基于相變冷卻原理的磁場調制型永磁齒輪熱管散熱優化設計與試驗研究

摘要：【目的】針對磁場調制型永磁齒輪（Field Modulated Magnetic Gear， FMMG）易損耗、雙轉子氣隙機械結構散熱困難、影響運行穩定性的問題，考慮到FMMG結構在一般風冷條件的局限性，提出了基于相變冷卻熱管的調磁環高效散熱方案。【方法】針對輸出轉子調磁環散熱問題，以一臺132 kW磁場調制型永磁齒輪為研究對象，將熱管散熱方式引入到調磁環中，設計出一種風冷型熱管散熱結構；并采用仿真與試驗相結合的方法驗證了該方案的有效性。首先，建立一般風冷條件下的永磁齒輪空間流場模型，對永磁齒輪內部流場進行仿真分析；然后，根據損耗情況優化設計熱管散熱調磁環結構，通過仿真對比出加裝熱管前后調磁環散熱效果；最后進行了試驗驗證并將該技術應用至工程樣機。【結果】研究表明，基于相變冷卻原理的熱管技術能夠對調磁環進行高效散熱，同工況下調磁環溫升有效降低約9 ℃，可作為一種空間集約型散熱方案，以有效提高永磁齒輪運行穩定性。

關鍵詞：磁場調制型永磁齒輪；熱管；風冷；溫度場；損耗

中圖分類號：TH132. 41 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 018

0 引言

永磁齒輪基于磁場調制原理，以非接觸形式實現動力傳遞，具備免潤滑、自過載保護、低振動噪聲等諸多工程應用優點[1-2]，可有效避免機械齒輪傳動中的摩擦、打齒、疲勞等問題，為傳動領域提供了一種除機械齒輪以外的全新選擇，具備廣泛應用價值。磁場調制型永磁齒輪為同軸雙轉子雙氣隙結構，空間緊湊、氣隙狹小，在高頻磁場作用下，伴隨損耗發熱所帶來的溫升問題會對部件材料產生負面影響，嚴重時可能發生變形，導致機械摩擦、失去傳動能力。眾多學者針對提高永磁齒輪效率，降低損耗開展了研究[3-4]，提出許多減少漏磁、降低渦流損耗的方法，但損耗無法避免，對于大功率永磁齒輪而言，其損耗產熱更為嚴重。因此，從散熱角度出發，設計新型高效的散熱系統成為大功率永磁齒輪設計重點關注的問題之一。

工業機械設備常用的冷卻方式有風冷、液冷以及混合冷卻等[5-7]。風冷作為最常見的冷卻方式，系統結構簡單，但冷卻效率有限；液冷雖具有較高的冷卻效率，但額外附加的冷卻系統會使設備結構復雜度上升、機身質量增加，維護工作量增加，且一旦出現泄漏問題會造成設備嚴重損壞。而熱管散熱技術[8-10]基于相變冷卻原理，具有散熱效率高、熱響應速度快、結構可塑性強等優點，是電力電子領域常見的散熱技術，目前已逐漸拓展至電機冷卻領域，應用于旋轉體部件中實現高效散熱，成為新型研究熱點[11-13]。多項研究表明，熱管冷卻技術在電機領域具有較高冷卻效率[14-16]，可提高風冷工況下的冷卻效果，具備高度集成特性，針對高功率大損耗設備集中區域發熱量大的問題，可有效進行溫度傳導與分散緩解。

本文針對一臺功率為132 kW的磁場調制型永磁齒輪開展高效冷卻技術研究。在原有風冷結構基礎上，將熱管散熱技術引入永磁齒輪輸出轉子調磁環結構中，滿足緊湊結構情況下高散熱效率的需求，避免因高溫聚集出現結構熱膨脹變形而導致“掃膛”的情況。首先，建立永磁齒輪內部空間流場模型，以當前的風冷散熱方式進行仿真，分析得出區域邊界內風道流速分布情況；然后，結合永磁齒輪損耗計算結果對熱管排布方式及結構進行優化設計，建立風冷條件下的熱管冷卻系統有限元模型；最后，通過試驗對比驗證該冷卻系統結構優化后的散熱效果。