基于相變冷卻原理的磁場(chǎng)調(diào)制型永磁齒輪熱管散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

摘要：【目的】針對(duì)磁場(chǎng)調(diào)制型永磁齒輪（Field Modulated Magnetic Gear， FMMG）易損耗、雙轉(zhuǎn)子氣隙機(jī)械結(jié)構(gòu)散熱困難、影響運(yùn)行穩(wěn)定性的問題，考慮到FMMG結(jié)構(gòu)在一般風(fēng)冷條件的局限性，提出了基于相變冷卻熱管的調(diào)磁環(huán)高效散熱方案。【方法】針對(duì)輸出轉(zhuǎn)子調(diào)磁環(huán)散熱問題，以一臺(tái)132 kW磁場(chǎng)調(diào)制型永磁齒輪為研究對(duì)象，將熱管散熱方式引入到調(diào)磁環(huán)中，設(shè)計(jì)出一種風(fēng)冷型熱管散熱結(jié)構(gòu)；并采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了該方案的有效性。首先，建立一般風(fēng)冷條件下的永磁齒輪空間流場(chǎng)模型，對(duì)永磁齒輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析；然后，根據(jù)損耗情況優(yōu)化設(shè)計(jì)熱管散熱調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真對(duì)比出加裝熱管前后調(diào)磁環(huán)散熱效果；最后進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證并將該技術(shù)應(yīng)用至工程樣機(jī)。【結(jié)果】研究表明，基于相變冷卻原理的熱管技術(shù)能夠?qū)φ{(diào)磁環(huán)進(jìn)行高效散熱，同工況下調(diào)磁環(huán)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(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)調(diào)制型永磁齒輪；熱管；風(fēng)冷；溫度場(chǎng)；損耗

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

0 引言

永磁齒輪基于磁場(chǎng)調(diào)制原理，以非接觸形式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，具備免潤(rùn)滑、自過(guò)載保護(hù)、低振動(dòng)噪聲等諸多工程應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)[1-2]，可有效避免機(jī)械齒輪傳動(dòng)中的摩擦、打齒、疲勞等問題，為傳動(dòng)領(lǐng)域提供了一種除機(jī)械齒輪以外的全新選擇，具備廣泛應(yīng)用價(jià)值。磁場(chǎng)調(diào)制型永磁齒輪為同軸雙轉(zhuǎn)子雙氣隙結(jié)構(gòu)，空間緊湊、氣隙狹小，在高頻磁場(chǎng)作用下，伴隨損耗發(fā)熱所帶來(lái)的溫升問題會(huì)對(duì)部件材料產(chǎn)生負(fù)面影響，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生變形，導(dǎo)致機(jī)械摩擦、失去傳動(dòng)能力。眾多學(xué)者針對(duì)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(wú)法避免，對(duì)于大功率永磁齒輪而言，其損耗產(chǎn)熱更為嚴(yán)重。因此，從散熱角度出發(fā)，設(shè)計(jì)新型高效的散熱系統(tǒng)成為大功率永磁齒輪設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

工業(yè)機(jī)械設(shè)備常用的冷卻方式有風(fēng)冷、液冷以及混合冷卻等[5-7]。風(fēng)冷作為最常見的冷卻方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tǒng)會(huì)使設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜度上升、機(jī)身質(zhì)量增加，維護(hù)工作量增加，且一旦出現(xiàn)泄漏問題會(huì)造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。而熱管散熱技術(shù)[8-10]基于相變冷卻原理，具有散熱效率高、熱響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是電力電子領(lǐng)域常見的散熱技術(shù)，目前已逐漸拓展至電機(jī)冷卻領(lǐng)域，應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)體部件中實(shí)現(xiàn)高效散熱，成為新型研究熱點(diǎn)[11-13]。多項(xiàng)研究表明，熱管冷卻技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域具有較高冷卻效率[14-16]，可提高風(fēng)冷工況下的冷卻效果，具備高度集成特性，針對(duì)高功率大損耗設(shè)備集中區(qū)域發(fā)熱量大的問題，可有效進(jìn)行溫度傳導(dǎo)與分散緩解。

本文針對(duì)一臺(tái)功率為132 kW的磁場(chǎng)調(diào)制型永磁齒輪開展高效冷卻技術(shù)研究。在原有風(fēng)冷結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將熱管散熱技術(shù)引入永磁齒輪輸出轉(zhuǎn)子調(diào)磁環(huán)結(jié)構(gòu)中，滿足緊湊結(jié)構(gòu)情況下高散熱效率的需求，避免因高溫聚集出現(xiàn)結(jié)構(gòu)熱膨脹變形而導(dǎo)致“掃膛”的情況。首先，建立永磁齒輪內(nèi)部空間流場(chǎng)模型，以當(dāng)前的風(fēng)冷散熱方式進(jìn)行仿真，分析得出區(qū)域邊界內(nèi)風(fēng)道流速分布情況；然后，結(jié)合永磁齒輪損耗計(jì)算結(jié)果對(duì)熱管排布方式及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立風(fēng)冷條件下的熱管冷卻系統(tǒng)有限元模型；最后，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證該冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的散熱效果。