磁齒輪復(fù)合電機(jī)（MGM）是一種自帶減速效應(yīng)的新型多氣隙磁場(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)。磁齒輪復(fù)合電機(jī)將磁力齒輪與電機(jī)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊化和高效化，同時(shí)兼具非接觸傳動(dòng)特性，使其在過載保護(hù)、密封傳動(dòng)、振動(dòng)噪聲、可靠性和維護(hù)性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，近年來在混動(dòng)/電動(dòng)汽車、低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用前景獲得了業(yè)界的廣泛關(guān)注。磁齒輪復(fù)合電機(jī)非接觸傳動(dòng)的特點(diǎn)使其在醫(yī)藥食品、新能源發(fā)電、石油化工等方面具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

通過近20年的研究，磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷豐富，設(shè)計(jì)優(yōu)化方法不斷完善，對(duì)其工作原理、運(yùn)行策略、加工方式、性能計(jì)算等研究不斷深入。近年來，科研人員正有力推進(jìn)磁齒輪復(fù)合電機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。如何在保留非接觸傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，彌補(bǔ)磁齒輪復(fù)合電機(jī)在減速比、轉(zhuǎn)矩密度、成本方面的劣勢(shì)，是目前該類電機(jī)的主要發(fā)展方向。另外，磁齒輪復(fù)合電機(jī)雙機(jī)械端口特性在動(dòng)力分配方面的應(yīng)用也是目前研究的熱點(diǎn)之一。

1 提升減速比

為實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)矩密度，傳統(tǒng)磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪的減速比一般較低，難以實(shí)現(xiàn)高于20的減速比，而一般用于風(fēng)力發(fā)電的電機(jī)系統(tǒng)需要50以上的減速比；另一方面，更高的減速比也有助于降低電機(jī)的尺寸和銅耗，提升電機(jī)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩和效率。

韓國朝鮮大學(xué)團(tuán)隊(duì)率先指出采用軸向串聯(lián)雙級(jí)（dual-stage）磁力齒輪提升減速比可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)功率密度的提升，其減速比為兩級(jí)磁齒輪減速比的乘積；波特蘭州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)將軸向串聯(lián)的雙級(jí)磁齒輪復(fù)合電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于海洋發(fā)電領(lǐng)域，并進(jìn)行了樣機(jī)制造與測(cè)試。意大利卡利亞里大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在徑向串聯(lián)雙級(jí)磁力齒輪的設(shè)計(jì)方法以及諧波抑制等方面進(jìn)行了研究。

有學(xué)者提出一種利用徑向串聯(lián)-差分方式進(jìn)一步提高減速比的磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)，通過將兩個(gè)減速比相近的磁齒輪徑向串聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)高于兩者乘積的減速比；有學(xué)者詳細(xì)介紹了此類串聯(lián)差分型磁力齒輪的減速原理及運(yùn)行方式。

圖1 雙級(jí)磁力齒輪及復(fù)合電機(jī)

2 提升轉(zhuǎn)矩密度

目前，磁力齒輪在轉(zhuǎn)矩密度上大多仍未能達(dá)到常規(guī)商用機(jī)械齒輪箱250N?m/L以上的轉(zhuǎn)矩密度，這一定程度上限制了磁齒輪復(fù)合電機(jī)在航空航天等高端領(lǐng)域的競(jìng)爭力。如何提升磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度成為科研人員近年來主要關(guān)注的一個(gè)問題。由于磁力齒輪具有與電機(jī)類似的電磁結(jié)構(gòu)，磁力齒輪與電機(jī)的緊湊復(fù)合效果較機(jī)械齒輪箱更好，在一定程度上彌補(bǔ)了磁力齒輪轉(zhuǎn)矩密度較低的問題。

未來，研究人員將主要在兩個(gè)維度上追求更高轉(zhuǎn)矩密度的磁齒輪復(fù)合電機(jī)設(shè)計(jì)，一方面是通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與尺寸參數(shù)優(yōu)化不斷提升轉(zhuǎn)矩性能；另一方面是通過提升磁齒輪與電機(jī)的復(fù)合程度，增加電磁有效部分（永磁體、鐵心）以及機(jī)械部件的復(fù)用率。此外，隨著永磁材料磁性能的不斷進(jìn)步，以及超導(dǎo)材料等新材料的應(yīng)用，磁齒輪復(fù)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度有望達(dá)到甚至超越機(jī)械齒輪-電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩密度。

3 高性能低成本

由于具有多層永磁結(jié)構(gòu)，且磁力齒輪需較厚的永磁體以提升傳遞轉(zhuǎn)矩，磁齒輪復(fù)合電機(jī)的永磁體用量一般較高，因此其制造成本高于常規(guī)永磁電機(jī)。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，研究人員普遍關(guān)注的永磁體利用率是指單位體積永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小。如何提升永磁體利用率，以降低磁齒輪復(fù)合電機(jī)的材料成本，推進(jìn)其在車用輪轂電機(jī)等成本敏感場(chǎng)合的應(yīng)用，是目前磁齒輪復(fù)合電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

交替極永磁結(jié)構(gòu)能夠在磁齒輪及磁齒輪復(fù)合電機(jī)中起到增加永磁體利用率、減少永磁體用量的效果，主要原因之一是交替極結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較高的磁阻轉(zhuǎn)矩；另外，日本芝浦工業(yè)大學(xué)的K. Asio團(tuán)隊(duì)多年來在磁阻型磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)方面進(jìn)行了較為深入的研究，指出少極轉(zhuǎn)子磁阻型磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)系統(tǒng)能夠減少磁鋼用量，且較傳統(tǒng)磁齒輪復(fù)合電機(jī)更適合高速旋轉(zhuǎn)，能夠降低電機(jī)體積，進(jìn)一步提升電機(jī)系統(tǒng)的功率密度。

4 無級(jí)變速磁齒輪/多機(jī)電端口電機(jī)

隨著混合動(dòng)力汽車的發(fā)展和普及，作為內(nèi)燃機(jī)與外部負(fù)載的紐帶，用于機(jī)械能變速分配以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)高效工作的無級(jí)變速器得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，其整套系統(tǒng)包括機(jī)械行星齒輪、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)以及部分離合器，其中，行星齒輪起到分配輸入、輸出端機(jī)械功率以及電機(jī)電功率的作用。三模塊均旋轉(zhuǎn)的同心磁力齒輪與行星齒輪具有相似的端口特性，基于磁力齒輪的無刷式無級(jí)變速裝置近十年來成為研究熱點(diǎn)。

2011年英國謝菲爾德大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種減速比可調(diào)的三轉(zhuǎn)子無刷無級(jí)變速器，其通過在磁齒輪少極轉(zhuǎn)子外側(cè)增加一套控制電樞繞組實(shí)現(xiàn)對(duì)空轉(zhuǎn)少極轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制，從而調(diào)節(jié)多極轉(zhuǎn)子及調(diào)制轉(zhuǎn)子的減速比和轉(zhuǎn)矩比。香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過增加一套功率繞組實(shí)現(xiàn)了該無刷無級(jí)變速器與電機(jī)的集成，如圖2所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)近年來專注于雙轉(zhuǎn)子無刷電磁無級(jí)變速器的研究，以省去三轉(zhuǎn)子無刷e-CVT中空轉(zhuǎn)的永磁轉(zhuǎn)子。其本質(zhì)是將磁齒輪的少極永磁轉(zhuǎn)子替換成電樞勵(lì)磁定子，通過改變電流頻率實(shí)現(xiàn)少極磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速變化，從而調(diào)節(jié)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的減速比和轉(zhuǎn)矩比，團(tuán)隊(duì)還提出將這一拓?fù)渑c永磁電機(jī)軸向串聯(lián)構(gòu)成無刷式無級(jí)變速型復(fù)合電機(jī)。

圖2 無刷電磁e-CVT及復(fù)合電機(jī)

香港理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種單定子雙繞組的雙調(diào)制型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，其功率繞組和控制繞組置于同一定子槽內(nèi)，通過調(diào)節(jié)控制繞組的頻率同樣實(shí)現(xiàn)了磁力齒輪的減速比變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出機(jī)械端口轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)也在多機(jī)電端口磁齒輪復(fù)合電機(jī)的拓?fù)湟约半p繞組解耦方面進(jìn)行了較為深入的研究。

本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“磁齒輪復(fù)合永磁電機(jī)拓?fù)浼皯?yīng)用綜述”。第一作者為黃海林，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）博士研究生，研究方向?yàn)榇帕X輪與新型永磁電機(jī)。通訊作者為李大偉，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）副教授，研究方向?yàn)樾滦陀来烹姍C(jī)、伺服電機(jī)和電動(dòng)飛機(jī)用電機(jī)系統(tǒng)。本課題得到了國家自然科學(xué)基金的資助。