磁齒輪復(fù)合永磁電機(jī)拓?fù)浼皯?yīng)用綜述

黃海林 李大偉 曲榮海 任 翔

磁齒輪復(fù)合永磁電機(jī)拓?fù)浼皯?yīng)用綜述

黃海林 李大偉 曲榮海 任 翔

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074）

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(chǎng)調(diào)制型永磁電機(jī)，因其轉(zhuǎn)矩密度大、功率因數(shù)高，近年來在混動(dòng)/電動(dòng)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；MGM非接觸傳動(dòng)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?。該文首先介紹磁力齒輪及多種磁齒輪復(fù)合電機(jī)的工作原理，介紹和比較磁齒輪與電機(jī)常見的復(fù)合方式及其特點(diǎn)；按照單元排布方式、調(diào)制結(jié)構(gòu)、電機(jī)及磁齒輪類型等分類梳理近年來MGM在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的研究和創(chuàng)新，介紹各類磁通方向及運(yùn)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(jí)變速等一些關(guān)鍵問題上的進(jìn)展。最后總結(jié)磁齒輪復(fù)合電機(jī)的業(yè)界應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

磁場(chǎng)調(diào)制 磁力齒輪 磁齒輪復(fù)合電機(jī) 非接觸傳動(dòng) 轉(zhuǎn)矩密度 前景展望

0 引言

磁齒輪復(fù)合電機(jī)（Magnetic Geared Machine,MGM）是一類新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)。MGM在結(jié)構(gòu)上由磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪和傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)復(fù)合而成，其根據(jù)復(fù)合方式的不同可以劃分為多種不同的拓?fù)漕愋?。由于引入了磁力齒輪的磁場(chǎng)變極和減速效應(yīng)，磁齒輪復(fù)合電機(jī)可看成自帶減速器的電機(jī)系統(tǒng)，能成倍放大永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩密度的大幅提升。相比于同樣采用磁場(chǎng)調(diào)制變極效應(yīng)[1]提升轉(zhuǎn)矩的游標(biāo)電機(jī)[2]、雙邊永磁電機(jī)[3]、無刷雙饋電機(jī)[4]和初級(jí)永磁直線電機(jī)[5]，磁齒輪復(fù)合電機(jī)漏磁小，功率因數(shù)與常規(guī)永磁電機(jī)相近，遠(yuǎn)高于游標(biāo)電機(jī)，因此更適用于大負(fù)載場(chǎng)合。

隨著磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理研究的不斷深化，以及一些傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)及分析方法的引入，MGM的性能及應(yīng)用領(lǐng)域得到擴(kuò)展。目前，MGM在電氣交通驅(qū)動(dòng)、新能源發(fā)電、功率分配、石油化工等領(lǐng)域均表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，已成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文簡(jiǎn)單介紹了磁齒輪的原理及拓?fù)?，整理總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者在磁齒輪復(fù)合電機(jī)方面進(jìn)行的研究和分析工作。首先從復(fù)合方式、調(diào)制環(huán)位置及結(jié)構(gòu)、電機(jī)與磁齒輪類型、磁通方向等方面對(duì)磁齒輪復(fù)合電機(jī)的新型拓?fù)溥M(jìn)行了研究梳理；然后從轉(zhuǎn)矩、減速比、成本、應(yīng)用等角度歸納了磁齒輪復(fù)合電機(jī)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題；最后總結(jié)了磁齒輪復(fù)合電機(jī)的優(yōu)勢(shì)及行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，以及未來發(fā)展的主要方向。

1 磁齒輪復(fù)合電機(jī)原理

1.1 磁力齒輪簡(jiǎn)介

磁力齒輪（Magnetic Gear, MG）的概念最早源于20世紀(jì)初，C. Armstrong在專利中提出可利用磁場(chǎng)能進(jìn)行能量傳遞[6]，之后采用永磁體進(jìn)行變速傳動(dòng)的磁力齒輪原型被提出[7]。受限于磁體性能，磁力傳動(dòng)技術(shù)未能得到廣泛關(guān)注。得益于20世紀(jì)80年代高性能稀土永磁的發(fā)展，磁力傳動(dòng)技術(shù)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?fù)?，均采用與機(jī)械齒輪原理類似的齒嚙合結(jié)構(gòu)，如漸開線型、渦輪蝸桿型、斜齒型 等[8-9]。這些結(jié)構(gòu)下同一時(shí)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(guó)D. Howe教授等于2001年提出[10-11]，其采用與游標(biāo)電機(jī)類似的磁場(chǎng)調(diào)制原理[12]，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)永磁轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的調(diào)制，從而使兩個(gè)不同極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速的永磁轉(zhuǎn)子的氣隙磁場(chǎng)耦合。其同心式結(jié)構(gòu)使得全部磁極同時(shí)參與傳動(dòng)，故永磁體利用率高，轉(zhuǎn)矩密度較傳統(tǒng)磁齒輪顯著上升。另外，該結(jié)構(gòu)也便于其與永磁電機(jī)進(jìn)行復(fù)合，從而提升電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩密度。因此，磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)成為此后20年間磁力傳動(dòng)領(lǐng)域的主要研究方向[13-16]。除了磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪，另外幾種永磁體利用率較高的磁力齒輪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)同樣便于實(shí)現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)的徑向復(fù)合[20]。

磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪如圖1所示，由少極永磁轉(zhuǎn)子、磁調(diào)制環(huán)和多極永磁轉(zhuǎn)子三部分組成。少極轉(zhuǎn)子、多極轉(zhuǎn)子及磁調(diào)制環(huán)的極對(duì)數(shù)分別為h、l和s[10]，且滿足固定其中任一部件，另外兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件分別作為輸入和輸出軸，即能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的變速傳動(dòng)。

圖1 磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪

磁力齒輪的主要優(yōu)勢(shì)在于[13]：無需潤(rùn)滑和定期維護(hù)，其無維護(hù)壽命在十年以上；自帶失步過載保護(hù)特性，能有效避免齒輪卡死風(fēng)險(xiǎn)，減少傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的沖擊；可實(shí)現(xiàn)無接觸密封傳動(dòng)，在醫(yī)藥、石油化工、航天等領(lǐng)域具有不可替代的作用；可靠性高，振動(dòng)噪聲低，還可減少機(jī)械接觸帶來的摩擦損耗，提升系統(tǒng)效率等。相較機(jī)械齒輪，磁力齒輪的主要劣勢(shì)在于減速比和轉(zhuǎn)矩密度較低。

1.2 磁齒輪復(fù)合電機(jī)原理簡(jiǎn)介

將磁力齒輪與永磁電機(jī)這兩種電磁裝置有機(jī)結(jié)合，即得到了磁齒輪復(fù)合電機(jī)。當(dāng)作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，電機(jī)電樞通入正弦交流電流驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過軸連接或轉(zhuǎn)子復(fù)用等方式帶動(dòng)磁力齒輪的少極轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，借助磁場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)，電磁功率經(jīng)磁力齒輪的調(diào)制環(huán)或多極轉(zhuǎn)子減速輸出，從而成倍地放大輸出轉(zhuǎn)矩，大幅降低轉(zhuǎn)速并提升輸出轉(zhuǎn)矩密度，十分適用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)應(yīng)用[21]。

磁齒輪復(fù)合電機(jī)的額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩由電機(jī)額定電磁轉(zhuǎn)矩em以及磁力齒輪輸出轉(zhuǎn)子的最大傳遞轉(zhuǎn)矩mg共同決定。若磁力齒輪的減速比為，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)磁力齒輪減速放大后，需小于磁力齒輪的最大傳遞轉(zhuǎn)矩[22]，即

一般來說，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，該傳遞轉(zhuǎn)矩大小與磁齒輪的減速比的選取有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)[23]，使得磁力齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩最大的減速比在5左右，當(dāng)繼續(xù)增加減速比時(shí)，磁力齒輪轉(zhuǎn)矩傳遞能力降低。文獻(xiàn)[23]分析了減速比、裂比等參數(shù)對(duì)徑向復(fù)合磁齒輪電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩的影響。

2 磁力齒輪與電機(jī)的復(fù)合方式

磁力齒輪作為類似機(jī)械齒輪的變速機(jī)構(gòu)，容易想到其能夠通過軸向串聯(lián)復(fù)合中高速永磁電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變速傳動(dòng)或轉(zhuǎn)矩放大等作用[24]。另外，由于磁力齒輪特殊的同心式電磁結(jié)構(gòu)與永磁電機(jī)有很高的相似性，其他復(fù)合方式如徑向串聯(lián)[25]、偽直驅(qū)型[26]、定子繞組復(fù)合調(diào)制環(huán)[27]等均有原理上的可行性。磁齒輪與電機(jī)復(fù)合方式的不同決定了系統(tǒng)整體的體積、質(zhì)量、轉(zhuǎn)矩密度、可靠性等指標(biāo)，下面以徑向磁齒輪復(fù)合電機(jī)為例，分別對(duì)MGM的幾種典型復(fù)合方式進(jìn)行介紹。

2.1 軸向/徑向機(jī)械/電磁耦合

徑向磁力齒輪與徑向永磁電機(jī)的軸向串聯(lián)是機(jī)械耦合-磁路獨(dú)立型MGM的典型拓?fù)洹０鼜V清教授等探討了此類MGM在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[24]，磁力齒輪無需潤(rùn)滑及自帶過載保護(hù)的特點(diǎn)有助于提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及壽命。軸向串聯(lián)的缺點(diǎn)在于外殼及電磁結(jié)構(gòu)部分未能實(shí)現(xiàn)復(fù)用，加之磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度小于機(jī)械齒輪，因此難以適應(yīng)小體積場(chǎng)合的應(yīng)用需求，轉(zhuǎn)矩密度較低。

為解決單純機(jī)械耦合轉(zhuǎn)矩密度低的問題，美國(guó)Hamid課題組巧妙地通過軸向磁通永磁電機(jī)與軸向磁力齒輪的徑向機(jī)械耦合實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化并制造了樣機(jī)，如圖2a所示[28]。Jonathan課題組通過將一個(gè)軸向盤式Spoke磁齒輪[29]與徑向永磁電機(jī)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了類似的一體化復(fù)合結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到90N·m/L以上，如圖2b所示[30]。這種結(jié)構(gòu)下電機(jī)磁場(chǎng)與磁力齒輪磁場(chǎng)耦合，因此在高速Spoke永磁轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)緊湊的軸向串聯(lián)MGM結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這種半一體化結(jié)構(gòu)中磁力齒輪和外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)共用外殼和軸伸，能夠大幅減少電機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量和體積。

香港大學(xué)鄒國(guó)棠教授等于2007年提出的徑向復(fù)合型MGM利用了磁力齒輪的同心特性，將電機(jī)嵌套進(jìn)磁力齒輪的內(nèi)部空腔中，電機(jī)外轉(zhuǎn)子與磁力齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子一體化設(shè)計(jì)，如圖4所示[33]。相比軸向串聯(lián)，徑向串聯(lián)方式較好地利用了磁力齒輪內(nèi)部空間，結(jié)構(gòu)更為緊湊，轉(zhuǎn)矩密度更高[34]，適合用于風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等中大型電機(jī)系統(tǒng)中。

圖2 徑向串聯(lián)的軸向磁通MGM[28, 30]

圖3 軸向串聯(lián)的徑向磁通MGM[31-32]

在機(jī)械徑向串聯(lián)型MGM（Radially Series- connected MGM, RSMGM）中，2013年Wang Rongjie教授等提出可根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼的極性排布的不同將磁齒輪復(fù)合電機(jī)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(jī)磁路更短，但增加了轉(zhuǎn)子鐵心厚度，在氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度方面不如耦合磁路。另外，耦合磁路下可完全省去永磁轉(zhuǎn)子背部鐵心，形成籠型永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[36]，實(shí)現(xiàn)永磁體復(fù)用并減少轉(zhuǎn)子鐵心的質(zhì)量和損耗。

圖4 徑向串聯(lián)磁齒輪復(fù)合電機(jī)[33]

圖5 徑向串聯(lián)MG M的磁路耦合/不耦合結(jié)構(gòu)[35]

2.2 偽直驅(qū)型MGM

徑向串聯(lián)MGM結(jié)構(gòu)具有三層氣隙，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。K. Atallah教授于2008年率先提出另一種兩層氣隙的偽直驅(qū)型（‘Pseudo’ Direct-Drive）磁齒輪復(fù)合電機(jī)[26]。在實(shí)現(xiàn)電機(jī)與磁齒輪的高速永磁轉(zhuǎn)子復(fù)用的同時(shí)，將磁力齒輪的多極永磁轉(zhuǎn)子固定并與電機(jī)定子進(jìn)行復(fù)合，多極永磁陣列表貼于電機(jī)定子齒下，可在傳統(tǒng)徑向串聯(lián)MGM的基礎(chǔ)上減少一層氣隙，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊。如圖6所示，電機(jī)采用6槽4極分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)，磁力齒輪減速比為10.5，轉(zhuǎn)矩體積密度可達(dá)60N·m/L。

圖6 偽直驅(qū)型磁齒輪復(fù)合電機(jī)[26]

2.3 調(diào)制環(huán)定子型MGM

除了偽直驅(qū)型MGM，還有一種雙氣隙型MGM選擇將磁齒輪調(diào)制轉(zhuǎn)子與電機(jī)定子復(fù)合，將電機(jī)繞組放置于調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁塊之間的空隙中，稱為調(diào)制環(huán)定子型MGM，最早由浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出[37]。通過空置一些調(diào)制齒間隙，調(diào)制環(huán)定子型MGM的定子槽數(shù)可與調(diào)制環(huán)齒數(shù)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(jié)構(gòu)下電機(jī)的工作原理，指出這種結(jié)構(gòu)下繞組可同時(shí)在兩套轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其中在少極永磁轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)經(jīng)磁齒輪效應(yīng)放大，因此貢獻(xiàn)了大部分的輸出轉(zhuǎn)矩。Zhu Ziqiang等[40]研究了將軸向調(diào)制環(huán)定子型MGM用于功率分配中，并指出其具有多種能量流動(dòng)方式。

圖7 調(diào)制環(huán)定子型磁齒輪復(fù)合電機(jī)[37-38]

2.4 不同復(fù)合方式的總結(jié)與比較

前面介紹了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(huì)影響電機(jī)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(tǒng)直驅(qū)永磁電機(jī)、三氣隙徑向串聯(lián)MGM、雙氣隙偽直驅(qū)型MGM以及游標(biāo)電機(jī)的性能[41]，指出內(nèi)定子三氣隙徑向串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有較高的轉(zhuǎn)矩密度（90N·m/L）和磁鋼利用率，同時(shí)功率因數(shù)和效率也更高，其缺點(diǎn)在于三層氣隙對(duì)加工精度和工藝提出了更高要求?；趶?fù)合方式的磁齒輪復(fù)合電機(jī)分類見表1。

表1 基于復(fù)合方式的磁齒輪復(fù)合電機(jī)分類

Tab.1 Classification of MGMs based on composite mode

3 磁齒輪復(fù)合電機(jī)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

第2節(jié)主要介紹了電機(jī)與磁齒輪的復(fù)合方式的區(qū)別。本節(jié)主要介紹近年來在磁齒輪復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面的研究進(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。由于已有文獻(xiàn)對(duì)磁力齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新研究進(jìn)行了較為細(xì)致的分析[15]，包括永磁體排列、調(diào)制環(huán)結(jié)構(gòu)、磁通方向等，故本節(jié)中省去了對(duì)磁力齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的介紹，而專注于總結(jié)具有磁齒輪復(fù)合電機(jī)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

3.1 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，如圖1所示。這種排列方式能最有效地對(duì)兩種磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行調(diào)制和耦合。然而在MGM中，采用這種經(jīng)典排布會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電樞磁場(chǎng)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(duì)位置，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)永磁磁動(dòng)勢(shì)的調(diào)制和耦合?；谶@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MGM，如圖8a所示[42]，其與圖7b僅在定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置上有所區(qū)別，這種排列方式使得調(diào)制環(huán)定子型MGM具有更大的繞組面積和更簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，雖然損失了一定的磁場(chǎng)調(diào)制效果，轉(zhuǎn)矩密度仍可達(dá)70N·m/L以上。2017年浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種類似的結(jié)構(gòu)[43]，稱為游標(biāo)偽直驅(qū)MGM，如圖8b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[44]；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[45]。

圖8 外定子型調(diào)制環(huán)定子MGM[42-45]

3.2 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MGM輸出轉(zhuǎn)矩的主要因素，因此研究人員通過對(duì)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[46]，并在此基礎(chǔ)上提出了一種雙調(diào)制環(huán)MGM[47]，如圖9所示，兩個(gè)調(diào)制環(huán)的齒數(shù)相同，均保持靜止且交錯(cuò)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(chǎng)，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MGM的轉(zhuǎn)矩特性和瞬態(tài)特性，以及加工誤差對(duì)性能的影響，并給出了設(shè)計(jì)制造流程[48-49]。香港城市大學(xué)的Zhao Hang等[50]和江南大學(xué)的Zhang Jin等[51]分別給出了內(nèi)定子和外定子的雙調(diào)制環(huán)型MGM，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9 雙調(diào)制環(huán)磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)[46-47]

3.3 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[52]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10所示[53]。其在復(fù)合方式上是一種偽直驅(qū)型MGM，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€(gè)磁齒輪與一個(gè)永磁電機(jī)的組合，其中一個(gè)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(dòng)勢(shì)，另一個(gè)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(dòng)勢(shì)。兩個(gè)磁齒輪具有相同的減速比，因此其傳遞轉(zhuǎn)矩可以疊加。文獻(xiàn)[53]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10 三層永磁型磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)[52-53]

3.4 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)MGM拓?fù)湟话悴捎棉D(zhuǎn)子極對(duì)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。文獻(xiàn)[54]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(guó)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）[55]，如圖11a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(lì)磁繞組中，通過混合勵(lì)磁的方式提升磁力齒輪工作磁場(chǎng)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(dòng)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)[56]。文獻(xiàn)[57]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(duì)數(shù)，從而可以分別進(jìn)行優(yōu)化選擇。如圖11b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(duì)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。文獻(xiàn)[58]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11 其他類型電機(jī)與磁力齒輪的復(fù)合[55-57]

3.5 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(chǎng)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[59]。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(dòng)力汽車能量分配方面具有潛在應(yīng)用[20]，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)[60-61]。大連交通大學(xué)近年來對(duì)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[62-63]。

永磁絲杠是一種可以在旋轉(zhuǎn)和直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)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[64]。美國(guó)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(duì)該類電機(jī)在能量回饋裝置中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[65-68]。日本及英國(guó)的學(xué)者也對(duì)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[69-71]。

圖12 其他磁力齒輪與永磁電機(jī)的復(fù)合[60, 71]

3.6 磁通方向和運(yùn)行方式的選擇

第2節(jié)中介紹的主要為徑向磁通旋轉(zhuǎn)電機(jī)與磁齒輪的組合，類似地，不同磁通方向與運(yùn)動(dòng)方式的磁齒輪復(fù)合電機(jī)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(jī)的軸/徑向機(jī)械連接方式外[28-30]，文獻(xiàn)[72]介紹了一種應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的三氣隙軸向磁通MGM，實(shí)現(xiàn)了100N·m/L的磁齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩密度；文獻(xiàn)[73-74]提出了軸向磁通的雙氣隙單轉(zhuǎn)子MGM，其中文獻(xiàn)[74]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(dòng)勢(shì)和輸出轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[40]提出軸向磁通的調(diào)制環(huán)定子型MGM，指出其存在多種運(yùn)行工況，并分析了其在混合動(dòng)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LMGM結(jié)構(gòu)并指出了其在潮汐能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用[75]，此后軸向串聯(lián)、偽直驅(qū)型以及調(diào)制環(huán)定子型的LMGM相繼被提出[76-78]。文獻(xiàn)[79]介紹了用于軸向串聯(lián)型LMGM的復(fù)共軛控制方法；文獻(xiàn)[80]利用磁網(wǎng)絡(luò)模型提出了一種LMGM的簡(jiǎn)單計(jì)算及優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[81-82]比較了充磁方式以及復(fù)合形式對(duì)LMGM的性能影響。

4 磁齒輪復(fù)合電機(jī)的發(fā)展方向

通過近20年的研究，磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷豐富，設(shè)計(jì)優(yōu)化方法不斷完善，對(duì)其工作原理、運(yùn)行策略、加工方式、性能計(jì)算等研究不斷深入。近年來，科研人員正有力推進(jìn)磁齒輪復(fù)合電機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。如何在保留非接觸傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，彌補(bǔ)MGM在減速比、轉(zhuǎn)矩密度、成本方面的劣勢(shì)，是目前該類電機(jī)的主要發(fā)展方向。另外，MGM雙機(jī)械端口特性在動(dòng)力分配方面的應(yīng)用也是目前研究熱點(diǎn)之一。

4.1 提升減速比

為實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)矩密度，傳統(tǒng)磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪的減速比一般較低，難以實(shí)現(xiàn)高于20的減速比，而一般用于風(fēng)力發(fā)電的電機(jī)系統(tǒng)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(jī)的尺寸和銅耗，提升電機(jī)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩和效率。韓國(guó)朝鮮大學(xué)團(tuán)隊(duì)率先指出采用軸向串聯(lián)雙級(jí)（dual-stage）磁力齒輪提升減速比可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)功率密度的提升，其減速比為兩級(jí)磁齒輪減速比的乘積[83-84]；波特蘭州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)將軸向串聯(lián)的雙級(jí)MGM系統(tǒng)應(yīng)用于海洋發(fā)電領(lǐng)域，并進(jìn)行了樣機(jī)制造與測(cè)試[85-86]。意大利卡利亞里大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在徑向串聯(lián)雙級(jí)磁力齒輪的設(shè)計(jì)方法以及諧波抑制等方面進(jìn)行了研究[87-88]。文獻(xiàn)[89]提出一種利用徑向串聯(lián)-差分方式進(jìn)一步提高減速比的MGM結(jié)構(gòu)，通過將兩個(gè)減速比相近的磁齒輪徑向串聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)高于兩者乘積的減速比；文獻(xiàn)[90]詳細(xì)介紹了此類串聯(lián)差分型磁力齒輪的減速原理及運(yùn)行方式。

圖13 雙級(jí)磁力齒輪及復(fù)合電機(jī)[87, 89]

4.2 提升轉(zhuǎn)矩密度

目前，磁力齒輪在轉(zhuǎn)矩密度上大多仍未能達(dá)到常規(guī)商用機(jī)械齒輪箱250N·m/L以上的轉(zhuǎn)矩密度[15]，這一定程度上限制了MGM在航空航天等高端領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。如何提升磁力齒輪的轉(zhuǎn)矩密度成為科研人員近年來主要關(guān)注的一個(gè)問題。由于磁力齒輪具有與電機(jī)類似的電磁結(jié)構(gòu)，磁力齒輪與電機(jī)的緊湊復(fù)合效果較機(jī)械齒輪箱更好，在一定程度上彌補(bǔ)了磁力齒輪轉(zhuǎn)矩密度較低的問題。未來，研究人員將主要在兩個(gè)維度上追求更高轉(zhuǎn)矩密度的磁齒輪復(fù)合電機(jī)設(shè)計(jì)，一方面是通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與尺寸參數(shù)優(yōu)化不斷提升轉(zhuǎn)矩性能；另一方面是通過提升磁齒輪與電機(jī)的復(fù)合程度，增加電磁有效部分（永磁體、鐵心）以及機(jī)械部件的復(fù)用率。此外，隨著永磁材料磁性能的不斷進(jìn)步，以及超導(dǎo)材料等新材料的應(yīng)用[91]，MGM的轉(zhuǎn)矩密度有望達(dá)到甚至超越機(jī)械齒輪-電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩密度。

4.3 高性能低成本

由于具有多層永磁結(jié)構(gòu)，且磁力齒輪需較厚的永磁體以提升傳遞轉(zhuǎn)矩，MGM的永磁體用量一般較高，因此其制造成本高于常規(guī)永磁電機(jī)。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，研究人員普遍關(guān)注的永磁體利用率是指單位體積永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小。如何提升永磁體利用率，以降低MGM的材料成本，推進(jìn)其在車用輪轂電機(jī)等成本敏感場(chǎng)合的應(yīng)用，是目前MGM的一個(gè)重要發(fā)展方向。交替極永磁結(jié)構(gòu)能夠在磁齒輪及磁齒輪復(fù)合電機(jī)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(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較高的磁阻轉(zhuǎn)矩[92-93]；另外，日本芝浦工業(yè)大學(xué)的K. Asio團(tuán)隊(duì)多年來在磁阻型磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)方面進(jìn)行了較為深入的研究，指出少極轉(zhuǎn)子磁阻型磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)系統(tǒng)能夠減少磁鋼用量，且較傳統(tǒng)MGM更適合高速旋轉(zhuǎn)，能夠降低電機(jī)體積，進(jìn)一步提升電機(jī)系統(tǒng)的功率密度[94-95]。

4.4 無級(jí)變速磁齒輪/多機(jī)電端口電機(jī)

隨著混合動(dòng)力汽車的發(fā)展和普及，作為內(nèi)燃機(jī)與外部負(fù)載的紐帶，用于機(jī)械能變速分配以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)高效工作的無級(jí)變速器得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，其整套系統(tǒng)包括機(jī)械行星齒輪、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)以及部分離合器，其中，行星齒輪起到分配輸入、輸出端機(jī)械功率以及電機(jī)電功率的作用。三模塊均旋轉(zhuǎn)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(jí)變速裝置近十年來成為研究熱點(diǎn)。2011年英國(guó)謝菲爾德大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種減速比可調(diào)的三轉(zhuǎn)子無刷無級(jí)變速器，其通過在磁齒輪少極轉(zhuǎn)子外側(cè)增加一套控制電樞繞組實(shí)現(xiàn)對(duì)空轉(zhuǎn)少極轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制，從而調(diào)節(jié)多極轉(zhuǎn)子及調(diào)制轉(zhuǎn)子的減速比和轉(zhuǎn)矩比[96-97]。香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過增加一套功率繞組實(shí)現(xiàn)了該無刷無級(jí)變速器與電機(jī)的集成[98]，如圖14所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)近年來專注于雙轉(zhuǎn)子無刷電磁無級(jí)變速器的研究，以省去三轉(zhuǎn)子無刷e-CVT中空轉(zhuǎn)的永磁轉(zhuǎn)子。其本質(zhì)是將磁齒輪的少極永磁轉(zhuǎn)子替換成電樞勵(lì)磁定子，通過改變電流頻率實(shí)現(xiàn)少極磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速變化，從而調(diào)節(jié)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的減速比和轉(zhuǎn)矩比，團(tuán)隊(duì)還提出將這一拓?fù)渑c永磁電機(jī)軸向串聯(lián)構(gòu)成無刷式無級(jí)變速型復(fù)合電機(jī)[99]。香港理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種單定子雙繞組的雙調(diào)制型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，其功率繞組和控制繞組置于同一定子槽內(nèi)，通過調(diào)節(jié)控制繞組的頻率同樣實(shí)現(xiàn)了磁力齒輪的減速比變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出機(jī)械端口轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)也在多機(jī)電端口磁齒輪復(fù)合電機(jī)的拓?fù)湟约半p繞組解耦方面進(jìn)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(fù)合電機(jī)[97-98]

5 磁齒輪復(fù)合電機(jī)的應(yīng)用

目前，磁力齒輪及其復(fù)合電機(jī)在市場(chǎng)上已出現(xiàn)不少成熟產(chǎn)品，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。圍繞著MGM可靠性及維護(hù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、低振動(dòng)噪聲、密封性好等特點(diǎn)，其在新能源發(fā)電、汽車和船舶驅(qū)動(dòng)、食品醫(yī)療、石油化工以及航空航天等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

5.1 新能源發(fā)電

新能源發(fā)電裝置往往安裝于交通不便、環(huán)境惡劣的地區(qū)，發(fā)電系統(tǒng)較高的可靠性及壽命對(duì)此類應(yīng)用尤為重要，而傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)裝置需定期潤(rùn)滑更換，維護(hù)成本高。具有高功率因數(shù)以及低速大轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)的磁齒輪復(fù)合電機(jī)在海洋能、風(fēng)能、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)[25]；帶有無級(jí)變速功能磁齒輪復(fù)合電機(jī)能夠適應(yīng)風(fēng)速和潮汐的周期變化，以提供穩(wěn)定網(wǎng)側(cè)電頻率[102]；更重要的是，磁齒輪自有的無需潤(rùn)滑維護(hù)、壽命長(zhǎng)、自帶過載保護(hù)的機(jī)制使其較機(jī)械齒輪箱-電機(jī)的傳統(tǒng)直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)更為適用于維護(hù)普遍困難的新能源發(fā)電裝置[103]。英國(guó)Magnomatics公司目前已成功測(cè)試一臺(tái)500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及一臺(tái)小尺寸潮汐能發(fā)電機(jī)，均采用偽直驅(qū)型MGM拓?fù)洌鐖D15所示。海洋能發(fā)電被認(rèn)為是MGM的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域[104]，近年來美國(guó)能源部分別支持波特蘭州立大學(xué)以及德州農(nóng)機(jī)大學(xué)聯(lián)合ABB團(tuán)隊(duì)開展用于海洋能發(fā)電的大轉(zhuǎn)矩MGM系統(tǒng)，并取得了階段性成果[105-106]。

圖15 Magnomatics公司用于新能源發(fā)電的偽直驅(qū)MGM

在潮汐發(fā)電和斯特林太陽能發(fā)電領(lǐng)域，傳統(tǒng)的滾珠絲杠等旋轉(zhuǎn)-直線傳動(dòng)裝置存在卡死風(fēng)險(xiǎn)，可靠性和效率較低；采用永磁絲杠與電機(jī)復(fù)合的MGM能有效提升發(fā)電裝置壽命及可靠性[107-108]。蘭州理工大學(xué)包廣清團(tuán)隊(duì)近年來將MGM應(yīng)用于碟式斯特林太陽能發(fā)電領(lǐng)域，其采用如圖12b所示的圓筒型永磁絲杠復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)，能將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)和機(jī)械部件帶來的磨損，取得了良好的效果[108]。

5.2 電動(dòng)/混動(dòng)汽車

自磁齒輪復(fù)合電機(jī)被提出以來，其體積質(zhì)量小、振動(dòng)噪聲低的特點(diǎn)使其在電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)上的應(yīng)用得到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注[109-111]。另外，以磁力齒輪復(fù)合電機(jī)為核心的無級(jí)變速-電機(jī)系統(tǒng)在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，相較傳統(tǒng)無級(jí)變速裝置能夠減少機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提升燃油效率，未來有望取代現(xiàn)有的機(jī)械行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，成為下一代混動(dòng)汽車的核心部件[61, 98]?，F(xiàn)階段，如何降低輪轂電機(jī)簧下質(zhì)量，以及降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積和成本是產(chǎn)業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問題，MGM將繼續(xù)在輕質(zhì)化和低成本上不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)及動(dòng)力分配裝置的替代。

5.3 船舶電推進(jìn)

磁齒輪復(fù)合電機(jī)省去了機(jī)械減速裝置，無需定期潤(rùn)滑維護(hù)，其受到環(huán)境溫度、濕度的影響較小，能夠長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。這些特性使MGM也十分適用于對(duì)可靠性和維護(hù)性要求較高的船舶電力推進(jìn)場(chǎng)合。文獻(xiàn)[112]研發(fā)并試驗(yàn)了一款3kW MGM在小型無人電力船舶推進(jìn)中的應(yīng)用，表明磁齒輪具有過載保護(hù)以及高可靠性的優(yōu)勢(shì)。目前，分別基于英國(guó)Magnonatics公司以及美國(guó)德州農(nóng)機(jī)大學(xué)Hamid課題組的科研團(tuán)隊(duì)，英美兩國(guó)均在穩(wěn)步推進(jìn)MGM在下一代大型電力船舶推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

5.4 食品醫(yī)藥/石油化工

MGM具有非接觸傳動(dòng)的特性，這使其能夠充分滿足食品醫(yī)藥/石油化工等領(lǐng)域?qū)γ芊鈧鲃?dòng)的需求。通過在氣隙處設(shè)置密封層，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)專利給出了磁齒輪及復(fù)合電機(jī)應(yīng)用于密封傳動(dòng)的幾種結(jié)構(gòu)布置方式[113]。德國(guó)Witte泵業(yè)公司目前已推出基于磁力齒輪的電驅(qū)動(dòng)泵，除了具備傳統(tǒng)磁耦合泵密封傳動(dòng)的特點(diǎn)外，還能提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械齒輪的替代[114]。德國(guó)GEORGII KOBOLD公司推出的密封傳動(dòng)磁齒輪復(fù)合電機(jī)，具有清潔可靠、無潤(rùn)滑油泄漏風(fēng)險(xiǎn)、高效低噪等特點(diǎn)，在提升輸出轉(zhuǎn)速的同時(shí)保持了可觀的功率密度，該產(chǎn)品在食品、醫(yī)藥方面已獲得應(yīng)用[115]。

5.5 航空航天

因無需潤(rùn)滑、可靠性高，MGM在航空航天電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用也獲得了許多關(guān)注。香港城市大學(xué)團(tuán)隊(duì)探討了通過復(fù)合磁力齒輪提升多極直驅(qū)型永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的可行性，以滿足電動(dòng)飛機(jī)高速直驅(qū)的應(yīng)用需求[116]。研究表明，相較傳統(tǒng)電機(jī)，升速型MGM能夠更精確可靠地控制轉(zhuǎn)子位置，且降低了高速渦流損耗。為了提升作動(dòng)系統(tǒng)可靠性，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）近兩年在磁力齒輪傳動(dòng)及MGM作動(dòng)系統(tǒng)方面開展了大量研究，通過采用輕量化設(shè)計(jì)和更好的永磁材料實(shí)現(xiàn)了磁力齒輪60N·m/kg的傳遞轉(zhuǎn)矩密度，NASA還探討了MGM在垂直起降固定翼飛機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用[117-118]。

6 結(jié)論

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(shí)兼具非接觸傳動(dòng)特性，使其在過載保護(hù)、密封傳動(dòng)、振動(dòng)噪聲、可靠性和維護(hù)性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。磁力齒輪與電機(jī)復(fù)合方式靈活，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變，在近年來獲得了廣泛研究，其中一些拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)100N·m/L以上的轉(zhuǎn)矩體積密度。

歷經(jīng)十余年的發(fā)展，MGM已成為直驅(qū)電機(jī)領(lǐng)域主流的研究方向之一。MGM在一些方面具有傳統(tǒng)機(jī)械齒輪-電機(jī)系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在減速比較低、材料成本較高等問題，對(duì)這些問題的研究和解決是目前MGM主要的發(fā)展方向。目前，國(guó)內(nèi)外已開始逐步將磁力齒輪及MGM進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，如英國(guó)的Magnomatics公司，德國(guó)的Witte泵業(yè)以及GEORGII KOBOLD公司等?？梢园l(fā)現(xiàn)，除了減速型MGM，升速型MGM在電驅(qū)動(dòng)泵以及電動(dòng)飛機(jī)等領(lǐng)域也有一定應(yīng)用前景。隨著市場(chǎng)對(duì)磁力傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)的認(rèn)知深化以及研究界對(duì)其性能的進(jìn)一步探索，磁齒輪復(fù)合電機(jī)有望具備更高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有低速直驅(qū)電機(jī)技術(shù)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?yàn)榇帕X輪與新型永磁電機(jī)。E-mail: hailinhuang@hust.edu.cn

李大偉 男，副教授，研究方向?yàn)樾滦陀来烹姍C(jī)、伺服電機(jī)和電動(dòng)飛機(jī)用電機(jī)系統(tǒng)。E-mail: daweili@hust.edu.cn（通信作者）

2020-11-01

2021-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51991382, 51977094）。

（編輯 崔文靜）