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。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，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。磁齒輪復合電機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。

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，彌補磁齒輪復合電機在減速比、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，磁齒輪復合電機雙機械端口特性在動力分配方面的應用也是目前研究的熱點之一。

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；波特蘭州立大學團隊將軸向串聯的雙級磁齒輪復合電機系統應用于海洋發電領域，并進行了樣機制造與測試。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。

有學者提出一種利用徑向串聯-差分方式進一步提高減速比的磁齒輪復合電機結構，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；有學者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1 雙級磁力齒輪及復合電機

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，這一定程度上限制了磁齒輪復合電機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，磁齒輪復合電機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。

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，磁齒輪復合電機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，以降低磁齒輪復合電機的材料成本，推進其在車用輪轂電機等成本敏感場合的應用，是目前磁齒輪復合電機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；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，且較傳統磁齒輪復合電機更適合高速旋轉，能夠降低電機體積，進一步提升電機系統的功率密度。

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。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，如圖2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。

圖2 無刷電磁e-CVT及復合電機

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。

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。