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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能進(jìn)行能量傳遞，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。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。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D. Howe教授等于2001年提出，其采用與游標(biāo)電機(jī)類似的磁場調(diào)制原理，能夠?qū)崿F(xiàn)對永磁轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢的調(diào)制，從而使兩個(gè)不同極對數(shù)和轉(zhuǎn)速的永磁轉(zhuǎn)子的氣隙磁場耦合。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。

除了磁場調(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、少齒差偏心磁力齒輪、諧波磁力齒輪等，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。

磁場調(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。

圖1 磁場調(diào)制型磁力齒輪

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)。

磁力齒輪的主要優(yōu)勢在于：無需潤滑和定期維護(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在于減速比和轉(zhuǎn)矩密度較低。

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)（Magnetic Geared Machine,MGM）。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。

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。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)、偽直驅(qū)型、定子繞組復(fù)合調(diào)制環(huán)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)，

以徑向磁齒輪復(fù)合電機(jī)為例，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，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

本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“磁齒輪復(fù)合永磁電機(jī)拓?fù)浼皯?yīng)用綜述”。第一作者為黃海林，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）博士研究生，研究方向?yàn)榇帕X輪與新型永磁電機(jī)。通訊作者為李大偉，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）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)。本課題得到了國家自然科學(xué)基金的資助。