简介概要

旋转式室温磁制冷机用永磁磁路

来源期刊：稀有金属2005年第4期

论文作者：向志刚涂铭旌唐永柏陈云贵

关键词：磁热效应; 室温磁制冷机; 永磁磁路; 磁场;

摘要：随着室温磁制冷技术的发展, 许多具有巨磁热效应的材料被开发出, 但多是在高场强的超导磁体中获得的. 为应用磁制冷技术到家用空调和冰箱, 除了巨磁热效应的磁致冷材料外, 设计出高场强的永磁磁路也尤其重要. 针对旋转式室温磁制冷机, 采用有限元方法设计并制作了具有较高场强的永磁磁路, 在磁路工作气隙为20 mm时, 工作气隙中心的场强的计算值及实测值均高于1.5 T, 且计算值与实测值基本相符.

稀有金属 2005,(04),590-593+2-4 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.04.050

旋转式室温磁制冷机用永磁磁路

陈云贵向志刚涂铭旌

四川大学材料科学与工程学院,四川大学材料科学与工程学院,四川大学材料科学与工程学院,四川大学材料科学与工程学院四川成都610065 ,四川成都610065 ,四川成都610065 ,四川成都610065

摘要：

随着室温磁制冷技术的发展, 许多具有巨磁热效应的材料被开发出, 但多是在高场强的超导磁体中获得的。为应用磁制冷技术到家用空调和冰箱, 除了巨磁热效应的磁致冷材料外, 设计出高场强的永磁磁路也尤其重要。针对旋转式室温磁制冷机, 采用有限元方法设计并制作了具有较高场强的永磁磁路, 在磁路工作气隙为20mm时, 工作气隙中心的场强的计算值及实测值均高于1.5T, 且计算值与实测值基本相符。

关键词：

磁热效应;室温磁制冷机;永磁磁路;磁场;

中图分类号： TB65

收稿日期：2005-05-10

基金：国家“863计划”资助项目 (2002AA324010);

Permanent Magnetic Circuit for a Rotary Room-Temperature Magnetic Refrigerator

Abstract：

Most magnetic refrigerant materials with giantmagnetocaloric effect (GMCE) were developed, but thesematerials show GMCE at high applied magnetic fieldsprovided by a superconducting magnet . For applyingmagnetic refrigeration to air conditioners and householdrefrigerators , it is important toforma highfield strengthpermanent magnetic circuit besides applying magnetic re-frigerant materials with giant GMCE. Through the finiteelement calculations , a high field strength permanentmagnetic circuit for a rotary room-temperature magneticrefrigerator was designed and fabricated. When theheight of workingspace was 20 mm, thefieldstrengthsinthe center of working space were calculated and mea-sured.The values are all morethan1 .5 Tandthe valuesof calculation and measurement are consistent .

Keyword：

<Keyword>magnetocaloric effect ;room-temperature magnetic refrigeration;permanent magnetic circuit ; magnetic field;

Received： 2005-05-10

磁制冷是建立在磁热效应基础上的一种绿色制冷技术。所谓磁热效应是指磁致冷材料 (磁工质) 在变化的外磁场中表现出的磁工质本身的熵变和温变的一种物理现象 ^[1] 。表征磁致冷材料磁热性能的重要参数是材料的等温磁熵变 (ΔS_M) 和绝热温度变化 (ΔT_ad) , 其热力学表示式为 ^[2,3]

其中M为磁化强度, H为外磁场强度, C_H为一定磁场强度下的材料比热。通常磁致冷材料在其居里温度T_C附近具有较大的磁热效应。

为了使磁制冷机获得较大的制冷效果, 除了开发出具有巨磁热效应的磁工质外 ^[4] , 外磁场也是其关键技术之一。根据式 (1, 2) , 外磁场越高, 磁场强度的变化越大, 磁热效应越显著, 制冷效果越明显。从目前磁制冷的研究来看, 主要集中在室温磁制冷技术的研究开发, 特别是针对空调及家用冰箱的室温磁制冷样机的研究开发。在以往的室温磁制冷样机中, 如Brown ^[5] 设计的样机及Zimm等 ^[6] 设计的样机, 其磁场由液氦浸泡的超导磁体提供高场强, 最后实现的制冷温跨分别为80, 38K;制冷功率分别为6, 600 W。但很显然在家用的磁制冷机上使用超导磁体是不现实的, 于是人们就尝试使用永磁磁路为室温磁制冷机提供磁场, 如Kirol ^[7] 和Bohigas ^[8] 所设计的室温磁制冷样机, 但没能取得较好的制冷效果, 重要原因之一是永磁磁路所提供的场强低。因而, 在室温磁制冷中设计出能产生高场强 (普遍认为要高于1.5 T) 的永磁磁路就显得很重要。

1 磁路设计原理

在室温磁制冷中, 简单的永磁磁路设计方法就是把两块稀土永磁材料互相平行地对放, 形成磁体的两极 ^[8] 。在两极的间隙之间产生一定的磁场, 磁工质进出磁场, 进行磁化、退磁。但这种方式所提供的场强远不能满足室温磁制冷的需求为了提高场强, 人们又使用高磁导率的软磁材料贴在永磁体的两端, 形成有磁轭的磁体回路 ^[9] 。但产生的场强要超过永磁材料的剩磁仍很困难。

Leupold HA等 ^{[10,11,12,13,14]} 应用永磁块排列成一中空圆柱形磁场源, 在圆柱孔内 (气隙) 所产生的场强超过了永磁材料的剩磁B_r, 图1给出了这种中空圆柱形磁场源, 图中箭头表示磁块充磁方向。该设计是基于Halbach ^[15] 的旋转定理 (Rotation Theorem) , 每个永磁块充磁后的磁化矢量的大小一定, 方向按一定的角度进行改变。最后通过永磁块之间的磁力线互相约束, 在圆筒孔内产生高的均匀场。在圆筒孔心处的最大磁通密度B为

图1 中空圆柱形磁场源的结构

Fig.1 Configuration of hollow cylindrical flux source

这里r₀, r_i分别表示圆筒的外半径和内半径。很显然, 改变r₀和r_i的比值可使场强达到永磁材料的剩磁或更高。

2 旋转式室温磁制冷机永磁磁路设计

很显然, 上述图1所给出的中空圆柱形磁路结构, 其气隙沿径向方向被永磁块封住的, 磁工质只可从中空圆柱形磁体的两端进出, 虽然对于往复式磁制冷机是可用的, 但在旋转式磁制冷机中 (如图2所示) , 磁工质在电机驱动下做周期性的圆周运动, 以使磁工质进出磁场, 因而必须在磁路上沿径向开一缝隙。根据磁制冷样机总体设计的要求, 进行了磁路结构的改进 (见图3) , 图中磁块按一定顺序排列好后固定在外壳中, 外壳的上下端材料为A3钢, 可起到防止漏磁的作用, 其他部分采用无磁材料做成, 在气隙开口处的上端, 有一部分外壳比较薄, 这主要考虑到磁制冷机空间限制, 以防外壳与转动轴发生碰撞。磁路工作气隙的高度为20 mm (根据磁工质的厚度定) , 箭头表示磁块充磁方向, 其材料为38HNdFeB, 另外, 在磁路中加入了软磁材料FeCoV, 用作聚磁, 以提高工作气隙内的场强。整个磁路从上往下看成一梯形, 软磁材料作成圆环状, 与磁工质盘成同心圆, 以保证尽可能多的磁工质处在工作气隙内。

以圆弧所对圆心为原点, 工作气隙的中平面为XY平面, 根据磁路的对称性, 通过磁场计算得到XY平面的磁场分布如图4所示。另外计算出中平面上, 工作气隙内不同半径所对应的弧线上磁场的分布 (见图5) 。

从图4, 5所给出的计算结果可看出, 工作气隙内中平面上磁场强度的大小接近1.6 T, 且沿弧线 (周向) 有相当宽的均匀区 (大约10 cm) 。而沿径向存在一定的梯度, 是由漏磁所造成的, 这在一端开口的磁路结构中, 这种梯度是难以避免的。