磁齿轮复合电机（MGM）是一种自带减速效应的新型多气隙磁场调制型永磁电机。磁齿轮复合电机将磁力齿轮与电机复合，实现了结构的紧凑化和高效化，同时兼具非接触传动特性，使其在过载保护、密封传动、振动噪声、可靠性和维护性等方面具有显著优势，近年来在混动/电动汽车、低速大转矩直驱、航空航天等领域的应用前景获得了业界的广泛关注。磁齿轮复合电机非接触传动的特点使其在医药食品、新能源发电、石油化工等方面具有发展潜力。

通过近20年的研究，磁力齿轮及其复合电机的拓扑结构不断丰富，设计优化方法不断完善，对其工作原理、运行策略、加工方式、性能计算等研究不断深入。近年来，科研人员正有力推进磁齿轮复合电机在多个领域的实际应用。如何在保留非接触传动优势的同时，弥补磁齿轮复合电机在减速比、转矩密度、成本方面的劣势，是目前该类电机的主要发展方向。另外，磁齿轮复合电机双机械端口特性在动力分配方面的应用也是目前研究的热点之一。

1 提升减速比

为实现较高的转矩密度，传统磁场调制型磁力齿轮的减速比一般较低，难以实现高于20的减速比，而一般用于风力发电的电机系统需要50以上的减速比；另一方面，更高的减速比也有助于降低电机的尺寸和铜耗，提升电机系统的输出转矩和效率。

韩国朝鲜大学团队率先指出采用轴向串联双级（dual-stage）磁力齿轮提升减速比可实现电机系统功率密度的提升，其减速比为两级磁齿轮减速比的乘积；波特兰州立大学团队将轴向串联的双级磁齿轮复合电机系统应用于海洋发电领域，并进行了样机制造与测试。意大利卡利亚里大学的研究团队在径向串联双级磁力齿轮的设计方法以及谐波抑制等方面进行了研究。

有学者提出一种利用径向串联-差分方式进一步提高减速比的磁齿轮复合电机结构，通过将两个减速比相近的磁齿轮径向串联，能够实现高于两者乘积的减速比；有学者详细介绍了此类串联差分型磁力齿轮的减速原理及运行方式。

图1 双级磁力齿轮及复合电机

2 提升转矩密度

目前，磁力齿轮在转矩密度上大多仍未能达到常规商用机械齿轮箱250N•m/L以上的转矩密度，这一定程度上限制了磁齿轮复合电机在航空航天等高端领域的竞争力。如何提升磁力齿轮的转矩密度成为科研人员近年来主要关注的一个问题。由于磁力齿轮具有与电机类似的电磁结构，磁力齿轮与电机的紧凑复合效果较机械齿轮箱更好，在一定程度上弥补了磁力齿轮转矩密度较低的问题。

未来，研究人员将主要在两个维度上追求更高转矩密度的磁齿轮复合电机设计，一方面是通过结构创新与尺寸参数优化不断提升转矩性能；另一方面是通过提升磁齿轮与电机的复合程度，增加电磁有效部分（永磁体、铁心）以及机械部件的复用率。此外，随着永磁材料磁性能的不断进步，以及超导材料等新材料的应用，磁齿轮复合电机的转矩密度有望达到甚至超越机械齿轮-电机系统的转矩密度。

3 高性能低成本

由于具有多层永磁结构，且磁力齿轮需较厚的永磁体以提升传递转矩，磁齿轮复合电机的永磁体用量一般较高，因此其制造成本高于常规永磁电机。在电机设计中，研究人员普遍关注的永磁体利用率是指单位体积永磁体产生的转矩大小。如何提升永磁体利用率，以降低磁齿轮复合电机的材料成本，推进其在车用轮毂电机等成本敏感场合的应用，是目前磁齿轮复合电机的一个重要发展方向。

交替极永磁结构能够在磁齿轮及磁齿轮复合电机中起到增加永磁体利用率、减少永磁体用量的效果，主要原因之一是交替极结构能够产生较高的磁阻转矩；另外，日本芝浦工业大学的K. Asio团队多年来在磁阻型磁力齿轮及其复合电机方面进行了较为深入的研究，指出少极转子磁阻型磁力齿轮及其复合电机系统能够减少磁钢用量，且较传统磁齿轮复合电机更适合高速旋转，能够降低电机体积，进一步提升电机系统的功率密度。

4 无级变速磁齿轮/多机电端口电机

随着混合动力汽车的发展和普及，作为内燃机与外部负载的纽带，用于机械能变速分配以实现内燃机高效工作的无级变速器得到广泛的关注和应用，其整套系统包括机械行星齿轮、发电机和电动机以及部分离合器，其中，行星齿轮起到分配输入、输出端机械功率以及电机电功率的作用。三模块均旋转的同心磁力齿轮与行星齿轮具有相似的端口特性，基于磁力齿轮的无刷式无级变速装置近十年来成为研究热点。

2011年英国谢菲尔德大学团队提出一种减速比可调的三转子无刷无级变速器，其通过在磁齿轮少极转子外侧增加一套控制电枢绕组实现对空转少极转子的转速控制，从而调节多极转子及调制转子的减速比和转矩比。香港大学团队通过增加一套功率绕组实现了该无刷无级变速器与电机的集成，如图2所示。

哈尔滨工业大学团队近年来专注于双转子无刷电磁无级变速器的研究，以省去三转子无刷e-CVT中空转的永磁转子。其本质是将磁齿轮的少极永磁转子替换成电枢励磁定子，通过改变电流频率实现少极磁场的转速变化，从而调节两个转子之间的减速比和转矩比，团队还提出将这一拓扑与永磁电机轴向串联构成无刷式无级变速型复合电机。

图2 无刷电磁e-CVT及复合电机

香港理工大学团队提出了一种单定子双绕组的双调制型磁齿轮复合电机，其功率绕组和控制绕组置于同一定子槽内，通过调节控制绕组的频率同样实现了磁力齿轮的减速比变化，从而实现对输出机械端口转速和转矩的调节。华中科技大学团队也在多机电端口磁齿轮复合电机的拓扑以及双绕组解耦方面进行了较为深入的研究。

本文编自2022年第6期《电工技术学报》，论文标题为“磁齿轮复合永磁电机拓扑及应用综述”。第一作者为黄海林，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）博士研究生，研究方向为磁力齿轮与新型永磁电机。通讯作者为李大伟，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）副教授，研究方向为新型永磁电机、伺服电机和电动飞机用电机系统。本课题得到了国家自然科学基金的资助。