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)漕愋汀Ｓ捎谝肓舜帕X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(wú)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)洌砜偨Y(jié)了近年來(lái)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(wèn)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(lái)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)洌捎门c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ph、pl和Ns[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)。

Ns=?（1）

圖1 磁場(chǎng)調(diào)制型磁力齒輪

Fig.1 Flux-modulated magnetic gear

磁力齒輪的主要優(yōu)勢(shì)在于[13]：無(wú)需潤(rùn)滑和定期維護(hù)，其無(wú)維護(hù)壽命在十年以上；自帶失步過(guò)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(wú)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(lái)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(guò)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Tem以及磁力齒輪輸出轉(zhuǎn)子的最大傳遞轉(zhuǎn)矩Tmg共同決定。若磁力齒輪的減速比為GR，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

（2）

一般來(lái)說(shuō)，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(guò)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(wú)需潤(rùn)滑及自帶過(guò)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(wèn)題，美國(guó)Hamid課題組巧妙地通過(guò)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(guò)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]

Fig.2 Radially series-connected axial flux MGM[28, 30]

圖3 軸向串聯(lián)的徑向磁通MGM[31-32]

Fig.3 Axially series-connected magnetic geared machine[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]

Fig.4 Radially series-connected magnetic geared machine[33]

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

Fig.5 Coupled/decoupled configurations of RSMGM[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]

Fig.6 Pseudo-direct-drive magnetic geared machine[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(guò)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]

Fig.7 Modular-stator magnetic-geared machine[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。基于復(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(lái)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(guò)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(wèn)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。基于這一原理，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(guò)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]

Fig.8 Outer-modular-stator magnetic-geared machine[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(guò)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]

Fig.9 Dual modulator magnetic gear and geared machine[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]

Fig.10 Triple-layer-magnet magnetic gear and geared machine[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(guò)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]

Fig.11 Other PM machines integrated with MG[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(lái)，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(guò)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(lái)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]

Fig.12 Other MGs integrated with PM machine[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?yáng)|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(guò)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(lái)，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(guò)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]

Fig.13 Dual-stage magnetic gears and MGM[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(lái)主要關(guān)注的一個(gè)問(wèn)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(wèn)題。未來(lái)，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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)刷式無(wú)級(jí)變速裝置近十年來(lái)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(wú)刷無(wú)級(jí)變速器，其通過(guò)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(guò)增加一套功率繞組實(shí)現(xiàn)了該無(wú)刷無(wú)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(lái)專注于雙轉(zhuǎn)子無(wú)刷電磁無(wú)級(jí)變速器的研究，以省去三轉(zhuǎn)子無(wú)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(guò)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(wú)刷式無(wú)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(guò)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(wú)刷電磁e-CVT及復(fù)合電機(jī)[97-98]

Fig.14 Brushless e-CVT and integrated motor based on magnetic gears[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(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)[25]；帶有無(wú)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(wú)需潤(rùn)滑維護(hù)、壽命長(zhǎng)、自帶過(guò)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(lái)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

Fig.15 PDD-MGMs of Magnomatics for renewable energy

在潮汐發(fā)電和斯特林太陽(yáng)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(lái)將MGM應(yīng)用于碟式斯特林太陽(yáng)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(lái)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(lái)，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(wú)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(wú)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(lái)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]。現(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(wèn)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(wú)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(wú)人電力船舶推進(jìn)中的應(yīng)用，表明磁齒輪具有過(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)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(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)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。可以發(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。

審核編輯：郭婷