- 頭條什么是磁力齒輪和磁齒輪復合電機？2022-07-13 作者：黃海林 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語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（Magnetic Geared Machine,MGM）。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。
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，之后采用永磁體進行變速傳動的磁力齒輪原型被提出。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。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，其采用與游標電機類似的磁場調制原理，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。
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、少齒差偏心磁力齒輪、諧波磁力齒輪等，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。
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。
圖1 磁場調制型磁力齒輪
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。
磁力齒輪的主要優勢在于：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。
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（Magnetic Geared Machine,MGM）。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。
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。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、偽直驅型、定子繞組復合調制環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，
以徑向磁齒輪復合電機為例，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，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
本文編自2022年第6期《電工技術學報》，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。本課題得到了國家自然科學基金的資助。
