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，同時兼具非接觸傳動特性，使其在過載保護(hù)、密封傳動、振動噪聲、可靠性和維護(hù)性等方面具有顯著優(yōu)勢，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(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>

目前幾種常見的磁齒輪與電機(jī)的復(fù)合方式，包括軸向/徑向串聯(lián)、永磁轉(zhuǎn)子復(fù)用、多極永磁與定子復(fù)合以及調(diào)制環(huán)定子等，這些結(jié)構(gòu)的選取會影響電機(jī)的性能、成本、加工難度等。近年來在磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面的有諸多研究進(jìn)展，主要包括磁齒輪部件的排列方式、調(diào)制環(huán)構(gòu)造及多層調(diào)制環(huán)、雙調(diào)制原理的應(yīng)用等。

1 磁力齒輪的排列方式

傳統(tǒng)磁力齒輪中調(diào)制環(huán)位于多極永磁轉(zhuǎn)子和少極永磁轉(zhuǎn)子之間。這種排列方式能最有效地對兩種磁動勢進(jìn)行調(diào)制和耦合。然而在磁齒輪復(fù)合電機(jī)中，采用這種經(jīng)典排布會導(dǎo)致電機(jī)電樞磁場經(jīng)過的氣隙數(shù)和部件數(shù)增多、電機(jī)定轉(zhuǎn)子間磁阻增加等問題。

研究表明，改變調(diào)制轉(zhuǎn)子和多極永磁轉(zhuǎn)子的相對位置，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對永磁磁動勢的調(diào)制和耦合。基于這一原理，2016年丹麥奧爾堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種外定子調(diào)制型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，如圖1a所示。這種排列方式使得調(diào)制環(huán)定子型磁齒輪復(fù)合電機(jī)具有更大的繞組面積和更簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，雖然損失了一定的磁場調(diào)制效果，轉(zhuǎn)矩密度仍可達(dá)70N?m/L以上。

圖1 外定子型調(diào)制環(huán)定子MGM

2017年浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種類似的結(jié)構(gòu)，稱為游標(biāo)偽直驅(qū)磁齒輪復(fù)合電機(jī)，如圖1b所示。其內(nèi)外轉(zhuǎn)子均為表貼結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)具有90N?m/L的轉(zhuǎn)矩密度和0.94的功率因數(shù)，具有較好的應(yīng)用前景。

2018年浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化的Halbach永磁陣列后，這種磁齒輪電機(jī)具備實(shí)現(xiàn)130N?m/L傳遞轉(zhuǎn)矩密度的潛力；該團(tuán)隊(duì)在此后系統(tǒng)介紹了這種電機(jī)的工作原理和加工方式，并通過高速和低速轉(zhuǎn)子永磁體拓?fù)湓O(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，仿真實(shí)現(xiàn)了174N?m/L的傳遞轉(zhuǎn)矩密度，且所需的電負(fù)荷較低。

2 調(diào)制環(huán)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

磁力齒輪的最大傳遞轉(zhuǎn)矩是制約磁齒輪復(fù)合電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的主要因素，因此研究人員通過對調(diào)制單元拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)以提升調(diào)制效果，增加磁力齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩和復(fù)合電機(jī)的整體性能。

2018年奧爾堡大學(xué)Zhang Xiaoxu等提出一種具有雙層調(diào)制環(huán)結(jié)構(gòu)的表貼-Spoke磁力齒輪，并在此基礎(chǔ)上提出了一種雙調(diào)制環(huán)磁齒輪復(fù)合電機(jī)，如圖2所示，兩個調(diào)制環(huán)的齒數(shù)相同，均保持靜止且交錯排列，類似雙定子Spoke游標(biāo)電機(jī)結(jié)構(gòu)，能更有效地調(diào)制外轉(zhuǎn)子中聚磁型永磁體的磁場，減小漏磁，從而能夠增加40%的最大磁齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。

湖南大學(xué)劉曉等分析了該類磁齒輪復(fù)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和瞬態(tài)特性，以及加工誤差對性能的影響，并給出了設(shè)計(jì)制造流程。香港城市大學(xué)的Zhao Hang等和江南大學(xué)的Zhang Jin等分別給出了內(nèi)定子和外定子的雙調(diào)制環(huán)型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，并分析了輔助磁調(diào)制環(huán)在增加少極磁路、減少漏磁方面的效果。

圖2 雙調(diào)制環(huán)磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)

3 雙調(diào)制型磁齒輪復(fù)合電機(jī)

基于2014年提出的三層永磁磁力齒輪類似的工作原理，2018年華中科技大學(xué)的Zou Tianjie等提出了一種雙調(diào)制型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，如圖3所示。其在復(fù)合方式上是一種偽直驅(qū)型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，定子永磁體采用分裂齒交替極結(jié)構(gòu)，并在調(diào)制環(huán)空隙處嵌入與定子同極性的永磁體。

研究表明，該拓?fù)淇煽闯蓛蓚€磁齒輪與一個永磁電機(jī)的組合，其中一個以外定子分裂齒作為調(diào)制單元，可以耦合調(diào)制環(huán)及內(nèi)轉(zhuǎn)子上的永磁磁動勢，另一個以調(diào)制環(huán)作為調(diào)制單元，以耦合外定子及內(nèi)轉(zhuǎn)子上的永磁磁動勢。兩個磁齒輪具有相同的減速比，因此其傳遞轉(zhuǎn)矩可以疊加。其他學(xué)者的表明，該結(jié)構(gòu)可以提升24%的磁齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩，且由于磁阻減小，電磁轉(zhuǎn)矩也得到大幅提升。

圖3 三層永磁型磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)

4 復(fù)合電機(jī)類型的選擇

為取代原有高速電機(jī)-機(jī)械齒輪直驅(qū)系統(tǒng)，傳統(tǒng)磁齒輪復(fù)合電機(jī)拓?fù)湟话悴捎棉D(zhuǎn)子極對數(shù)較少的中高速永磁同步電機(jī)與磁力齒輪進(jìn)行復(fù)合。這一復(fù)合方式的優(yōu)點(diǎn)在于電機(jī)轉(zhuǎn)子可復(fù)用為磁力齒輪的少極轉(zhuǎn)子，減少電磁復(fù)雜度。然而，研究人員也提出和分析了幾種其他電機(jī)類型與磁力齒輪的復(fù)合，并指出了他們的潛在應(yīng)用。

有學(xué)者提出一種游標(biāo)永磁電機(jī)與磁力齒輪外轉(zhuǎn)子復(fù)合形成的新型磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提升游標(biāo)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。法國洛林大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種磁力齒輪復(fù)合感應(yīng)電機(jī)（Magnetic Geared Induction Machine, MGIM），如圖4a所示。

其將感應(yīng)電機(jī)外轉(zhuǎn)子與磁力齒輪高速永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行復(fù)合，定子繞組中通入的交流電在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩，該感應(yīng)電流經(jīng)二極管整流后通入外側(cè)直流勵磁繞組中，通過混合勵磁的方式提升磁力齒輪工作磁場及最大傳遞轉(zhuǎn)矩。研究發(fā)現(xiàn)，這一拓?fù)淇梢赃_(dá)到70N?m/L的轉(zhuǎn)矩密度，且具備自起動能力和失步快速回復(fù)的能力。

加拿大卡爾加里大學(xué)團(tuán)隊(duì)同期也研究了一種外定子的磁齒輪復(fù)合感應(yīng)電機(jī)。有學(xué)者介紹了一種用于潮汐發(fā)電的大型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，其復(fù)合電機(jī)采用多槽多極的直驅(qū)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，復(fù)合轉(zhuǎn)子內(nèi)外層具有不同的極對數(shù)，從而可以分別進(jìn)行優(yōu)化選擇。如圖4b所示，電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子48槽40極結(jié)構(gòu)，而高速轉(zhuǎn)子中齒輪側(cè)永磁體采用6對極結(jié)構(gòu)，磁力齒輪的減速比為11.33，實(shí)驗(yàn)表明，該電機(jī)能實(shí)現(xiàn)83N?m/L和14N?m/kg的轉(zhuǎn)矩密度。有學(xué)者給出了采用Halbach陣列的磁齒輪復(fù)合直驅(qū)電機(jī)設(shè)計(jì)。

圖4 其他類型電機(jī)與磁力齒輪的復(fù)合

5 復(fù)合磁齒輪類型的選擇

由于具有較高的磁體利用率，磁齒輪復(fù)合電機(jī)中一般采用同心式磁場調(diào)制磁力齒輪與電機(jī)復(fù)合。近年來，其他形式的磁力齒輪也被用于磁齒輪復(fù)合電機(jī)中。永磁行星齒輪是一種磁體利用率高、轉(zhuǎn)矩密度超過100N?m/L的傳統(tǒng)磁力齒輪類型。

2012年起，江蘇大學(xué)團(tuán)隊(duì)開始研究永磁行星齒輪與永磁同步電機(jī)的復(fù)合，指出其在混合動力汽車能量分配方面具有潛在應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)還在解析計(jì)算、拓?fù)浔容^及優(yōu)化方法等方面進(jìn)行了較為深入的研究，并制作了樣機(jī)。大連交通大學(xué)近年來對具有高轉(zhuǎn)矩密度的少齒差擺線型磁力齒輪及其與永磁電機(jī)的復(fù)合也開展了一些研究。

永磁絲杠是一種可以在旋轉(zhuǎn)和直線機(jī)械運(yùn)動之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的磁力裝置，其與旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)的組合能取代直線電機(jī)，兼具高推力密度和可靠性。美國Hamid課題組率先研究了這一復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)，表明該結(jié)構(gòu)相較圓筒型直線電機(jī)在中小功率下具有更高的推力密度，此后對該類電機(jī)在能量回饋裝置中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。日本及英國的學(xué)者也對這類永磁絲杠復(fù)合電機(jī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較為深入的研究。

圖5 其他磁力齒輪與永磁電機(jī)的復(fù)合

6 磁通方向和運(yùn)行方式的選擇

除了前面提到的軸向磁通磁齒輪與徑向/軸向永磁電機(jī)的軸/徑向機(jī)械連接方式外，有學(xué)者介紹了一種應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的三氣隙軸向磁通磁齒輪復(fù)合電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了100N?m/L的磁齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩密度；有學(xué)者提出了軸向磁通的雙氣隙單轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)，在調(diào)制環(huán)定子和轉(zhuǎn)子上均采用交替極結(jié)構(gòu)，增加磁動勢和輸出轉(zhuǎn)矩。

有學(xué)者提出軸向磁通的調(diào)制環(huán)定子型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，指出其存在多種運(yùn)行工況，并分析了其在混合動力汽車功率分配領(lǐng)域的應(yīng)用。

在直線磁齒輪復(fù)合電機(jī)（Linear Magnetic Geared Machine, LMGM）方面，2010年東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)率先提出了徑向復(fù)合的直線磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)并指出了其在潮汐能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，此后軸向串聯(lián)、偽直驅(qū)型以及調(diào)制環(huán)定子型的直線磁齒輪復(fù)合電機(jī)相繼被提出。

有學(xué)者介紹了用于軸向串聯(lián)型直線磁齒輪復(fù)合電機(jī)的復(fù)共軛控制方法；有學(xué)者利用磁網(wǎng)絡(luò)模型提出了一種直線磁齒輪復(fù)合電機(jī)的簡單計(jì)算及優(yōu)化方法；有學(xué)者比較了充磁方式以及復(fù)合形式對直線磁齒輪復(fù)合電機(jī)的性能影響。

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。