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。

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。近年來在磁齒輪復合電機結構創新方面的有諸多研究進展，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。

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。這種排列方式能最有效地對兩種磁動勢進行調制和耦合。然而在磁齒輪復合電機中，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磁齒輪復合電機，如圖1a所示。這種排列方式使得調制環定子型磁齒輪復合電機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。

圖1 外定子型調制環定子MGM

2017年浙江大學團隊提出了一種類似的結構，稱為游標偽直驅磁齒輪復合電機，如圖1b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；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。

2 調制環拓撲的設計

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，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，并在此基礎上提出了一種雙調制環磁齒輪復合電機，如圖2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磁齒輪復合電機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。香港城市大學的Zhao Hang等和江南大學的Zhang Jin等分別給出了內定子和外定子的雙調制環型磁齒輪復合電機，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2 雙調制環磁力齒輪及其復合電機

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3所示。其在復合方式上是一種偽直驅型磁齒輪復合電機，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。其他學者的表明，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3 三層永磁型磁力齒輪及其復合電機

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，傳統磁齒輪復合電機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。

有學者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），如圖4a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。有學者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4b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。有學者給出了采用Halbach陣列的磁齒輪復合直驅電機設計。

圖4 其他類型電機與磁力齒輪的復合

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。

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，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。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。

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。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。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。

圖5 其他磁力齒輪與永磁電機的復合

6 磁通方向和運行方式的選擇

除了前面提到的軸向磁通磁齒輪與徑向/軸向永磁電機的軸/徑向機械連接方式外，有學者介紹了一種應用于風力發電的三氣隙軸向磁通磁齒輪復合電機，實現了100N?m/L的磁齒輪傳遞轉矩密度；有學者提出了軸向磁通的雙氣隙單轉子磁齒輪復合電機，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。

有學者提出軸向磁通的調制環定子型磁齒輪復合電機，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直線磁齒輪復合電機結構并指出了其在潮汐能發電領域的應用，此后軸向串聯、偽直驅型以及調制環定子型的直線磁齒輪復合電機相繼被提出。

有學者介紹了用于軸向串聯型直線磁齒輪復合電機的復共軛控制方法；有學者利用磁網絡模型提出了一種直線磁齒輪復合電機的簡單計算及優化方法；有學者比較了充磁方式以及復合形式對直線磁齒輪復合電機的性能影響。

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。