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1、第29卷第4期稀有金属2005年8月Vol.29№.4CHINESEJOURNALOFRAREMETALSAug.2005旋转式室温磁制冷机用永磁磁路3唐永柏,陈云贵,向志刚,涂铭旌(四川大学材料科学与工程学院,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
2、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:TM144文献标识码:A文章编号:0258-7076(2005)04-0590-04磁制冷是建立在磁热效应基础上的一种绿色就尝试使用永磁磁路为室温磁制冷机提供磁场,[7][8]制冷技术。所谓磁热效应是指磁致冷材料(磁工如Kirol和Bohigas所设计的室温磁制冷样机,质)在变化的外磁场中表现出的磁工质本身的熵变但没能取得较好的制冷效果,重要原因之一是永[1]和温变的一种物理现象。表征磁致冷材料磁热磁磁路所提供的场强低。因而,在室温磁制冷中设性能的重要参数是材料的
3、等温磁熵变(ΔSM)和绝计出能产生高场强(普遍认为要高于115T)的永磁热温度变化(ΔTad),其热力学表示式为[2,3]磁路就显得很重要。H5MΔSM=∫0(5T)HdH(1)1磁路设计原理HT5MΔTad=∫0-()HdH(2)在室温磁制冷中,简单的永磁磁路设计方法CH5T其中M为磁化强度,H为外磁场强度,CH为一定就是把两块稀土永磁材料互相平行地对放,形成[8]磁场强度下的材料比热。通常磁致冷材料在其居磁体的两极。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。但这种方里温度TC附近具有较大的磁热效应。式所提供的场强远不能满足室温磁制冷的需
4、求。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],外磁场也为了提高场强,人们又使用高磁导率的软磁材料[9]贴在永磁体的两端,形成有磁轭的磁体回路。但是其关键技术之一。根据式(1,2),外磁场越高,产生的场强要超过永磁材料的剩磁仍很困难。磁场强度的变化越大,磁热效应越显著,制冷效果[10～14]LeupoldHA等应用永磁块排列成一中空越明显。从目前磁制冷的研究来看,主要集中在室圆柱形磁场源,在圆柱孔内(气隙)所产生的场强温磁制冷技术的研究开发,特别是针对空调及家超过了永磁材料的剩磁Br,图1给出了这种中空用冰箱的室温磁制冷样机的研究
5、开发。在以往的[5]圆柱形磁场源,图中箭头表示磁块充磁方向。该设室温磁制冷样机中,如Brown设计的样机及Zimm[15][6]计是基于Halbach的旋转定理(RotationTheorem),等设计的样机,其磁场由液氦浸泡的超导磁体每个永磁块充磁后的磁化矢量的大小一定,提供高场强,最后实现的制冷温跨分别为80,38方向按一定的角度进行改变。最后通过永磁块之K;制冷功率分别为6,600W。但很显然在家用的磁制冷机上使用超导磁体是不现实的,于是人们收稿日期:2005-05-10;修订日期:2005-06-25基金项目:国家“863计划”资助项目(2002AA32
6、4010)作者简介:唐永柏(1973-),男,湖南永州人,博士,讲师;研究方向:磁性功能材料及磁体技术3通讯联系人(E2mail:ygchen60@yahoo.com.cn)4期唐永柏等旋转式室温磁制冷机用永磁磁路591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20mm(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
7、一梯形,软磁材料作成圆环状,与磁工质盘成同心圆,以保证尽可能多图1中空圆柱形磁场源的结构的磁工质处在工作气隙内。Fig.1Configurationofhollowcylindricalfluxsource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,通过磁场计算得间的磁力线互相约束,在圆筒孔内产生高的均匀到XY平面的磁场分布如图4所示。另外计算出中场。在圆筒孔心处的最大磁通密度B为平面上,工作气隙内不同半径所对应的弧线上磁B=Brln(r0/ri)(3)场的分布(见图5)。这里r0,ri分别表示圆筒的外半径和内半径。很显从图4,5所给出的
8、计算结果可看出,工作气然
