引言能源是推动社会发展和科技进步的驱动力，人类的各项活动都离不开能源，且大多数能源都需要转换为热能才能供人们直接使用[1]，开发使用绿色的、可再生的能源已经迫在眉睫。风能是一种分布广泛、近乎无尽地可持续利用的清洁能源[2]，如何高效、因地制宜地使用风能，已成为我国乃至世界应对能源危机缓解环境污染的一大热点[3]。在我国北部冬季气温较低，且风能资源丰富，将风能致热技术应用于居民取暖，能大量减少不可再生资源的消耗，减轻对环境的污染[4-5]。风能驱动永磁涡流致热法是一种较优的利用风能致热的方法，其结构设计和材料选定会对致热功率产生巨大影响。文章主要简述风能驱动永磁涡流致热系统的工作原理，并针对目前改进其致热功率的各项研究与最新进展进行综述，分析总结影响其致热功率的各个因素，为在不同实际运行工况下对选择合适材料和设计合理结构提供建议，并对未来的研究方向提出展望。1风能驱动涡流致热系统风能致热是将风能转换成热能，目前主要有3种转换方法：一是通过风力发电机发电[6]，再利用电阻丝将电能转换为热能；二是将风力机和热泵结合，利用风力机驱动热泵系统的压缩机从而致热；三是利用风力机将风能转换为机械能，再转换成热能，简称风能直接致热。风能直接致热的方式主要有液体挤压式致热[7]、固体摩擦致热[8]、搅拌液体致热[9]和涡电流致热[10]。涡电流致热法主要是利用周期性变化的磁感线去切割导体，并在导体内形成涡流回路，从而产生热量。根据磁场的来源不同，该方法可细分为励磁式涡流致热和永磁式涡流致热。励磁式涡流致热的磁场来源于电能，永磁式涡流致热的磁场则由永磁体直接提供。风能驱动永磁涡流致热系统如图1所示。风力机带动增速箱的低速轴旋转，经增速箱增速后通过联轴器连接永磁转子，转子由永磁体和转轴组成，永磁体磁极错列且均匀排布在转轴上，高速旋转的永磁转子释放的磁感线以一定速率切割定子，从而在定子中产生涡电流并发热，再由流经定子的循环水带走定子上的热量，通过蓄热装置和暖气片完成系统循环[11]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.008.F001图1风能驱动永磁涡流致热系统目前主流永磁式涡流致热器主要有2种结构形式：平板式和圆筒式。平板式永磁涡流致热器如图2所示，圆筒式永磁涡流致热器如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.008.F002图2平板式永磁涡流致热器10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.008.F003图3圆筒式永磁涡流致热器2永磁涡流致热器系统模型永磁体转子由转轴和永磁体组成，p对永磁体均匀分布在转轴上，且磁极错列分布。假设转子的转速为n。根据电磁感应定律，感应电动势为：E=Blv (1)式(1)中：E——感应电动势，V；B——导体所在位置的磁感应强度，T；l——导体切割磁感线的有效长度，m；v——导体相对磁场垂直运动的线速度，m/s。感应电动势的频率为：f=pn60 (2)式(2)中：f——感应电动势频率，Hz；p——永磁体对数；n——转子的转速，r/min。线速度v还可表示为：v=2pnτ60=2τf (3)式(3)中：v——线速度，m/s；τ——转子中相邻磁极间的距离，m。由焦耳定律可得回路中的热量为：Q=I2Rt=E2Rt (4)式(4)中：Q——热量，J；I——金属块内的感生涡流，A；R——等效电阻，Ω；t——致热时间，s。永磁涡流致热器的致热功率为：P=Qt=E2R=4Blτf2R (5)式(5)中：P——致热功率，W。3风能驱动涡流致热系统理论分析由式(5)可知，永磁涡流致热器的致热功率主要与感应电动势频率、磁感应强度、等效电阻、定子长度和磁极间距有关。3.1感应电动势频率对涡流致热器致热功率的影响研究永磁涡流致热器的致热功率与感应电动势频率的平方成正比关系，而由式(3)可知，感应电动势的频率与转子的转速和永磁体的对数有关。3.1.1转子转速改变转子转速是改变感应电动势频率最简便、最直接的方法，转速越大产生感应电动势的频率就越高。陈垂灿[12]等搭建了永磁涡流致热器实验平台，利用变频电机带动永磁转子旋转。在其他条件保持不变的情况下，转子转速越大，温度升高的越快，最终温度越高，如图4所示。由式(2)可知，永磁转子转速和感应电动势的频率成正比。Tiberiu[13]等通过实验证实了永磁涡流致热器致热功率的增长与转速增加量的平方大致成正比关系。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.008.F004图4不同转速下温度随时间变化曲线3.1.2磁极对数由式(2)可知，磁极对数和转子转速对致热功率的影响效果相差无几，但在实际运行中却并非如此。改变磁极对数就改变了永磁涡流致热器内部结构，其极间距、总磁能积和磁场的分布都会发生相应改变，共同影响着致热器的致热功率。王福宝[11]等在试验中保持来风一定且增速箱传动比不变，改变磁极对数分别为4对、6对、8对。发现在永磁体极为6对时致热效果最好，如图5所示，因此增加磁极对数虽然可以相对加快磁场变化频率，但是随之也会出现其他影响因素降低致热功率。Tiberiu Tudorache和Mihail Popescu[14-15]等通过模拟分析证实：在转子转速不变的情况下，在一定范围内增加磁极对数可以提高致热功率，继续增加则会降低致热功率。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.008.F005图5不同磁极对数下温度随时间变化3.2磁感应强度对涡流致热器致热功率的影响研究3.2.1永磁体材料永磁涡流致热器中的励磁源主要是由转子上的永磁体提供，它是整个装置的核心，其材料对致热器的致热功率有很大影响。永磁材料剩磁越大致热效果越好；磁能积越大则可以在保证致热器性能不变的情况下，降低永磁体的厚度，提高经济性；居里温度越高，则永磁体抗高温能力越强。3.2.2永磁体的排列方式在永磁涡流致热器中，永磁体排列方式不同，产生磁感应强度也不同。王飞[16]等通过涡流致热的试验和Maxwell软件模拟分析。普通的永磁体N-S交错阵列如图6所示。Halbach永磁环形阵列如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.008.F006图6普通阵列10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.008.F007图7Halbach阵列对比发现在Halbach阵列中永磁体一侧的磁场大幅增加，另一侧的磁场大幅削弱[17]，使用同参数的永磁体，Halbach阵列能产生更强的磁场，致热器的致热效果更优。3.2.3磁路磁阻永磁体的材料选定后，磁路中的磁势就确定了，当永磁体排列方式不变时，影响磁感应强度的因素就是磁阻[18]。（1）气隙宽度。由于致热器分为转子和定子，且工作时需要高速旋转，因此就必然会有气隙的存在，且空气的相对磁导率为1，减小气隙可以降低磁路中的磁阻。陈垂灿[12]等搭建了永磁涡流致热器，发现气隙越小致热板升温越快，且能达到的最高温度越高。Tiberiu[14]等通过软件模拟发现，随着气隙宽度的增加，致热功率随之下降，可见较小的气隙宽度能提高装置的致热功率。但是在实际利用中过小的气隙对加工精度要求较高，且不利于安装和运行，因此选择合适的气隙宽度在实际应用中是十分重要的。（2）磁极本身的结构参数。磁极本身的结构参数会对气隙磁密的磁感应强度产生影响。王浩西[18]等对磁极结构参数进行了优化并利用软件进行了模拟分析。当选定永磁体材料后，改变永磁体的厚度从而改变永磁体的体积，使得磁势发生改变进而影响气隙磁密。随着永磁体的厚度增加，气隙中的磁密也随之增大，但永磁体的厚度增加到一定程度后会出现磁饱和的现象，气隙磁密也不会再有明显的变化。磁极尖宽度也会影响其气隙磁密分布，磁极尖宽度越小相对应的气隙磁密越大，但磁极尖的宽度过小会导致其面积变小使主磁通变小。3.3定子对涡流致热器致热功率的影响研究在永磁涡流致热器中，定子作为发热元件，其物理性质和结构设计都直接影响着致热功率的大小。3.3.1定子材料定子会经历高频率的充磁、退磁的反复过程，因此定子必须是软磁材料。定子材料还应该满足居里温度较高，电阻系数小以及导热性高等特点。居里温度较高可以保证系统在高速运行时，即使装置温度较高定子也保持着高的相对磁导率，不会因为温度过高而使磁性消失。当导体通入直流电流时，电流在横截面上均匀分布，但当交流电流流经导体时，导体表面的电流密度就会大于内部电流密度，且由外层以幂指数规律向内部递减，该现象称为趋肤效应[19]。在永磁涡流致热器中，定子会受到趋肤效应的影响，其趋肤深度为[20]：d=2ωμγ (6)式(6)中：ω——转子的角速度，rad/s；μ——金属磁导率，H/m；γ——金属电导率，S/m。在定子材料选定后，趋肤深度随着转子转速增大而减小。当趋肤深度变小时，通过交变电流的有效截面积就相应减小，电阻就会增大，而电阻的增大势必会影响涡流致热功率。选择电阻系数小的材料，在产生等值的感应电动势时能有更大的涡电流，在定子表面镀银，可以降低表面的电阻率，增大涡流致热功率。良好导热性能的定子，产生的热量导出较快，并通过循环水将热量带走，降低定子温度，减小消磁风险。在工程实际应用中，定子还应有较好的物理强度和加工性能等。王浩西[18]和王攀[21]应用Maxwell软件分析了不同的致热材料对磁场的影响，虽然所选的材料因材质相近而对致热器的致热功率影响不大，但也证实了致热材料不同会对致热功率产生影响。Tiberiu [14]等利用2D有限元分析法对永磁涡流致热器磁场进行研究分析，并对铝、铜和钢制成的管状定子进行模拟分析，发现磁导率更高的钢材料致热效果最优。3.3.2定子壁厚定子的壁厚对致热器的致热功率也有一定影响，较厚的定子相当于更多的导体切割磁感线，其致热功率也会较高一些。王飞[16]在保证其他条件不变的情况下，对1 mm和2 mm厚的定子进行温升对比实验，发现其温升速率相近但2 mm厚的致热板稳态温度比1 mm高了近6 ℃。Tiberiu Tudorache[14]等对壁厚9 mm~49 mm之间的定子进行数值分析，发现感应功率先随着壁厚的增加而增大并在壁厚为30 mm达到最大，之后就保持不变。3.3.3定子刻槽在确定了定子的材料和壁厚后，定子的结构也会影响涡电流场的分布。王攀[21]等利用Maxwell分析研究定子刻槽对永磁涡流致热器致热功率的影响。定子刻槽数目和宽度不同，气隙磁密的最大值和次大值也会不同，且当两者差值越大时致热器的致热功率相应也会越大。随着定子刻槽数量的增多，致热功率先增大后减小：当刻槽为19个时，气隙磁通密度的最大值同刻槽处气隙磁通密度的极大值与次大值的差值最大，致热功率最大；随着定子刻槽宽度的增加，磁通密度落差也随之增加，致热功率增加。因此为了提高致热器的致热功率，需要选择合适的定子刻槽数目，并在保证设备结构强度的同时适当增大刻槽宽度。4研究方向及展望（1）在分析磁极对数对致热功率的影响时，只有在一定范围内增加磁极对数才可以提高致热功率，继续增加则会降低致热功率，但并没有进一步深入分析其产生的原因。可以在保证总的永磁体宽度不变和转子转速一定的前提下，将其分为不同对数，并利用Maxwell对磁场进行分析，观察磁极间的漏磁现象和磁感应强度的改变，具体分析磁极对数对致热功率的影响。（2）由于趋肤效应，涡电流主要集中在定子内墙内表面，改变内表面的形状结构势必会对致热功率产生影响。而由于内墙外表面直接和流体接触，当其形状发生变化，不仅会对涡流致热功率产生影响，对流经其表面的流体流动和传热也会有一定影响，不可忽略。（3）目前虽然有研究采用Halbach永磁体阵列能有更佳的致热性能，但主要分析对象是在平板式永磁涡流致热器上，而在工程上圆筒式永磁涡流致热器相比于平板式更优。如何将Halbach阵列应用在圆筒式永磁涡流致热器上，如何更好地优化Halbach阵列会是未来的重点。（4）针对风能的不稳定性、间歇性，蓄热装置是保证系统输出稳定热源的关键。在永磁涡流致热器后连接一个相变蓄热器，在风速较低时，涡流致热器产生的低温热水可经相变蓄热器放热升温；在风速较高时，致热器产生的高温热水可经相变蓄热器吸热降温，从而输出稳定的热源。而相变材料的选择、蓄热器结构的设计对储热和放热都有着重要影响作用。5结语永磁涡流致热器致热功率的影响因素主要可分为感应电动势频率、磁感应强度和等效电阻。感应电动势频率随着转子转速的增大而增大；在一定的磁极对数范围内，随着磁极对数的增多感应电动势频率相应地增大。致热器内磁感应强度的大小主要由永磁体材料的选择和排列方式的选定、气隙宽度和磁极本身的结构参数所决定。定子的材料、壁厚和刻槽数量和宽度也会对永磁涡流致热器的致热功率产生一定的影响。为进一步提高风能驱动永磁涡流致热系统的实用性，通常还可以将其和别的能源系统相结合，如太阳能、生物质能等组成一个来源更广、效率更好、经济性更好的致热系统。