基于脈動熱管和強制風冷的同軸式磁齒輪高效熱管理

摘要：【目的】磁場調(diào)制型磁齒輪以其同軸式結(jié)構(gòu)大幅度提升了傳動能力，使其可以與機械齒輪相媲美。但狹長氣隙的同軸式結(jié)構(gòu)使其面臨散熱難題，高溫容易導(dǎo)致永磁體性能下降，甚至退磁，傳動失效。基于此，提出了基于脈動熱管相變冷卻和強制風冷的組合高效熱管理技術(shù)?！痉椒ā炕诹鞴恬詈戏抡?，描述了脈動熱管由啟動至動態(tài)平衡循環(huán)的工作過程，研究了充液率等參數(shù)對等效熱導(dǎo)率的影響規(guī)律，分析了不同散熱方式時磁齒輪的溫度場分布情況?！窘Y(jié)果】有限元分析和試驗結(jié)果表明，單獨脈動熱管和強制風冷在磁齒輪散熱方面均存在一定的局限性，熱管與強制風冷的組合冷卻方式具有高效的散熱效果，可以為高功率密度磁齒輪的實現(xiàn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：磁齒輪；磁場調(diào)制；脈動熱管；強制風冷；組合散熱

中圖分類號：TH132 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 016

0 引言

磁場調(diào)制型磁齒輪（Field Modulated Magnetic Gear，F(xiàn)MMG）采用同軸式拓撲結(jié)構(gòu)，大幅度提高了永磁體利用率，其輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩密度高達274 kN·m/m3[1]，使其傳動能力幾乎可以和機械齒輪相媲美，可廣泛應(yīng)用于車輛、機車牽引、化工等領(lǐng)域[2]。

隨著FMMG轉(zhuǎn)矩密度和轉(zhuǎn)速的不斷提升，永磁體渦流損耗引起的溫升極易引起永磁體性能下降，傳動效率降低，甚至退磁導(dǎo)致傳動失效 [3-5]。因此，F(xiàn)MMG渦流損耗和溫度場方面的研究已成為高功率密度FMMG研發(fā)中的重點內(nèi)容之一。學(xué)者們采用在定子上增加調(diào)制槽[6]、不同材料[7]、永磁體分塊[8]、添加隔磁槽[9]等方式，降低了FMMG的渦流損耗，提高了FMMG 機構(gòu)的傳動效率。但作為傳動系統(tǒng)，F(xiàn)M?MG在高轉(zhuǎn)速時的渦流損耗仍較大，箱體內(nèi)的較高溫度成為制約其功率密度提升的關(guān)鍵。由于FMMG的3個主要構(gòu)件之間存在狹長氣隙，風冷無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩側(cè)氣流的流通，散熱效果一般[10]；而水冷只適合布置于固定不動的構(gòu)件中，不適合存在兩個回轉(zhuǎn)構(gòu)件的同軸式結(jié)構(gòu)。

熱管作為一種相變冷卻用元件，具有體積小、導(dǎo)熱效果極佳的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種類型的電機[11-13]、核反應(yīng)堆[14]、電池[15-16]等領(lǐng)域，可以通過熱管與浸入式冷卻等的結(jié)合來提高電動車電池的冷卻效果[17]。學(xué)者們通過改進熱管的微觀結(jié)構(gòu)，使得熱管的等效熱導(dǎo)率可高達25 000 W/（m·K）[18]，使熱管成為微電子器件，尤其成為超薄手機和平板電腦散熱系統(tǒng)的最佳選擇[19-20]。而脈動熱管（Pulsating HeatPipe， PHP）與傳統(tǒng)熱管相比，具有結(jié)構(gòu)簡單無芯、形狀可以任意彎曲、體積小等優(yōu)點，已應(yīng)用于航空航天及旋轉(zhuǎn)類機械領(lǐng)域[21]。

本文綜合考慮FMMG的結(jié)構(gòu)特點和PHP的優(yōu)越性能，在分析脈動熱管啟動過程及影響等效熱導(dǎo)率的主要因素，討論FMMG機構(gòu)單獨風冷、單獨熱管傳熱的基礎(chǔ)上，提出了風冷和PHP組合散熱的熱管理模式；通過有限元仿真和試驗證明，組合散熱具有極佳的效果，可為高轉(zhuǎn)矩密度FMMG提供熱管理理論和技術(shù)支持。

1 無冷卻系統(tǒng)時FMMG 溫度場分布

1. 1 FMMG傳動原理

FMMG從結(jié)構(gòu)上分為3部分，分別為內(nèi)磁環(huán)、調(diào)磁環(huán)和外磁環(huán)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)磁環(huán)和外磁環(huán)均由背鐵和永磁體組成，調(diào)磁環(huán)由導(dǎo)磁塊與非導(dǎo)磁塊均勻交替排布組成并通過氣隙與內(nèi)、外磁環(huán)隔開。