蓄冷器110与传热流体接触，将热能传递至传热流体，从而升高传热流体的温度，如图2的(c)所示。
当磁蓄冷器110脱离磁场时，磁蓄冷器110被退磁。磁蓄冷器110内部的磁偶极子再次变成不规则地布置，如图2的(d)所示。磁蓄冷器110吸收热能，该热能为(1)磁蓄冷器110被退磁时的内能和(2)磁蓄冷器110被磁化时的内能之间的差的量。因此，磁蓄冷器110的温度降低，如图2的(d)所示。
也就是，当磁蓄冷器110被退磁时，磁蓄冷器110与传热流体接触，并从传热流体吸收热能，从而降低传热流体的温度，如图2的(a)所示。
如上所述，在被磁场磁化时，磁蓄冷器110传输热能到传热流体，并在被磁场退磁时，磁蓄冷器110从传热流体吸收热能。
图3是示出根据本公开的一实施例的磁冷却系统的外观的透视图，图4是示出根据本公开的一实施例的旋转式磁冷却系统的分解透视图。
根据本公开的一实施例，磁冷却系统100将作为示例被描述，包括四个磁性区域和四个非磁性区域的四磁极磁体和八个磁蓄冷器110被设置在磁冷却系统100中。
在图3和图4中，根据本公开的一实施例，磁冷却系统100包括由于旋转的特性而分成内部部分和外部部分的圆形磁通产生器200以及在磁通产生器200产生的磁场中的圆形磁蓄冷器单元300。
磁通产生器200包括作为定子的磁轭210和作为转子的永磁体120。
磁轭210形成为空心圆柱的形状，并由硅钢制成。
永磁体120形成为圆柱，并包括具有四个磁性区域和四个非磁性区域的四磁极磁体。
磁蓄冷器单元300包括由磁性材料形成的八个磁蓄冷器110、设置在八个磁蓄冷器110之间的八个磁条310、以及包括容器321和322的容器320，八个磁蓄冷器110和八个磁条310被插入在容器321和322中以被固定。
磁条310具有类似于磁热材料的相对磁导率(μr)的相对磁导率(μr)，以减小由永磁体120和磁热材料产生的齿槽转矩(即旋转转矩)。
包括容器321和322的容器320被形成为空心圆柱的形状，并包括第一容器321和第二容器322，第一容器321和第二容器322被形成为空心圆柱的形状。第一容器321和第二容器322被联接为彼此面对。
热交换器140和150安装在磁蓄冷器单元300的两端，使得经过磁蓄冷器110的传热流体从外部吸收热或放出热到外部。
热交换器140和150包括热侧热交换器140和冷侧热交换器150，在热侧热交换器140中具有从处于被施加由磁通产生器200产生的磁场的状态的磁蓄冷器110传递的相对高的温度的传热流体被引入或排出，在冷侧热交换器150中具有从处于从由磁通产生器200产生的磁场移出的状态的磁蓄冷器110传递的相对低的温度的传热流体被引入或排出。
热侧热交换器140包括提供有热交换器鳍的热交换构件141和其中形成供给管并固定磁蓄冷器110的密封构件142。
冷侧热交换器150包括提供有热交换器鳍的热交换构件151和其中形成供给管并固定磁蓄冷器110的密封构件152。
当永磁体120施加磁场到磁蓄冷器110或从磁蓄冷器110除去磁场时，传热流体通过顺时针或逆时针交替地循环而交换热，并且为了热侧热交换器140或冷侧热交换器150中的有效热交换，经过磁蓄冷器110的传热流体需要在对应于单个热交换循环的一半的时间期间内到达热侧热交换器140或冷侧热交换器150。因此，热侧热交换器140和冷侧热交换器150可以设置在离开磁蓄冷器110的一定距离(即最短距离)内。
附图标记122是连接到外部电机(未示出)以驱动永磁体120的转动轴。
根据一实施例，描述了定子安装在外部并且提供有永磁体120的转子安装在内部的构造，但是不限于此。例如，提供有永磁体120的转子安装在外部并且定子安装在内部的构造是另一示例。
图5是图3的纵向截面图，图6是图3的垂直截面图。如图6所示的磁蓄冷器单元300包括磁蓄冷器110和磁条310之间的间隙。
在图5和图6中，磁冷却系统100包括磁蓄冷器单元300、磁通产生器200、热侧热交换器140、冷侧热交换器150和供给管160。磁蓄冷器单元300包括多个磁蓄冷器110(例如八个磁蓄冷器)和多个磁条310(即八个磁条)。磁通产生器200施加磁场到磁蓄冷器110或从磁蓄冷器110除去磁场。在热侧热交换器140处，从处于被磁通产生器施加磁场的状态的磁蓄冷器110传递了热的传热流体放出热。在冷侧热交换器150处，将热传递给处于被移出磁通产生器导致的磁场的状态的磁蓄冷器110的传热流体吸收热。供给管160将磁蓄冷器110、热侧热交换器140和冷侧热交换器150连接到彼此，使得传热流体沿磁蓄冷器110、热侧热交换器140和冷侧热交换器150循环。
多个磁蓄冷器110被设置为彼此间隔开，多个磁条310被设置为在多个磁蓄冷器110之间彼此间隔开。
多个磁蓄冷器110和多个磁条310在其圆周方向上交替地布置。
多个磁蓄冷器110(例如八个磁蓄冷器)被设置为使传热流体通过，并且包括磁热材料。磁蓄冷器110包括圆柱形形状的主体110a和形成在主体110a的纵向方向上的穿透孔110b。主体110a可以由具有绝缘效果的材料形成，诸如塑料。穿透孔110b用磁热材料填充。
在穿透孔110b的两端，连接器181和182被提供以被连接到供给管160。连接器181和182允许磁蓄冷器110通过供给管160被连接到热侧热交换器140和冷侧热交换器150，使得经过了磁蓄冷器110的传热流体流过热侧热交换器140和冷侧热交换器150。传热流体在被引入和流入穿透孔110b时，通过与磁热材料接触，吸收从磁热材料产生的热或传递热到磁热材料。在磁场被施加到磁蓄冷器110的状态下，吸收从磁热材料产生的热的传热流体被引入到热侧热交换器140以放出热。在磁场从磁蓄冷器110除去的状态下，传输热到磁热材料的传热流体被引入到冷侧热交换器150以吸收热。
磁通产生器200包括至少一个永磁体120，永磁体120包括至少一对北极和南极。磁通产生器200被布置为放射状，以施加磁场到磁蓄冷器110或从磁蓄冷器110除去磁场。北极和南极在磁蓄冷器单元300的径向上被设置在内部和外部。永磁体120设置在磁蓄冷器单元300的内部以被磁体支撑单元121支撑。
热侧热交换器140和冷侧热交换器150布置在传热流体的循环路线上，关于磁蓄冷器单元300彼此相对。热侧热交换器140的热辐射效应可以用于加热，冷侧热交换器150的热吸收效应可以用于冷却。
图7是示出根据本公开的一实施例的磁蓄冷器单元的分解图。
在图7中，磁蓄冷器单元300包括八个磁蓄冷器110、联接在八个磁蓄冷器110之间的八个磁条310、以及八个磁蓄冷器110和八个磁条310被固定地安装在其中的容器320。
此外，磁蓄冷器单元300形成为圆形，以允许传热流体平稳地流动，使得磁蓄冷器110具有最大的冷却能力。
在磁蓄冷器110的内部，穿透孔110b被形成为与供给管160连接，穿透孔110b用磁热材料填充。磁热材料由在磁场中被磁化并在磁场外被退磁的材料构成。磁热材料具有在被磁化时产生热并且在被退磁时吸收热的磁热效应。具有磁热效应的代表性材料是钆(Gd)，其具有原子序数64。Gd的温度在进入磁场时升高，并在离开磁场时降低。
Gd和铒(Er)的合金以及Gd、硅(Si)和锗(Ge)的合金可以用作磁热材料。除了Gd之外，锰(Mn)和铁(Fe)的化合物MnFe、镧(La)和铁(Fe)的化合物LaFe可以用作磁热材料。这些材料具有对于传热流体流有优异的渗透性的间隙，并且在热的吸收和辐射上是优秀的。
磁热材料通过被加工为颗粒或纤维的形式而填充磁蓄冷器110的穿透孔110b。呈颗粒或纤维的形式的磁热材料具有足够的间隙，使得传热流体穿过磁蓄冷器110的穿透孔110b。
磁热效应是在磁场被施加到磁热材料时磁热材料的温度升高，以及在磁场从磁热材料去除时磁热材料的温度降低。磁热效应基于熵定律，也就是当磁场被施加到磁热材料时，磁热材料的颗粒被有规则地排列使得磁热材料的温度升高，以及当磁场从磁热材料除去时，磁热材料的颗粒的排列变得不规则，使得磁热材料的温度降低。磁蓄冷器110可以通过利用该温度差而获得冷却效果。
八个磁条310被布置为环的形状，并且每个磁条310具有类似于填充磁蓄冷器110的磁热材料的相对磁导率(μr)的相对磁导率(μr)。
磁条310被形成为弯曲板的形状，该弯曲板具有与由磁条310形成的环的圆柱表面的曲率相同的曲率。磁条310设置在磁蓄冷器110之间。弯曲板的厚度可以与穿透孔110b的直径(大约15.8mm)相同，也就是与磁热材料的厚度相同。
磁条310可以包括具有与磁热材料的相对磁导率(μr)相似的相对磁导率(μr)的磁性材料，并可以包括具有磁热效应的磁性材料，像磁蓄冷器110一样。
磁条310由具有高的相对磁导率的磁性材料和非磁性材料的化合物材料形成。磁性材料包括铁粉，非磁性材料包括空气、塑料、聚合物和铁氧化物中的至少一种。
包括容器321和322的容器320被形成为空心圆柱的形状，并包括形成为空心圆柱的形状的第一容器321和第二容器322。第一容器321和第二容器322被联接为彼此面对。
在第一容器321和第二容器322处，形成八个磁蓄冷器容纳槽321a和322a以及八个磁条容纳槽321b和322b，八个磁蓄冷器110联接到八个磁蓄冷器容纳槽321a和322a，八个磁条310安装在八个磁条容纳槽321b和322b中。
磁蓄冷器容纳槽321a和322a在第一容器321和第二容器322中在磁蓄冷器110的纵向方向上形成，使得八个磁蓄冷器110被布置为在其圆周方向上彼此径向地间隔开。磁蓄冷器110被插入以联接到磁蓄冷器容纳槽321a和322a。
磁条容纳槽321b和322b在第一容器321和第二容器322中在磁条310的纵向方向上形成，使得八个磁蓄冷器110布置为在其圆周方向上彼此径向地间隔开。磁条310被容纳以联接到磁条容纳槽321b和322b。
如上所述，具有类似于磁热材料的相对磁导率(μr)的相对磁导率(μr)的磁条310设置在磁蓄冷器单元300上，从而可以减小永磁体120旋转时产生的齿槽转矩(即旋转转矩)。
接下来，将参照图8至图10描述通过调整磁条310的材料性质和相对磁导率(μr)来改变转矩的大小的方法。
图8是示出根据本公开的一个实施例的磁蓄冷器单元的磁条的取决于磁性材料的体积比的磁通分布的图，图9是示出根据本公开的一实施例的磁蓄冷器单元的磁条的相对磁导率的随磁性材料的体积比的变化的图，图10是示出根据本公开的一实施例的磁蓄冷器单元的磁条的相对磁导率的随铁粉的密度的变化的图。
当钆(Gd)用作磁热材料时，磁条310的相对磁导率(μr)需要处于一定范围内，类似于钆(Gd)的相对磁导率(μr)，以减小齿槽转矩。然而，铁的相对磁导率(μr)大于1000。为了制造具有与钆(Gd)的相对磁导率(μr)相似的相对磁导率(μr)的材料，通过利用可容易得到的铁来描述取决于体积比的磁通分布，如图8所示。通过利用取决于铁(其为磁性材料)和空气(其是非磁性材料)的体积比的磁通分布，获得相对磁导率(μr)的随磁性材料的体积比的变化，如图9所示。如图10所示，获得相对磁导率(μr)的随铁粉的密度的变化。
通过利用以上分析结果，在改变铁粉的密度的同时，通过与非磁性材料混合制造环形铁芯，并测量其相对磁导率(μr)。因此，测量的相对磁导率(μr)是适当的，从而具有一定相对磁导率(μr)的磁条310被制造。可以使用非磁性材料诸如空气、塑料、聚合物、铁氧化物等来制造磁条310。除了铁之外，可以使用具有高相对磁导率(μr)的铁磁材料。
通过调整磁性材料和非磁性材料的体积比，或调整每单位面积的磁性材料的密度比(density ratio)，磁条310的相对磁导率(μr)被改变。
磁条310的相对磁导率(μr)可以在磁热材料的相对磁导率(μr)的20％至磁热材料的相对磁导率(μr)的150％之间的范围内。
由于磁热材料的相对磁导率(μr)可以根据磁热材料的温度改变，所以磁条310的相对磁导率(μr)可以在磁热材料的相对磁导率(μr)的根据温度的改变而改变的范围内。例如，钆(Gd)(磁热材料之一)的相对磁导率(μr)根据温度从1.2变化到8.8，这是通过实验获得的测量结果。因此，考虑到温度梯度，磁条310的相对磁导率(μr)可以被确定为一定值，诸如1.46、3.0、5.0等，其在1.2至8.8的范围内。
接下来，将参照图11描述通过调整磁条310的相对磁导率(μr)改变转矩的大小的方法。
图11是示出根据本公开的一个实施例的磁蓄冷器单元的转矩的变化的图。
在图11中，在磁条310的厚度被保持为与磁热材料的厚度相同的同时，齿槽转矩可以通过改变磁条310的相对磁导率(μr)减小。
如图11所示，最大齿槽转矩可以根据磁条310的相对磁导率(μr)的变化而改变。
例如，当相对磁导率(μr)是1.25时，最大转矩是41.2；当相对磁导率(μr)是1.35时，最大转矩是21.1；当相对磁导率(μr)是1.46时，最大转矩是15.0；以及当相对磁导率(μr)是1.82时，最大转矩是50.9。如上所述，最大齿槽转矩根据相对磁导率(μr)改变。
接下来，将参照图12至图14描述根据Gd(磁热材料之一)的温度的改变的磁条310的构造。
图12是示出根据本公开的一个实施例的磁蓄冷器单元的相对磁导率根据磁热材料的温度的变化的曲线图，图13是示出根据本公开的一个实施例的磁蓄冷器单元的磁条的构造的示例的图，图14是图13中示出的铁的密度的表格。
钆(Gd)(磁热材料之一)的相对磁导率(μr)可以使用环形线圈(toroidal coil)计算。球形钆(Gd)被用作磁热材料，并且通过使用环形形状测量的值在图12中示出。
如图12所示，作为磁热材料的钆(Gd)的相对磁导率(μr)根据温度变化。
在图12至图14中，具有彼此不同的相对磁导率(μr)的多个磁条在具有温度梯度的磁热材料的纵向方向上布置，使得磁热材料的温度变化可以与其对应。
在情形1中，在其中磁热材料的整个长度为150mm的磁条中，设置20mm的磁条(其为6.90的相对磁导率(μr)和3.23的铁粉密度(g/cm3))，设置70mm的另一磁条(其为3.00的相对磁导率(μr)和1.69的铁粉密度(g/cm3))，设置10mm的另一磁条(其为1.81的相对磁导率(μr)和1.07的铁粉密度(g/cm3))，设置10mm的另一磁条(其为1.46的相对磁导率(μr)和0.69的铁粉密度(g/cm3))，以及设置40mm的另一磁条(其为1.25的相对磁导率(μr)和0.50的铁粉密度(g/cm3))，从而可以获得磁热材料的温度变化。
在情形2中，在其中磁热材料的整个长度为150mm的磁条中，设置90mm的磁条(其为3.00的相对磁导率(μr)和1.69的铁粉密度(g/cm3))，以及设置60mm的另一磁条(其为1.25的相对磁导率(μr)和0.50的铁粉密度(g/cm3))，从而可以获得磁热材料的温度变化。
在情形3中，在其中磁热材料的整个长度为150mm的磁条中，设置90mm的磁条(其为3.00的相对磁导率(μr)和1.69的铁粉密度(g/cm3))，设置20mm的另一磁条(其为1.81的相对磁导率(μr)和1.07的铁粉密度(g/cm3))，以及设置40mm的另一磁条(其为1.25的相对磁导率(μr)和0.50的铁粉密度(g/cm3))，从而可以获得磁热材料的温度变化。
在情形4中，在其中磁热材料的整个长度为150mm的磁条中，设置90mm的磁条(其为3.00的相对磁导率(μr)和1.69的铁粉密度(g/cm3))，以及设置60mm的另一磁条(其为1.46的相对磁导率(μr)和0.69的铁粉密度(g/cm3))，从而可以获得磁热材料的温度变化。
因此，通过对应于磁冷却系统100的特征布置具有不同的相对磁导率(μr)的磁条，可以获得对应的温度改变。
接下来，将参照图15至图18描述通过调整磁条310的厚度改变转矩的大小的方法。
图15是示出根据本公开的另一实施例的磁蓄冷器单元的平面图，图16是示出根据本公开的另一个实施例的磁蓄冷器单元的分解图，图17是示出根据本公开的一个实施例的磁蓄冷器单元的齿槽转矩的曲线图，图18是示出根据本公开的一个实施例的磁蓄冷器单元的齿槽转矩的曲线图。在图17和图18中，实线表示不使用磁条310时的齿槽转矩，虚线表示使用磁条310时的齿槽转矩。
在图15和图16中，将省略与图6和图7所示的部件相同的部件的描述。
如图15所示的磁蓄冷器单元300包括磁蓄冷器110和磁条310之间的间隙。
在图15和图16中，齿槽转矩可以通过改变磁条310的厚度改变。
图17是磁条310的厚度为15.8mm(其被假定为100％厚度)的情形下的齿槽转矩的曲线图(虚线)，图18是磁条310的厚度是14.22mm(其是90％厚度)的情形下的齿槽转矩的曲线图(虚线)。
如图17和图18所示，与磁条310的厚度是15.8mm(其是100％厚度)的情形下的齿槽转矩(46Nm)相比，磁条310的厚度是14.22mm(其是90％厚度)的情形下的齿槽转矩(15.8Nm)减小。因此，根据磁冷却系统100的特性，通过调整磁条310的厚度可以获得齿槽转矩的改变。
接下来，将参照图19至图21描述通过具有与磁蓄冷器110相同的形状的磁条310改变转矩的大小的方法。
图19是示出根据本公开的另一个实施例的磁蓄冷器单元的平面图，图20是示出根据本公开的另一个实施例的磁蓄冷器单元的分解图，图21是示出根据本公开的一个实施例的磁蓄冷器单元的齿槽转矩的曲线图。
在图19和图20中，将省略与图6和图7所示的部件相同的部件的描述。
如图19所示的磁蓄冷器单元300包括磁蓄冷器110和磁条310之间的间隙。
在图19和图20中，磁条310的形状与磁蓄冷器110的形状相同，并且在磁蓄冷器之间设置多个磁条310从而可以减小齿槽转矩。
随着设置在磁蓄冷器110之间的磁条310的数目增大，齿槽转矩可以进一步减小。
如图21所示，在磁条310的形状与磁蓄冷器110的形状相同的情形下，齿槽转矩被大量减小。因此，根据磁冷却系统100的特性，通过调整磁条310的形状可以获得齿槽转矩的改变。
根据本公开的一实施例，具有与磁蓄冷器110的形状相同的形状的磁条310的形状被描述，但不限于此。例如，磁条310可以形成为椭圆形形状或角形形状，并可以设置在磁蓄冷器110之间。
接下来，将参照图22和图23描述一构造，其中磁蓄冷器110设置在磁条310内部而没有磁条310和磁蓄冷器110之间的间隙。
图22是示出根据本公开的另一个实施例的磁蓄冷器单元的平面图，图23是示出根据本公开的另一个实施例的磁蓄冷器单元的分解图。
在图22和图23中，磁条310与容器320一体地形成。因此，当磁蓄冷器110被插入形成在容器320上的磁蓄冷器容纳槽321a和322a中时，将实现没有磁条310和磁蓄冷器110之间的间隙的构造。
可选地，将参照图24描述通过将线圈400设置在磁轭210上，作为定子而不使用外部电机，旋转永磁体120的方法。
图24是示出根据本公开的另一个实施例的磁蓄冷器单元的平面图。
在图24中，当齿和线圈400设置在磁条310的外侧(即定子磁轭210)时，电流被施加，使得作为转子的永磁体120可以被旋转。利用此结构，由于不使用单独的外部电机，磁蓄冷器100可以是紧凑的，并且通过使用由永磁体120产生的高磁通密度，转子可以是可旋转的。
通过接收电流，线圈400产生根据永磁体120的位置改变的磁场。通过所述可改变的磁场和磁通产生器200产生的磁场之间的相互作用，永磁体120可以被移动。即，线圈400通过永磁体120的往复运动和旋转运动允许磁蓄冷器110进入或离开磁场。
或者，线圈400可以通过磁蓄冷器110的往复运动和旋转运动允许磁蓄冷器110进入或离开磁场。
根据本公开的一个实施例，磁条310设置在旋转的磁冷却系统100上的情形被作为示例描述，但不限于此。通过具有磁条的线性的磁冷却系统，也可以实现相同的目的和效果。
如由以上描述显然那样，根据所提出的磁蓄冷器单元和具有其的磁冷却系统，通过能够使传热流体均匀地流动的圆形磁蓄冷器结构以及以相同的方式被改变的磁场和传热流体的流动，以及具有与磁蓄冷器的相对磁导率类似的相对磁导率的磁条，可以在减小转子的转矩的同时获得高效率的磁通产生器。用于驱动的功耗由于齿槽转矩的减小可以被降低，并且通过使用便宜的铁粉，磁条可以以低的成本制造。
虽然已经示出和描述了本公开的一些实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在这些实施例中进行改变而不背离本公开的原理和精神，本公开的范围在权利要求书及其等同物中限定。
Claims (30)
1.一种磁蓄冷器单元，包括：
多个圆柱形形状的磁蓄冷器，每个所述磁蓄冷器至少部分地由磁热材料形成；以及
多个磁条，每个所述磁条形成为弯曲板的形状，每个所述磁条具有与每个所述磁蓄冷器的相对磁导率相似的相对磁导率，所述磁条与所述磁蓄冷器在圆周方向上交替地设置，
其中所述每个所述磁蓄冷器包括圆柱形形状主体和形成在所述圆柱形形状主体的纵向方向上的穿透孔，所述穿透孔以所述磁热材料填充，
其中所述每个所述磁条沿所述每个所述磁蓄冷器的形成温度梯度的纵向方向包括每个具有不同的相对磁导率的多个部分，以及
其中所述多个磁条的所述每个被形成为具有与由所述多个所述磁蓄冷器形成的环的圆柱表面的曲率相同的曲率的所述弯曲板的形状，并设置在所述多个磁蓄冷器之间。
2.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述多个所述磁蓄冷器被设置为彼此间隔开，以及
所述多个所述磁条被设置为在所述多个所述磁蓄冷器之间彼此间隔开。
3.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条由具有高的相对磁导率的磁性材料和非磁性材料的化合物材料形成。
4.如权利要求3所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁性材料包括铁粉，所述非磁性材料包括空气、塑料、聚合物和铁氧化物中的至少一种。
5.如权利要求3所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条的相对磁导率通过在调整所述磁性材料和所述非磁性材料的体积比或调整每单位面积的磁性材料的密度比之后混合所述磁性材料和所述非磁性材料来改变。
6.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条的相对磁导率具有在所述磁热材料的相对磁导率的20％至150％的范围内的值。
7.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条的相对磁导率具有在所述磁热材料的相对磁导率的因温度变化而改变的范围内的值。
8.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条形成为与所述磁蓄冷器相同的形状，并设置在所述磁蓄冷器的一侧。
9.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条形成为与所述磁蓄冷器不同的椭圆形形状，并设置在所述磁蓄冷器的一侧。
10.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条包括容纳槽，所述磁蓄冷器被容纳在所述容纳槽中。
11.如权利要求9所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条被形成为环形。
12.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述磁条的厚度不同于所述磁蓄冷器的厚度。
13.如权利要求1所述的磁蓄冷器单元，还包括：
容器，其被配置为容纳所述磁蓄冷器和所述磁条，其中所述容器包括所述磁蓄冷器插入并固定于其中的磁蓄冷器容纳槽和所述磁条插入并固定于其中的磁条容纳槽。
14.如权利要求13所述的磁蓄冷器单元，其中：
所述容器被形成为环形，以及
所述磁蓄冷器容纳槽和所述磁条容纳槽在圆周方向上交替地布置。
15.一种磁冷却系统，包括：
磁通产生器，其产生磁场以从磁热材料获得磁热效应；
磁蓄冷器单元，其设置在所述磁通产生器产生的所述磁场中；
流体供应装置，其由所述磁热效应形成温度梯度；以及
热交换器，其利用所述温度梯度与外部交换热，
其中所述磁蓄冷器单元包括每个至少部分地由磁热材料形成的多个圆柱形形状的磁蓄冷器、以及每个形成为弯曲板的形状的多个磁条，每个所述磁条具有与每个所述磁蓄冷器的相对磁导率相似的相对磁导率，所述磁条与所述磁蓄冷器在圆周方向上交替地设置，
其中所述每个所述磁蓄冷器包括圆柱形形状主体和形成在所述圆柱形形状主体的纵向方向上的穿透孔，所述穿透孔以所述磁热材料填充，
其中所述每个所述磁条沿所述每个所述磁蓄冷器的形成温度梯度的纵向方向包括每个具有不同的相对磁导率的多个部分，以及
其中所述多个磁条的所述每个被形成为具有与由所述多个所述磁蓄冷器形成的环的圆柱表面的曲率相同的曲率的所述弯曲板的形状，并设置在所述多个磁蓄冷器之间。
16.如权利要求15所述的磁冷却系统，其中：
所述磁条由具有高的相对磁导率的磁性材料和非磁性材料的化合物材料形成。
17.如权利要求16所述的磁冷却系统，其中：
所述磁条的相对磁导率通过在调整所述磁性材料和所述非磁性材料的体积比或调整每单位面积的磁性材料的密度比之后混合所述磁性材料和所述非磁性材料来改变。
18.如权利要求15所述的磁冷却系统，其中：
所述磁条的厚度不同于所述磁蓄冷器的厚度。
19.如权利要求15所述的磁冷却系统，还包括：
容器，其配置为容纳所述磁蓄冷器和所述磁条，其中所述容器包括所述磁蓄冷器插入并固定于其中的磁蓄冷器容纳槽和所述磁条插入并固定于其中的磁条容纳槽。
20.如权利要求19所述的磁冷却系统，其中：
所述容器被形成为环形，以及
所述磁蓄冷器容纳槽和所述磁条容纳槽在圆周方向上交替地布置。
21.如权利要求15所述的磁冷却系统，其中：
所述磁通产生器包括作为定子的磁轭和作为转子的永磁体。
22.如权利要求21所述的磁冷却系统，其中：
所述磁轭被形成为空心圆柱的形状并由硅钢制成。
23.如权利要求22所述的磁冷却系统，其中：
所述磁蓄冷器和所述磁条沿圆周方向布置在所述磁轭和所述永磁体之间。
24.如权利要求23所述的磁冷却系统，还包括：
驱动装置，其被配置为旋转作为转子的所述永磁体，其中所述驱动装置包括安装在所述磁冷却系统的外面的电机。
25.如权利要求23所述的磁冷却系统，还包括：
驱动装置，其被配置为旋转作为转子的所述永磁体，其中所述驱动装置包括形成在所述磁轭上的齿和线圈。
26.如权利要求23所述的磁冷却系统，其中所述磁蓄冷器单元包括所述磁蓄冷器和所述磁条之间的间隙。
27.如权利要求23所述的磁冷却系统，其中所述磁蓄冷器的形状与所述磁条的形状相同以降低齿槽转矩。
28.如权利要求23所述的磁冷却系统，其中所述磁条被形成为椭圆形形状。
29.如权利要求23所述的磁冷却系统，其中所述磁蓄冷器被形成为椭圆形形状。
30.如权利要求23所述的磁冷却系统，其中所述磁蓄冷器被设置在所述磁条内部，所述磁条和所述磁蓄冷器之间没有间隙。
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