磁力齿轮（Magnetic Gear, MG）的概念最早源于20世纪初，C. Armstrong在专利中提出可利用磁场能进行能量传递，之后采用永磁体进行变速传动的磁力齿轮原型被提出。受限于磁体性能，磁力传动技术未能得到广泛关注。得益于20世纪80年代高性能稀土永磁的发展，磁力传动技术重新回到人们视野。

日本K. Tsurumoto教授等此后提出了几种磁力齿轮拓扑，均采用与机械齿轮原理类似的齿啮合结构，如渐开线型、涡轮蜗杆型、斜齿型等。这些结构下同一时间工作的磁极比例较少，故永磁体利用率较低。

同心磁力齿轮最先由英国D. Howe教授等于2001年提出，其采用与游标电机类似的磁场调制原理，能够实现对永磁转子磁动势的调制，从而使两个不同极对数和转速的永磁转子的气隙磁场耦合。其同心式结构使得全部磁极同时参与传动，故永磁体利用率高，转矩密度较传统磁齿轮显著上升。另外，该结构也便于其与永磁电机进行复合，从而提升电机系统的转矩密度。因此，磁场调制型磁力齿轮及其复合电机成为此后20年间磁力传动领域的主要研究方向。

除了磁场调制型磁力齿轮，另外几种永磁体利用率较高的磁力齿轮结构也相继被提出，如行星磁力齿轮、少齿差偏心磁力齿轮、谐波磁力齿轮等，其中行星磁力齿轮的同心式结构同样便于实现与旋转永磁电机的径向复合。

磁场调制型磁力齿轮如图1所示，由少极永磁转子、磁调制环和多极永磁转子三部分组成。

图1 磁场调制型磁力齿轮

固定其中任一部件，另外两个旋转部件分别作为输入和输出轴，即能实现稳定的变速传动。

磁力齿轮的主要优势在于：无需润滑和定期维护，其无维护寿命在十年以上；自带失步过载保护特性，能有效避免齿轮卡死风险，减少传动系统对电机的冲击；可实现无接触密封传动，在医药、石油化工、航天等领域具有不可替代的作用；可靠性高，振动噪声低，还可减少机械接触带来的摩擦损耗，提升系统效率等。相较机械齿轮，磁力齿轮的主要劣势在于减速比和转矩密度较低。

将磁力齿轮与永磁电机这两种电磁装置有机结合，即得到了磁齿轮复合电机（Magnetic Geared Machine,MGM）。当作为电动机使用时，电机电枢通入正弦交流电流驱动永磁转子旋转，通过轴连接或转子复用等方式带动磁力齿轮的少极转子旋转，借助磁场调制效应，电磁功率经磁力齿轮的调制环或多极转子减速输出，从而成倍地放大输出转矩，大幅降低转速并提升输出转矩密度，十分适用于低速大转矩直驱应用。

磁力齿轮作为类似机械齿轮的变速机构，容易想到其能够通过轴向串联复合中高速永磁电动机或发电机，实现变速传动或转矩放大等作用。另外，由于磁力齿轮特殊的同心式电磁结构与永磁电机有很高的相似性，其他复合方式如径向串联、伪直驱型、定子绕组复合调制环等均有原理上的可行性。磁齿轮与电机复合方式的不同决定了系统整体的体积、质量、转矩密度、可靠性等指标，

以径向磁齿轮复合电机为例，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。

Wang Rongjie教授等在同等尺寸下比较了传统直驱永磁电机、三气隙径向串联MGM、双气隙伪直驱型MGM以及游标电机的性能，指出内定子三气隙径向串联结构具有较高的转矩密度（90N•m/L）和磁钢利用率，同时功率因数和效率也更高，其缺点在于三层气隙对加工精度和工艺提出了更高要求。基于复合方式的磁齿轮复合电机分类见表1。

表1基于复合方式的磁齿轮复合电机分类

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。