調(diào)頻類型的巨磁阻抗效應(yīng)電流互感器

由于鐵芯磁導(dǎo)率和損耗角的非線性以及剩磁現(xiàn)象，傳統(tǒng)的電流互感器體積大、準(zhǔn)確度低，難以滿足電力系統(tǒng)的計(jì)量需要。非晶導(dǎo)線或非晶薄膜器件所具有的巨磁阻抗效應(yīng)能夠?qū)O其微弱的磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，并且體積很小。本項(xiàng)目將利用巨磁阻抗器件測(cè)量被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和互感器的勵(lì)磁磁場(chǎng)，通過(guò)改善磁平衡提高電流互感器的測(cè)量準(zhǔn)確度。同時(shí)，基于巨磁阻抗器件所構(gòu)成振蕩電路將產(chǎn)生被測(cè)電流的高頻調(diào)制信號(hào)，用于傳送至遠(yuǎn)端的監(jiān)控測(cè)量設(shè)備。由于巨磁阻抗器件是無(wú)源器件，所以互感器的電路具有很低的能耗，同時(shí)調(diào)頻信號(hào)的傳輸提高了測(cè)量系統(tǒng)的抗噪聲能力?；谝浑A過(guò)采樣技術(shù)可以將高頻調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流采樣數(shù)據(jù)，最終完成電流的準(zhǔn)確測(cè)量。本項(xiàng)目將基于巨磁阻抗的磁化特性張量分析磁場(chǎng)分布特性，進(jìn)而推導(dǎo)電路等效模型，并建立電路描述方程，解決巨磁阻抗器件與互感器鐵芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振蕩電路拓?fù)溥x擇和電路參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。 2100433B

磁卡效應(yīng)（magnetocaloriceffect）順磁與鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，磁矩由雜亂變?yōu)橛行?，原子磁矩之間及與外磁場(chǎng)之間的相互作用能降低，它的磁熵減小，排出熵的過(guò)程也就是放熱的過(guò)程。反之，在取消磁場(chǎng)的過(guò)程中，磁性物質(zhì)的磁矩由有序而變?yōu)殡s亂，從外界吸收能量，磁熵增加，在系統(tǒng)絕熱的情況下則磁性物質(zhì)本身降溫。這種由外磁場(chǎng)變化而引起磁性物質(zhì)放熱或吸熱的現(xiàn)象稱為磁卡效應(yīng)。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)于1918年首先觀察到， 當(dāng)磁化場(chǎng)突然增大到0.8～1.6MA/m時(shí)，鐵磁體 (Ni或Fe)的溫度將上升1～2℃。磁卡效應(yīng)產(chǎn)生的 原因是：設(shè)想當(dāng)鐵磁體被加熱時(shí)，各個(gè)原子的自旋將吸收一部分熱量使它們平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一強(qiáng)磁場(chǎng)使各個(gè)自旋平行排列的有序程度增加，則必然放出熱量，因?yàn)槭墙^熱過(guò)程，故磁體的溫度上升。由于磁卡效應(yīng)是通過(guò)自旋排列的有序程度變化而產(chǎn)生的，可知此效應(yīng)在居里點(diǎn)附近最為顯著，這是因?yàn)樵诰永稂c(diǎn)附近加一定磁場(chǎng)可使磁化強(qiáng)度有較大的增加。相反，如果在一定溫度下 突然去掉外加的磁化場(chǎng)，將使磁體的溫度下降。因 此利用這一效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)磁致冷。 2100433B

基于“磁熱效應(yīng)”（MCE）的磁制冷是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)制冷技術(shù)的一種有希望的替代方法。在有這種效應(yīng)的材料中，施加和除去一個(gè)外加磁場(chǎng)時(shí)磁動(dòng)量的排列和隨機(jī)化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環(huán)境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當(dāng)在上個(gè)世紀(jì)90年代后期被發(fā)現(xiàn)時(shí)曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質(zhì)有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)在該材料表現(xiàn)出大的磁熱效應(yīng)的溫度范圍內(nèi)循環(huán)其磁化時(shí)，它會(huì)因磁滯現(xiàn)象而損失大量能量。但是，研究人員找到了克服這一問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。只是通過(guò)添加少量鐵，就可將磁滯現(xiàn)象減少90%，所獲得的合金成為一種性能得到很大改善的制冷物質(zhì)，可在接近室溫的環(huán)境下應(yīng)用。

在日常生活中，我們通常使用空調(diào)、冰箱和冰柜來(lái)制冷，但它們都需要能量驅(qū)動(dòng)，所消耗的電能占到美國(guó)家庭耗電量的1/3。而一項(xiàng)依賴于磁體的全新制冷技術(shù)，能顯著降低這部分能耗。

大多數(shù)商業(yè)化制冷機(jī)，都是通過(guò)反復(fù)壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來(lái)制冷。隨著制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設(shè)備中吸出帶走。然而，壓縮機(jī)的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個(gè)分子對(duì)大氣層的加熱效率要比一個(gè)二氧化碳分子至少高1 000倍。

美國(guó)宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人員正在研發(fā)一種不使用壓縮機(jī)，而是基于磁體的新型制冷機(jī)。從某種程度上來(lái)說(shuō)，所有磁性材料都會(huì)在被置入磁場(chǎng)后升溫，在移出磁場(chǎng)后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”(magnetocaloric effect)。原子通過(guò)自身振動(dòng)貯存能量；而當(dāng)外加磁場(chǎng)將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動(dòng)時(shí)，金屬原子的振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，溫度隨之增加。移除磁場(chǎng)后，溫度則會(huì)降低。雖然這一效應(yīng)早在1881年就被發(fā)現(xiàn)，但它的商用價(jià)值卻一直被人忽視。這是因?yàn)椋瑥睦碚撋蟻?lái)說(shuō)，只有在極低的溫度下使用超導(dǎo)磁體，才能將這種效應(yīng)最大化到產(chǎn)生可利用的效果。然而在1997年，美國(guó)能源部愛(ài)艾姆斯實(shí)驗(yàn)室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，一種由釓、硅和鍺構(gòu)成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應(yīng)。自那時(shí)起，美國(guó)宇航公司還陸續(xù)把注意力集中在具有同樣性質(zhì)的其他合金上。

美國(guó)宇航公司正在設(shè)計(jì)一種空調(diào)，目標(biāo)是為面積約100平方米的公寓或住宅制冷。這種空調(diào)里有一個(gè)小而平的、由某種此類合金制成的多孔楔形體構(gòu)成的圓盤。在圓盤兩側(cè)，固定著一個(gè)環(huán)形永磁體。磁體中空，里面分布著強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)磁致熱楔形體會(huì)通過(guò)這個(gè)通道而升溫，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)出磁場(chǎng)范圍而冷卻。在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的液體被這些旋轉(zhuǎn)的楔形體反復(fù)加熱和冷卻，冷卻后的液體就能從房間中吸走熱量。精心設(shè)計(jì)的磁體能夠防止磁場(chǎng)從設(shè)備中溢出，所以它不會(huì)影響到附近的電子儀器或人身上的心臟起搏器。

在傳統(tǒng)制冷機(jī)中，核心部件是壓縮機(jī)。而在磁體制冷機(jī)中，核心部件是帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，而馬達(dá)通常要比壓縮機(jī)的能量效率高得多。美國(guó)宇航公司的目標(biāo)是在2013年制造出一臺(tái)原型機(jī)，能在達(dá)到同樣制冷能力的情況下將耗電量降低1/3。磁體制冷機(jī)還有一個(gè)額外的顯著優(yōu)點(diǎn)：它只是用水來(lái)輸送熱量，“你沒(méi)法找到比水更環(huán)保的材料了，”美國(guó)宇航公司技術(shù)中心經(jīng)理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)說(shuō)。

但是別說(shuō)把這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺(tái)原型機(jī)，也需要跨過(guò)許多障礙。首先，如何控制水流通過(guò)多孔的楔形體就是個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)閳A盤要以每分鐘360~600轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)。此外，磁體由一種昂貴的釹—鐵—硼合金制成，因此，如果要想商業(yè)化生產(chǎn)，在仍能保持提供足夠強(qiáng)磁場(chǎng)的前提下盡可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學(xué)(University of Victoria)的機(jī)械工程師安德魯·羅(Andrew Rowe)所說(shuō)：“這是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，但它有巨大的應(yīng)用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。”

研究人員還在試驗(yàn)其他一些特殊制冷技術(shù)。美國(guó)Sheetak公司，正在研發(fā)一種完全不使用制冷劑的制冷設(shè)備，它依賴于一種所謂的“熱電材料”(thermoelectric material)，基于帕爾特效應(yīng)開(kāi)發(fā)的熱電半導(dǎo)體制冷芯片，接通直流電后，芯片的一面變冷，另一面變熱。不管怎樣，降低燃料消耗和減少溫室氣體排放總會(huì)為我們帶來(lái)一個(gè)清涼的世界。