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。

目前几种常见的磁齿轮与电机的复合方式，包括轴向/径向串联、永磁转子复用、多极永磁与定子复合以及调制环定子等，这些结构的选取会影响电机的性能、成本、加工难度等。近年来在磁齿轮复合电机结构创新方面的有诸多研究进展，主要包括磁齿轮部件的排列方式、调制环构造及多层调制环、双调制原理的应用等。

1 磁力齿轮的排列方式

传统磁力齿轮中调制环位于多极永磁转子和少极永磁转子之间。这种排列方式能最有效地对两种磁动势进行调制和耦合。然而在磁齿轮复合电机中，采用这种经典排布会导致电机电枢磁场经过的气隙数和部件数增多、电机定转子间磁阻增加等问题。

研究表明，改变调制转子和多极永磁转子的相对位置，同样能够实现对永磁磁动势的调制和耦合。基于这一原理，2016年丹麦奥尔堡大学团队提出一种外定子调制型磁齿轮复合电机，如图1a所示。这种排列方式使得调制环定子型磁齿轮复合电机具有更大的绕组面积和更简单的机械结构，虽然损失了一定的磁场调制效果，转矩密度仍可达70N•m/L以上。

图1 外定子型调制环定子MGM

2017年浙江大学团队提出了一种类似的结构，称为游标伪直驱磁齿轮复合电机，如图1b所示。其内外转子均为表贴结构，研究发现，该结构具有90N•m/L的转矩密度和0.94的功率因数，具有较好的应用前景。

2018年浙江大学团队发现采用优化的Halbach永磁阵列后，这种磁齿轮电机具备实现130N•m/L传递转矩密度的潜力；该团队在此后系统介绍了这种电机的工作原理和加工方式，并通过高速和低速转子永磁体拓扑设计和参数优化，仿真实现了174N•m/L的传递转矩密度，且所需的电负荷较低。

2 调制环拓扑的设计

磁力齿轮的最大传递转矩是制约磁齿轮复合电机输出转矩的主要因素，因此研究人员通过对调制单元拓扑进行设计以提升调制效果，增加磁力齿轮传递转矩和复合电机的整体性能。

2018年奥尔堡大学Zhang Xiaoxu等提出一种具有双层调制环结构的表贴-Spoke磁力齿轮，并在此基础上提出了一种双调制环磁齿轮复合电机，如图2所示，两个调制环的齿数相同，均保持静止且交错排列，类似双定子Spoke游标电机结构，能更有效地调制外转子中聚磁型永磁体的磁场，减小漏磁，从而能够增加40%的最大磁齿轮传递转矩。

湖南大学刘晓等分析了该类磁齿轮复合电机的转矩特性和瞬态特性，以及加工误差对性能的影响，并给出了设计制造流程。香港城市大学的Zhao Hang等和江南大学的Zhang Jin等分别给出了内定子和外定子的双调制环型磁齿轮复合电机，并分析了辅助磁调制环在增加少极磁路、减少漏磁方面的效果。

图2 双调制环磁力齿轮及其复合电机

3 双调制型磁齿轮复合电机

基于2014年提出的三层永磁磁力齿轮类似的工作原理，2018年华中科技大学的Zou Tianjie等提出了一种双调制型磁齿轮复合电机，如图3所示。其在复合方式上是一种伪直驱型磁齿轮复合电机，定子永磁体采用分裂齿交替极结构，并在调制环空隙处嵌入与定子同极性的永磁体。

研究表明，该拓扑可看成两个磁齿轮与一个永磁电机的组合，其中一个以外定子分裂齿作为调制单元，可以耦合调制环及内转子上的永磁磁动势，另一个以调制环作为调制单元，以耦合外定子及内转子上的永磁磁动势。两个磁齿轮具有相同的减速比，因此其传递转矩可以叠加。其他学者的表明，该结构可以提升24%的磁齿轮传递转矩，且由于磁阻减小，电磁转矩也得到大幅提升。

图3 三层永磁型磁力齿轮及其复合电机

4 复合电机类型的选择

为取代原有高速电机-机械齿轮直驱系统，传统磁齿轮复合电机拓扑一般采用转子极对数较少的中高速永磁同步电机与磁力齿轮进行复合。这一复合方式的优点在于电机转子可复用为磁力齿轮的少极转子，减少电磁复杂度。然而，研究人员也提出和分析了几种其他电机类型与磁力齿轮的复合，并指出了他们的潜在应用。

有学者提出一种游标永磁电机与磁力齿轮外转子复合形成的新型磁齿轮复合电机结构，以进一步提升游标电机的输出转矩。法国洛林大学团队提出了一种磁力齿轮复合感应电机（Magnetic Geared Induction Machine, MGIM），如图4a所示。

其将感应电机外转子与磁力齿轮高速永磁转子进行复合，定子绕组中通入的交流电在转子绕组中产生感应电流和电磁转矩，该感应电流经二极管整流后通入外侧直流励磁绕组中，通过混合励磁的方式提升磁力齿轮工作磁场及最大传递转矩。研究发现，这一拓扑可以达到70N•m/L的转矩密度，且具备自起动能力和失步快速回复的能力。

加拿大卡尔加里大学团队同期也研究了一种外定子的磁齿轮复合感应电机。有学者介绍了一种用于潮汐发电的大型磁齿轮复合电机，其复合电机采用多槽多极的直驱永磁电机结构，复合转子内外层具有不同的极对数，从而可以分别进行优化选择。如图4b所示，电机采用外转子48槽40极结构，而高速转子中齿轮侧永磁体采用6对极结构，磁力齿轮的减速比为11.33，实验表明，该电机能实现83N•m/L和14N•m/kg的转矩密度。有学者给出了采用Halbach阵列的磁齿轮复合直驱电机设计。

图4 其他类型电机与磁力齿轮的复合

5 复合磁齿轮类型的选择

由于具有较高的磁体利用率，磁齿轮复合电机中一般采用同心式磁场调制磁力齿轮与电机复合。近年来，其他形式的磁力齿轮也被用于磁齿轮复合电机中。永磁行星齿轮是一种磁体利用率高、转矩密度超过100N•m/L的传统磁力齿轮类型。

2012年起，江苏大学团队开始研究永磁行星齿轮与永磁同步电机的复合，指出其在混合动力汽车能量分配方面具有潜在应用，团队还在解析计算、拓扑比较及优化方法等方面进行了较为深入的研究，并制作了样机。大连交通大学近年来对具有高转矩密度的少齿差摆线型磁力齿轮及其与永磁电机的复合也开展了一些研究。

永磁丝杠是一种可以在旋转和直线机械运动之间实现转换的磁力装置，其与旋转永磁电机的组合能取代直线电机，兼具高推力密度和可靠性。美国Hamid课题组率先研究了这一复合电机结构，表明该结构相较圆筒型直线电机在中小功率下具有更高的推力密度，此后对该类电机在能量回馈装置中的应用进行了研究。日本及英国的学者也对这类永磁丝杠复合电机设计方法进行了较为深入的研究。

图5 其他磁力齿轮与永磁电机的复合

6 磁通方向和运行方式的选择

除了前面提到的轴向磁通磁齿轮与径向/轴向永磁电机的轴/径向机械连接方式外，有学者介绍了一种应用于风力发电的三气隙轴向磁通磁齿轮复合电机，实现了100N•m/L的磁齿轮传递转矩密度；有学者提出了轴向磁通的双气隙单转子磁齿轮复合电机，在调制环定子和转子上均采用交替极结构，增加磁动势和输出转矩。

有学者提出轴向磁通的调制环定子型磁齿轮复合电机，指出其存在多种运行工况，并分析了其在混合动力汽车功率分配领域的应用。

在直线磁齿轮复合电机（Linear Magnetic Geared Machine, LMGM）方面，2010年东南大学团队率先提出了径向复合的直线磁齿轮复合电机结构并指出了其在潮汐能发电领域的应用，此后轴向串联、伪直驱型以及调制环定子型的直线磁齿轮复合电机相继被提出。

有学者介绍了用于轴向串联型直线磁齿轮复合电机的复共轭控制方法；有学者利用磁网络模型提出了一种直线磁齿轮复合电机的简单计算及优化方法；有学者比较了充磁方式以及复合形式对直线磁齿轮复合电机的性能影响。

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。