CN107039142A - 永磁体组件和磁制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁体组件和磁制冷机，永磁体组件包括两个磁体组件，磁体组件包括相连的中心永磁体和外围永磁体，外围永磁体至少为两个且沿中心永磁体的周向分布；两个磁体组件之间具有间隙，一个磁体组件中任意一个外围永磁体和另一个磁体组件中与该外围永磁体相对应的外围永磁体、以及两个磁体组件的中心永磁体形成磁回路，且磁回路经过所述间隙。本发明公开的永磁体组件，所有的磁回路的磁力线均会经过上述间隙并在该间隙处叠加，使得该间隙中具有较高磁场强度，有效提高了磁化场的强度。
Description
技术领域
本发明涉及磁制冷技术领域，更具体地说，涉及一种永磁体组件和磁制冷机。
背景技术
磁制冷技术是一种基于磁热效应的新型制冷技术，磁热效应是指磁热材料在磁场增强时放热、磁场减弱时吸热的物理现象。磁制冷技术由其节能、环保等优点逐渐被关注。
目前，采用超导磁体、电磁铁或永磁体为磁制冷提供驱动力的磁化场。对于室温磁制冷的商业应用开发(特别是中小型产品的开发，如空调、家用冰箱等)来说，一般采用永磁体产生磁化场，结构简单，运行、维护费用较低。但是，永磁体产生的磁化场的强度较低，且均匀性较难保证。
综上所述，如何利用永磁体产生磁化场，以提高磁化场的强度，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁体组件，以提高磁化场的强度。本发明的另一目的是提供一种具有上述永磁体组件的磁制冷机。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种永磁体组件，包括两个磁体组件，所述磁体组件包括相连的中心永磁体和外围永磁体，所述外围永磁体至少为两个且沿所述中心永磁体的周向分布；
两个所述磁体组件之间具有间隙；一个所述磁体组件的中心永磁体的充磁方向指向所述间隙，另一个所述磁体组件的中心永磁体的充磁方向背离所述间隙；一个所述磁体组件中，所述外围永磁体的充磁方向的指向所述中心永磁体；另一个所述磁体组件中，所述外围永磁体的充磁方向的背离所述中心永磁体；
一个所述磁体组件中任意一个外围永磁体和另一个所述磁体组件中与该外围永磁体相对应的外围永磁体、以及两个所述磁体组件的中心永磁体形成磁回路，且所述磁回路经过所述间隙。
优选地，所述磁体组件中，所述外围永磁体的充磁方向与所述中心永磁体的充磁方向垂直。
优选地，所述磁体组件中，所述中心永磁体的充磁方向为所述中心永磁体的轴向，所述外围永磁体的充磁方向为所述中心永磁体的径向。
优选地，一个所述磁体组件中的外围永磁体和另一个所述磁体组件中的外围永磁体一一对应。
优选地，所述磁体组件中，相邻的两个所述外围永磁体贴合。
优选地，依次贴合的所述外围永磁体环绕所述中心永磁体。
优选地，所述外围永磁体沿所述中心永磁体的周向均匀分布。
优选地，所述磁体组件中，任意两个所述外围永磁体靠近所述间隙的内端面平齐，任意两个所述外围永磁体远离所述间隙的外端面平齐。
优选地，一个所述磁体组件的中心永磁体和另一个所述磁体组件的中心永磁体相对设置，一个所述磁体组件的外围永磁体和另一个所述磁体组件的外围永磁体相对设置。
优选地，两个所述磁体组件平行设置。
优选地，所述中心永磁体靠近所述间隙的内端设有凸起。
优选地，所述中心永磁体远离所述间隙的外端设有凹槽。
优选地，所述永磁体组件还包括第一磁轭，所述第一磁轭覆盖两个所述磁体组件的周向侧壁和所述间隙，且所述第一磁轭具有与所述间隙连通的开口。
优选地，所述开口为两个，且关于所述中心永磁体的轴线对称设置。
优选地，所述开口为一个。
优选地，所述永磁体组件还包括第二磁轭，所述第二磁轭覆盖所述磁体组件远离所述间隙的外端。
基于上述提供的永磁体组件，本发明还提供了一种磁制冷机，磁制冷机包括永磁体组件，所述永磁体组件为上述任意一项所述的永磁体组件。
本发明提供的永磁体组件的使用方法：让磁热元件和上述永磁体组件发生相对运动，使得永磁元件移入两个磁体组件的间隙以及移出该间隙，来达到对磁热元件的磁化和去磁。
本发明提供的永磁体组件，通过在中心永磁体的周向设置外围永磁体，一个磁体组件中任意一个外围永磁体和另一个磁体组件中与该外围永磁体相对应的外围永磁体、以及两个磁体组件的中心永磁体形成磁回路，磁回路经过两个磁体组件之间的间隙，则所有的磁回路的磁力线均会经过上述间隙并在该间隙处叠加，使得该间隙中具有较高磁场强度，较现有技术直接利用单个永磁体产生的磁场相比，有效提高了磁化场的强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的永磁体组件的结构示意图；
图2为图1的截面图；
图3为本发明实施例二提供的永磁体组件的一种结构示意图；
图4为图3的截面图；
图5为图3中永磁体组件的俯视图；
图6为图3中永磁体组件的磁力线回路的示意图；
图7为本发明实施例二提供的永磁体组件的另一种结构示意图；
图8为本发明实施例三提供的永磁体组件的结构示意图；
图9为图8的截面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1-9中，箭头方向表示充磁方向，“╳”表示磁力线垂直进入所示永磁体端面，“·”表示磁力线自所示磁体端面垂直出来。
如图1和图2所示，本发明实施例一提供的永磁体组件包括两个磁体组件，磁体组件包括相连的中心永磁体和外围永磁体，外围永磁体至少为两个且沿中心永磁体的周向分布。
需要说明的是，上述中心永磁体呈柱状，该中心永磁体的横截面可为四边形、圆形等。为了方便设置外围永磁体以及提高磁化场的强度，优先选择中心永磁体的横截面为圆形，即中心永磁体为圆柱形。可以理解的是，上述中心永磁体的横截面垂直于中心永磁体的轴向。
两个磁体组件之间具有间隙8，一个磁体组件中任意一个外围永磁体和另一个磁体组件中与该外围永磁体相对应的外围永磁体、以及两个磁体组件的中心永磁体形成磁回路，且磁回路经过间隙8。两个磁体组件沿中心永磁体的轴向分布，以保证形成上述磁回路。
可以理解的是，上述永磁体组件具有上述磁回路，则要求一个磁体组件的中心永磁体的充磁方向指向间隙8，另一个磁体组件的中心永磁体的充磁方向背离间隙8；一个磁体组件中，外围永磁体的充磁方向的指向中心永磁体；另一个磁体组件中，外围永磁体的充磁方向的背离中心永磁体。
为了便于说明，两个磁体组件分别为第一磁体组件2和第二磁体组件3，第一磁体组件2的中心永磁体为第一中心永磁体6，第一磁体组件2的外围永磁体为第一外围永磁体4，第二磁体组件3的中心永磁体为第二中心永磁体7，第二磁体组件3的外围永磁体为第二外围永磁体5。第一外围永磁体4和第二外围永磁体5对应设置，具体地，第一外围永磁体4和第二外围永磁体5一一对应，或一个第一外围永磁体4和两个以上的第二外围永磁体5对应，或两个以上的第一外围永磁体4和一个第二外围永磁体5对应。
第一磁体组件2和第二磁体组件3可上下分布，也可左右分布，只要保证沿中心永磁体的轴向分布即可。第一中心永磁体6和第一外围永磁体4位于间隙8的一侧，第二中心永磁体7和第二外围永磁体5位于间隙8的另一侧。
一个磁体组件中任意一个外围永磁体和另一个磁体组件中与该外围永磁体相对应的外围永磁体、以及两个磁体组件的中心永磁体形成磁回路，即一个第一外围永磁体4、与该第一外围永磁体4相对应的第二外围永磁体5、第二中心永磁体7和第一中心永磁体6形成一个磁回路。上述永磁体组件的磁回路的数目和一个磁体组件中外围永磁体的数目相同。
上述第一外围永磁体4的充磁方向指向第一中心永磁体6；第二外围永磁体5的充磁方向背离第二中心永磁体7；第一中心永磁体6的充磁方向指向间隙8，即上述第一外围永磁体4的充磁方向指向第二中心永磁体7，第二中心永磁体7的充磁方向背离间隙8，即第二外围永磁体5的充磁方向背离第一中心永磁体6，如图2所示。
上述永磁体组件是基于Halbach理论(海尔贝克阵列理论)制作。HALBACH理论是指，将不同位置的永磁体按一定规律变化的充磁方向充磁，形成永磁体阵列，产生特定位置需要的高强磁场，例如空隙。
本发明实施例一提供的永磁体组件，通过在中心永磁体的周向设置外围永磁体，一个磁体组件中任意一个外围永磁体和另一个磁体组件中与该外围永磁体相对应的外围永磁体、以及两个磁体组件的中心永磁体形成磁回路，磁回路经过两个磁体组件之间的间隙8，则所有的磁回路的磁力线均会经过上述间隙8并自该间隙8处叠加，使得该间隙8中具有较高磁场强度，较现有技术直接利用单个永磁体产生的磁场相比，有效提高了磁化场的强度。
优选地，上述磁体组件中，外围永磁体的充磁方向与中心永磁体的充磁方向垂直。具体地，第一外围永磁体4的充磁方向与第一中心永磁体6的充磁方向垂直，第二外围永磁体5的充磁方向与第二中心永磁体7的充磁方向垂直。这样，提高了磁回路中磁力线的密集度。当然，也可选择外围永磁体的充磁方向与中心永磁体的充磁方向的夹角小于90°或大于90°，并不局限于上述情况。
进一步地，上述磁体组件中，中心永磁体的充磁方向为中心永磁体的轴向，外围永磁体的充磁方向为中心永磁体的径向。具体地，第一中心永磁体6充磁方向为第一中心永磁体6的轴向，第一外围永磁体4的充磁方向为第一中心永磁体6的径向，第二中心永磁体7充磁方向为第二中心永磁体7的轴向，第二外围永磁体5的充磁方向为第二中心永磁体7的径向。这样，方便了外围永磁体和中心永磁体充磁，从而方便了整个永磁体组件的制造。
为了进一步提高间隙8处的磁场强度，优先选择一个磁体组件中的外围永磁体和另一个磁体组件中的外围永磁体一一对应。具体地，第一外围永磁体4和第二外围永磁体5一一对应。
为了避免漏磁，上述永磁体组件，上述外围永磁体与中心永磁体贴合。
上述磁体组件中，相邻的两个外围永磁体可贴合，也可具有空隙。为了进一步提高磁化场强度，相邻的两个外围永磁体贴合。
进一步地，依次贴合的外围永磁体环绕中心永磁体，如图1所示。
这样，外围永磁体包围了中心永磁体的整个周向，这样，最大程度地增加了外围永磁体的数目以及磁场强度，从而进一步提高了磁化场的强度。
上述磁体组件中，外围永磁体的数目，根据实际需要进行设计，例如，外围永磁体为两个、四个、五个、六个、八个等。
为了提高间隙8中磁场的均匀性，即磁化场的均匀性，上述外围永磁体沿中心永磁体的周向均匀分布。此时，同一磁体组件中，任意两个外围永磁体的周向长度相等。
上述磁体组件中，任意两个外围永磁体的端面可平齐，也可不平齐。为了提高磁场均匀性，优先选择任意两个外围永磁体的内端面平齐。进一步地，任意两个外围永磁体的外端面平齐。
外围永磁体的内端面，是指外围永磁体靠近间隙8的端面；外围永磁体的外端面，是指外围永磁体远离间隙8的端面。
上述磁体组件中，任意两个外围永磁体大小可相同，也可不同。为了方便生产和制作，优先选择任意两个外围永磁体的大小相同，即任意两个外围永磁体的任意尺寸相同。
优选地，一个磁体组件的中心永磁体和另一个磁体组件的中心永磁体相对设置，一个磁体组件的外围永磁体和另一个磁体组件的外围永磁体相对设置。具体地，第一中心永磁体6和第二中心永磁体7相对设置，第一外围永磁体4和第二外围永磁体5相对设置。这样，便于形成磁回路，也便于增强间隙8处的磁场强度。
可以理解的是，第一中心永磁体6和第二中心永磁体7共轴线设置，第一外围永磁体4在第二外围永磁体5上的投影的中心垂线与该第二外围永磁体5的内端面的中心垂线重合，第二外围永磁体5在第一外围永磁体4上的投影的中心垂线与该第一外围永磁体4的内端面的中心垂线重合。投影的中心垂线位于投影的中心且垂直于该投影，内端面的中心垂线位于内端面的中心且垂直于该内端面，投影的中心垂线和内端面的中心垂线均平行于中心永磁体的轴线。
当然，也可选择第一中心永磁体6的轴线偏移第二中心永磁体7的轴线，第一外围永磁体4在第二外围永磁体5上的投影的中心垂线偏移该第二外围永磁体5的内端面的中心垂线，第二外围永磁体5在第一外围永磁体4上的投影的中心垂线偏移该第一外围永磁体4的内端面的中心垂线，并不局限于上述实施例。
为了提高磁化场的均匀性，两个上述磁体组件平行设置，即第一中心永磁体6的轴线与第二中心永磁体7的轴线共线或平行，第一外围永磁体4的端面平行于第二外围永磁体5的端面。
优选地，上述中心永磁体靠近间隙8的内端设有凸起。具体地，第一中心永磁体6的内端设有第一凸起61，第二中心永磁体7的内端设有第二凸起71。
这样，在凸起的引导和限制作用下，增加了进入间隙8的磁力线，从而提高了间隙8中的磁场强度，也使得间隙8中的磁场更加均匀。
进一步地，凸起位于中心永磁体的内端面的中部。
对于凸起的长短，根据实际需要进设计，本发明实施例对此不做限定。
相应地，上述中心永磁体远离间隙8的外端设有凹槽。具体地，第一中心永磁体6的外端设有第一凹槽62，第二中心永磁体7的外端设有第二凹槽72。
进一步地，凹槽位于中心永磁体的外端面的中部。
对于凸起的长短，根据实际需要进设计，本发明实施例对此不做限定。
中心永磁体的内端面，是指中心永磁体靠近间隙8的端面；中心永磁体的外端面，是指中心永磁体远离间隙8的端面。
上述永磁体组件中，为了提高磁场均匀性，优先选择两个磁体组件的结构相同，且两个磁体组件关于间隙8的中间面对称设置。间隙8的中间面为过间隙8的中心点且垂直于间隙8的宽度方向的平面。间隙8的宽度方向与中心永磁体的轴向一致。
上述实施例一提供的永磁体组件中，由于两个磁体组件外露，间隙8外露，则上述永磁体组件和磁热元件的相对运动可为旋转运动，也可为直线运动，即上述永磁体组件可适用于旋转式磁制冷机和往复式磁制冷机；而且，提高了互换性，简化了安装，降低了组装成本，方便了维修。
对于该间隙8的大小，可通过调节两个磁体组件的安装位置进行调节方便了使用。对于间隙8的具体数值，根据实际需要进行选择。
但是，上述实施例一提供的永磁体组件中，由于两个磁体组件外露，存在漏磁的情况，导致磁力没有被充分利用。
为了优化上述技术方案，本发明实施例二提供的永磁体组件在实施例一中永磁体组件的基础上增加了第一磁轭，该第一磁轭覆盖两个磁体组件的周向侧壁和间隙8，且第一磁轭具有与间隙8连通的开口10，如图3-7所示。
上述第一磁轭实现了对磁力线的屏蔽，第一磁轭的外面磁场强度为零，同时第一磁轭也是导磁体，将磁力线导入工作空间，增加工作空间的磁场强度，以提高间隙8内的磁场强度。上述第一磁轭采用高导磁材料。
上述开口10保证了磁热元件移入和移出间隙8。对于开口10的大小，根据实际需要进行设计，本发明实施例对此不做限定。
当上述永磁体组件和磁热元件的相对运动为直线运动时，优先选择开口10为两个，且关于中心永磁体的轴线对称设置，如图3和4所示。
当然，也可选择开口10为偶数个，且开口10大于两个，并不局限于上述实施例。
当上述永磁体组件和磁热元件的相对运动为旋转运动时，优先选择开口10为一个，如图8和图9。当然，也可选择开口10为两个以上，并不局限于此。
当中心永磁体为圆柱形时，优先选择第一磁轭为圆筒形，此时，开口10为弧形开口。对于弧形开口对应的圆心角的弧度，根据实际需要进行设计，例如弧形开口对应的圆心角大于180°。
上述开口10的大小，根据磁化要求进行选择，本发明实施例对此不做限定。
为了优化上述技术方案，本发明实施例三提供的永磁体组件在实施例二中永磁体组件的基础上增加了第二磁轭，该第二磁轭，第二磁轭覆盖磁体组件远离间隙8的外端，如图8和图9所述。
可以理解的是，第二磁轭和第一磁轭相连形成磁轭9。上述第一磁轭和第二磁轭可为一体式结构，也可为分体式结构，本发明实施例对此不做限定。
当然，也可选择在实施例二中永磁体组件的基础上增加第二磁轭，并不局限于上述实施例。
上述实施例提供的永磁体组件，提高了磁化场强度，则在满足设计要求磁化场强度的前提下，减小了所用永磁体的数量、重量，减小了磁路总体重量，简化了磁路结构。
基于上述实施例提供的永磁体组件，本发明实施例还提供了一种磁制冷机，该磁制冷机包括永磁体组件1，该永磁体组件1为上述实施例所述的永磁体组件。
上述永磁体组件1可为一个，也可为两个以上述，本发明实施例对永磁体组件1的数目不做限定。
由于上述永磁体组件具有上述技术效果，上述磁制冷机具有上述永磁体组件，则上述磁制冷机也具有相应的技术效果，本文不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (17)
1.一种永磁体组件，其特征在于，包括两个磁体组件，所述磁体组件包括相连的中心永磁体和外围永磁体，所述外围永磁体至少为两个且沿所述中心永磁体的周向分布；
两个所述磁体组件之间具有间隙(8)；一个所述磁体组件的中心永磁体的充磁方向指向所述间隙(8)，另一个所述磁体组件的中心永磁体的充磁方向背离所述间隙(8)；一个所述磁体组件中，所述外围永磁体的充磁方向的指向所述中心永磁体；另一个所述磁体组件中，所述外围永磁体的充磁方向的背离所述中心永磁体；
一个所述磁体组件中任意一个外围永磁体和另一个所述磁体组件中与该外围永磁体相对应的外围永磁体、以及两个所述磁体组件的中心永磁体形成磁回路，且所述磁回路经过所述间隙(8)。
2.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，所述磁体组件中，所述外围永磁体的充磁方向与所述中心永磁体的充磁方向垂直。
3.根据权利要求2所述的永磁体组件，其特征在于，所述磁体组件中，所述中心永磁体的充磁方向为所述中心永磁体的轴向，所述外围永磁体的充磁方向为所述中心永磁体的径向。
4.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，一个所述磁体组件中的外围永磁体和另一个所述磁体组件中的外围永磁体一一对应。
5.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，所述磁体组件中，相邻的两个所述外围永磁体贴合。
6.根据权利要求5所述的永磁体组件，其特征在于，依次贴合的所述外围永磁体环绕所述中心永磁体。
7.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，所述外围永磁体沿所述中心永磁体的周向均匀分布。
8.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，所述磁体组件中，任意两个所述外围永磁体靠近所述间隙(8)的内端面平齐，任意两个所述外围永磁体远离所述间隙(8)的外端面平齐。
9.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，一个所述磁体组件的中心永磁体和另一个所述磁体组件的中心永磁体相对设置，一个所述磁体组件的外围永磁体和另一个所述磁体组件的外围永磁体相对设置。
10.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，两个所述磁体组件平行设置。
11.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，所述中心永磁体靠近所述间隙(8)的内端设有凸起。
12.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，所述中心永磁体远离所述间隙(8)的外端设有凹槽。
13.根据权利要求1-12中任意一项所述的永磁体组件，其特征在于，还包括第一磁轭，所述第一磁轭覆盖两个所述磁体组件的周向侧壁和所述间隙(8)，且所述第一磁轭具有与所述间隙(8)连通的开口(10)。
14.根据权利要求13所述的永磁体组件，其特征在于，所述开口(10)为两个，且关于所述中心永磁体的轴线对称设置。
15.根据权利要求13所述的永磁体组件，其特征在于，所述开口(10)为一个。
16.根据权利要求13所述的永磁体组件，其特征在于，还包括第二磁轭，所述第二磁轭覆盖所述磁体组件远离所述间隙(8)的外端。
17.一种磁制冷机，包括永磁体组件(1)，其特征在于，所述永磁体组件(1)为如权利要求1-16中任意一项所述的永磁体组件。
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