磁齒輪復合電機（MGM）是一種自帶減速效應的新型多氣隙磁場調(diào)制型永磁電機。磁齒輪復合電機將磁力齒輪與電機復合，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊化和高效化，同時兼具非接觸傳動特性，使其在過載保護、密封傳動、振動噪聲、可靠性和維護性等方面具有顯著優(yōu)勢。

目前，磁力齒輪及其復合電機在市場上已出現(xiàn)不少成熟產(chǎn)品，其應用領域也在不斷擴展。近年來在混動/電動汽車、低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)、航空航天等領域的應用前景獲得了業(yè)界的廣泛關(guān)注。磁齒輪復合電機非接觸傳動的特點使其在醫(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>

1 新能源發(fā)電

新能源發(fā)電裝置往往安裝于交通不便、環(huán)境惡劣的地區(qū)，發(fā)電系統(tǒng)較高的可靠性及壽命對此類應用尤為重要，而傳統(tǒng)機械傳動裝置需定期潤滑更換，維護成本高。

具有高功率因數(shù)以及低速大轉(zhuǎn)矩特點的磁齒輪復合電機在海洋能、風能、太陽能發(fā)電等領域具有顯著的性能優(yōu)勢；帶有無級變速功能磁齒輪復合電機能夠適應風速和潮汐的周期變化，以提供穩(wěn)定網(wǎng)側(cè)電頻率；更重要的是，磁齒輪自有的無需潤滑維護、壽命長、自帶過載保護的機制使其較機械齒輪箱-電機的傳統(tǒng)直驅(qū)電機系統(tǒng)更為適用于維護普遍困難的新能源發(fā)電裝置。

英國Magnomatics公司目前已成功測試一臺500kW風力發(fā)電機以及一臺小尺寸潮汐能發(fā)電機，均采用偽直驅(qū)型磁齒輪復合電機拓撲，如圖1所示。海洋能發(fā)電被認為是磁齒輪復合電機的優(yōu)勢應用領域，近年來美國能源部分別支持波特蘭州立大學以及德州農(nóng)機大學聯(lián)合ABB團隊開展用于海洋能發(fā)電的大轉(zhuǎn)矩磁齒輪復合電機系統(tǒng)，并取得了階段性成果。

圖1

在潮汐發(fā)電和斯特林太陽能發(fā)電領域，傳統(tǒng)的滾珠絲杠等旋轉(zhuǎn)-直線傳動裝置存在卡死風險，可靠性和效率較低；采用永磁絲杠與電機復合的磁齒輪復合電機能有效提升發(fā)電裝置壽命及可靠性。

蘭州理工大學包廣清團隊近年來將磁齒輪復合電機應用于碟式斯特林太陽能發(fā)電領域，其采用如圖1b所示的圓筒型永磁絲杠復合電機結(jié)構(gòu)，能將往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C的旋轉(zhuǎn)運動，減少了傳動環(huán)節(jié)和機械部件帶來的磨損，取得了良好的效果。

2 電動/混動汽車

自磁齒輪復合電機被提出以來，其體積質(zhì)量小、振動噪聲低的特點使其在電動汽車輪轂電機上的應用得到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。另外，以磁力齒輪復合電機為核心的無級變速-電機系統(tǒng)在混合動力汽車領域具有十分廣闊的應用前景，相較傳統(tǒng)無級變速裝置能夠減少機械傳動機構(gòu)，提升燃油效率，未來有望取代現(xiàn)有的機械行星齒輪傳動系統(tǒng)，成為下一代混動汽車的核心部件。

現(xiàn)階段，如何降低輪轂電機簧下質(zhì)量，以及降低電驅(qū)動系統(tǒng)的體積和成本是產(chǎn)業(yè)界重點關(guān)注的問題，磁齒輪復合電機將繼續(xù)在輕質(zhì)化和低成本上不斷發(fā)展，實現(xiàn)對傳統(tǒng)機械傳動及動力分配裝置的替代。

3 船舶電推進

磁齒輪復合電機省去了機械減速裝置，無需定期潤滑維護，其受到環(huán)境溫度、濕度的影響較小，能夠長期可靠運行。這些特性使磁齒輪復合電機也十分適用于對可靠性和維護性要求較高的船舶電力推進場合。

有學者研發(fā)并試驗了一款3kW磁齒輪復合電機在小型無人電力船舶推進中的應用，表明磁齒輪具有過載保護以及高可靠性的優(yōu)勢。目前，分別基于英國Magnonatics公司以及美國德州農(nóng)機大學Hamid課題組的科研團隊，英美兩國均在穩(wěn)步推進磁齒輪復合電機在下一代大型電力船舶推進系統(tǒng)中的應用。

4 食品醫(yī)藥/石油化工

磁齒輪復合電機具有非接觸傳動的特性，這使其能夠充分滿足食品醫(yī)藥/石油化工等領域?qū)γ芊鈧鲃拥男枨蟆Ｍㄟ^在氣隙處設置密封層，英國謝菲爾德大學專利給出了磁齒輪及復合電機應用于密封傳動的幾種結(jié)構(gòu)布置方式。

德國Witte泵業(yè)公司目前已推出基于磁力齒輪的電驅(qū)動泵，除了具備傳統(tǒng)磁耦合泵密封傳動的特點外，還能提升電機轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對機械齒輪的替代。德國GEORGII KOBOLD公司推出的密封傳動磁齒輪復合電機，具有清潔可靠、無潤滑油泄漏風險、高效低噪等特點，在提升輸出轉(zhuǎn)速的同時保持了可觀的功率密度，該產(chǎn)品在食品、醫(yī)藥方面已獲得應用。

5 航空航天

因無需潤滑、可靠性高，磁齒輪復合電機在航空航天電驅(qū)動系統(tǒng)的應用也獲得了許多關(guān)注。香港城市大學團隊探討了通過復合磁力齒輪提升多極直驅(qū)型永磁電機輸出轉(zhuǎn)速的可行性，以滿足電動飛機高速直驅(qū)的應用需求。研究表明，相較傳統(tǒng)電機，升速型磁齒輪復合電機能夠更精確可靠地控制轉(zhuǎn)子位置，且降低了高速渦流損耗。

為了提升作動系統(tǒng)可靠性，美國國家航空航天局（NASA）近兩年在磁力齒輪傳動及磁齒輪復合電機作動系統(tǒng)方面開展了大量研究，通過采用輕量化設計和更好的永磁材料實現(xiàn)了磁力齒輪60N?m/kg的傳遞轉(zhuǎn)矩密度，NASA還探討了磁齒輪復合電機在垂直起降固定翼飛機驅(qū)動系統(tǒng)上的應用。

本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“磁齒輪復合永磁電機拓撲及應用綜述”。第一作者為黃海林，強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學）博士研究生，研究方向為磁力齒輪與新型永磁電機。通訊作者為李大偉，強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學）副教授，研究方向為新型永磁電機、伺服電機和電動飛機用電機系統(tǒng)。本課題得到了國家自然科學基金的資助。