CN110473690A - 磁场发生器及磁制冷机 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及空气调节装置技术领域，具体而言，涉及一种磁场发生器及磁制冷机。磁场发生器包括轴、电磁组件和永磁组件，电磁组件设置有多组，每组电磁组件包含有多个围绕轴圆周分布的线圈，不同电磁组件之间的线圈沿平行于轴的方向一一正对设置；永磁组件包括设置于相邻两组电磁组件之间永磁体，可绕轴的轴线自由转动，永磁体在转动过程中具有正对线圈的状态和偏离线圈的状态，永磁体与电磁组件之间形成有气隙。磁场发生器减化了永磁体磁路的复杂结构，降低了组装难度。电磁组件不仅通过电磁线圈中的电流的通断实现在气隙处形成加磁区和去磁区，同时，电磁线圈对永磁体的吸力使之转动到正对电磁线圈的位置加强磁场，从而形成加磁区。
Description
技术领域
本申请涉及空气调节装置技术领域，具体而言，涉及一种磁场发生器以及包含其的磁制冷机。
背景技术
现行的世界能源问题日益受到关注，而空调耗电量占比很大，因此一些高效、节能、无污染的新型制冷技术受到广泛关注，其中磁制冷是最有望替代压缩式制冷的技术之一。
磁制冷是利用了磁工质的磁热效应，当磁工质位于磁场时，发生磁相变，磁熵减小，放出热量；当磁工质去除磁场时，磁熵增大，吸收热量，因此为了利用磁工质这一特性，需要交替变化的磁场配合适当的热交换系统将产生的热量和冷量利用起来。
为了产生交替变化的磁场，一种是空间磁场的有无，需要电磁铁或者超导线圈，形成静止式磁制冷机；一种是磁工质交替进出磁场或者磁场交替扫描磁工质。磁场装置分为旋转式和往复式，对于旋转式磁体装置，大多为纯永磁Halbach结构，磁体笨重，旋转时驱动功耗大，而且大多磁路结构复杂，组装装配困难。磁场源作为最重要的关键技术之一，简单易行，提供的磁场强度大、磁场空间大是设计追求的目标。
本申请需要解决的技术问题为提供一种结构简单，并且可以持续产生交变磁场的磁场发生装置。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种磁场发生器以及包含其的磁制冷机。
为了实现上述目的，根据本技术方案的一个方面，本技术方案提供了一种磁场发生器。
根据本申请实施例的磁场发生器包括：
轴；
电磁组件，设置有多组，每组所述电磁组件包含有多个围绕所述轴圆周分布的线圈，不同电磁组件之间的线圈沿平行于所述轴的方向一一正对设置；
永磁组件，包括设置于相邻两组电磁组件之间永磁体，可绕所述轴的轴线自由转动，所述永磁体在转动过程中具有正对所述线圈的状态和偏离所述线圈的状态，所述永磁体与所述电磁组件之间形成有气隙。
进一步的，每组所述电磁组件内的多个线圈沿周向均匀分布。
进一步的，每个所述电磁组件内的线圈数量为2N，N为正整数，电磁组件内任意一个线圈均对应于一个与其呈中心对称的线圈，相邻两组电磁组件之间的永磁组件设置有两组永磁体，两组所述永磁体以所述轴呈对称分布；或
每个所述电磁组件内的线圈数量为奇数。
进一步的，所述电磁组件还包括具有导磁性的电磁盘，所述线圈固定在所述电磁盘上；和/或
所述永磁组件还包括具有导磁性的永磁盘，两组所述永磁体固定在所述永磁盘上。
进一步的，每组永磁体包含有多个永磁体。
进一步的，所述线圈为立体螺旋结构，所述线圈的垂直于所述轴的截面形状与所述永磁体垂直于所述轴的截面形状相同。
进一步的，所述电磁组件还包括与所述线圈数量相同的磁轭，所述线圈缠绕在所述磁轭上。
进一步的，在平行于所述轴的方向上正对设置的磁轭之间通过具有导磁性的导磁体连接。
进一步的，所述永磁体固定在所述轴上，相邻的电磁组件之间设置有一个或多个所述永磁体。
进一步的，多个所述导磁体之间相互连接形成桶状结构。
为了实现上述目的，根据本技术方案的第二个方面，本技术方案还提供了一种磁制冷机。
根据本申请实施例的磁制冷机包括本申请提供的上述磁场发生器。
进一步的，所述气隙中设置有蓄冷器，所述蓄冷器内填充有磁工质。
通过本申请技术方案所提供的磁场发生器，减化了永磁体磁路的复杂结构，降低了组装难度。电磁组件不仅通过电磁线圈中的电流的通断实现在气隙处形成加磁区和去磁区，从而给设置于其内的蓄冷器加磁、退磁，同时，电磁线圈对永磁体的吸力也给永磁组件提供一个扭矩使之转动到正对电磁线圈的位置加强磁场，从而形成加磁区，相邻区域形成去磁区。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示意性的给出了本申请实施例提供的一种磁场发生器的爆炸结构图；
图2示意性的给出了图1中永磁组件的结构参考图；
图3示意性的给出了图1中磁场发生器的剖视图及内部磁路图；
图4示意性的给出了本申请中蓄冷器的加退磁过程示意图；
图5示意性的给出了本申请中线圈的结构示意图；
图6示意性的给出了本申请中永磁组件的另一种结构的示意图；
图7示意性的给出了本申请实施例提供的另一种磁场发生器的俯视图；
图8示意性的给出了本申请中轴与永磁体的一种连接关系图；
图9示意性的给出了本申请中轴与永磁体的另一种连接关系图；
图10示意性的给出了本申请实施例提供的再一种磁场发生器的俯视图；以及
图11示意性的给出了图7或图10中磁场发生器的剖视图及内部磁路图。
图中：
1、轴；2、电磁组件；201、线圈；202、电磁盘；203、磁轭；3、永磁组件；301、永磁体；302、永磁盘；4、轴承；5、导磁体；6、桶体结构；7、蓄冷器；8、端盖；9、连接件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-6并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本申请实施例提供了一种磁场发生器，其用于为磁制冷机产生交替变化的磁场。图1给出了本实施例提供的磁场发生器的爆炸结构图；图2给出了图1中永磁组件的结构参考图；图3给出了图1中磁场发生器的剖视图及内部磁路图；图4给出了本申请中蓄冷器的加退磁过程示意图；图5给出了本申请中线圈的结构示意图；图6给出了本申请中永磁组件的另一种结构的示意图。
如图1所示，磁场发生器包括轴1、电磁组件2和永磁组件3，其中，电磁组件2设置有多组，每组电磁组件2包含有多个围绕轴1圆周分布的线圈201，不同电磁组件2之间的线圈201沿平行于轴1的方向一一正对设置；永磁组件3包括设置于相邻两组电磁组件之间永磁体301，可绕轴301的轴线自由转动，永磁体301在转动过程中具有正对线圈201的状态和偏离线圈201的状态，永磁组件3与电磁组件2之间形成有气隙。
在磁制冷过程中，磁工质进入磁场被磁化加磁，放出热量；离开磁场退磁吸收热量，因此要产生冷量需要一个交变的磁场，本实施例中提供的磁场发生器即可实现上述功能，在其中的部分线圈201中通入交替性的周期电流，通电的线圈201会产生磁场。一方面，通过线圈201中的电流的通断可以实现在气隙处形成加磁区和去磁区，从而给设置于其内的蓄冷器7加磁、退磁；另一方面通电后的线圈201对永磁体301的吸力给永磁组件3提供一个扭矩，使永磁体301转动到正对通电后的线圈201的位置，从而可以实现永磁体301与通电的线圈201的磁场叠加，在气隙会形成强磁场，从而加强磁场，形成加磁区，相邻区域则形成去磁区。在磁制冷机中使用时，将蓄冷器7放置于线圈201与永磁体301之间的气隙之中即可。具体的工作过程可以为：对一个线圈交替通入周期性电流时，吸引永磁体301转动至正对该通电线圈的位置，从而形成加磁区，对蓄冷器7加磁，此时其余线圈不通电，不通电的线圈所正对的气隙空间处于去磁区域；然后，相邻的线圈通电，而其余线圈不通电，从而吸引永磁体301转动至该通电线圈的正对位置，从而形成新的加磁区，对蓄冷器7加磁，其余线圈正对的位置则成为去磁区域。周期性的通入电流，则使得永磁体301不断的转动，从而对静止式的蓄冷器7实现不断的加退磁。在控制过程中，控制所有的电磁组件3中沿轴向正对设置的线圈同时通断电，且相邻的两个电磁组件的线圈的电流方向时刻相反，从而使得相邻两个线圈的磁极保持相反设置，从而使得永磁体的上下两侧均可以受到电磁组件的作用力，且能够形成更强的磁场叠加效果。
在一些实施例中，每组电磁组件2内的多个线圈201沿周向均匀分布。通过依次的对线圈通断电，实现永磁体301的不断转动，沿圆周均匀排布方式，使得永磁体301在转动过程中受力更加均匀。并且多个线圈201均匀分布，可以在气隙中设置多个同等规格的蓄冷床，使其对应于各个均匀分布的线圈，保证蓄冷床制冷和制热的统一性和均匀性。
在本申请实施例中，为了实现更好的效果，每个电磁组件2内的线圈201数量为2N，N为正整数，电磁组件2内任意一个线圈均对应于一个与其呈中心对称的线圈；每个永磁组件3设置有两组永磁体301，两组永磁体301以轴1呈对称分布。在具体工作过程中，可以对正对设置的一组线圈交替的通入周期性的电流，吸引对称设置的永磁体301转动至正对这一对通电线圈的位置，从而形成加磁区，对蓄冷器7加磁，此时其余线圈不通电，不通电的线圈所正对的气隙空间处于去磁区域；然后，相邻的一组正对设置的线圈通电，而其余线圈不通电，从而吸引永磁体301转动至这一对通电线圈的正对位置，从而形成新的加磁区，对蓄冷器7加磁，其余线圈正对的位置则成为去磁区域。电磁组件2上的线圈201两两对称设置以及永磁组件3上的永磁体301对称设置，一方面可以使得永磁组件3的两端同时受力，产生更大的扭矩力，永磁组件3的转动更加流畅，另一方面，对称设置的两个线圈之间可以形成连通的磁路，可以起到加磁作用。
当然，每个电磁组件2内的线圈201数量还可以为奇数设置，每个永磁组件3中此时设置一组永磁体301即可，同样与实现本申请实施例中的功能。
优选的，如图1和2所示，电磁组件2还包括具有导磁性的电磁盘202，线圈201固定在电磁盘202上；永磁组件3还包括具有导磁性的永磁盘302，两组永磁体301固定在永磁盘302上。电磁盘202和永磁盘302均可以起到磁轭的作用，使得相对设置的两个线圈之前产生联系，限制磁路的方向。如图3示，线圈201a和线圈201b作为第一线圈组，线圈201c和线圈201d作为第二线圈组。第一线圈组与第二线圈组受同步的周期性电流控制，电流方向相反；线圈通电后将产生磁场，在电磁盘的202的作用下，可以形成的磁场方向如图3所示，线圈产生的磁场，将给予永磁体301以吸力，同时会在气隙产生强磁场。如图3所示，磁工质填充于蓄冷器7中，永磁体与线圈形成的气隙被划分为了四个区域。当第一线圈组通电时，区域1和区域2被加磁，区域3和区域4处于去磁；当第二线圈组通电时，区域3和区域4被加磁，区域1和区域2处于去磁，区域1、区域2和区域3、区域4的交替加去磁，使得磁工质不断的产生磁热效应。
需要说明的是，永磁体301固定在永磁盘302上，需要满足永磁盘302的两个表面均能和其朝向电磁组件2的线圈之前形成磁力吸引。可选的，可以在永磁盘302的两个表面均设置永磁体；可选的，可以使用一块永磁体贯穿固定在用磁盘302上，使得永磁体的两极分别朝向相邻的两个电磁组件。
永磁组件在电磁力的作用下周期性的旋转运动，可以将该运动分为两个阶段。第一阶段，线圈201a和线圈201b以及线圈201c和线圈201d分别通入相差半个周期的周期性电流，如图中左侧的永磁体301在线圈201a和线圈201b的吸引下旋转于线圈201a和线圈201b的正对位置，形成的磁路如图3所示，此时线圈以及永磁体产生的磁场对对应位置的蓄冷器加磁；第二阶段线圈201a和线圈201b以及线圈201c和线圈201d不通电，而电磁盘202上与其相邻的两个线圈组通电，此时永磁盘3上的永磁体301受到线圈的磁场力作用产生一个绕轴1的一个扭矩，在此扭转力作用下永磁盘将旋转使得永磁体301逐渐靠近通电的线圈，受力变大，最终静止于通电线圈的正对位置，此时线圈将不再对永磁盘产生扭矩。不断的对电磁线圈组通入交替变化的电流，则永磁体301将绕轴1不断的旋转，从而实现对气隙中蓄冷器7的不断的加磁与退磁过程。
在一些实施例中，如图1所示，为了实现永磁组件的自由转动，永磁盘302通过轴承4转动连接在轴1上。
在一些实施例中，如图6所示，每组永磁体可以包含有多个永磁体。
可选的，线圈201为立体螺旋结构，线圈201的垂直于轴1的截面形状为矩形或与永磁体301垂直于轴1的截面形状相同，从而实现线圈与永磁体更好的配合。线圈优选为超导线圈。
实施例2
图7给出了本实施例提供的一种磁场发生器的俯视图；图8给出了轴与永磁体的一种连接关系图；图9给出了轴与永磁体的另一种连接关系图；图10给出了实施例提供的一种磁场发生器的俯视图；图11给出了图7或图10中磁场发生器的剖视图及内部磁路图。
如图7所示，磁场发生器包括轴1、电磁组件2和永磁组件，其中，电磁组件2设置有多组，每组电磁组件2包含有多个围绕轴1圆周分布的线圈201，不同电磁组件2之间的线圈201沿平行于轴1的方向一一正对设置；永磁组件3包括设置于相邻两组电磁组件之间永磁体301，可绕轴301的轴线自由转动，永磁体301在转动过程中具有正对线圈201的状态和偏离线圈201的状态，永磁组件3与电磁组件2之间形成有气隙，电磁组件2还包括与线圈201数量相同的磁轭203，线圈201缠绕在磁轭203上，在平行于轴1的方向上正对设置的磁轭203之间通过具有导磁性的导磁体5连接。优选的，如图8和9所示，永磁体301固定在轴1上，相邻的电磁组件2之间设置有一个或多个永磁体301，图中设置为3个永磁体。图8中的轴1上固定有一层永磁体301，可以设置与两个电磁组件之间，图9中的轴1上固定有两层永磁体302，可以安装与三个电磁组件之间。如图11所示的磁场发生器，轴1上设置有两层永磁体301。
本实施例的永磁组件在电磁力的作用下周期性的旋转运动，同样可以可以将该运动分为两个阶段。如图11所示，第一阶段，当正对设置的线圈201e、线圈201f、线圈201g、线圈201h通电时，轴上的永磁体将受到线圈磁场力的作用而被吸引。当永磁体301与通电线圈同轴线时，将形成如图11所示的磁路，线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场以及导磁材料制作的导磁体5形成一个回路，从而在气隙处产生强磁场；图11中为两级叠加磁场，当级数越多时，在气隙处叠加形成的磁场强度越大。加磁区将对蓄冷器7加磁；第二阶段，当线圈201e、线圈201f、线圈201g和线圈201h不通电时，此时与他们相邻的线圈通电，则轴1上永磁体301受到磁场力作用将旋转，永磁体301离开图11所示区域，线圈201e、线圈201f、线圈201g和线圈201h的轴线上无永磁体，轴线对应的气隙处为退磁区，此处的蓄冷器38处于退磁状态。周而复始，则气隙处将不断的产生加磁区与退磁区，蓄冷器不断的得到冷量。
如图10所示，多个导磁体5之间相互连接形成桶状结构6，线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场以及导磁材料制作的桶体结构6形成一个halbach回路。还可以在桶体结构6的两端设置端盖8。
需要说明的是，本申请磁场发生器中的一个永磁组件3和与其相邻的两个电磁组件2组成一个磁场发生单元，磁场发生器可以包括一个磁场发生单元，也可以包括多个沿轴1的轴线方向依次串联的磁场发生单元。磁场发生单元不断叠加可以加强磁场，叠加数量越多，磁场强度越大。实施例1中图1即为只用一个磁场发生单元，实施例2中的图11则为两个磁场发生单元，两个磁场发生单元之间通过连接件9连接。
实施例3
本实施例提供了一种磁制冷机，其结构包括本申请实施例1或2中提供的磁场发生器。气隙中设置有蓄冷器7，蓄冷器内填充有磁工质。
磁工质可以选择为正效应磁性材料，在加磁的时候具有制热效果，在去磁的时候会具有制冷效果；磁工质还可以选择为负效应磁性材料，在加磁的时候具有制冷效果，在去磁的时候会具有制热效果。以正效应磁性材料的磁工质为例，在具体的工作过程中，处于加磁区的蓄冷器会具有制热效果，此时该部分蓄冷器的流体通向热端换热器，其他的处于去磁区的蓄冷器中的流体则通向冷端换热器，在永磁组件旋转后，之前的加磁区会变为去磁区，之前的部分去磁区会变成加磁区，通过单向阀的控制，使得流经上一个加磁区中的流体导向新的加磁区，使得流经上一个去磁区中的流体导向新的去磁区，保证加磁区域的热量能够转移至热端换热器，去磁区域的冷量能够转移至冷端换热器。
由于该磁制冷机中的磁场发生器为上述实施例1或实施例2中公开的磁场发生器，因此具有该磁场发生器的磁制冷机也具有上述所有技术效果，在此不再一一赘述。根据上述实施例的磁制冷机还可以包括驱动结构、壳体、控制电路、换热管路和阀门等其他必要组件或结构，并且对应的布置位置和连接关系均可参考现有技术中的磁制冷机，各未述及结构的连接关系、操作及工作原理对于本领域的普通技术人员来说是可知的，在此不再详细描述。
本说明书中部分实施例采用递进或并列的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (13)
1.一种磁场发生器，其特征在于，包括：
轴(1)；
电磁组件(2)，设置有多组，每组所述电磁组件(2)包含有多个围绕所述轴(1)圆周分布的线圈(201)，不同电磁组件(2)之间的线圈(201)沿平行于所述轴(1)的方向一一正对设置；
永磁组件(3)，包括设置于相邻两组电磁组件之间永磁体(301)，可绕所述轴(301)的轴线自由转动，所述永磁体(301)在转动过程中具有正对所述线圈(201)的状态和偏离所述线圈(201)的状态，所述永磁组件(3)与所述电磁组件(2)之间形成有气隙。
2.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，每组所述电磁组件(2)内的多个线圈(201)沿周向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，
每个所述电磁组件(2)内的线圈(201)数量为2N，N为正整数，电磁组件(2)内任意一个线圈均对应于一个与其呈中心对称的线圈，每个永磁组件(3)设置有两组永磁体(301)，两组所述永磁体(301)以所述轴(1)呈对称分布；或
每个所述电磁组件(2)内的线圈(201)数量为奇数。
4.根据权利要求3所述的磁场发生器，其特征在于，
所述电磁组件(2)还包括具有导磁性的电磁盘(202)，所述线圈(201)固定在所述电磁盘(202)上；和/或
所述永磁组件(3)还包括具有导磁性的永磁盘(302)，两组所述永磁体(301)固定在所述永磁盘(302)上。
5.根据权利要求3所述的磁场发生器，其特征在于，每组永磁体包含有多个永磁体。
6.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述线圈(201)为立体螺旋结构，所述线圈(201)的垂直于所述轴(1)的截面形状与所述永磁体(301)垂直于所述轴(1)的截面形状相同。
7.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述电磁组件(2)还包括与所述线圈(201)数量相同的磁轭(203)，所述线圈(201)缠绕在所述磁轭(203)上。
8.根据权利要求7所述的磁场发生器，其特征在于，在平行于所述轴(1)的方向上正对设置的磁轭(203)之间通过具有导磁性的导磁体(5)连接。
9.根据权利要求7所述的磁场发生器，其特征在于，所述永磁体(301)固定在所述轴(1)上，相邻的电磁组件(2)之间设置有一个或多个所述永磁体(301)。
10.根据权利要求8所述的磁场发生器，其特征在于，多个所述导磁体(5)之间相互连接形成桶状结构(6)。
11.根据权利要求1-10任一项所述的磁场发生器，其特征在于，一个所述永磁组件(3)和与其相邻的两个所述电磁组件(2)组成一个磁场发生单元，所述磁场发生器包括至少一个所述磁场发生单元。
12.一种磁制冷机，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的磁场发生器。
13.根据权利要求12所述的磁制冷机，其特征在于，所述气隙中设置有蓄冷器(7)，所述蓄冷器内填充有磁工质。
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