节能微型齿轮减速电机（应用领域不断拓展的磁齿轮复合电机）

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。

目前，磁力齿轮及其复合电机在市场上已出现不少成熟产品，其应用领域也在不断扩展。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。

新能源发电装置往往安装于交通不便、环境恶劣的地区，发电系统较高的可靠性及寿命对此类应用尤为重要，而传统机械传动装置需定期润滑更换，维护成本高。

具有高功率因数以及低速大转矩特点的磁齿轮复合电机在海洋能、风能、太阳能发电等领域具有显著的性能优势；带有无级变速功能磁齿轮复合电机能够适应风速和潮汐的周期变化，以提供稳定网侧电频率；更重要的是，磁齿轮自有的无需润滑维护、寿命长、自带过载保护的机制使其较机械齿轮箱-电机的传统直驱电机系统更为适用于维护普遍困难的新能源发电装置。

英国Magnomatics公司目前已成功测试一台500kW风力发电机以及一台小尺寸潮汐能发电机，均采用伪直驱型磁齿轮复合电机拓扑，如图1所示。海洋能发电被认为是磁齿轮复合电机的优势应用领域，近年来美国能源部分别支持波特兰州立大学以及德州农机大学联合ABB团队开展用于海洋能发电的大转矩磁齿轮复合电机系统，并取得了阶段性成果。

图1

在潮汐发电和斯特林太阳能发电领域，传统的滚珠丝杠等旋转-直线传动装置存在卡死风险，可靠性和效率较低；采用永磁丝杠与电机复合的磁齿轮复合电机能有效提升发电装置寿命及可靠性。

兰州理工大学包广清团队近年来将磁齿轮复合电机应用于碟式斯特林太阳能发电领域，其采用如图1b所示的圆筒型永磁丝杠复合电机结构，能将往复运动转变为电机的旋转运动，减少了传动环节和机械部件带来的磨损，取得了良好的效果。

自磁齿轮复合电机被提出以来，其体积质量小、振动噪声低的特点使其在电动汽车轮毂电机上的应用得到国内外研究人员的广泛关注。另外，以磁力齿轮复合电机为核心的无级变速-电机系统在混合动力汽车领域具有十分广阔的应用前景，相较传统无级变速装置能够减少机械传动机构，提升燃油效率，未来有望取代现有的机械行星齿轮传动系统，成为下一代混动汽车的核心部件。

现阶段，如何降低轮毂电机簧下质量，以及降低电驱动系统的体积和成本是产业界重点关注的问题，磁齿轮复合电机将继续在轻质化和低成本上不断发展，实现对传统机械传动及动力分配装置的替代。

磁齿轮复合电机省去了机械减速装置，无需定期润滑维护，其受到环境温度、湿度的影响较小，能够长期可靠运行。这些特性使磁齿轮复合电机也十分适用于对可靠性和维护性要求较高的船舶电力推进场合。

有学者研发并试验了一款3kW磁齿轮复合电机在小型无人电力船舶推进中的应用，表明磁齿轮具有过载保护以及高可靠性的优势。目前，分别基于英国Magnonatics公司以及美国德州农机大学Hamid课题组的科研团队，英美两国均在稳步推进磁齿轮复合电机在下一代大型电力船舶推进系统中的应用。

磁齿轮复合电机具有非接触传动的特性，这使其能够充分满足食品医药/石油化工等领域对密封传动的需求。通过在气隙处设置密封层，英国谢菲尔德大学专利给出了磁齿轮及复合电机应用于密封传动的几种结构布置方式。

德国Witte泵业公司目前已推出基于磁力齿轮的电驱动泵，除了具备传统磁耦合泵密封传动的特点外，还能提升电机转速，以实现对机械齿轮的替代。德国GEORGII KOBOLD公司推出的密封传动磁齿轮复合电机，具有清洁可靠、无润滑油泄漏风险、高效低噪等特点，在提升输出转速的同时保持了可观的功率密度，该产品在食品、医药方面已获得应用。

因无需润滑、可靠性高，磁齿轮复合电机在航空航天电驱动系统的应用也获得了许多关注。香港城市大学团队探讨了通过复合磁力齿轮提升多极直驱型永磁电机输出转速的可行性，以满足电动飞机高速直驱的应用需求。研究表明，相较传统电机，升速型磁齿轮复合电机能够更精确可靠地控制转子位置，且降低了高速涡流损耗。

为了提升作动系统可靠性，美国国家航空航天局（NASA）近两年在磁力齿轮传动及磁齿轮复合电机作动系统方面开展了大量研究，通过采用轻量化设计和更好的永磁材料实现了磁力齿轮60N•m/kg的传递转矩密度，NASA还探讨了磁齿轮复合电机在垂直起降固定翼飞机驱动系统上的应用。

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。