專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)用永磁磁體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁磁體系統(tǒng)，特別涉及用于室溫旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)的永磁磁體系統(tǒng)。
技術(shù)背景長(zhǎng)期以來(lái)廣泛應(yīng)用的機(jī)械式氣體壓縮循環(huán)制冷技術(shù)制冷效率低，只能達(dá)到卡諾循環(huán)效率的 5%~10%，且工作介質(zhì)一般為含氟氯烴類(CFC)等化合物，這些工質(zhì)會(huì)對(duì)大氣臭氧層構(gòu)成破 壞并釋放產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體，嚴(yán)重地影響了人類的生態(tài)環(huán)境，所以發(fā)展環(huán)保型制冷技術(shù)非常重 要。磁制冷技術(shù)作為一種新的制冷方法，具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它不需要使 用導(dǎo)致大氣臭氧層破壞的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣體壓縮機(jī)等設(shè)備，而只要依靠磁性材料的磁熱效 應(yīng)，通過(guò)磁化和去磁過(guò)程的反復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的目的，而且效率很高。因此，磁制冷技術(shù)被稱 為一種綠色環(huán)保的制冷技術(shù)。所謂磁制冷就是利用磁性材料(磁工質(zhì)材料)的磁熱效應(yīng)來(lái)進(jìn)行制冷。磁制冷的工作原理 是基于磁工質(zhì)材料的磁熱效應(yīng)，即磁工質(zhì)磁化時(shí)向外界排放熱量，退磁時(shí)從外界吸取熱量，利 用一個(gè)循環(huán)將這兩個(gè)過(guò)程連接起來(lái)時(shí)，就可以達(dá)到連續(xù)制冷的目的。由于磁制冷材料的磁化是 通過(guò)磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此磁體是磁制冷設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵部件。根據(jù)磁工質(zhì)的物理特性，磁化場(chǎng) 越強(qiáng)，它的磁熱效應(yīng)越顯著。為了使磁工質(zhì)能夠產(chǎn)生足夠大的溫度差，要求磁體能夠產(chǎn)生足夠 強(qiáng)的磁場(chǎng)。歷史上，磁制冷樣機(jī)采用的高場(chǎng)強(qiáng)的磁體系統(tǒng)都是超導(dǎo)磁體，但在超導(dǎo)技術(shù)未能達(dá)到規(guī)模 化民用之前，很顯然在家用的磁制冷機(jī)上使用超導(dǎo)磁體是不現(xiàn)實(shí)的，其高昂的成本使室溫磁制 冷技術(shù)很難廣泛應(yīng)用。為了降低磁制冷機(jī)的生產(chǎn)和運(yùn)行成本，目前人們選用高性能的永磁磁體 來(lái)取代早先的超導(dǎo)磁體。Bohigas在一旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)中，利用兩塊釹鐵硼(NdFeB)永磁體互相平行放置，在磁 體間隙間產(chǎn)生0，3T的場(chǎng)強(qiáng)，只得到了 1.6K的制冷溫跨，這在很大程度上發(fā)揮不了磁制冷材料的 磁熱效應(yīng)功能，所以簡(jiǎn)單的永磁磁路設(shè)計(jì)不能滿足室溫磁制冷機(jī)所需的場(chǎng)強(qiáng)。為了獲得較高強(qiáng) 度的磁化場(chǎng)，增加磁制冷機(jī)的制冷溫跨和制冷功率，人們?cè)诨贖albach旋轉(zhuǎn)定理的中空?qǐng)A柱形 磁場(chǎng)源的基礎(chǔ)上，制作出了高場(chǎng)強(qiáng)NdFeB永磁磁體。盡管這種結(jié)構(gòu)的磁體可以產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁 化場(chǎng)，但是它需要耗費(fèi)較多的永磁材料，而且它的加工比較困難。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種用于旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)的高場(chǎng)強(qiáng)永磁磁體系統(tǒng)，本發(fā)明可產(chǎn)生比兩塊 永磁體互相平行放置高得多的磁化場(chǎng)強(qiáng)，又能克服現(xiàn)有基于Halbach旋轉(zhuǎn)定理的中空?qǐng)A柱形磁場(chǎng) 源基礎(chǔ)上的永磁磁體系統(tǒng)耗材多和加工困難等缺點(diǎn)。本發(fā)明永磁磁體系統(tǒng)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子由永磁磁體和導(dǎo)磁鐵軛兩部分組成。永磁磁體部分由空間位置相差180度的兩個(gè)永磁 塊組成，這兩個(gè)永磁塊的充磁方向相同，并沿定子的徑向方向。導(dǎo)磁鐵軛由導(dǎo)磁性能良好的中 空?qǐng)A柱形金屬材料組成，它的徑向厚度按照導(dǎo)磁的需要而定，原則上是使導(dǎo)磁鐵軛中的磁通密 度在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，既不太高，又不太低。因?yàn)閷?dǎo)磁鐵軛中的磁通密度^C高將會(huì)使磁路 中磁阻大幅增加，而磁通密度太低將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)磁鐵軛材料的浪費(fèi)。兩個(gè)永磁塊固定在導(dǎo)磁鐵軛 的內(nèi)腔壁上。轉(zhuǎn)子主要包括轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)磁鐵心和磁工質(zhì)三部分。轉(zhuǎn)軸為圓柱形,由金屬材料制成，導(dǎo)磁鐵心 由高性能金屬導(dǎo)磁材料制成，形狀為帶有中心孔的圓柱或削去兩邊的圓柱,套裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸 位于轉(zhuǎn)子的中心位置。磁工質(zhì)分為兩塊，分別安裝在導(dǎo)磁鐵心的兩外圓弧面上，與轉(zhuǎn)軸對(duì)稱， 其空間位置相差180度。永磁磁體系統(tǒng)中的各部件的主要功能是定子部分的永磁磁體在其內(nèi)部空間產(chǎn)生一個(gè)兩極 的永磁磁化場(chǎng)，定子中的導(dǎo)磁鐵軛和轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)磁鐵心為該永磁磁化場(chǎng)提供良好的導(dǎo)磁路徑， 轉(zhuǎn)軸用于支撐和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。在旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)工作時(shí)，永磁磁體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子在外力驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)磁工質(zhì)所占據(jù)的區(qū)域旋轉(zhuǎn)到定子永磁塊下時(shí)，永磁磁體所產(chǎn)生的絕大部分磁通流經(jīng)磁工質(zhì)， 這時(shí)磁工質(zhì)受到的磁化場(chǎng)最大，其溫度最高。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，在磁工質(zhì)區(qū)域內(nèi)的磁化場(chǎng)變得 越來(lái)越小，磁工質(zhì)開始退磁。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90度空間角度時(shí)，永磁磁體所產(chǎn)生的絕大部分磁通流 經(jīng)導(dǎo)磁鐵心，而不流經(jīng)磁工質(zhì)，磁工質(zhì)所受的磁化場(chǎng)為最小，此時(shí)它的溫度變得最低。隨著轉(zhuǎn) 子的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，磁工質(zhì)所受的磁化場(chǎng)又變得越來(lái)越強(qiáng)，它的溫度也不斷增加。磁工質(zhì)在轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中詢期性不斷地磁化和退磁，產(chǎn)生磁制冷所必須的磁熱功率。為了使磁工質(zhì)區(qū)域在與永磁塊相差90度時(shí)所受的磁化場(chǎng)盡可能接近零，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心上 與磁工質(zhì)區(qū)域相隔90度的位置可以安裝兩塊導(dǎo)磁塊，這兩塊導(dǎo)磁塊與定子永磁塊的間隙很小， 從而使轉(zhuǎn)子在這一位置時(shí)定子永磁塊所產(chǎn)生的磁通能直接通過(guò)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心，而不擴(kuò)散到磁工 質(zhì)區(qū)域。本發(fā)明的永磁磁體系統(tǒng)與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比，有著永磁材料使用量少，加工簡(jiǎn)單，磁化場(chǎng)強(qiáng) 度較高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、運(yùn)行可靠性高、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明除了用于旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)之外，還可作為其它旋轉(zhuǎn)的高場(chǎng)強(qiáng)永磁機(jī)構(gòu)。


圖l永磁磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2永磁磁體系統(tǒng)工作示意圖；圖3永磁磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4永磁磁體系統(tǒng)工作示意圖；具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明永磁磁體系統(tǒng)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子由永磁磁體和導(dǎo)磁鐵軛兩部分組成， 轉(zhuǎn)子主要包括轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)磁鐵心和磁工質(zhì)三部分。圖1所示為本發(fā)明具體實(shí)施方式
之一。定子中的永磁磁體由兩塊空間位置相差180度的永 磁塊組成，永磁塊在圖1所示永磁磁體系統(tǒng)橫截面上的兩條邊為直線，而另兩條邊為圓弧，永 磁塊的軸向端面為平面。兩永磁塊的充磁方向相同，該充磁方向與定子的徑向方向一致，如圖2 中箭頭所示。導(dǎo)磁鐵軛為中空?qǐng)A柱形，由導(dǎo)磁金屬材料制成。兩個(gè)永磁塊固定在導(dǎo)磁鐵軛的內(nèi) 腔壁上。永磁塊一圓弧面的形狀與導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁一致，另一圓弧面與導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁同心。轉(zhuǎn)子的軸位于轉(zhuǎn)子的中心位置，轉(zhuǎn)子軸的中心點(diǎn)與導(dǎo)磁鐵軛的幾何中心點(diǎn)相重合。轉(zhuǎn)子導(dǎo) 磁鐵心為一削去兩邊的圓柱，有中心孔，套裝在轉(zhuǎn)子軸上,轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心的橫截面是一個(gè)帶有兩 條圓弧邊的長(zhǎng)形區(qū)域，尺寸較長(zhǎng)的兩條邊為直線，尺寸較短的兩條邊為圓弧，磁工質(zhì)緊貼在轉(zhuǎn) 子導(dǎo)磁鐵心的這兩個(gè)圓弧面上。磁工質(zhì)區(qū)域?yàn)閳A弧形，有一定的徑向厚度,與定子永磁塊間留有一 定的間隙，間隙的大小可根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械配合要求來(lái)確定。磁制冷機(jī)工作時(shí)，永磁磁體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子沿某方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁工質(zhì)所占 據(jù)的區(qū)域位于定子永磁塊下時(shí)，磁工質(zhì)受到很大的磁化場(chǎng)，使磁工質(zhì)材料磁化，其溫度升高。 隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，在磁工質(zhì)區(qū)域內(nèi)的磁化場(chǎng)變得越來(lái)越小，磁工質(zhì)開始退磁。如圖2所示，當(dāng) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90度空間角度時(shí)，磁工質(zhì)所受的磁化場(chǎng)為最小，此時(shí)它的溫度變得最低。隨著轉(zhuǎn)子的 進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，磁工質(zhì)所受的磁化場(chǎng)又變得越來(lái)越強(qiáng)，它的溫度也不斷增加。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)180度空 間角度時(shí)，磁工質(zhì)磁化和退磁過(guò)程完成一次循環(huán)，它的溫度變化也完成了一次循環(huán)，可利用這 一溫度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。本實(shí)施例采用NdFeB48永磁材料，定子兩個(gè)永磁塊徑向高度為30毫米v定子導(dǎo)磁鐵軛的 內(nèi)半徑為100毫米、定子永磁塊與轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心之間徑向間隙為IO毫米，磁工質(zhì)位于定子永磁 塊下時(shí)受到的磁化場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)1.2 T，磁工質(zhì)位于定子兩永磁塊之間時(shí)受到的磁化場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)小于 O.IT。如果增加永磁塊的相對(duì)幾何尺寸，磁工質(zhì)位于定子永磁塊下時(shí)所受到的磁化場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)將會(huì) 進(jìn)一步增加。對(duì)于此結(jié)構(gòu)，永磁磁化場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上面所產(chǎn)生的徑向磁拉力為零。.,圖3所示為本發(fā)明具體實(shí)施方式
之二。其定子部分與實(shí)施方式之一完全一致。在實(shí)施方式 之一的基礎(chǔ)上將轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心的兩個(gè)直線邊上安裝兩塊導(dǎo)磁塊，這兩塊導(dǎo)磁塊靠近定子永磁塊 的一面為與導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁同心的圓弧面，兩塊導(dǎo)磁塊與定子永磁塊的間隙應(yīng)在保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 的機(jī)械配合要求的基礎(chǔ)上盡可能的小，以確保定子永磁塊所產(chǎn)生的磁通在當(dāng)轉(zhuǎn)子處在圖4位置 時(shí)能直接通過(guò)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁塊和導(dǎo)磁鐵心，而不進(jìn)入磁工質(zhì)區(qū)域。磁制冷機(jī)工作時(shí)，永磁磁體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子沿某方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁工質(zhì)所占 據(jù)的區(qū)域位于定子永磁塊下時(shí)，磁工質(zhì)受到很大的磁化場(chǎng)，使磁工質(zhì)材料磁化，其溫度升高。 隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，在磁工質(zhì)區(qū)域內(nèi)的磁化場(chǎng)變得越來(lái)越小，磁工質(zhì)開始退磁。如圖4所示，當(dāng) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90度空間角度時(shí)，永磁塊所產(chǎn)生的磁通直接通過(guò)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心，而不擴(kuò)散到磁工質(zhì)區(qū) 域。這時(shí)磁工質(zhì)所受的磁化場(chǎng)基本為零，此時(shí)它的溫度變得最低。隨著轉(zhuǎn)子的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，磁 工質(zhì)所受的磁化場(chǎng)又變得越來(lái)越強(qiáng)，它的溫度也不斷增加。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)180度空間角度時(shí)，磁工 質(zhì)磁化和退磁過(guò)程完成一次循環(huán)，它的溫度變化也完成了一次循環(huán)，可利用這一溫度的變化來(lái) 實(shí)現(xiàn)制冷。本實(shí)施例采用NdFeB48永磁材料，定子兩個(gè)永磁塊徑向高度為30毫米，定子導(dǎo)磁鐵軛的 內(nèi)半徑為100毫米，定子永磁塊與轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心之間徑向間隙為IO毫米，定子永磁塊與轉(zhuǎn)子導(dǎo) 磁塊之間徑向間隙為1毫米，磁工質(zhì)位于定子永磁塊下時(shí)受到的磁化場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)1.2 T，磁工質(zhì) 位于定子兩永磁塊之間時(shí)受到的磁化場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)基本為零。如果增加永磁塊的相對(duì)幾何尺寸，磁工 質(zhì)位于定子永磁塊下時(shí)所受到的磁化場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)進(jìn)一步增加。對(duì)于此結(jié)構(gòu)，永磁磁化場(chǎng)在轉(zhuǎn)子 上面所產(chǎn)生的徑向磁拉力為零。
權(quán)利要求
1、一種旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)用永磁磁體系統(tǒng)，包括定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)磁鐵心和磁工質(zhì)，其特征在于，定子由永磁磁體和導(dǎo)磁鐵軛兩部分組成，定子中的永磁磁體由兩塊空間位置相差180度的永磁塊組成，兩塊永磁塊充磁方向相同，充磁方向與定子的徑向方向一致；兩塊永磁塊固定在導(dǎo)磁鐵軛的內(nèi)腔壁上；定子導(dǎo)磁鐵軛和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心共同組成永磁塊所產(chǎn)生磁通的路徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)用永磁磁體系統(tǒng)，其特征在于，定子永磁磁體的永 磁塊在永磁磁體系統(tǒng)橫截面上的兩條邊為直線，另外兩條邊為圓?。挥来艍K的軸向端面為平面； 定子導(dǎo)磁鐵軛為中空?qǐng)A柱形，由導(dǎo)磁金屬材料制成；永磁塊一圓弧面的形狀與導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁 一致，另一圓弧面與導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁同心；轉(zhuǎn)子的中心點(diǎn)與定子導(dǎo)磁鐵軛的幾何中心點(diǎn)重合； 轉(zhuǎn)子軸為圓柱形,由金屬材料制成；轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心為帶有中心孔的圓柱或削去兩邊的圓柱，套裝 在轉(zhuǎn)子中心的轉(zhuǎn)子軸上,轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心的橫截面是一個(gè)圓形或帶有兩條圓弧邊的長(zhǎng)形區(qū)域，長(zhǎng)形 區(qū)域尺寸較長(zhǎng)的兩條邊為直線，尺寸較短的兩條邊為圓??；兩塊磁工質(zhì)緊貼在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心的 兩個(gè)外圓弧面上，與軸對(duì)稱，其空間位置相差180度；磁工質(zhì)區(qū)域?yàn)閳A弧形,與定子永磁塊間留 有間隙。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)用永磁磁體系統(tǒng)，其特征在于，可以在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵 心上與磁工質(zhì)區(qū)域相隔卯度的位置安裝兩塊導(dǎo)磁塊，這兩塊導(dǎo)磁塊靠近定子永磁塊的一面為與 定子導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁同心的圓弧面；兩塊導(dǎo)磁塊與定子永磁塊的間隙應(yīng)小到在保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的 機(jī)械配合要求的基礎(chǔ)上，確保在導(dǎo)磁塊旋轉(zhuǎn)到靠近定子永磁塊位置時(shí)，定子永磁塊所產(chǎn)生的磁 通直接通過(guò)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁塊和導(dǎo)磁鐵心，而不進(jìn)入磁工質(zhì)區(qū)域。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)用永磁磁體系統(tǒng)。定子中的永磁磁體由兩塊空間位置相差180度的永磁塊組成，兩塊永磁塊充磁方向相同，并沿定子的徑向方向。定子導(dǎo)磁鐵軛為中空?qǐng)A柱形，由導(dǎo)磁金屬材料制成；兩個(gè)永磁塊固定在導(dǎo)磁鐵軛的內(nèi)腔壁上；永磁塊一圓弧面的面形與導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁一致，另一圓弧面與導(dǎo)磁鐵軛內(nèi)腔壁同心。轉(zhuǎn)子的中心點(diǎn)與定子導(dǎo)磁鐵軛的幾何中心點(diǎn)重合。轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心為帶有中心孔的圓柱或一削去兩邊的圓柱，套裝在轉(zhuǎn)子軸上。磁工質(zhì)緊貼在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心的兩個(gè)圓弧面上。磁工質(zhì)區(qū)域?yàn)閳A弧形，有一定的徑向厚度，與定子永磁塊間留有一定的間隙。本發(fā)明可產(chǎn)生比兩塊永磁體互相平行放置高得多的磁化場(chǎng)強(qiáng)。
文檔編號(hào)H02K1/12GK101256874SQ20071030442
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者東 夏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所