CN113314292A - 一种永磁体组件及其设计方法、磁制冷装置及磁制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁制冷技术领域，具体公开了一种永磁体组件及其设计方法、磁制冷装置及磁制冷系统，该永磁体组件包括中空的外磁体筒和布置在中空外磁体筒内的内磁体筒，外磁体筒和内磁体筒为同心设置且均包括多个磁体块，外磁体筒的内周壁和内磁体筒的外周壁相间隔而形成环状的气隙，内磁体筒和外磁体筒的各自多个磁体块构造成获得最佳体积㶲制冷量。本发明的永磁体组件及其设计方法、磁制冷装置及磁制冷系统具有获得了最佳体积㶲制冷量，还形成了均匀交替的高磁场区域和低磁场区域的优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁制冷技术领域，具体涉及一种永磁体组件及其设计方法、磁制冷装置及磁制冷系统。
背景技术
据统计，全球电力消耗中，近20％的电力用于制冷的例如冰箱的制冷装置及例如空调器的制冷系统。而近年来，随着全球气温的上升以及能源消耗的加剧，绿色环保无温室效应的新型制冷技术备受关注，而其中磁制冷越来越被认为最有可能替代压缩式制冷的技术之一。
磁制冷是一门复杂的多学科交汇的制冷技术，在磁工质材料领域，其温变及熵变已经达到一个瓶颈，短时间无法突破；因此，在其他的永磁体组件的设计与换热仿真两大核心领域的研究显得尤为重要。其中，磁场源的设计及形式的选择决定着永磁体组件所应用的磁制冷装置的形式、系统分布以及产生冷量的大小，但是，作为常规的永磁体组件的磁场设计，仅仅考虑磁场的大小与气隙的容积，设计优化多以结构尺寸优化为主，这使得永磁体组件的设计与换热仿真相互割裂，不能有效的指导永磁体组件及其所应用于的磁制冷装置的整体设计。
现有磁制冷装置是一种利用磁工质的物理特性进行制冷的设备，该装置的技术基础是磁工质的磁热效应，即：在对磁工质施加变化磁场时，会导致磁工质温度的升高或者降低，磁场强度增加时磁工质磁熵减小、放热、温度升高，磁场强度降低时磁工质磁熵增加、吸热、温度降低。所以，一种磁制冷装置一般需要具有：变化的磁场、用于放置磁工质的蓄冷器件、传热流体、冷端换热器、热端散热器以及配套的动力部件。
蓄冷器件中的磁工质在其居里温度处，绝热温变最大，磁热效应最强，磁工质偏离居里温度处，磁热效应减小，蓄冷器件只填充一种磁热材料时，蓄冷床的温跨较小，因此为提高蓄冷器的温跨，在蓄冷器中应填充多种磁热材料，从蓄冷器的热端到冷端，磁热材料的居里温度逐渐降低。
蓄冷器件的加磁与去磁区填充了磁工质，蓄冷器件中流体流过磁工质区的质量并不是越大越好，其质量值与磁制冷系统设定的温跨及运行条件相关，而且流体流过磁工质压损大，活塞耗功大，当流体流过磁工质区的长度越长时，压损越大，活塞耗功越大，流体的能效越低。因此在运行磁制冷装置时，要根据磁制冷装置的温跨及运行条件确定合适的磁工质质量。
由上所述，对于磁制冷领域来说，在蓄冷器件体积一定导致所容纳磁工质的质量不易有大的改进且磁工质的温变及熵变无法短时间突破的情况下，永磁体组件的设计与换热仿真就显得尤为重要，而传统的永磁体组件采用单筒Halbach磁体，如图1所示，其磁体按照圆周方向均匀n等分的划分，每块磁体方向按照2π/n进行分布。
对于完美充磁Halbach，是指整块磁体每一处的磁场方向满足：
Br＝Brem cos(pφ)、Bφ＝Brem sin(pφ)，完美充磁Halbach中p值不同时，其磁场分布不同，图2表示了单环即只有一个圆环柱的磁体在P为负整数和负整数时所对应的典型不同磁场情况，其中，附图标记10示出了完美充磁磁体；附图标记11示出了磁场气隙，当P为正整数值时，其中间磁场为聚磁状态，当P为负整数值时，其中间磁场为非聚磁状态。P值是整数，由于正弦或余弦的周期性特征，当P变化时，磁场方向随之改变，因此产生不同极数的磁场；其中，P＝1为单极磁场，P＝2为四极磁场。
但是，由于磁体的实际加工制作中不可能充磁完全按照上述完美Halbach磁体来进行，现有工艺一般是将单筒磁体进行均匀分成多块磁体块来处理，但是，采用此种处理方式由于加工工艺及单筒磁体结构的局限，使得磁体产生的磁场无法获得最佳磁体积
制冷量，另外，磁场的高磁场区域的磁通密度存在较大变化且低磁场区域最低值只能降至0.5T左右，此外，均匀的多块磁体块造成整体磁体组件的体积较大。
发明内容
基于此，针对现有技术，本发明所要解决的技术问题是提供一种获得最佳磁体积
制冷量的永磁体组件及其设计方法、磁制冷装置及磁制冷系统。
为实现上述目的，本发明用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种永磁体组件，其包括中空的外磁体筒和布置在中空外磁体筒内的内磁体筒，外磁体筒和内磁体筒为同心设置且均包括多个磁体块，外磁体筒的内周壁和内磁体筒的外周壁相间隔而形成环状的气隙，内磁体筒和外磁体筒的各自多个磁体块构造成获得最佳体积
制冷量。
在一个技术方案中，在获得最佳体积
制冷量的情况下，永磁体组件包括在气隙内绕圆周方向均匀间隔地分布的2m极磁场，其中，m为正整数，且m≥2，各个磁场均包括低磁场区域和高磁场区域，各个低磁场区域的平均磁感应强度的数值范围为0-0.25T，各个高磁场区域的平均磁感应强度的数值范围为1.1-1.5T。
在一个技术方案中，气隙内的各个高磁场区域及各个低磁场区域内均具有均匀的磁场强度。
在一个技术方案中，m设为2，高磁场区域和低磁场区域依次交替排布且均为四个。
在一个技术方案中，内磁体筒和外磁体筒对应于每个高磁场区域和每个低磁场区域相对地八等分，且每等分的相对的内磁体筒和外磁体筒所具有的多个磁体块均包括多个永磁体和至少一个软铁体，且内磁体筒的软铁体与外磁体筒的软铁体彼此相对设置。
在一个技术方案中，各个高磁场区域和各个低磁场区域均以45°的圆心角周向排布。
在一个技术方案中，多个永磁体均采用N42铷铁硼永磁体。
另一方面，本发明提供一种永磁体组件的设计方法，永磁体组件为以上任一的永磁体组件，永磁体组件的设计方法包括以下步骤：
提供理想Halbach磁场，其包括设计形成2m极磁场的内磁体筒和外磁体筒，其中，m为正整数，且m≥2；
对磁体结构参数化，其包括对内磁体筒的第一外径、外磁体筒的第二外径、气隙以及永磁体组件整体长度的磁体尺寸设定取值范围；
在仿真软件中进行参数化扫描，其包括获得的第一外径、第二外径、气隙以及永磁体组件整体长度各参数的仿真结果；
对用于装配于所述气隙中的蓄冷器进行优化仿真，其包括运算得出预设温跨下整机最佳冷量所对应的最优磁体尺寸；
逆向磁场分割优化，其包括对内磁体筒和外磁体筒进行分割得到各自的多个磁体块的相应结构；
提供第一目标函数：
式中：
表示磁能
Qc表示制冷量，ΔTspan表示温跨，Tc表示冷端温度；Vmag表示磁体体积；
采用拓扑优化算法，其包括在所述仿真软件中对Qc仿真计算以及根据第一目标函数进行拓扑最优化运算，从而计算得出最佳单位体积磁体
制冷量以及制冷量。
又一方面，本发明提供一种磁制冷装置，其包括以上任一的永磁体组件、蓄冷器组件和驱动组件，蓄冷器组件为环状且装配于气隙中，驱动组件驱动内磁体筒和外磁体筒同步地相对于蓄冷器组件转动。
在一个技术方案中，蓄冷器组件包括总数为2n个且依次相连的蓄冷器，其中，n为正整数，n≥2，蓄冷器的数量为永磁体组件所形成的磁场个数的两倍，每个蓄冷器均包括两端开口的中空腔和分别密封一端开口的上盖板和下盖板，在上盖板上设有供传热流体流入的热入口和冷入口，在下盖板上设有供传热流体流出的热出口和冷出口；驱动组件包括与一驱动轴相对固定连接的第一齿轮和第二齿轮、同轴转动的第三齿轮和第四齿轮以及分别与第二齿轮和第四齿轮相啮合的齿条，第三齿轮与内磁体筒固定连接；第四齿轮与外磁体筒固定连接，第一齿轮和第二齿轮在驱动轴驱动下转动从而带动第三齿轮与第四齿轮相对固定地同轴转动，第二齿轮与第四齿轮通过与齿条相啮合而相互联动；同步转动的内磁体筒和外磁体筒使得多个蓄冷器中的间隔设置的每个蓄冷器同时处于高磁场区域或者低磁场区域。
在一个技术方案中，蓄冷器的总数设为八个，磁场个数设为四个，磁制冷装置还包括数量对应且均为多个的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管，各个第一连接管和各个第二连接管分别依次与间隔设置的四个蓄冷器的热入口和冷入口相连通，各个第三连接管和各个第四连接管分别依次与间隔设置的四个蓄冷器的热出口和冷出口相连通。
再一方面，本发明提供一种磁制冷系统，包括形成流体循环的以上任一的磁制冷装置、均与蓄冷器组件相连通的冷凝器和蒸发器，冷凝器位于从蓄冷器流出的升温传热流体的下游，蒸发器位于从蓄冷器流出的降温传热流体的下游。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：永磁体组件采用包括内磁体筒和外磁体筒的双筒磁体结构，且基于为获得最佳体积
制冷量实现了对内磁体筒和外磁体筒的各自多个磁体块的最优分割，另外，由于永磁体组件获得了最佳体积
制冷量，磁场的高磁场区域的磁通密度基本不变且低磁场区域最低值能够降至趋近0T，此外，实现了最优分割的多块磁体块也降低了整体永磁体组件的体积。相对应的，永磁体组件的设计方法提供了基于获得最佳体积
制冷量而逆向设计永磁体组件的全新设计方法且设计所得的永磁体组件具有上述有益效果，进一步来说，磁制冷装置和磁制冷系统由于具有上述永磁体组件，因此，也均获得了上述有益效果，不再赘述。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，但本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1为现有技术中传统单筒Halbach磁体的示意图；
图2为现有技术中具有不同磁极数的Halbach磁体；
图3为本发明永磁体组件的主视图；
图4为为对应于图3的局部剖视图；
图5为本发明永磁体组件的俯视图；
图6为本发明永磁体组件的四分之一部分的爆炸示意图；
图7为本发明永磁体组件的磁场截面云图；
图8为本发明永磁体组件的磁场波形图；
图9为本发明永磁体组件的设计方法的流程示意图；
图10为本发明永磁体组件的设计方法中所提供理想Halbach磁场的理想Halbach永磁体的磁体尺寸示意图；
图11为本发明永磁体组件的设计方法的磁体优化分割曲线图；
图12为本发明永磁体组件的设计方法的多磁体块局部结构的仿真结果以线面方式表现的示意图；
图13为对应于图12将线面方式转换成块状表示的示意图；
图14为本发明磁制冷装置一个方向的主视图；
图15为本发明磁制冷装置另一个方向的主视图；
图16为本发明磁制冷装置另一个方向且省略了永磁体组件的主视图；
图17为本发明磁制冷装置的蓄冷器组件的局部剖视图；
图中附图标记表示为：
100-永磁体组件；110-外磁体筒；111-软铁外壳；120-内磁体筒；130-气隙；
200-蓄冷器组件；210-蓄冷器；211-上盖板；211A-热入口；211B-冷入口；212-下盖板；212A-热出口；212B-冷出口；213-中空腔；
300-驱动组件；310-第一齿轮；320-第二齿轮；330-第三齿轮；340-第四齿轮；350-齿条；
400-高磁场区域；500-低磁场区域；
600-第一连接管；700-第二连接管。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
参考图3至图8，本发明实施例提供了一种永磁体组件100，其包括中空的外磁体筒110和布置在中空外磁体筒110内的内磁体筒120，外磁体筒110和内磁体筒120为同心设置且均包括多个磁体块，外磁体筒110的内周壁和内磁体筒120的外周壁相间隔而形成环状的气隙130，内磁体筒120和外磁体筒110的各自多个磁体块构造成获得最佳体积
制冷量，相对于传统单筒磁体结构，本发明永磁体组件100设置成具有内磁体筒120和外磁体筒110的双筒磁体结构，且基于获得最佳体积
制冷量来配置内磁体筒120和外磁体筒110的各自多个磁体块，多个磁体块不以均匀分块方式来分割处理。
请进一步参考图4、图7和图8，在一种实施例中，在获得上述最佳体积
制冷量的情况下，永磁体组件包括在气隙130内绕圆周方向均匀间隔地分布的2m极磁场，m为正整数，且m≥2，各个磁场均包括低磁场区域和高磁场区域，由于磁场数设为大于4个的偶数个数，因此，相对应地，从而绕内磁体筒120和外磁体筒110绕圆周方向紧凑地提供多个均匀交替间隔的低磁场区域和高磁场区域，广义来说：高磁场与低磁场是通过平均磁感应强度的强弱划分的，平均磁场强度接近0T的为低磁场域，平均磁场远大于零的为高磁场域，普遍认为大于1T的为强磁场，而在磁制冷领域，强磁场一般为0.6T，普遍则在1T以上，具体来说，本发明永磁体组件100的各个低磁场区域的平均磁感应强度的数值范围为0-0.25T，各个高磁场区域的平均磁感应强度的数值范围为1.1-1.5T，并且，图8示出了永磁体组件100的中心处的磁场波形，其中波峰峰值为最大磁场强度，波谷为最小磁场强度，四个波谷对应四个低磁场区域，波峰及附近对应四个高磁场区域。
请进一步参考图7和图8，在一种实施例中，气隙130内的各个高磁场区域及各个低磁场区域内均具有均匀的磁场强度，这样的话，本发明永磁体组件100能够对位于气隙130内的蓄冷器组件200提供均匀磁场强度且交替的高、低磁场区域，实现蓄冷器组件200高效地放热和吸热。
请进一步参考图4和图7，在一种实施例中，m设为2，在本说明书中均以m设为2来详细说明，高磁场区域和低磁场区域依次交替排布且均为四个，具体来说，气隙130内均匀间隔地分布有4个磁场，每个磁场形成一个高磁场区域和一个低磁场区域，各个高磁场区域和各个低磁场区域均以45°的圆心角周向排布，因此，也可以说，永磁体组件100设置为内外嵌套双筒结构，由于每个磁场具有包括1个N极和1个S极的一对磁极，也就是极对数为1，因而，本发明永磁体组件100在内外磁体筒110之间的气隙130产生相间分布的四极磁场，对该四极的理解与电机领域的定义类似：即电机极数的定义与电机极对数的含义相同，电机的极数就是电动机的磁极数，磁极分N极和S极，一般磁极数是成对出现，如2极电机、4极电机。图4示出了为一组不同充磁方向的磁体构成的永磁体组件100及其多个磁体块的具体布置方式，其中箭头表示永磁体的充磁方向，进一步的，图7示出了为四极高场强磁场区域以及磁场方向分布，各个磁体块优选采用N42铷铁硼永磁体，其剩磁为1.31T。另外，为了减少磁体用量，同时保证磁场强度基本不变，图4所示的带剖面线的磁体块优选采用1008#钢。
图7示出了永磁体组件100的中心截面云图，永磁体组件100能够在气隙130产生4个高磁场区域400和4个低磁场区域500，图7中箭头指向为磁场N极，磁场循环方向与箭头方向一致，永磁体组件100的外磁体筒110优选为包覆有软铁材料的软铁外壳111。
请进一步参考图4、图6和图7，在一种实施例中，内磁体筒120和外磁体筒110对应于每个高磁场区域和每个低磁场区域相对地八等分，每等分的相对的内磁体筒120和外磁体筒110所具有的多个磁体块均包括多个永磁体和至少一个软铁体，在图6所示的永磁体组件100的1/4部分的爆炸示意图中，因而，也可以说，永磁体组件100的分别包括四个子永磁体，每个子永磁体包括多个永磁体112、113、114、115、116、117、121、122、123、124以及软铁体118，125；各个相互配合的子永磁体的边界是通过基于径向与轴向的扇形分块组装而成，并且组装方式是基于磁能积最大原则而确定。多个磁体块中包括的永磁体和软铁体，内磁体筒120的软铁体与外磁体筒110的软铁体彼此相对设置。
进一步补充来说，相较于图2中现有技术的具有不同P值的Halbach磁体，本发明永磁体组件100具有叠加磁场，外磁体筒110的P值：P外＝2，内磁体筒120的P值：P内＝-2，通过将永磁体组件100设置成外磁体筒110的P值为正整数和内磁体筒120的P值为负整数的组合，从而达到永磁体组件100的上述技术效果。
请进一步参考图9至图13，本发明实施例还提供了一种永磁体组件的设计方法，图9示出了本发明永磁体组件的设计方法的流程，其中，永磁体组件为以上任一种的永磁体组件100，在此不再赘述，永磁体组件的设计方法包括以下步骤：
S1：提供理想Halbach磁场，步骤S1包括设计形成2m极磁场的内磁体筒120和外磁体筒110，其中，m为正整数，且m≥2，m优选设为2即形成四极磁场；
S2：对磁体结构参数化，具体参考图10，步骤S2包括对内磁体筒120的第一外径R1、外磁体筒110的第二外径R2、气隙d以及永磁体组件整体长度L的磁体尺寸设定取值范围，可以理解的是，该永磁体组件整体长度L与外磁体筒110的轴向长度相等，另外，在内磁体筒120的两端面与外磁体筒110的两端面相平齐的情况下，该永磁体组件整体长度L也与内磁体筒120的轴向长度相等。
S3：在仿真软件中进行参数化扫描，该仿真软件可采用Ansys，步骤S3包括获得第一外径R1、第二外径R2、气隙d以及永磁体组件整体长度L各参数的仿真结果，具体的操作为在Ansys Maxwell中进行仿真，各尺寸参数被存储为文本文件；
S4：对用于装配于上述外磁体筒的内周壁和内磁体筒的外周壁相间隔而形成的环状的气隙中的蓄冷器进行优化仿真，该优化仿真具体可采用联立Ansys与MATLAB来进行，步骤S4包括运算得出预设温跨下整机最佳冷量所对应的最优磁体尺寸，其中，预设温跨可设为15K，最优磁体尺寸具体是利用Ansys的udf及MATLAB的自带源代码运算得出，MATLAB程序读取上述存储的文本文件数据，结合MATLAB中的蓄冷器仿真程序，得到15K温跨下整机最佳冷量所对应的最优磁体尺寸。
S5：逆向磁场分割优化，步骤S5包括对内磁体筒120和外磁体筒110进行分割得到各自的多个磁体块的相应结构，其利用MATLAB自带且采用了Voronoi图的思想的代码来实现，具体为将所得到的最优磁体尺寸带入MATLAB进行联合仿真，基于互易定义即具体结合Voronoi图的思想或者贪婪算法来实现内磁体筒120和外磁体筒110的分割从而得到各自多个磁体块的结构。
S6：提供第一目标函数：
式中：
表示磁能
，Qc表示制冷量，ΔTspan表示温跨，Tc表示冷端温度；Vmag表示磁体体积，其中第一目标函数表示单位体积磁体
制冷量，并采用“磁能
”来表示。
S7：采用拓扑优化算法，步骤S6包括在Ansys中对Qc仿真计算以及根据第一目标函数进行拓扑最优化运算，从而计算得出最佳单位体积磁体
制冷量以及制冷量，其中，拓扑优化算法采用MMA优化算法，具体为在完成上述逆向磁场分割优化S5步骤后，再将结果带入上述第一目标函数并进一步采用MMA拓扑优化算法基于空气、永磁体和软铁的参数对各个磁体块的尺寸进行进一步优化。
综上所述，为了获得最佳体积
制冷量，本发明永磁体组件的设计方法提供第一目标函数，从第一目标函数逆向设计磁场，即以最小成本代价取得最优的磁场强度、最佳的冷量与温跨。
请进一步参考图10，在一种实施例中，在针对上述第一目标函数，制冷量Qc通过Ansys仿真计算得到，将理想Halbach设计为采用四极双筒磁体的情形下，据此，在Ansys中进行参数化扫描步骤S3具体包括将磁体结构参数化，具体为:内磁体筒120的第一外径R1设为：30mm-80mm，外磁体筒110的第二外径R2设为：100mm-180mm，气隙d设为：20mm-30mm，永磁体组件整体长度L设为：200mm-300mm，在结构参数的上述取值范围内，采取最优化运算，从而上述第一目标函数将会得到一个最佳单位体积磁体
制冷量为1.08W/L，制冷量为228W，此时，第一外径R1＝80mm，第二外径R2＝150mm，气隙d＝24mm，永磁体组件整体长度L＝200mm。
请进一步参考图7，在一种实施例中，如图7所示，高磁场区域划和低磁场区域各形成为四个，在图7中，以向右为x轴，向上为y轴，四个高磁场区域分别为：-22.5°～22.5°、67.5°～112.5°、157.5°～202.5°和247.5°～292.5°，即；剩下的区域为低磁场区域。显而易见的，图7中，按照箭头所示的磁场线方向，各磁场线共构成四个循环，位于水平和垂直的四个区域，例如图7中箭头101所指的上述-22.5°～22.5°区域即中间黑色环中偏白的区域为高场区域，其磁场强度如图8所示的波峰即高磁场区域的平均磁感应强度约为1.15T；其余低磁场区域的平均磁感应强度近似为0T。
请进一步参考图9、图11，在一种实施例中，仿真软件具体采用Ansys，逆向磁场分割优化步骤包括：
提供第二目标函数：
式中：n为设置的对应的内磁体筒120和外磁体筒110相同磁体结构的块数，S[{φn}]为永磁体组件100的磁能积；
提供积分公式：
式中：Br为磁感应强度，H2为虚拟磁场的磁场强度，
密度函数，并且满足：
根据互易定理，
与
的点积和最大以及永磁体组件100的磁能积最大情况下，利用上述联立Ansys与MATLAB的方式，将Ansys仿真计算得到的磁体尺寸参数带入MATLAB进行仿真，在仿真过程中，依据虚拟磁场获得密度函数，再结合随机的磁感应强度对磁感应强度和磁能积反复进行最优化运算，直至获得对应于n个内磁体筒120和外磁体筒110的相同磁体结构的最佳磁体分块。
综上所述，对于本发明永磁体组件的设计方法，一方面：对第二目标函数中的N取值为9，即均以8分之一的内磁体筒120和外磁体筒110来看，均划分为9块相同的磁体结构，N可以根据实际需要而设定，在本发明中，以N＝9为例进行说明，另外，当N取其他数字时，它们需满足共性原理，即：以互易定理，在可加工的基础上，需满足例如高磁场区域的目标区域的磁能积最大，在本发明的程序叠代中，对应于图11，即为直线段长度接近曲线长度，使得磁能积最大。其中，上述可加工是指将图12示出的线面形式转换成图13示出的块状形式，再将相同充磁方向的磁体装配成一体，从而永磁体组件100获得磁能积最大，其中
由互易定理知道，要将磁体划分为N等分，本质是每一份中
与
的点积和最大，即两者越平齐，值越大，因此，当以
为横坐标，以
为纵坐标，那么作图
即如图11所示。另一方面，如上文所描述，其满足本发明构建的磁能
框架，即第一目标函数取最大值。结合以上两方面来说，本发明永磁体组件的设计方法所设计出的永磁体组件100同时满足第一目标函数和第二目标函数即磁能
和磁能积的取值最大。
再总结来说，本发明在Halbach理论基础上，采用从目标函数逆向设计磁场，通过使用互易定理来执行关于线性物镜的磁系统最优化，从而得到最优的磁体分割。
请进一步参考图14至图17，本发明实施例还提供了一种磁制冷装置，对于磁制冷的工作原理，其利用存储有磁工质并可进行热交换的蓄冷器内部的磁工质在变化的磁场中会发生温度变化，磁工质可以是颗粒状或片状或微通道等不同形貌，在磁工质在进入或者退出磁场的瞬间，由于磁工质磁熵的变化，使得磁工质会发生温度的变化，其中进入磁场的瞬间，磁工质放出热量，退出磁场的瞬间，磁工质吸收热量，进入和退出施加在磁工质的磁场梯度越大，这种放热和吸热的量越大，将磁工质中的冷量取出就是磁制冷技术，以下对磁制冷装置做进一步说明，磁制冷装置包括以上任一中的永磁体组件100、蓄冷器组件200和驱动组件300，蓄冷器组件200为环状且装配于气隙130中，驱动组件300驱动内磁体筒120和外磁体筒110同步地相对于蓄冷器组件200转动。这样的话，利用外部的驱动泵驱动传热流体流过去磁的蓄冷器组件200吸收磁工质产生的冷量后流过冷端换热器，回归常温的流体再流过加磁的蓄冷器组件200吸收磁工质释放的热量，最后流过热端散热器将热量释放在回归驱动泵，从而构成一个磁制冷循环。
请进一步参考图14、图15和图17，在一种实施例中，蓄冷器组件200包括总数为2n个且依次相连的蓄冷器210，其中，n为正整数，n≥2，对于上述m，优选为n＝2m，蓄冷器210的数量为永磁体组件100所形成的磁场个数的两倍，每个蓄冷器210均包括两端开口的中空腔213和分别密封一端开口的上盖板211和下盖板212，在上盖板211上设有供传热流体流入的热入口211A和冷入口211B，在下盖板212上设有供传热流体流出的热出口212A和冷出口212B，优选的是，热入口211A和热出口212A的连线与冷入口211B和冷出口212B的连线成交叉设置，这样可以延长传热流体在蓄冷器210中的换热时长，进一步来说，热入口211A与热出口212A所形成的加热通道是对应于蓄冷器210内磁工质加磁时，磁工质温度升高，从热入口211A通入传热流体进行换热，从而使得传热流体温度升高；反之，冷入口211B与冷出口212B所形成的冷却通道是对应于蓄冷器210内磁工质去磁时，磁工质温度降低，从冷入口211B通入流体进行换热，从而使得传热流体温度降低，当蓄冷器210进入磁场时，加热通道是流动的，冷却通道是阻断的，当蓄冷器210离开磁场时，冷却通道是流动的，加热通道是阻断的，也就是说，每个蓄冷器210中，仅有一个通道是可供传热流体流动的，并且，各相邻的蓄冷器210的流体流动总是相反的。驱动组件300包括与一驱动轴相对固定连接的第一齿轮310和第二齿轮320、同轴转动的第三齿轮330和第四齿轮340以及分别与第二齿轮320和第四齿轮340相啮合的齿条350，也可以采用皮带轮替代齿条350实现相同功能，第三齿轮330与内磁体筒120固定连接，第四齿轮340与外磁体筒110固定连接，在驱动轴与伺服电机驱动连接并通过伺服电机提供驱动力的情形下，第一齿轮310和第二齿轮320被驱动轴转动从而带动第三齿轮330与第四齿轮340相对固定地同轴转动，第二齿轮320与第四齿轮340通过与齿条350相啮合而相互联动。需知的是，为了保证第三齿轮330与第四齿轮340同步即转速相同，第三齿轮330与第一齿轮310的齿数比等于第四齿轮340与第二齿轮320的齿数比。同步转动的内磁体筒120和外磁体筒110使得多个蓄冷器210中的间隔设置的每个蓄冷器210同时处于高磁场区域或者低磁场区域。因此，通过设置同步转动的第三齿轮330和第四齿轮340，确保了永磁体组件100的内磁体筒120和外磁体筒110同步转动，从而保证气隙130处的磁场能够均匀的高低磁场交替变化，使得相应蓄冷器210中磁工质交替的加磁、去磁而制冷。
请进一步参考图16，在一种实施例中，蓄冷器210的总数设为八个，磁场个数设为四个，也就是说，蓄冷器组件200由八个蓄冷器210环形相连形成，磁制冷装置还包括数量对应且均为多个的第一连接管600、第二连接管700、第三连接管(未图示)和第四连接管(未图示)，本实施例仅以其中四个蓄冷器210，各个与相应蓄冷器210连通的连接管的连接端位于旋转的内磁体筒120和外磁体筒110之间，因此，内磁体筒120和外磁体筒110的旋转不会与各个连接管相干涉。各个第一连接管600和各个第二连接管700分别依次与间隔设置的四个蓄冷器210的热入口211A和冷入口211B相连通，各个第三连接管和各个第四连接管分别依次与间隔设置的四个蓄冷器210的热出口212A和冷出口212B相连通，由上所述，本实施例的磁制冷器装置的圆环形的蓄冷器组件200布置在气隙130中的高低磁场区域内，而高低磁场是间隔布置的，因此，两组间隔布置的四个蓄冷器210同时处于加磁或者去磁的状态，可以将相同状态的四个蓄冷器210通过四个连接相同类型开口的连接管均连接至一汇合管，进一步来说，当四个处于相同加磁或者去磁状态蓄冷器210进入高磁场区域并同时处于加磁状态时，磁工质释放热量，使得流经各蓄冷器210的传热流体吸收释放的热量并带出至热端散热器，使得磁工质重新成为常温态，为进一步退出高磁场做准备；而另外一组处于相同加磁或者去磁状态的四个蓄冷器210此时正在退出高磁场并进入低磁场，即状态处于去磁状态，此时，磁工质吸收热量，相应的，流经各蓄冷器210的换热流体与磁工质换热而被吸收热量，使得温度变低，再流入冷端换热器，从而实现磁制冷装置的传热流体的循环流动及制冷功能。
本发明实施例还提供了一种例如为空调器的磁制冷系统(未图示)，其包括形成流体循环的以上任一种的磁制冷装置、均与蓄冷器组件200相连通的冷凝器和蒸发器，作为起到上述热端散热器相同功能的冷凝器位于从蓄冷器210流出的升温传热流体的下游，作为起到上述冷端换热器相同功能的蒸发器位于从蓄冷器210流出的降温传热流体的下游，可知的是，根据空调器制冷的工作原理，磁制冷系统还包括驱动泵和控制阀，利用驱动泵驱动传热流体流过加磁的各蓄冷器210吸收磁工质释放的热量后流过冷凝器，回归常温的流体再流过去磁的蓄冷器210吸收磁工质产生的冷量，再流过蒸发器将冷量释放，从而构成一个磁制冷循环，此外，对于空调器的各部件的工作方式，不再赘述。由于磁制冷系统的各个高磁场区域和低磁场区域在驱动组件300的驱动下周期性运动，从而始终保持有一组蓄冷器210是实现制冷的，从而实现了磁制冷系统的高效制冷功能。
综上所述，本发明中通过设计高磁场和低磁场相间的磁场区域，使得永磁体组件100转动时，各相应蓄冷器210中磁工质能够不断地依次经过高磁场区域和低磁场区域，从而通过源源不断地将磁工质中的冷量取出。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件的相对布置不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
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方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种永磁体组件，其特征在于，包括：
中空的外磁体筒；
布置在所述外磁体筒内的内磁体筒，所述外磁体筒和内磁体筒为同心设置且均包括多个磁体块，所述外磁体筒的内周壁和所述内磁体筒的外周壁相间隔而形成环状的气隙，所述内磁体筒和所述外磁体筒的各自多个磁体块构造成获得最佳体积
制冷量。
2.根据权利要求1所述的永磁体组件，其特征在于，
在获得所述最佳体积
制冷量的情况下，所述永磁体组件包括在所述气隙内绕圆周方向均匀间隔地分布的2m极磁场，其中，m为正整数，且m≥2，各个所述磁场均包括低磁场区域和高磁场区域，各个所述低磁场区域的平均磁感应强度的数值范围为0-0.25T，各个所述高磁场区域的平均磁感应强度的数值范围为1.1-1.5T。
3.根据权利要求2所述的永磁体组件，其特征在于，
所述气隙内的各个高磁场区域及各个所述低磁场区域内均具有均匀的磁场强度。
4.根据权利要求2所述的永磁体组件，其特征在于，
所述m设为2，所述高磁场区域和所述低磁场区域依次交替排布且均为四个。
5.根据权利要求4所述的永磁体组件，其特征在于，
所述内磁体筒和所述外磁体筒对应于每个所述高磁场区域和每个所述低磁场区域相对地八等分，且每等分的相对的所述内磁体筒和所述外磁体筒所具有的多个所述磁体块均包括多个永磁体和至少一个软铁体，且所述内磁体筒的软铁体与所述外磁体筒的软铁体彼此相对设置。
6.根据权利要求4所述的永磁体组件，其特征在于，
各个所述高磁场区域和各个所述低磁场区域均以45°的圆心角周向排布。
7.根据权利要求5所述的永磁体组件，其特征在于，
所述多个永磁体均采用N42铷铁硼永磁体。
8.一种永磁体组件的设计方法，其特征在于，所述永磁体组件为权利要求1至7任一项所述的永磁体组件，所述永磁体组件的设计方法包括以下步骤：
提供理想Halbach磁场，其包括设计形成2m极磁场的内磁体筒和外磁体筒，其中，m为正整数，且m≥2；
对磁体结构参数化，其包括对所述内磁体筒的第一外径、所述外磁体筒的第二外径、气隙以及永磁体组件整体长度的磁体尺寸设定取值范围；
在仿真软件中进行参数化扫描，其包括获得所述的第一外径、第二外径、气隙以及永磁体组件整体长度各参数的仿真结果；
对用于装配于所述气隙中的蓄冷器进行优化仿真，其包括运算得出预设温跨下整机最佳冷量所对应的最优磁体尺寸；
逆向磁场分割优化，其包括对所述内磁体筒和所述外磁体筒进行分割得到各自的多个磁体块的相应结构；
提供第一目标函数：
式中：
表示磁能
，Qc表示制冷量，ΔTspan表示温跨，Tc表示冷端温度；Vmag表示磁体体积；
采用拓扑优化算法，其包括在所述仿真软件中对Qc仿真计算以及根据所述第一目标函数进行拓扑最优化运算，从而计算得出最佳单位体积磁体
制冷量以及制冷量。
9.根据权利要求8所述的永磁体组件的设计方法，其特征在于，
所述在仿真软件中进行参数化扫描步骤具体包括：将所述第一外径、所述第二外径、所述气隙和所述永磁体组件整体长度的取值范围分别设为30mm-80mm、100mm-180mm、20mm-30mm和200mm-300mm。
10.根据权利要求8所述的永磁体组件的设计方法，其特征在于，
所述仿真软件为Ansys，所述逆向磁场分割优化步骤包括：
提供第二目标函数：
式中：n为设置的对应的内磁体筒和外磁体筒相同磁体结构的块数，S[{φn}]为永磁体组件的磁能积；
提供积分公式：∫Ωd3xBr1(x)·H2(x)，式中：Br为磁感应强度，H2为虚拟磁场的磁场强度，
为密度函数，并且满足：
所述对蓄冷器进行优化仿真采用联立Ansys与MATLAB来进行，并且，根据互易定理，
与
的点积和最大以及永磁体组件的磁能积最大情况下，将Ansys仿真计算得到的磁体尺寸参数带入MATLAB进行仿真，在仿真过程中，依据虚拟磁场获得密度函数，再结合随机的磁感应强度对磁感应强度和磁能积反复进行最优化运算，直至获得对应于n个内磁体筒和外磁体筒的相同磁体结构的最佳磁体分块。
11.一种磁制冷装置，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的永磁体组件、蓄冷器组件和驱动组件，所述蓄冷器组件为环状且装配于所述气隙中，所述驱动组件驱动所述内磁体筒和外磁体筒同步地相对于所述蓄冷器组件转动。
12.根据权利要求11所述的磁制冷装置，其特征在于，
所述蓄冷器组件包括总数为2n个且依次相连的蓄冷器，其中，n为正整数，n≥2，所述蓄冷器的数量为所述永磁体组件所形成的磁场个数的两倍，每个所述蓄冷器均包括两端开口的中空腔和分别密封一端开口的上盖板和下盖板，在所述上盖板上设有供传热流体流入的热入口和冷入口，在所述下盖板上设有供传热流体流出的热出口和冷出口；
所述驱动组件包括与一驱动轴相对固定连接的第一齿轮和第二齿轮、同轴转动的第三齿轮和第四齿轮以及分别与第二齿轮和第四齿轮相啮合的齿条，所述第三齿轮与所述内磁体筒固定连接；所述第四齿轮与所述外磁体筒固定连接，所述第一齿轮和所述第二齿轮在所述驱动轴驱动下转动从而带动所述第三齿轮与第四齿轮相对固定地同轴转动，所述第二齿轮与所述第四齿轮通过与所述齿条相啮合而相互联动；
同步转动的所述内磁体筒和所述外磁体筒使得多个所述蓄冷器中的间隔设置的每个所述蓄冷器同时处于高磁场区域或者低磁场区域。
13.根据权利要求12所述的磁制冷装置，其特征在于，
所述蓄冷器的总数设为八个，所述磁场个数设为四个，所述磁制冷装置还包括数量对应且均为多个的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管，各个第一连接管和各个第二连接管分别依次与间隔设置的四个蓄冷器的热入口和冷入口相连通，各个第三连接管和各个第四连接管分别依次与间隔设置的四个蓄冷器的热出口和冷出口相连通。
14.一种磁制冷系统，其特征在于，包括形成流体循环的如权利要求11至13任一项所述的磁制冷装置、均与所述蓄冷器组件相连通的冷凝器和蒸发器，所述冷凝器位于从所述蓄冷器流出的升温传热流体的下游，所述蒸发器位于从所述蓄冷器流出的降温传热流体的下游。
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| CN202110710614.9A CN113314292A (zh) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 一种永磁体组件及其设计方法、磁制冷装置及磁制冷系统 |
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| CN202110710614.9A CN113314292A (zh) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 一种永磁体组件及其设计方法、磁制冷装置及磁制冷系统 |
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2021
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