磁齿轮复合电机系统及其关键优化方法综述

杨益飞，陆春元，黄海洋，孙春华，胡德霖

(1.苏州市职业大学机电工程学院, 江苏 苏州 215104;2.江苏省3C产品智能制造工程技术研究开发中心,江苏 苏州 215104;3.苏州电器科学研究院股份有限公司，江苏 苏州 215104 )

0 引 言

近年来，由于对能源与环保问题的重视，节能与高效率的机电装置成为重要突破口，因此机电装置各子系统之间的整合设计逐渐成为发展趋势，而电机作为动力源，在与负载装置整合为一体式的设计，能较大发挥动力装置最佳效能[1-3]。现代电力传动系统主要包含机械式齿轮传动和磁齿轮传动两种系统，但无论是系统效率的提高以及能源节能方面，都更加倾向于直接驱动，即在齿轮减速箱方面，以磁齿轮为整合设计对象，此种传动方式相比机械式齿轮传动，除了可大幅提升整合装置的磁动势来源之外，还具有非接触传动的特性，以及无摩擦力、无须润滑、无机械疲劳问题、体积小等优点，加以磁力传动具备转矩限制与过载保护功能，并能抵抗因转矩变动与转轴对心不良所产生的机械振动等优势[4-5]。在机理探讨与工程实务上，成为新兴的研究课题。因此，磁齿轮的研究具有重要的科学价值和实践意义。

1 磁齿轮的结构

多年来，国内外研究人员针对工程应用中的需求，提出和设计了多种磁齿轮，但从功能上可以划分为两类，一种是MagnaDrive公司的调整气隙达到变速效果的磁齿轮(如图1所示)，另一种是Magnomatics公司主导的调整任一层转子转速的磁齿轮(如图2所示)。除此之外还有以下：较早出现的磁蜗轮[6]、外啮合的平行轴磁齿轮[7]、磁伞齿轮[8]、反旋转磁齿轮[9]等，下面就目前研究较多的磁齿轮结构做重点说明。

图2 调整转子变速磁齿轮

1.1 同轴磁齿轮

文献[10-11]研究了同轴磁齿轮的振动和噪声特性，如图3所示。在同轴磁齿轮中，振动和噪声通过作用在低速转子，高速转子和调磁体上产生激磁力。通过使用麦克斯韦应力张量法计算作用在同轴磁齿轮上的电磁力及其频率。此外，通过模态分析获得同轴磁齿轮完整模型的模态形状及其共振频率。通过电磁力和模态分析的结果，结合有限元法进行振动计算，来确认位移对噪声的影响。结果表明，振动和噪声在同轴磁齿轮低速转子，高速转子和调磁体中受影响最大的部分是低速转子。

图3 同轴磁齿轮

文献[12]与上述同轴磁齿轮不同之处在于，磁齿轮传动机构在内部或外部具有交流电枢绕组。此外，文献[10-11]的同轴磁齿轮永磁激励场和文献[12]的同轴磁齿轮交流电场具有彼此不同的磁场空间谐波分量。因此，文献[12]和文献[10-11]中的磁通调制特性是不同的，并且调制件处的合成磁径向力也彼此不同地发生。

图4 同轴磁齿轮

1.2 行星磁齿轮

文献[13]通过将非接触式磁性行星齿轮的新概念融入永磁无刷电机，提出了一种新型多端口磁行星齿轮永磁电机。为了实现机构中不同电气或机械端口之间功率和转矩的灵活组合和分离，提出了一种考虑多工况模式的多目标优化设计方法。通过制造并测试了基于优化结构尺寸的原型机。理论分析和实验分析均验证了所研究机构的有效性，如图5所示。

图5 行星磁齿轮

文献[14]提出了一种基于能量方法计算行星磁齿轮的转矩性能。为了验证所提出的方法和齿轮性能，构建了样机实验评估，如图6所示。它显示了预测和测量的转矩性能之间的良好一致性。新型齿轮拓扑结构表现出比普通磁通调节磁齿轮具有更高的转矩能力。然而，复杂的机械结构和空载时的高损耗仍然是不可忽视的重要研究内容。

图6 行星磁齿轮的主要部件和组件齿轮

1.3 直线/管状磁齿轮

文献[15]本文提出了一种新型多齿轮直线磁齿轮，如图7所示。与传统的直线磁齿轮不同，所提出结构是利用铝-镍-钴永磁体作为激发源。由于矫顽力相对较低，可以通过对磁化绕组施加适当的直流电流脉冲来使永磁体磁化或去磁。因此，两个推动器上的极对数永磁体可以相应地变化，从而可以实现不同的传动比。所提出的直线磁齿轮是用于直接驱动波能量提取。由于具有可调节的传动比的能力，波浪能转换器可以与不同海况下的波共振地操作，从而可以实现最大功率追踪。

图7 管状磁齿轮

包广清教授[16-17]提出了一种直线磁齿轮发电机，有效提高了斯特林发电系统的光电转换效率，如图8所示。它的低速动力与斯特林发动机相连，以获得驱动速度，而两组永磁体分别作为高速动力器和发电机的转换器，集成在一个管状铁芯中。结果表明，发电机可以获得更高的推动速度以产生更高的电压，从而提高系统的光电转换效率。此外封宁君也提出了类似结构[18]。

图8 直线磁齿轮

1.4 轴向磁通磁齿轮

日本学者为了提高转矩密度，提出了仅在高速转子中使用永磁体的轴向磁齿轮结构[19]，如图9所示，并描述了该电机的工作原理，计算了转矩-速度特性。该学者还将在高速转子和低速转子中同时具有永磁体的转矩-速度特性与仅在高速转子具有永磁体的原始模型进行比较。结果表明，仅在高速转子中使用永磁体的轴向磁齿轮结构的转矩-速度特性较好。

图9 轴向磁通磁齿轮

文献[20]介绍了用于应用于风力发电的轴向磁通磁齿轮(如图10所示)，并给出了磁耦合和解耦配置的最佳电磁设计。考虑到轴向磁通磁齿轮的复杂结构性能的提升，特别重视结构设计方面。优化结果表明，对于主动齿轮部件，可以实现超过100 kNm /m3的转矩密度。

图10 轴向磁通磁齿轮的爆炸图

1.5 横向磁通磁齿轮

横向磁通磁力齿轮拓扑结构具有更简单的机械结构的优点。为了增加气隙磁通密度，磁体以磁通聚焦配置布置。Walter Bomela提出了一种采用铁氧体和钕铁硼磁体的新型横向磁通磁力齿轮[21](如图11所示)。还比较了采用软磁复合材料想比永磁体时的性能。

图11 横向磁通磁齿轮

香港科技大学在上述结构的基础上介绍了一种新型混合磁通磁齿轮[22]，它将横向磁通磁力齿轮和轴向磁通磁力齿轮集成在一个单元中。与其传统的结构相比，所提出的磁齿轮传递相对高的转矩密度。与横向磁通磁力齿轮相比，这种新结构在低速转子和高速转子之间采用了额外的磁铁来调节磁场并有助于传递额外的转矩。

2 磁齿轮复合电机创新结构

有关电机与磁齿轮机构的整合设计仍属新兴的研究领域，以磁性齿轮為主体的传动/变速机构逐渐使用今日的机械设备中，相关的文献与研究并不普遍，且大多为电机与单一固定减速/增速功能的磁齿轮机构的整合设计，包括：Prof. Zhang提出将径向气隙外转子直流无刷电机的定子整合于同轴式磁齿轮机构内部的设计方案[23]；邹国棠教授等人(图12)则是把永磁无刷电机的外转子整合于同心式磁齿轮机构的高速磁齿轮(即内环磁齿轮)上[24-25]，通过同心式磁齿轮达成减速增矩的目的，用以取代电动车辆其动力与传动系统各自独立设计的既有方式。他们更将同心式磁齿轮机构与风力机组的发电机做结合设计[26]，将磁齿轮机构设计成增速齿轮箱，以提升叶片转速易于发电之用；封宁君博士通过优化结构参数，提高了磁齿轮的推力和力密度[27-28]。

图12 内磁铁外转子同轴磁齿轮永磁无刷电机

Prof. Niu等人[29]针对整合式磁齿轮与永磁无刷电机装置(如图13所示)，以有限元分析软件模拟其内外环磁齿轮的静态转矩与动态转矩，并探讨其满载时的转矩波形，这些都是相当新颖的设计理念。这些电机与磁齿轮机构的整合设计，不外乎是借由两装置间的具体结合，使动力装置与传动/变速装置可以更有效率地整合运作，缩减所需的构装空间，进一步寻求提升传递转矩与传动效益的契机，然而单一固定减速/增速的设计方案因转速比范围有限，无法同时兼顾低转速至高转速的速度与转矩需求。

图13 管状磁齿轮无刷直线电机

3 磁齿轮结构优化方法

磁齿轮的结构参数变化对于整个结构以及复合电机本身都有着很重要的影响，特别是磁力大小的变化，会直接影响到设备的工作性能和运行效率。这里分别对目前出现的主要结构优化方法，从多目标优化、遗传算法、响应面方法集中说明各自方法的优缺点。

3.1 多目标优化

Filippini为了减少磁齿轮的计算量，将磁，热和机械约束条件嵌入到随机算法中[2-3]，以便立即识别不可行的几何形状，对其施加多目标优化约束条件，并采用半分析设计程序，提供可嵌入优化循环的快速仿真工具。受此启发，文献[13]为了实现新型多端口行星磁齿轮永磁电机中不同电气或机械端口之间功率和转矩的灵活组合和分离，提出了一种考虑多工况模式的多目标优化设计方法。基于各种驱动模式将整个优化分为三个步骤，在每个步骤中，分别使用多目标遗传算法，响应面法和直接筛选法。

3.2 遗传算法

同轴磁齿轮是一种结构新颖，前景广阔的传动齿轮。然而，其电磁场的计算较为复杂。文献[4]在Matlab工具箱中使用遗传算法的分析方法计算磁场分布和电磁转矩，为其优化设计提供了一个很好的工具。优化结果表明，该遗传算法具有实用性和有效性，为同轴磁齿轮的分析和设计提供了一种新的方法，对于同轴磁齿轮的研究和应用具有重要意义。

同样对同轴磁齿轮优化方法做出改进的还有文献[30]，文中对同轴磁齿轮中的磁场分布在极坐标系中进行分析计算，然后通过有限元法结合粒子群优化算法进行验证，给出了关键设计参数对扭矩能力的影响。此外，文献[5]使用有限元方法结合遗传算法分别对双层磁齿轮电机和单层磁齿轮电机的的电磁性能并进行了定量比较，结果表明，所提出的双层磁齿轮电机可以获得比单层磁齿轮电机机器更高的转矩密度，更适合于低速高转矩直接驱动应用。

3.3 响应面方法

在对磁齿轮复合电机进行分析优化时，会发现设计变量过多，这显然增加了优化问题的复杂性。文献[31]讨论了一种减少设计变量的方法，即应用响应面法，其将电机和磁齿轮的优化转矩表示为各自尺寸的多项式函数。在应用响应面法之前，为电动机和磁性齿轮定义了优化问题，其优化目标和约束函数是从所考虑的电磁装置的分析电磁模型导出的。

同样，文献[32-33]基于响应曲面设计创建设计试验，结合磁齿轮复合电机参数变量建模，确定用于优化响应的因子设置，降低磁齿轮传动中的传递转矩脉动，并通过比较从响应面分析和初始模型得到的优化模型的特征来评估优化设计的有效性。

4 磁齿轮复合电机的应用

磁齿轮的研究不断深入，其拓扑结构品种多样，运行性能不断提高，磁齿轮相关配套产品的产业化应用也日趋成熟。多年持续不断的研究及大量试验已经表明，通过优化磁齿轮的新型拓扑结构可以大幅度提升转矩密度，完全有能力取代传统机械齿轮，达到创新机构质的飞跃[10-12]。磁齿轮与电机的整合装置，促使了直接驱动设备的快速发展。

磁齿轮复合电机传动机构虽然逐步应用于现今的动力装置中，如：晶圆真空机械手臂的传动机构[8]、先进电动车辆的动力与传动整合装置[13]、太阳能热发电[24]、潮汐能发电[26]、航空航天[27]、发电机增速齿轮箱[29]、人工心脏[34]、游梁式抽油机[35]、高速钻头传动机构等[36-37]、无人飞行器[38]、3D打印[39]等高转矩/低转速或低转矩/高转速的应用场合，提供了新思路和新选择。

不可否认，上述应用还有较大能改进的空间，尤其在控制系统方面，如能研究出适合磁齿轮复合电机的控制系统，实现电机的恒压输出和恒转矩输出，则能对电能质量有较大的改善。

5 结 语

磁齿轮作为现代电力传动系统重要机构，突破了传统设计理念，不仅使得磁齿轮复合电机的应用更加多样化，也为机器动力与传动系统的性能改善与应用扩大了使用范围。因此，对于磁齿轮及复合电机的研究具有重要的科学价值和实践意义。

基于上述，本文详细阐述了磁齿轮多种新结构以及磁齿轮与电机结合带来的全新驱动理念，从多目标优化、遗传算法、响应面方法等结构优化方法以提升磁齿轮复合电机性能方面做了详细说明，随着对控制系统进一步优化以及磁性材料性能的进一步深入，有望将磁齿轮复合电机商业化应用。