磁齒輪復合永磁電機拓撲及應用綜述

黃海林 李大偉 曲榮海 任 翔

磁齒輪復合永磁電機拓撲及應用綜述

黃海林 李大偉 曲榮海 任 翔

（強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074）

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制型永磁電機，因其轉矩密度大、功率因數高，近年來在混動/電動汽車、低速大轉矩直驅、航空航天等領域的應用前景獲得了業界的廣泛關注；MGM非接觸傳動的特點使其在醫藥食品、新能源發電、石油化工等方面具有發展潛力。該文首先介紹磁力齒輪及多種磁齒輪復合電機的工作原理，介紹和比較磁齒輪與電機常見的復合方式及其特點；按照單元排布方式、調制結構、電機及磁齒輪類型等分類梳理近年來MGM在拓撲結構上的研究和創新，介紹各類磁通方向及運行方式MGM的研究。然后介紹MGM近年來在高減速比、低成本、無級變速等一些關鍵問題上的進展。最后總結磁齒輪復合電機的業界應用現狀，并對其應用前景進行展望。

磁場調制 磁力齒輪 磁齒輪復合電機 非接觸傳動 轉矩密度 前景展望

0 引言

磁齒輪復合電機（Magnetic Geared Machine,MGM）是一類新型雙轉子永磁電機。MGM在結構上由磁場調制型磁力齒輪和傳統永磁同步電機復合而成，其根據復合方式的不同可以劃分為多種不同的拓撲類型。由于引入了磁力齒輪的磁場變極和減速效應，磁齒輪復合電機可看成自帶減速器的電機系統，能成倍放大永磁電機的輸出轉矩，實現轉矩密度的大幅提升。相比于同樣采用磁場調制變極效應[1]提升轉矩的游標電機[2]、雙邊永磁電機[3]、無刷雙饋電機[4]和初級永磁直線電機[5]，磁齒輪復合電機漏磁小，功率因數與常規永磁電機相近，遠高于游標電機，因此更適用于大負載場合。

隨著磁齒輪復合電機結構及原理研究的不斷深化，以及一些傳統電機結構及分析方法的引入，MGM的性能及應用領域得到擴展。目前，MGM在電氣交通驅動、新能源發電、功率分配、石油化工等領域均表現出良好的應用前景，已成為電機領域的研究熱點之一。本文簡單介紹了磁齒輪的原理及拓撲，整理總結了近年來國內外學者在磁齒輪復合電機方面進行的研究和分析工作。首先從復合方式、調制環位置及結構、電機與磁齒輪類型、磁通方向等方面對磁齒輪復合電機的新型拓撲進行了研究梳理；然后從轉矩、減速比、成本、應用等角度歸納了磁齒輪復合電機的研究現狀和關鍵問題；最后總結了磁齒輪復合電機的優勢及行業應用現狀，以及未來發展的主要方向。

1 磁齒輪復合電機原理

1.1 磁力齒輪簡介

磁力齒輪（Magnetic Gear, MG）的概念最早源于20世紀初，C. Armstrong在專利中提出可利用磁場能進行能量傳遞[6]，之后采用永磁體進行變速傳動的磁力齒輪原型被提出[7]。受限于磁體性能，磁力傳動技術未能得到廣泛關注。得益于20世紀80年代高性能稀土永磁的發展，磁力傳動技術重新回到人們視野。日本K. Tsurumoto教授等此后提出了幾種磁力齒輪拓撲，均采用與機械齒輪原理類似的齒嚙合結構，如漸開線型、渦輪蝸桿型、斜齒型 等[8-9]。這些結構下同一時間工作的磁極比例較少，故永磁體利用率較低。同心磁力齒輪最先由英國D. Howe教授等于2001年提出[10-11]，其采用與游標電機類似的磁場調制原理[12]，能夠實現對永磁轉子磁動勢的調制，從而使兩個不同極對數和轉速的永磁轉子的氣隙磁場耦合。其同心式結構使得全部磁極同時參與傳動，故永磁體利用率高，轉矩密度較傳統磁齒輪顯著上升。另外，該結構也便于其與永磁電機進行復合，從而提升電機系統的轉矩密度。因此，磁場調制型磁力齒輪及其復合電機成為此后20年間磁力傳動領域的主要研究方向[13-16]。除了磁場調制型磁力齒輪，另外幾種永磁體利用率較高的磁力齒輪結構也相繼被提出，如行星磁力齒輪[17]、少齒差偏心磁力齒輪[18]、諧波磁力齒輪[19]等，其中行星磁力齒輪的同心式結構同樣便于實現與旋轉永磁電機的徑向復合[20]。

磁場調制型磁力齒輪如圖1所示，由少極永磁轉子、磁調制環和多極永磁轉子三部分組成。少極轉子、多極轉子及磁調制環的極對數分別為h、l和s[10]，且滿足固定其中任一部件，另外兩個旋轉部件分別作為輸入和輸出軸，即能實現穩定的變速傳動。

圖1 磁場調制型磁力齒輪

磁力齒輪的主要優勢在于[13]：無需潤滑和定期維護，其無維護壽命在十年以上；自帶失步過載保護特性，能有效避免齒輪卡死風險，減少傳動系統對電機的沖擊；可實現無接觸密封傳動，在醫藥、石油化工、航天等領域具有不可替代的作用；可靠性高，振動噪聲低，還可減少機械接觸帶來的摩擦損耗，提升系統效率等。相較機械齒輪，磁力齒輪的主要劣勢在于減速比和轉矩密度較低。

1.2 磁齒輪復合電機原理簡介

將磁力齒輪與永磁電機這兩種電磁裝置有機結合，即得到了磁齒輪復合電機。當作為電動機使用時，電機電樞通入正弦交流電流驅動永磁轉子旋轉，通過軸連接或轉子復用等方式帶動磁力齒輪的少極轉子旋轉，借助磁場調制效應，電磁功率經磁力齒輪的調制環或多極轉子減速輸出，從而成倍地放大輸出轉矩，大幅降低轉速并提升輸出轉矩密度，十分適用于低速大轉矩直驅應用[21]。

磁齒輪復合電機的額定負載轉矩由電機額定電磁轉矩em以及磁力齒輪輸出轉子的最大傳遞轉矩mg共同決定。若磁力齒輪的減速比為，電機電磁轉矩經磁力齒輪減速放大后，需小于磁力齒輪的最大傳遞轉矩[22]，即

一般來說，磁力齒輪的最大傳遞轉矩是制約磁齒輪復合電機輸出轉矩的主要因素，該傳遞轉矩大小與磁齒輪的減速比的選取有關。研究發現[23]，使得磁力齒輪傳遞轉矩最大的減速比在5左右，當繼續增加減速比時，磁力齒輪轉矩傳遞能力降低。文獻[23]分析了減速比、裂比等參數對徑向復合磁齒輪電機的最大輸出轉矩的影響。

2 磁力齒輪與電機的復合方式

磁力齒輪作為類似機械齒輪的變速機構，容易想到其能夠通過軸向串聯復合中高速永磁電動機或發電機，實現變速傳動或轉矩放大等作用[24]。另外，由于磁力齒輪特殊的同心式電磁結構與永磁電機有很高的相似性，其他復合方式如徑向串聯[25]、偽直驅型[26]、定子繞組復合調制環[27]等均有原理上的可行性。磁齒輪與電機復合方式的不同決定了系統整體的體積、質量、轉矩密度、可靠性等指標，下面以徑向磁齒輪復合電機為例，分別對MGM的幾種典型復合方式進行介紹。

2.1 軸向/徑向機械/電磁耦合

徑向磁力齒輪與徑向永磁電機的軸向串聯是機械耦合-磁路獨立型MGM的典型拓撲。包廣清教授等探討了此類MGM在風力發電系統中的應用[24]，磁力齒輪無需潤滑及自帶過載保護的特點有助于提升風力發電系統的可靠性及壽命。軸向串聯的缺點在于外殼及電磁結構部分未能實現復用，加之磁力齒輪的轉矩密度小于機械齒輪，因此難以適應小體積場合的應用需求，轉矩密度較低。

為解決單純機械耦合轉矩密度低的問題，美國Hamid課題組巧妙地通過軸向磁通永磁電機與軸向磁力齒輪的徑向機械耦合實現結構的緊湊化并制造了樣機，如圖2a所示[28]。Jonathan課題組通過將一個軸向盤式Spoke磁齒輪[29]與徑向永磁電機串聯，實現了類似的一體化復合結構，轉矩密度達到90N·m/L以上，如圖2b所示[30]。這種結構下電機磁場與磁力齒輪磁場耦合，因此在高速Spoke永磁轉子鐵心上存在較高的磁路飽和。G. Jungmayr等[31]以及P. O. Rasmussen等[32]也提出了一種結構緊湊的軸向串聯MGM結構，如圖3所示。這種半一體化結構中磁力齒輪和外轉子永磁同步電機共用外殼和軸伸，能夠大幅減少電機系統的質量和體積。

香港大學鄒國棠教授等于2007年提出的徑向復合型MGM利用了磁力齒輪的同心特性，將電機嵌套進磁力齒輪的內部空腔中，電機外轉子與磁力齒輪內轉子一體化設計，如圖4所示[33]。相比軸向串聯，徑向串聯方式較好地利用了磁力齒輪內部空間，結構更為緊湊，轉矩密度更高[34]，適合用于風力發電、電動汽車等中大型電機系統中。

圖2 徑向串聯的軸向磁通MGM[28, 30]

圖3 軸向串聯的徑向磁通MGM[31-32]

在機械徑向串聯型MGM（Radially Series- connected MGM, RSMGM）中，2013年Wang Rongjie教授等提出可根據電機轉子磁鋼的極性排布的不同將磁齒輪復合電機的磁路分為耦合及不耦合兩種，如圖5所示[35]。不耦合磁鋼排布下電機磁路更短，但增加了轉子鐵心厚度，在氣隙磁場強度方面不如耦合磁路。另外，耦合磁路下可完全省去永磁轉子背部鐵心，形成籠型永磁轉子結構[36]，實現永磁體復用并減少轉子鐵心的質量和損耗。

圖4 徑向串聯磁齒輪復合電機[33]

圖5 徑向串聯MG M的磁路耦合/不耦合結構[35]

2.2 偽直驅型MGM

徑向串聯MGM結構具有三層氣隙，機械結構較為復雜。K. Atallah教授于2008年率先提出另一種兩層氣隙的偽直驅型（‘Pseudo’ Direct-Drive）磁齒輪復合電機[26]。在實現電機與磁齒輪的高速永磁轉子復用的同時，將磁力齒輪的多極永磁轉子固定并與電機定子進行復合，多極永磁陣列表貼于電機定子齒下，可在傳統徑向串聯MGM的基礎上減少一層氣隙，使電機結構更為緊湊。如圖6所示，電機采用6槽4極分數槽集中繞組電機結構，磁力齒輪減速比為10.5，轉矩體積密度可達60N·m/L。

圖6 偽直驅型磁齒輪復合電機[26]

2.3 調制環定子型MGM

除了偽直驅型MGM，還有一種雙氣隙型MGM選擇將磁齒輪調制轉子與電機定子復合，將電機繞組放置于調制環轉子導磁塊之間的空隙中，稱為調制環定子型MGM，最早由浙江大學團隊提出[37]。通過空置一些調制齒間隙，調制環定子型MGM的定子槽數可與調制環齒數不同，以增加可選擇的極槽配合，如圖7b所示。

Jian Linni等[38-39]分析了這種結構下電機的工作原理，指出這種結構下繞組可同時在兩套轉子上產生電磁轉矩，其中在少極永磁轉子上產生的電磁轉矩會經磁齒輪效應放大，因此貢獻了大部分的輸出轉矩。Zhu Ziqiang等[40]研究了將軸向調制環定子型MGM用于功率分配中，并指出其具有多種能量流動方式。

圖7 調制環定子型磁齒輪復合電機[37-38]

2.4 不同復合方式的總結與比較

前面介紹了目前幾種常見的磁齒輪與電機的復合方式，包括軸向/徑向串聯、永磁轉子復用、多極永磁與定子復合以及調制環定子等，這些結構的選取會影響電機的性能、成本、加工難度等。Wang Rongjie教授等在同等尺寸下比較了傳統直驅永磁電機、三氣隙徑向串聯MGM、雙氣隙偽直驅型MGM以及游標電機的性能[41]，指出內定子三氣隙徑向串聯結構具有較高的轉矩密度（90N·m/L）和磁鋼利用率，同時功率因數和效率也更高，其缺點在于三層氣隙對加工精度和工藝提出了更高要求。基于復合方式的磁齒輪復合電機分類見表1。

表1 基于復合方式的磁齒輪復合電機分類

Tab.1 Classification of MGMs based on composite mode

3 磁齒輪復合電機的結構創新

第2節主要介紹了電機與磁齒輪的復合方式的區別。本節主要介紹近年來在磁齒輪復合電機結構創新方面的研究進展，主要包括磁齒輪部件的排列方式、調制環構造及多層調制環、雙調制原理的應用等。由于已有文獻對磁力齒輪拓撲結構方面的創新研究進行了較為細致的分析[15]，包括永磁體排列、調制環結構、磁通方向等，故本節中省去了對磁力齒輪拓撲結構方面的介紹，而專注于總結具有磁齒輪復合電機特點的結構創新。

3.1 磁力齒輪的排列方式

傳統磁力齒輪中調制環位于多極永磁轉子和少極永磁轉子之間，如圖1所示。這種排列方式能最有效地對兩種磁動勢進行調制和耦合。然而在MGM中，采用這種經典排布會導致電機電樞磁場經過的氣隙數和部件數增多、電機定轉子間磁阻增加等問題。研究表明，改變調制轉子和多極永磁轉子的相對位置，同樣能夠實現對永磁磁動勢的調制和耦合。基于這一原理，2016年丹麥奧爾堡大學團隊提出一種外定子調制型MGM，如圖8a所示[42]，其與圖7b僅在定轉子相對位置上有所區別，這種排列方式使得調制環定子型MGM具有更大的繞組面積和更簡單的機械結構，雖然損失了一定的磁場調制效果，轉矩密度仍可達70N·m/L以上。2017年浙江大學團隊提出了一種類似的結構[43]，稱為游標偽直驅MGM，如圖8b所示。其內外轉子均為表貼結構，研究發現，該結構具有90N·m/L的轉矩密度和0.94的功率因數，具有較好的應用前景。2018年浙江大學團隊發現采用優化的Halbach永磁陣列后，這種磁齒輪電機具備實現130N·m/L傳遞轉矩密度的潛力[44]；該團隊在此后系統介紹了這種電機的工作原理和加工方式，并通過高速和低速轉子永磁體拓撲設計和參數優化，仿真實現了174N·m/L的傳遞轉矩密度，且所需的電負荷較低[45]。

圖8 外定子型調制環定子MGM[42-45]

3.2 調制環拓撲的設計

磁力齒輪的最大傳遞轉矩是制約MGM輸出轉矩的主要因素，因此研究人員通過對調制單元拓撲進行設計以提升調制效果，增加磁力齒輪傳遞轉矩和復合電機的整體性能。2018年奧爾堡大學Zhang Xiaoxu等提出一種具有雙層調制環結構的表貼-Spoke磁力齒輪[46]，并在此基礎上提出了一種雙調制環MGM[47]，如圖9所示，兩個調制環的齒數相同，均保持靜止且交錯排列，類似雙定子Spoke游標電機結構，能更有效地調制外轉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矩。湖南大學劉曉等分析了該類MGM的轉矩特性和瞬態特性，以及加工誤差對性能的影響，并給出了設計制造流程[48-49]。香港城市大學的Zhao Hang等[50]和江南大學的Zhang Jin等[51]分別給出了內定子和外定子的雙調制環型MGM，并分析了輔助磁調制環在增加少極磁路、減少漏磁方面的效果。

圖9 雙調制環磁力齒輪及其復合電機[46-47]

3.3 雙調制型磁齒輪復合電機

基于2014年提出的三層永磁磁力齒輪[52]類似的工作原理，2018年華中科技大學的Zou Tianjie等提出了一種雙調制型磁齒輪復合電機，如圖10所示[53]。其在復合方式上是一種偽直驅型MGM，定子永磁體采用分裂齒交替極結構，并在調制環空隙處嵌入與定子同極性的永磁體。研究表明，該拓撲可看成兩個磁齒輪與一個永磁電機的組合，其中一個以外定子分裂齒作為調制單元，可以耦合調制環及內轉子上的永磁磁動勢，另一個以調制環作為調制單元，以耦合外定子及內轉子上的永磁磁動勢。兩個磁齒輪具有相同的減速比，因此其傳遞轉矩可以疊加。文獻[53]表明，該結構可以提升24%的磁齒輪傳遞轉矩，且由于磁阻減小，電磁轉矩也得到大幅提升。

圖10 三層永磁型磁力齒輪及其復合電機[52-53]

3.4 復合電機類型的選擇

為取代原有高速電機-機械齒輪直驅系統，傳統MGM拓撲一般采用轉子極對數較少的中高速永磁同步電機與磁力齒輪進行復合。這一復合方式的優點在于電機轉子可復用為磁力齒輪的少極轉子，減少電磁復雜度。然而，研究人員也提出和分析了幾種其他電機類型與磁力齒輪的復合，并指出了他們的潛在應用。文獻[54]提出一種游標永磁電機與磁力齒輪外轉子復合形成的新型磁齒輪復合電機結構，以進一步提升游標電機的輸出轉矩。法國洛林大學團隊提出了一種磁力齒輪復合感應電機（Magnetic Geared Induction Machine, MGIM）[55]，如圖11a所示。其將感應電機外轉子與磁力齒輪高速永磁轉子進行復合，定子繞組中通入的交流電在轉子繞組中產生感應電流和電磁轉矩，該感應電流經二極管整流后通入外側直流勵磁繞組中，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矩。研究發現，這一拓撲可以達到70N·m/L的轉矩密度，且具備自起動能力和失步快速回復的能力。加拿大卡爾加里大學團隊同期也研究了一種外定子的磁齒輪復合感應電機[56]。文獻[57]介紹了一種用于潮汐發電的大型磁齒輪復合電機，其復合電機采用多槽多極的直驅永磁電機結構，復合轉子內外層具有不同的極對數，從而可以分別進行優化選擇。如圖11b所示，電機采用外轉子48槽40極結構，而高速轉子中齒輪側永磁體采用6對極結構，磁力齒輪的減速比為11.33，實驗表明，該電機能實現83N·m/L和14N·m/kg的轉矩密度。文獻[58]給出了采用Halbach陣列的磁齒輪復合直驅電機設計。

圖11 其他類型電機與磁力齒輪的復合[55-57]

3.5 復合磁齒輪類型的選擇

由于具有較高的磁體利用率，磁齒輪復合電機中一般采用同心式磁場調制磁力齒輪與電機復合。近年來，其他形式的磁力齒輪也被用于磁齒輪復合電機中。永磁行星齒輪是一種磁體利用率高、轉矩密度超過100N·m/L的傳統磁力齒輪類型[59]。2012年起，江蘇大學團隊開始研究永磁行星齒輪與永磁同步電機的復合，指出其在混合動力汽車能量分配方面具有潛在應用[20]，團隊還在解析計算、拓撲比較及優化方法等方面進行了較為深入的研究，并制作了樣機[60-61]。大連交通大學近年來對具有高轉矩密度的少齒差擺線型磁力齒輪及其與永磁電機的復合也開展了一些研究[62-63]。

永磁絲杠是一種可以在旋轉和直線機械運動之間實現轉換的磁力裝置，其與旋轉永磁電機的組合能取代直線電機，兼具高推力密度和可靠性[64]。美國Hamid課題組率先研究了這一復合電機結構，表明該結構相較圓筒型直線電機在中小功率下具有更高的推力密度，此后對該類電機在能量回饋裝置中的應用進行了研究[65-68]。日本及英國的學者也對這類永磁絲杠復合電機設計方法進行了較為深入的研究[69-71]。

圖12 其他磁力齒輪與永磁電機的復合[60, 71]

3.6 磁通方向和運行方式的選擇

第2節中介紹的主要為徑向磁通旋轉電機與磁齒輪的組合，類似地，不同磁通方向與運動方式的磁齒輪復合電機也相繼得到研究。除了前面提到的軸向磁通磁齒輪與徑向/軸向永磁電機的軸/徑向機械連接方式外[28-30]，文獻[72]介紹了一種應用于風力發電的三氣隙軸向磁通MGM，實現了100N·m/L的磁齒輪傳遞轉矩密度；文獻[73-74]提出了軸向磁通的雙氣隙單轉子MGM，其中文獻[74]在調制環定子和轉子上均采用交替極結構，增加磁動勢和輸出轉矩。文獻[40]提出軸向磁通的調制環定子型MGM，指出其存在多種運行工況，并分析了其在混合動力汽車功率分配領域的應用。

在直線磁齒輪復合電機（Linear Magnetic Geared Machine, LMGM）方面，2010年東南大學團隊率先提出了徑向復合的LMGM結構并指出了其在潮汐能發電領域的應用[75]，此后軸向串聯、偽直驅型以及調制環定子型的LMGM相繼被提出[76-78]。文獻[79]介紹了用于軸向串聯型LMGM的復共軛控制方法；文獻[80]利用磁網絡模型提出了一種LMGM的簡單計算及優化方法；文獻[81-82]比較了充磁方式以及復合形式對LMGM的性能影響。

4 磁齒輪復合電機的發展方向

通過近20年的研究，磁力齒輪及其復合電機的拓撲結構不斷豐富，設計優化方法不斷完善，對其工作原理、運行策略、加工方式、性能計算等研究不斷深入。近年來，科研人員正有力推進磁齒輪復合電機在多個領域的實際應用。如何在保留非接觸傳動優勢的同時，彌補MGM在減速比、轉矩密度、成本方面的劣勢，是目前該類電機的主要發展方向。另外，MGM雙機械端口特性在動力分配方面的應用也是目前研究熱點之一。

4.1 提升減速比

為實現較高的轉矩密度，傳統磁場調制型磁力齒輪的減速比一般較低，難以實現高于20的減速比，而一般用于風力發電的電機系統需要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的尺寸和銅耗，提升電機系統的輸出轉矩和效率。韓國朝鮮大學團隊率先指出采用軸向串聯雙級（dual-stage）磁力齒輪提升減速比可實現電機系統功率密度的提升，其減速比為兩級磁齒輪減速比的乘積[83-84]；波特蘭州立大學團隊將軸向串聯的雙級MGM系統應用于海洋發電領域，并進行了樣機制造與測試[85-86]。意大利卡利亞里大學的研究團隊在徑向串聯雙級磁力齒輪的設計方法以及諧波抑制等方面進行了研究[87-88]。文獻[89]提出一種利用徑向串聯-差分方式進一步提高減速比的MGM結構，通過將兩個減速比相近的磁齒輪徑向串聯，能夠實現高于兩者乘積的減速比；文獻[90]詳細介紹了此類串聯差分型磁力齒輪的減速原理及運行方式。

圖13 雙級磁力齒輪及復合電機[87, 89]

4.2 提升轉矩密度

目前，磁力齒輪在轉矩密度上大多仍未能達到常規商用機械齒輪箱250N·m/L以上的轉矩密度[15]，這一定程度上限制了MGM在航空航天等高端領域的競爭力。如何提升磁力齒輪的轉矩密度成為科研人員近年來主要關注的一個問題。由于磁力齒輪具有與電機類似的電磁結構，磁力齒輪與電機的緊湊復合效果較機械齒輪箱更好，在一定程度上彌補了磁力齒輪轉矩密度較低的問題。未來，研究人員將主要在兩個維度上追求更高轉矩密度的磁齒輪復合電機設計，一方面是通過結構創新與尺寸參數優化不斷提升轉矩性能；另一方面是通過提升磁齒輪與電機的復合程度，增加電磁有效部分（永磁體、鐵心）以及機械部件的復用率。此外，隨著永磁材料磁性能的不斷進步，以及超導材料等新材料的應用[91]，MGM的轉矩密度有望達到甚至超越機械齒輪-電機系統的轉矩密度。

4.3 高性能低成本

由于具有多層永磁結構，且磁力齒輪需較厚的永磁體以提升傳遞轉矩，MGM的永磁體用量一般較高，因此其制造成本高于常規永磁電機。在電機設計中，研究人員普遍關注的永磁體利用率是指單位體積永磁體產生的轉矩大小。如何提升永磁體利用率，以降低MGM的材料成本，推進其在車用輪轂電機等成本敏感場合的應用，是目前MGM的一個重要發展方向。交替極永磁結構能夠在磁齒輪及磁齒輪復合電機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構能夠產生較高的磁阻轉矩[92-93]；另外，日本芝浦工業大學的K. Asio團隊多年來在磁阻型磁力齒輪及其復合電機方面進行了較為深入的研究，指出少極轉子磁阻型磁力齒輪及其復合電機系統能夠減少磁鋼用量，且較傳統MGM更適合高速旋轉，能夠降低電機體積，進一步提升電機系統的功率密度[94-95]。

4.4 無級變速磁齒輪/多機電端口電機

隨著混合動力汽車的發展和普及，作為內燃機與外部負載的紐帶，用于機械能變速分配以實現內燃機高效工作的無級變速器得到廣泛的關注和應用，其整套系統包括機械行星齒輪、發電機和電動機以及部分離合器，其中，行星齒輪起到分配輸入、輸出端機械功率以及電機電功率的作用。三模塊均旋轉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變速裝置近十年來成為研究熱點。2011年英國謝菲爾德大學團隊提出一種減速比可調的三轉子無刷無級變速器，其通過在磁齒輪少極轉子外側增加一套控制電樞繞組實現對空轉少極轉子的轉速控制，從而調節多極轉子及調制轉子的減速比和轉矩比[96-97]。香港大學團隊通過增加一套功率繞組實現了該無刷無級變速器與電機的集成[98]，如圖14所示。

哈爾濱工業大學團隊近年來專注于雙轉子無刷電磁無級變速器的研究，以省去三轉子無刷e-CVT中空轉的永磁轉子。其本質是將磁齒輪的少極永磁轉子替換成電樞勵磁定子，通過改變電流頻率實現少極磁場的轉速變化，從而調節兩個轉子之間的減速比和轉矩比，團隊還提出將這一拓撲與永磁電機軸向串聯構成無刷式無級變速型復合電機[99]。香港理工大學團隊提出了一種單定子雙繞組的雙調制型磁齒輪復合電機，其功率繞組和控制繞組置于同一定子槽內，通過調節控制繞組的頻率同樣實現了磁力齒輪的減速比變化，從而實現對輸出機械端口轉速和轉矩的調節。華中科技大學團隊也在多機電端口磁齒輪復合電機的拓撲以及雙繞組解耦方面進行了較為深入的研究[100-101]。

圖14 基于磁力齒輪的無刷電磁e-CVT及復合電機[97-98]

5 磁齒輪復合電機的應用

目前，磁力齒輪及其復合電機在市場上已出現不少成熟產品，其應用領域也在不斷擴展。圍繞著MGM可靠性及維護性好、環境適應性強、低振動噪聲、密封性好等特點，其在新能源發電、汽車和船舶驅動、食品醫療、石油化工以及航空航天等領域均具有廣闊的應用前景。

5.1 新能源發電

新能源發電裝置往往安裝于交通不便、環境惡劣的地區，發電系統較高的可靠性及壽命對此類應用尤為重要，而傳統機械傳動裝置需定期潤滑更換，維護成本高。具有高功率因數以及低速大轉矩特點的磁齒輪復合電機在海洋能、風能、太陽能發電等領域具有顯著的性能優勢[25]；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，以提供穩定網側電頻率[102]；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-電機的傳統直驅電機系統更為適用于維護普遍困難的新能源發電裝置[103]。英國Magnomatics公司目前已成功測試一臺500kW風力發電機以及一臺小尺寸潮汐能發電機，均采用偽直驅型MGM拓撲，如圖15所示。海洋能發電被認為是MGM的優勢應用領域[104]，近年來美國能源部分別支持波特蘭州立大學以及德州農機大學聯合ABB團隊開展用于海洋能發電的大轉矩MGM系統，并取得了階段性成果[105-106]。

圖15 Magnomatics公司用于新能源發電的偽直驅MGM

在潮汐發電和斯特林太陽能發電領域，傳統的滾珠絲杠等旋轉-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MGM能有效提升發電裝置壽命及可靠性[107-108]。蘭州理工大學包廣清團隊近年來將MGM應用于碟式斯特林太陽能發電領域，其采用如圖12b所示的圓筒型永磁絲杠復合電機結構，能將往復運動轉變為電機的旋轉運動，減少了傳動環節和機械部件帶來的磨損，取得了良好的效果[108]。

5.2 電動/混動汽車

自磁齒輪復合電機被提出以來，其體積質量小、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外研究人員的廣泛關注[109-111]。另外，以磁力齒輪復合電機為核心的無級變速-電機系統在混合動力汽車領域具有十分廣闊的應用前景，相較傳統無級變速裝置能夠減少機械傳動機構，提升燃油效率，未來有望取代現有的機械行星齒輪傳動系統，成為下一代混動汽車的核心部件[61, 98]。現階段，如何降低輪轂電機簧下質量，以及降低電驅動系統的體積和成本是產業界重點關注的問題，MGM將繼續在輕質化和低成本上不斷發展，實現對傳統機械傳動及動力分配裝置的替代。

5.3 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，其受到環境溫度、濕度的影響較小，能夠長期可靠運行。這些特性使MGM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。文獻[112]研發并試驗了一款3kW MGM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勢。目前，分別基于英國Magnonatics公司以及美國德州農機大學Hamid課題組的科研團隊，英美兩國均在穩步推進MGM在下一代大型電力船舶推進系統中的應用。

5.4 食品醫藥/石油化工

MGM具有非接觸傳動的特性，這使其能夠充分滿足食品醫藥/石油化工等領域對密封傳動的需求。通過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構布置方式[113]。德國Witte泵業公司目前已推出基于磁力齒輪的電驅動泵，除了具備傳統磁耦合泵密封傳動的特點外，還能提升電機轉速，以實現對機械齒輪的替代[114]。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，在提升輸出轉速的同時保持了可觀的功率密度，該產品在食品、醫藥方面已獲得應用[115]。

5.5 航空航天

因無需潤滑、可靠性高，MGM在航空航天電驅動系統的應用也獲得了許多關注。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型永磁電機輸出轉速的可行性，以滿足電動飛機高速直驅的應用需求[116]。研究表明，相較傳統電機，升速型MGM能夠更精確可靠地控制轉子位置，且降低了高速渦流損耗。為了提升作動系統可靠性，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）近兩年在磁力齒輪傳動及MGM作動系統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了磁力齒輪60N·m/kg的傳遞轉矩密度，NASA還探討了MGM在垂直起降固定翼飛機驅動系統上的應用[117-118]。

6 結論

磁齒輪復合電機將磁力齒輪與電機復合，實現了結構的緊湊化和高效化，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勢。磁力齒輪與電機復合方式靈活，拓撲結構多變，在近年來獲得了廣泛研究，其中一些拓撲能夠實現100N·m/L以上的轉矩體積密度。

歷經十余年的發展，MGM已成為直驅電機領域主流的研究方向之一。MGM在一些方面具有傳統機械齒輪-電機系統無可比擬的優勢，但同時也存在減速比較低、材料成本較高等問題，對這些問題的研究和解決是目前MGM主要的發展方向。目前，國內外已開始逐步將磁力齒輪及MGM進行產業化，如英國的Magnomatics公司，德國的Witte泵業以及GEORGII KOBOLD公司等。可以發現，除了減速型MGM，升速型MGM在電驅動泵以及電動飛機等領域也有一定應用前景。隨著市場對磁力傳動優勢的認知深化以及研究界對其性能的進一步探索，磁齒輪復合電機有望具備更高的市場競爭力，實現對現有低速直驅電機技術的革新。

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A Review of Magnetic Geared Machines: Topologies and Applications

（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

Magnetic geared machine (MGM) is a novel flux-modulated permanent magnet machine with multiple airgaps and gear effect. Because of its high torque density and power factor, it has gained extensive attention on its broad application prospects in EV/HEV, low-speed-high-torque direct-drive, and aerospace industry. Given the feature of contactless transmission, MGM also has drawn close attentions from pharmaceutical and food industry, renewable energy and petrochemical industry. This paper firstly introduces the operation principle and topologies of magnetic geared machines been recently proposed, compares the combination patterns and respective features. Then, topology innovations of MGMs are concluded based on the arrangements, structures of flux modulator, types of motors and magnetic gears, flux directions and operation modes. Recent studies on some key issues in MGMs are introduced towards high gear ratio, high torque density and low cost. At last, the major development directions and applications of MGMs are concluded and predicted in this paper.

Flux-modulation, magnetic gear, magnetic-geared machine, contactless transmission, torque density, development prospect

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201461

TM351

黃海林 男，博士研究生，研究方向為磁力齒輪與新型永磁電機。E-mail: hailinhuang@hust.edu.cn

李大偉 男，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。E-mail: daweili@hust.edu.cn（通信作者）

2020-11-01

2021-04-07

國家自然科學基金資助項目（51991382, 51977094）。

（編輯 崔文靜）