一种旋转磁制冷机用永磁磁体系统技术方案

一种旋转磁制冷机用永磁磁体系统。定子中的永磁磁体由两块空间位置相差１８０度的永磁块组成，两块永磁块充磁方向相同，并沿定子的径向方向。定子导磁铁轭为中空圆柱形，由导磁金属材料制成；两个永磁块固定在导磁铁轭的内腔壁上；永磁块一圆弧面的面形与导磁铁轭内腔壁一致，另一圆弧面与导磁铁轭内腔壁同心。转子的中心点与定子导磁铁轭的几何中心点重合。转子导磁铁心为带有中心孔的圆柱或一削去两边的圆柱，套装在转子轴上。磁工质紧贴在转子导磁铁心的两个圆弧面上。磁工质区域为圆弧形，有一定的径向厚度，与定子永磁块间留有一定的间隙。本发明专利技术可产生比两块永磁体互相平行放置高得多的磁化场强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种永磁磁体系统，特别涉及用于室温旋转磁制冷机的永磁磁体系统。技术背景长期以来广泛应用的机械式气体压縮循环制冷技术制冷效率低，只能达到卡诺循环效率的 5%~10%，且工作介质一般为含氟氯烃类(CFC)等化合物，这些工质会对大气臭氧层构成破 坏并释放产生温室效应气体，严重地影响了人类的生态环境，所以发展环保型制冷技术非常重 要。磁制冷技术作为一种新的制冷方法，具有无污染、无噪声、可靠性高等优点。它不需要使 用导致大气臭氧层破坏的物质和结构复杂的气体压縮机等设备，而只要依靠磁性材料的磁热效 应，通过磁化和去磁过程的反复循环达到制冷的目的，而且效率很高。因此，磁制冷技术被称 为一种绿色环保的制冷技术。所谓磁制冷就是利用磁性材料(磁工质材料)的磁热效应来进行制冷。磁制冷的工作原理 是基于磁工质材料的磁热效应，即磁工质磁化时向外界排放热量，退磁时从外界吸取热量，利 用一个循环将这两个过程连接起来时，就可以达到连续制冷的目的。由于磁制冷材料的磁化是 通过磁体来实现的，因此磁体是磁制冷设备的一个关键部件。根据磁工质的物理特性，磁化场 越强，它的磁热效应越显著。为了使磁工质能够产生足够大的温度差，要求磁体能够产生足够 强的磁场。历史上，磁制冷样机采用的高场强的磁体系统都是超导磁体，但在超导技术未能达到规模 化民用之前，很显然在家用的磁制冷机上使用超导磁体是不现实的，其高昂的成本使室温磁制 冷技术很难广泛应用。为了降低磁制冷机的生产和运行成本，目前人们选用高性能的永磁磁体 来取代早先的超导磁体。Bohigas在一旋转式室温磁制冷机中，利用两块钕铁硼(NdFeB)永磁体互相平行放置，在磁 体间隙间产生0，3T的场强，只得到了 1.6K的制冷温跨，这在很大程度上发挥不了磁制冷材料的 磁热效应功能，所以简单的永磁磁路设计不能满足室温磁制冷机所需的场强。为了获得较高强 度的磁化场，增加磁制冷机的制冷温跨和制冷功率，人们在基于Halbach旋转定理的中空圆柱形 磁场源的基础上，制作出了高场强NdFeB永磁磁体。尽管这种结构的磁体可以产生高强度的磁 化场，但是它需要耗费较多的永磁材料，而且它的加工比较困难。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种用于旋转磁制冷机的高场强永磁磁体系统，本专利技术可产生比两块 永磁体互相平行放置高得多的磁化场强，又能克服现有基于Halbach旋转定理的中空圆柱形磁场 源基础上的永磁磁体系统耗材多和加工困难等缺点。本专利技术永磁磁体系统由定子和转子两部分组成。定子由永磁磁体和导磁铁轭两部分组成。永磁磁体部分由空间位置相差180度的两个永磁 块组成，这两个永磁块的充磁方向相同，并沿定子的径向方向。导磁铁轭由导磁性能良好的中 空圆柱形金属材料组成，它的径向厚度按照导磁的需要而定，原则上是使导磁铁轭中的磁通密 度在一个合理的范围之内，既不太高，又不太低。因为导磁铁轭中的磁通密度^C高将会使磁路 中磁阻大幅增加，而磁通密度太低将会导致导磁铁轭材料的浪费。两个永磁块固定在导磁铁轭 的内腔壁上。转子主要包括转轴、导磁铁心和磁工质三部分。转轴为圆柱形,由金属材料制成，导磁铁心 由高性能金属导磁材料制成，形状为带有中心孔的圆柱或削去两边的圆柱,套装在转轴上，转轴 位于转子的中心位置。磁工质分为两块，分别安装在导磁铁心的两外圆弧面上，与转轴对称， 其空间位置相差180度。永磁磁体系统中的各部件的主要功能是定子部分的永磁磁体在其内部空间产生一个两极 的永磁磁化场，定子中的导磁铁轭和转子中的导磁铁心为该永磁磁化场提供良好的导磁路径， 转轴用于支撑和驱动转子。在旋转磁制冷机工作时，永磁磁体系统的转子在外力驱动下旋转。 当磁工质所占据的区域旋转到定子永磁块下时，永磁磁体所产生的绝大部分磁通流经磁工质， 这时磁工质受到的磁化场最大，其温度最高。随着转子的转动，在磁工质区域内的磁化场变得 越来越小，磁工质开始退磁。当转子转过90度空间角度时，永磁磁体所产生的绝大部分磁通流 经导磁铁心，而不流经磁工质，磁工质所受的磁化场为最小，此时它的温度变得最低。随着转 子的进一步旋转，磁工质所受的磁化场又变得越来越强，它的温度也不断增加。磁工质在转子 的旋转过程中询期性不断地磁化和退磁，产生磁制冷所必须的磁热功率。为了使磁工质区域在与永磁块相差90度时所受的磁化场尽可能接近零，在转子导磁铁心上 与磁工质区域相隔90度的位置可以安装两块导磁块，这两块导磁块与定子永磁块的间隙很小， 从而使转子在这一位置时定子永磁块所产生的磁通能直接通过转子导磁铁心，而不扩散到磁工 质区域。本专利技术的永磁磁体系统与现有的系统相比，有着永磁材料使用量少，加工简单，磁化场强 度较高、体积小、重量轻、结构简单、紧凑、运行可靠性高、振动和噪声小等优点。 本专利技术除了用于旋转磁制冷机之外，还可作为其它旋转的高场强永磁机构。附图说明图l永磁磁体系统结构图；图2永磁磁体系统工作示意图；图3永磁磁体系统结构图；图4永磁磁体系统工作示意图；具体实施方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。本专利技术永磁磁体系统由定子和转子两部分组成。定子由永磁磁体和导磁铁轭两部分组成， 转子主要包括转轴、导磁铁心和磁工质三部分。图1所示为本专利技术具体实施方式之一。定子中的永磁磁体由两块空间位置相差180度的永 磁块组成，永磁块在图1所示永磁磁体系统横截面上的两条边为直线，而另两条边为圆弧，永 磁块的轴向端面为平面。两永磁块的充磁方向相同，该充磁方向与定子的径向方向一致，如图2 中箭头所示。导磁铁轭为中空圆柱形，由导磁金属材料制成。两个永磁块固定在导磁铁轭的内 腔壁上。永磁块一圆弧面的形状与导磁铁轭内腔壁一致，另一圆弧面与导磁铁轭内腔壁同心。转子的轴位于转子的中心位置，转子轴的中心点与导磁铁轭的几何中心点相重合。转子导 磁铁心为一削去两边的圆柱，有中心孔，套装在转子轴上,转子导磁铁心的横截面是一个带有两 条圆弧边的长形区域，尺寸较长的两条边为直线，尺寸较短的两条边为圆弧，磁工质紧贴在转 子导磁铁心的这两个圆弧面上。磁工质区域为圆弧形，有一定的径向厚度,与定子永磁块间留有一 定的间隙，间隙的大小可根据转子旋转的机械配合要求来确定。磁制冷机工作时，永磁磁体系统的转子沿某方向(顺时针或逆时针)旋转，当磁工质所占 据的区域位于定子永磁块下时，磁工质受到很大的磁化场，使磁工质材料磁化，其温度升高。 随着转子的转动，在磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质开始退磁。如图2所示，当 转子转过90度空间角度时，磁工质所受的磁化场为最小，此时它的温度变得最低。随着转子的 进一步旋转，磁工质所受的磁化场又变得越来越强，它的温度也不断增加。转子转过180度空 间角度时，磁工质磁化和退磁过程完成一次循环，它的温度变化也完成了一次循环，可利用这 一温度的变化来实现制冷。本实施例采用NdFeB48永磁材料，定子两个永磁块径向高度为30毫米v定子导磁铁轭的 内半径为100毫米、定子永磁块与转子导磁铁心之间径向间隙为IO毫米，磁工质位于定子永磁 块下时受到的磁化场场强达1.2 T，磁工质位于定子两永磁块之间时受到的磁化场场强小于 O.IT。如果增加永磁块的相对几何尺寸，磁工质位于定子永磁块下时所受到的磁化场场强将会 进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转磁制冷机用永磁磁体系统，包括定子和转子，转子包括转轴、导磁铁心和磁工质，其特征在于，定子由永磁磁体和导磁铁轭两部分组成，定子中的永磁磁体由两块空间位置相差１８０度的永磁块组成，两块永磁块充磁方向相同，充磁方向与定子的径向方向一致；两块永磁块固定在导磁铁轭的内腔壁上；定子导磁铁轭和转子导磁铁心共同组成永磁块所产生磁通的路径。

【技术特征摘要】
1、一种旋转磁制冷机用永磁磁体系统，包括定子和转子，转子包括转轴、导磁铁心和磁工质，其特征在于，定子由永磁磁体和导磁铁轭两部分组成，定子中的永磁磁体由两块空间位置相差180度的永磁块组成，两块永磁块充磁方向相同，充磁方向与定子的径向方向一致；两块永磁块固定在导磁铁轭的内腔壁上；定子导磁铁轭和转子导磁铁心共同组成永磁块所产生磁通的路径。2、 根据权利要求1所述的旋转磁制冷机用永磁磁体系统，其特征在于，定子永磁磁体的永 磁块在永磁磁体系统横截面上的两条边为直线，另外两条边为圆弧；永磁块的轴向端面为平面； 定子导磁铁轭为中空圆柱形，由导磁金属材料制成；永磁块一圆弧面的形状与导磁铁轭内腔壁 一致，另一圆弧面与导磁铁轭内腔壁同心；转子的中心点与定子导磁铁轭的几何中心点重合； 转子轴为圆柱形,由金属材料制成；...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏东，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]