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】磁場調制型磁齒輪以其同軸式結構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構使其面臨散熱難題，高溫容易導致永磁體性能下降，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。【方法】基于流固耦合仿真，描述了脈動熱管由啟動至動態平衡循環的工作過程，研究了充液率等參數對等效熱導率的影響規律，分析了不同散熱方式時磁齒輪的溫度場分布情況。【結果】有限元分析和試驗結果表明，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提供技術支持。

關鍵詞：磁齒輪；磁場調制；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

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

隨著FMMG轉矩密度和轉速的不斷提升，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，甚至退磁導致傳動失效 [3-5]。因此，FMMG渦流損耗和溫度場方面的研究已成為高功率密度FMMG研發中的重點內容之一。學者們采用在定子上增加調制槽[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 機構的傳動效率。但作為傳動系統，FM?MG在高轉速時的渦流損耗仍較大，箱體內的較高溫度成為制約其功率密度提升的關鍵。由于FMMG的3個主要構件之間存在狹長氣隙，風冷無法實現轉子兩側氣流的流通，散熱效果一般[10]；而水冷只適合布置于固定不動的構件中，不適合存在兩個回轉構件的同軸式結構。

熱管作為一種相變冷卻用元件，具有體積小、導熱效果極佳的優點，被廣泛應用于各種類型的電機[11-13]、核反應堆[14]、電池[15-16]等領域，可以通過熱管與浸入式冷卻等的結合來提高電動車電池的冷卻效果[17]。學者們通過改進熱管的微觀結構，使得熱管的等效熱導率可高達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的最佳選擇[19-20]。而脈動熱管（Pulsating HeatPipe， PHP）與傳統熱管相比，具有結構簡單無芯、形狀可以任意彎曲、體積小等優點，已應用于航空航天及旋轉類機械領域[21]。

本文綜合考慮FMMG的結構特點和PHP的優越性能，在分析脈動熱管啟動過程及影響等效熱導率的主要因素，討論FMMG機構單獨風冷、單獨熱管傳熱的基礎上，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，可為高轉矩密度FMMG提供熱管理理論和技術支持。

1 無冷卻系統時FMMG 溫度場分布

1. 1 FMMG傳動原理

FMMG從結構上分為3部分，分別為內磁環、調磁環和外磁環，結構如圖1所示。內磁環和外磁環均由背鐵和永磁體組成，調磁環由導磁塊與非導磁塊均勻交替排布組成并通過氣隙與內、外磁環隔開。