CN105140943A - 带飞轮和单极直流电磁传动机的风力发电系统 - Google Patents

Abstract

一种风力发电系统，采用飞轮作为储能装置，采用单极直流电磁传动机(HET)作为飞轮能量传递设备，实现稳定发电的功能，发挥HET在能量传递中的优势；进一步通过采用立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮，解决大质量飞轮和轴承等方面的问题；进一步通过在风轮和发电机之间应用HET变速传动，大幅提高风能捕获效率。风轮、发电机、飞轮三者之间的能量传递具有三类方案：第一类是风轮与发电机之间无HET的方案，相当于在现有常规风电系统上增加了储能装置及其能量传递设备，第二类是风轮与发电机之间具有一套独立HET的方案，第三类是风轮、发电机、飞轮三者各连接一个HET半偶件的方案。

Description

带飞轮和单极直流电磁传动机的风力发电系统

所属技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，特别是带有储能装置的风力发电系统。

背景技术

风力发电是公认的绿色能源，前景广阔，目前技术获得成功应用已有较长时间，风力发电系统自身的经济性竞争力在不断提高。但是，从电网全局视角考虑，在综合指标方面，目前还存在下述问题：由于风速具有很大的不稳定、随机性，风轮获得的风能功率始终在很大范围内变化不定，没有储能装置的风力发电系统的发电功率很不稳定，一般不把风力机装机容量视作电网中稳定可靠的发电容量，风力机装机容量的增多基本上没有相应地带来常规发电设备装机容量的减少；相反，由于风力发电的不稳定、无计划性，给电网消纳风电造成很大困难，需要相应地增加足够的调峰配套设施，包括调峰应急发电机组、抽水蓄能电站等；风电不稳定也使电能品质下降，并增加电网不稳定性；另外，为了能够比较充分地吸收全部风况下的风能，风电系统的额定容量设计的十分偏大，额定功率对应的设计/额定风速大幅高于年平均风速，年平均功率只占额定功率的19％左右，设备容量的有效利用率很低。

如果在风力发电系统中增配有效的储能装置，可以较好地解决上述问题，一是可以形成比较稳定可靠的发电源，二是可以取消增加的电网调峰措施，同时还可以兼职向电网提供调峰能力，三是可以提供标准品质的电能，四是可以大幅降低发电机及其与电网相连设备的额定容量。

离网(孤网)风力发电系统配置储能装置具有更大的必要性，由于在输入风能和用电负荷两端均存在很大的波动性，风电又是唯一电源，配置能够长周期稳定供电的储能装置是保证稳定电源的必要途径。

涉及风能存储的广泛方法包括：化学蓄电池，抽水蓄能，飞轮储能，压缩空气储能，相变储能，制氢储能等。有条件应用在风力发电系统中的实用方法包括化学蓄电池和飞轮储能。化学蓄电池常用于离网小型风力发电系统。化学蓄电池总的能量效率比较低，平均50％左右，大功率快速充电和放电受限，但维持电能时间比较长。带有储能装置的并网型风力发电系统还未见应用报道。

飞轮储能技术涵盖飞轮装置及其能量转换系统两大部分。目前典型的飞轮储能和转换系统具有以下结构及特点：

飞轮动能载体：飞轮动能来源于较大质量的飞轮轮体以很高的线速度旋转，轮体质量块均采用单向连续纤维增强塑料复合材料缠绕成型，以利用纤维增强塑料的高强特点获得最大的储能密度。这种材料结构的周向(材料自身的纵向)强度最高，但材料结构的径向和轴向(材料自身的横向)强度很低，使得轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，这样带来的不利之处是不能充分利用已占的空间布设质量块，实用储能体积密度偏小。另外，大质量、高线速度复合材料轮体的动不平衡力和力矩较难控制。首先是动平衡校正难度大，一是需要承载负荷很大的动平衡机；二是轮体与转轴的组合多为简支柔性转子，需要校正难度较大的高速动平衡，并需要真空动平衡条件；三是高速旋转下的纤维增强塑料会发生较大的位移变形，变形量随转速变化，对高速动平衡校正非常不利。更为不利的是工作时动不平衡的增长，一是发生较大的位移变形，尺寸和材料的差别使得这种变形不均匀对称发生；二是长期使用发生渐进的蠕变变形行为。玻璃纤维增强塑料的弹性变形和蠕变量较大，碳纤维增强塑料的较小，但是碳纤维这类高弹性模量的材料价格成本太高，阻碍了大规模经济性应用，而玻璃纤维适合于实际应用，但要克服解决其变形和蠕变量大的问题。

飞轮真空容器：旋转的轮体置于真空容器内，以最大限度地减少鼓风摩擦损失。旋转轴全部位于真空容器内，没有轴密封(即真空与大气的隔离)。轴承和电机也位于真空容器内。

飞轮轴承：采用磁力轴承，支承径向负荷和轴向负荷(飞轮多为立式结构)，以最大限度地减少轴承摩擦损失，同时回避机械轴承在真空环境中的润滑剂蒸发问题和寿命锐减问题。同时采用机械保护轴承，在磁力轴承不用、未用、失效、超载等情形下起到临时支承和定位作用。

能量转换系统：采用高转速变频电动/发电机和双向变流器，电机与飞轮同转速，由电网向飞轮输入能量时，电网工频交流电经整流和变频后驱动电动机，使飞轮升速，由飞轮向电网输出能量时，飞轮动能驱动发电机，产生的电能经整流和变频后输出到工频电网。电机位于真空容器内，高频高转速电机的发热量大、热传导受限的问题比较大。

经归纳总结，现有的飞轮储能和转换系统有以下不足之处或者有待改进的方面：

(1)由于单个轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，实用储能体积密度偏小。

(2)现有储能飞轮的转动不平衡问题大，解决工艺难，易引起较大的不平衡振动，并随使用时间加长而加剧不平衡。而且，大多数飞轮在其运行转速范围内避不开共振转速，带来通过共振点的问题。飞轮质量越大，其不平衡和共振问题越大。在固定场所应用的储能飞轮以大质量较多，例如电网调峰和风力发电稳定负荷所用的储能飞轮就具有很大的质量，这类飞轮的不平衡和共振问题尤其显得突出。

(3)径向负荷轴承和轴向负荷轴承全部采用磁力轴承带来的问题：增加了必须具有很高可靠性的磁悬浮轴承主动控制系统，与不需控制的机械轴承或永磁轴承相比较，磁悬浮轴承及其控制系统毕竟是一个复杂系统，出现问题的概率较高，一旦出现故障和失效，由于飞轮的惯性旋转不能短时间内停止，保护轴承的发热和磨损将非常严重以致损坏，最终将引起飞轮转子系统的恶性破坏。磁悬浮轴承系统依靠电源的维持，在飞轮长时间不工作但保持旋转时也不能间断电源的供给。

(4)高频高转速电机的发热量大、同时热传导又受限的问题比较严重，限制了电机功率的增大。变频电机还需要配置成本较高的变频器。变频电机+变频器的总效率也较低，即此种能量传递方式的效率较低。

发明内容

本发明方案采用飞轮和单极直流电磁传动机(HET--HomopolarElectromagneticTransmission)作为储能装置及其能量传递设备，应用在风力发电系统中，基本目标是实现一种新的带储能装置的风力发电系统，实现稳定发电的功能，发挥HET在飞轮能量传递中的优势，进一步的目标是，通过采用立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮，解决大质量飞轮和轴承等问题，通过在风轮和发电机之间应用HET变速传动，大幅提高风能捕获效率，从而较全面地改进风力发电系统。

下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。

一种风力发电系统，包括：一个吸收风能的水平轴式或竖轴式风轮，一个与电网连接或与离网用户连接的发电机，一个储能装置及其能量传递系统，以及这些设备的支承、控制和附属系统，其基本特征是：储能装置采用飞轮，其能量传递采用单极直流电磁传动机(HET)。

一套HET含有两个转子、一套静子、外部附属系统和调节控制系统，每个转子上有一个或多个轴对称形状的导磁导电体(3)，静子上有两个或多个环绕轴心线(1)缠绕的直流励磁线圈(9)，磁路由转子和静子上的轴对称结构件导引为闭环，至少有两个主磁路(22)，磁路经过转子导磁导电体(3)，最多有一个主磁路(22)同时经过两个转子的导磁导电体，构造有一套闭合的主电流回路(23)，该回路串联连接全部的转子导磁导电体，转子导磁导电体上的主电流方向与磁通(Φ)方向在子午面互相垂直，通过调节各个励磁线圈的电流(I1、I2、…)，调节直流主电流(IO)、每个转子的电磁转矩和电磁功率。

HET应用了单极直流电机的电磁作用原理，可以抽象看作是两个单极直流电机的组合，一个发电，一个电动，可以互换改变功率流向，两个转子之间的大电流以最短的导体路径传输，回避掉单极直流电机的外部大电流损耗问题，同时充分利用单极直流电机的技术优点，实现所求目标的功能和性能。更进一步，由于传动的转矩、功率、功率流向、转向均可由HET调节控制，使其超越了常规变速传动装置只能“被动”传输动力的局限，具备了按意愿控制“主动”传输动力的能力。

HET所应用的单极直流电机的电磁作用原理如下：

由轴对称环形直流励磁线圈产生单一极性的轴对称磁场，其磁通密度B没有周向分量Bt，只有子午面分量Bm，Bm由径向分量Br和轴向分量Bz合成。转子上有一段轴对称导体，磁密B的磁场磁力线穿过该导体，该导体具有旋转线速度Vt，切割磁力线，产生单一极性的感应电动势E＝V×B·L，其中的黑体字母代表矢量(下同)。E也没有周向分量，只有子午面分量Em，且Em的方向与Bm的方向垂直，Em＝Vt·Bm·L，其中，L为Em方向上的转子导体长度。在该长度两端的转子导体上设置电刷，引出两极连接外电路，转子导体上就有直流电流IO通过，当电机发电时，IO方向与电动势Em的方向相同，当电机作为电动机时，IO方向与Em方向相反。

作用在转子导体上的电磁力(安培力)F＝IO×B·L，由于IO方向与Em方向相同或相反，而Em方向与Bm方向垂直，可知F只有周向分量Ft，且Ft＝IO·Bm·L。

经过推导，可得到如下公式：

转子导体的电动势：

E＝Em＝ω·Φm/(2π)

ω为转子角速度，Φm为穿过转子导体的磁通量，即子午面分量磁密Bm的磁通量。由于存在漏磁现象，对于有一定厚度的转子导体，属于电流边界的导体表面的射入磁通与射出磁通有差别，Φm取二者平均值。

转子导体所受的电磁转矩：

Me＝-IO·Φm/(2π)

转矩矢量Me的正方向与角速度矢量ω的正方向相同，IO的正方向与E的正方向相同。

转子导体所接受或输出的电磁功率：

Pe＝Me·ω＝-E·IO＝-ω·IO·Φm/(2π)

标量Pe为正值或负值时，表示转子导体接受或输出电磁功率。

当电磁转矩Me的矢量方向与角速度ω的矢量方向相同时，处于电动工况，表示转子接受电磁功率Pe，再经由转动轴向外传输机械功率Pm。当Me与ω的矢量方向相反时，处于发电工况，表示机械功率Pm由转动轴端输入，再由转子导体向外输出电磁功率。

在电磁功率Pe与轴端机械功率Pm之间的传递过程中，存在机械损耗，包括：电刷的摩擦功率，转子的鼓风摩擦功率，轴承摩擦功率，转子动密封摩擦功率。

本发明产品上的单极直流电磁传动机(HET)，原理上是两个单极直流电机的组合，具有两个转子及其转动轴，每个转子与静子之间都有上述单极直流电磁作用。每个转子上至少有一个轴对称形状的导磁和导电性能均良好的导磁导电体(3)，材料可以选择电磁纯铁、低碳钢、20#钢、45#钢等，以强度够用的较高磁导率材料为佳。导磁导电体(3)通过磁通量Φm的绝大部分，而与之相接的非磁性材料的转子导电体(4)也通过少量漏磁通，这两部分磁通一起构成磁通Φm。转子导电体(4)的材料可以选择铜、铝、铜合金、铝合金等，铜合金中可以选择铬铜(Cu-0.5Cr)、镉铜(Cu-1Cd)、锆铜(Cu-0.2Zr)、铬锆铜(Cu-0.5Cr-0.15Zr)、铁铜(Cu-0.1Fe-0.03P)、银铜(Cu-0.1Ag)，以强度够用的较高电导率材料为佳。磁通Φm与转子角速度ω共同作用，在转子导体(3，4)上产生电动势E。一个转子的各个转子导体(3，4)流过的主电流IO，方向与其电动势E的方向相同，起主动转子作用，另一个转子的IO与E方向刚好相反，起被动转子作用。主电流回路的主电流IO值的大小，遵守欧姆定律，等于主动转子各导体电动势E之和与被动转子各导体电动势E之和的差值再与主电流回路电阻RO之比值。磁通Φm与主电流IO共同作用，对转子导体(3，4)产生电磁转矩Me，该转矩矢量的方向，在主动转子上与其ω矢量方向相反，在被动转子上与其ω矢量方向相同。由此引起电磁功率Pe从主动转子向被动转子传输，主动转子电磁功率大于被动转子电磁功率，二者差值等于主电流回路的欧姆热损耗功率，即IO的平方与RO之积。主动转子与被动转子可以互换角色，从而使功率流向产生调转。

HET静子上至少有两个环绕轴心线(1)缠绕的直流励磁线圈(9)。HET至少有两个主磁路(22)。所谓“主磁路”是指励磁线圈周围的磁阻最小的闭合磁路，区别于多路径并联导磁材料结构中的次要分支磁路。磁路由转子和静子上的轴对称结构件导引为闭环，环路中除转子与静子之间的窄缝气隙之外，其余结构件均为导磁材料。在这些结构件中，转轴(2)和转子导磁体(14)可选电磁纯铁、低碳钢、20#钢、45#钢等，静子导磁导电体(7，17，18)和静子导磁体(10，20，21)可选电磁纯铁、低碳钢等，以强度够用的较高磁导率材料为佳，磁导率较高的材料其电导率也较高。

当HET两个转子有对一路励磁源的共用时，即出现一个主磁路(22)同时经过两个转子的导磁导电体(3)的情形(如图2和图3)。这时，穿过共用主磁通的两个转子相邻表面，可以是垂直端面，可以是圆锥面(图2)，可以是圆柱面(图3)。这三种结构产生的两转子轴向磁吸力不同，垂直端面结构的轴向磁吸力最大，圆柱面的很小，圆锥面的介于二者之间，可以通过改变锥角来调整轴向磁吸力的大小。

在HET两套转子和静子上，构造有一套串联闭合的主电流回路(23)，该回路由三种不同性质的电路连接件组成：固体结构件，转子与静子之间的导电连接物，无相对速度的(同在一个转子上，或同在静子上)固体结构件之间的导电连接物。

主电流回路上的转子固体结构件，包括转子导磁导电体(3)和转子导电体(4)。也可以使与前二者相邻的转轴(2)参加导电，此时转轴(2)与前二者的接触面是导电性的，甚至转轴(2)与导磁导电体(3)设计为一体。转轴(2)参加导电有利有弊，优点是电阻减小，缺点是转动轴带电，并加大了励磁的磁阻。

主电流回路上的静子固体结构件，包括：与转子直接导电相连的静子导电体(6，11)，静子导磁导电体(7，17，18)，静子中间导电体(8)，静子外引导电体(16)，以及外部电路导体。导电体(6，8，11，16)和外部电路导体可以选择铜、铝等高导电性材料。

无相对速度的固体结构件之间的导电连接，可以用导电胶粘接，可以用固体软金属材料填缝，可以充填液态金属，也可以直接接触导电。充填液态金属的方案在导电性和容许接缝错位变形方面具有优势。

转子与静子之间的导电连接(5)，采用液态金属作为导电媒介，可选的液态金属包括：钠钾合金(如钠钾比例为22∶78，凝固点-11℃，蒸发点784℃)，镓(凝固点29.9℃)，镓铟合金(如镓铟比例为75∶25，凝固点15.7℃)，镓铟锡合金(如镓铟锡比例为62∶25∶13，凝固点约5℃；比例为62.5∶21.5∶16，凝固点10.7℃；比例为69.8∶17.6∶12.5，凝固点10.8℃)，水银(凝固点-39℃，蒸发点357℃)等。金属液体电路连接方案的接触电阻小、摩擦损耗低，可以循环流动液态金属以带走热量。

转子与静子之间的主磁通气隙表面，可以设计为轴对称圆柱面(轴面型)，也可以设计为垂直于转轴中心线的端面(盘面型)。轴面型不产生轴向磁吸力，盘面型产生轴向磁吸力。可以采用对称布置的双盘面结构，以抵消轴向磁吸力。

通过每个转子导磁导电体(3)的磁通，有单磁通方案和双磁通方案，后者由两路励磁源励磁，电动势倍增。轴面型双磁通方案利用了转轴(2)的双面导磁通道，结构细长。结构趋向细长的设计还包括：缩小励磁线圈中心线半径，使线圈趋近转轴中心线。这种近轴线圈设计方案还可减少励磁线圈所耗的铜材或铝材。

轴面型方案的转轴(2)，可以设计为实心轴，也可以设计为空心轴。在相同的转轴外径情况下，实心轴的导磁能力最大。在转速较低、液态金属“电刷”线速度不受限的情况下，转轴外径可以设计的较大，转轴设计为空心轴，这种方案的结构耗材较少、重量较轻。

一般应用场合下，转子在内圈，静子在外圈，即内转子型结构。在与风轮轴直接连接的很低转速条件下，也可将HET设计为外转子型结构(图9)，这时的低转速、大直径、中空结构有利于静子在内圈布置，以获得较小的重量和较短的电缆及附属管线等益处。

轴面型、内转子型方案的转子导磁导电体(3)与转子导电体(4)的相接表面，可以是直至二者外径的全高圆盘面，也可以是非全高的圆盘面加圆柱面，即转子导电体为非全高型(图13)。在转速较高、全高型转子导电体强度不足时，采用非全高型设计。

从两个转子之间的距离和方位关系不同来区分，具有集中型和分离型两种结构。集中型的两个转子轴心线重合，且两个转子互相靠近，主电路较短。分离型的两个转子分开布置，各有独立的静子，具有外联导体传输主电流。集中型的主电路电阻较小，耗材和重量较少，但励磁之间干扰较大，不利于独立调节励磁，其转子支承也不易布置。分离型的布置灵活，利于独立调节励磁，但主电路电阻较大，电路耗材和重量较多。集中型的能量传递效率较高，分离型的能量传递效率较低，但分离型的能量传递效率也可达到98％左右(综合优化重量和效率两个指标、且较注重效率的优化方案)。

分离型具有两个HET半偶件，二者之间具有外联导体，以构成一套主电流闭合回路。用外接端子(16)(图6至图12，图15，图16，图19，图20，图47，图48)连接外联导体。外联导体可以采用多个同轴导体，具有同轴的芯轴(40)和套筒(41)，芯轴和套筒分别传输方向相反、大小相同的主电流，芯轴与套筒的间隙可以通以冷却介质散热。外联导体也可以采用混排柔性电缆，即采用数量众多的小线径导线，电流方向相反的两路导线互相绝缘地均匀混排，可以在导线束外加装套筒，并密封导线进出两端，在套筒内通以冷却介质散热。小线径导线具有柔软、易布置、可错位移动的特点，小线径导线可与端子钎焊连接，小线径导线与外接端子(16)的连接可采用钎焊或通过中间过渡端子连接。

分离型的单个转子，可以设计为具有一个转子导磁导电体(3)，可以设计为具有多个转子导磁导电体。此多个转子导磁导电体采用串联连接，称为多级串联型。采用外接端子(16)和外部导体对多个转子导磁导电体进行串接的多级串联型，称为多级外串联(图10、图11)，此种情况下，相邻的、串接的两个导磁导电体有对一个主磁通的共用。采用靠近转轴的内部导体对多个转子导磁导电体进行串接的多级串联型，称为多级内串联(图12)，此种情况下，每个主磁通仅穿过一个转子导磁导电体。

采用外接端子(16)连接外联导体的分离型，其两个HET半偶件可任意配对，不必为相同类型。

HET转子与静子之间的金属液体电路连接区(5)结构设计为：连接区空隙呈轴对称缝隙形状，其中段的半径大于两侧半径，对应中段最大半径位置，在静子导电体(6，11)上，开有轴对称的、与上述缝隙连通的分支缝隙(25)。较窄的缝隙利于减少电阻和组织流动。中段半径大于两侧半径的结构，利于在旋转时包容金属液体不失位。对应中段最大半径位置的分支缝隙，用于充装金属液体、收回金属液体、循环金属液体(需要第二分支缝隙(26)的参与)。当电路连接区金属液体摩擦发热量不大，且不需要该处金属液体负担转子导体电流欧姆热的传导外散时，不进行金属液体的循环流动是可选方案，这时可仅设分支缝隙(25)。

第二分支缝隙(26)用作循环流动金属液体的进液通道，分支缝隙(25)用作出液通道。当进液通道(26，29)附近区域温度较高、热通量较大时，为避免进液通道中的金属液体在到达电路连接区之前过早地被加热升温，特此设置隔热缝隙(31)，并与动、静件之间的气隙相连通。进液的隔热措施还包括进液相关管道(30)的隔热气隙。

设置与分支缝隙(25)和第二分支缝隙(26)分别相连通的均匀配送缓冲区空隙通道(27，29)，该通道窄端与缝隙(25，26)相连，宽端与数个沿周向均布的通向外部附属系统的圆管(28，30)相连。这种楔形设计的缓冲区用于将圆管(30)的周向不均匀进液流动尽量调整为在缝隙(26)的周向均匀进液流动，使圆管(28)的周向不均匀出液流动尽量不影响缝隙(25)的周向均匀出液流动。

在HET金属液体电路连接区(5)的两端，在静子导电体(6，11)上，开有轴对称的、与缝隙(5)连通的凹槽(32)，凹槽中安装密封用的环形胶管(33)，有一个通气管(34)与胶管连通，通气管穿过静子导电体(6，11)，通气管与外部附属系统连通。通过调节密封胶管(33)中的气体压强，可控制胶管的膨胀和收缩，从而控制胶管外壁与转子壁面的接触状态和分离状态，实现对电路连接区缝隙(5)的密封。该密封用于充装金属液体时保持真空吸力和维持液体边界，在无转速或转速较低时也可使用该密封作为特别的液体保持措施。

在HET静子导电体(6，11)上，在电路连接区(5)的两端内、靠近胶管(33)之处，各开有一个通气孔(35)，连通至外部附属系统。在机器组装初始充填金属液体时，先对与电路连接区(5)相连通的全部腔室和管路抽真空，再对密封胶管(33)充压，使胶管外壁与转子壁面密封接触，持续保持对两个通气孔(35)的抽真空操作，同时，从外部管路注入液体开始，按照串行线路顺序进行，向与电路连接区相连通的真空腔充装金属液体，应用真空抽吸作用，使金属液体充满由胶管(33)密封的空间。对两个通气孔(35)的持续抽真空操作，保持了金属液体注入过程中的真空度，保证了金属液体到达电路连接区的两端。从外部管路注入金属液体开始，按照串行线路顺序进行，其目的是赶出全部气体，不留有封闭的气体死区。两个通气孔应是金属液体最后到达之处，当某通气孔的外部管路出现金属液体时，即可明确判断金属液体已到达电路连接区的此端。

在HET外部附属系统中设置一个液态金属容积调节阀，该阀的可调容积腔室与电路连接区(5)相通。当需要改变电路连接区的金属液体容量时，调整该阀的容积即可。容积调节阀可以采用活塞结构、柱塞结构、隔膜结构。

HET金属液体的循环流动由设置在外部附属系统中的流体循环泵驱动，该泵可以采用离心泵、轴流泵、混流泵、齿轮泵、螺杆泵、电磁泵等，该泵的流量应可以调节。循环流动的主要目的是带走所携热量，起冷却作用，另外还可滤除金属液体中的固体杂质和所携气泡，减小电路连接区固体壁面的磨损，消除流动中卷入气泡的不利影响(如总体积增大、导电导热性降低、流动易出现不稳定)。金属液体在电路连接区的循环流动，特别是第二分支缝隙(26)的进液流动，非常有利于电路连接区内流动的稳定组织，即保持液体与转动壁面的稳定接触不分离，保持液体区域边界稳定不窜位置，具有一定的抵抗外界作用力的自卫能力。

在HET外部附属系统中设置的冷却循环流动金属液体的表面换热式散热器，可以直接由外部空气或水冷却，也可以采用中间媒质(如绝缘油)先行冷却，再由中间媒质循环至另设的集中式换热器中被外部空气或水最后冷却。由于带有不同电势的各个循环通路的液态金属之间需要绝缘，考虑到液态金属需要与外部空气特别是水严格隔离，采用化学惰性的绝缘油(如变压器冷却油)作为中间媒质，以及采用外部另设二次集中式换热器，应是一种较优的对应方案。

在HET外部附属系统中设置的液态金属循环流动液的固体杂质过滤器和气泡滤除器，可以采用粉末冶金多孔材料，其材质可用镍、青铜、不锈钢等。

对于HET液态金属电路连接区，需要隔离外界空气，因此设置针对隔离腔的密封结构，其中包括动密封结构，并对隔离腔抽真空和充装惰性气体。惰性气体可为氮气或氦气，氮气价廉、泄露慢，但与转子的气体摩擦阻力较大，氦气特点与氮气相反。动密封可采用磁性流体密封结构。此时，支承转子的轴承设置在隔离腔之外，与外界空气接触，一是避免轴承润滑油或脂在隔离腔内蒸发，二是保证滚动轴承在空气氛围中工作(真空、非空气、非氧化环境下滚动轴承磨损加剧)。

液态金属电路连接区(5)的转子、静子壁面上，可加工有耐磨、导电表面层。表面层可以是镀硬铬、镀硬银、镀硬金、镀银锑合金、镀金钴合金、镀金镍合金、镀金锑合金、金-碳化钨复合镀层、金-氮化硼复合镀层、化学镀镍磷合金镀层、化学镀镍硼合金镀层、化学镀镍磷合金-碳化硅复合镀层、化学镀镍磷合金-金刚石复合镀层、化学镀镍硼合金-金刚石复合镀层。

液态金属电路连接区可设置检测金属液体液位的传感元件，即：在电路连接区(5)通道两端的静子导电体(6，11)壁面上，镶嵌有电阻材料的长条薄片状元件，元件长度轴线在子午面内，元件的一个主面与通道壁面齐平，无绝缘，另一个主面和四边在凹槽内，表面被以绝缘材料，元件两端连接有导线，导线引出至外部附属系统。传感元件电阻材料要求有尽量高的电阻率，可采用电阻合金、电刷电碳材料，电刷电碳材料可选择树脂石墨、电化石墨、金属石墨、天然石墨。

与金属液体有接触的物体材料，不宜用塑料，应用橡胶材料时应选用氟橡胶。可选用氟橡胶的物体包括：密封胶管(33)，主电流回路上相邻导体间的液态金属接缝端部密封件，与金属液体有接触的结构中分面密封胶。

为便于理解和叙述下文的针对HET的调节控制方法，先进行如下名词术语解释及相关说明。

一套HET的励磁线圈具有n个，每个线圈的各匝直流电流之和记作Ii，i＝1，2，…，n，n最小为2。励磁线圈电流是周向流动的。每个线圈的匝数记作Zi，每个线圈的电阻记作Ri，每个线圈的欧姆热功率Poi＝(Ii/Zi)·(Ii/Zi)·Ri。

主电流回路的直流电流记作IO。主电流在子午面内流动，没有周向分量。子午面是包含轴心线的任一平面。

一个转子上具有k个导磁导电体(3)，其序号记作j，j＝1，2，…，k，k最小为1。每个导磁导电体的两端通常有导电体(4)与之相接，一个导磁导电体及其两端导电体组成所在转子上的一段独立的主电路，穿过该电路回转面的磁通记作Φmj，其意义是“单极直流电机的电磁作用原理”一节所述的穿过转子导体的磁通量Φm。一个转子上的穿过转子主电流回路回转面的总磁通等于k个Φmj之和，记作∑Φr，r＝1、2(对应一套HET的转子1和转子2)。一个转子上的串联主电路的各个对应Φmj通常应具有相同的方向，特殊情况下例外，这时应对相反方向的Φmj作减法计算。

磁通Φmj是由励磁线圈激励产生的，同一主磁路(22)附近的主励磁线圈对Φmj的激励作用最大，其他的励磁线圈对Φmj具有不同程度的影响，同属于一个转子的其他励磁线圈因结构相近和相通而有较大影响，有共享磁通的两转子的励磁线圈的影响也较大，无共享磁通的集中型结构不同转子励磁线圈也有漏磁影响，分离型结构的不同转子励磁线圈的影响可忽略不计。

主电流回路中的主电流产生周向磁密Bt，该磁场位于由主电流回路导体外表面围成的轴对称环管内。该周向磁场必然穿过主磁路上的某个或某几个导磁体，与此处由励磁源激励的子午面方向的磁密Bm合成为一个较大的总磁密矢量B。由于软磁材料导磁体的磁化曲线(磁通密度B与磁场强度H的关系曲线)是非线性的，周向磁密Bt的加入，使产生相同磁密Bm的磁场强度Hm相比Bt为零时增加。可见，主电流产生的周向磁场弱化降低了磁路的导磁性能，因而间接影响了各个Φmj值。

在运行使用时，对Φmj值有影响的可变因素是相关的励磁线圈电流和主电流。此外，磁路导磁体温度变化对导磁率有影响，磁路气隙变化对磁阻有影响，但这些影响的程度是很弱的。

下文所述的一套HET的串联主电流回路的电磁定律公式包括：

转子1的电动势：

E1＝ω1·ΣΦ1/(2π)(1)

转子2的电动势：

E2＝ω2·∑Φ2/(2π)(2)

主电流回路的电动势之和：

ΣE＝E1+E2(3)

主电流：

IO＝ΣE/RO(4)

转子1所受的电磁转矩：

Me1＝-IO·∑Φ1/(2π)(5)

转子2所受的电磁转矩：

Me2＝-IO·ΣΦ2/(2π)(6)

其中，RO为主电流回路的总电阻，包括电路固体电阻、固体之间接触或连接物电阻、电刷电阻。电刷使用液态金属时，电路连接区(5)金属液体的状态对RO值的大小有影响。温度对材料电阻率有影响。所述电路连接区金属液体状态记为MLS，由液体左、右边界位置参数来描述，或者由液体容量和中心位置参数来描述。

上述除RO之外的各量均有方向性，具有正值或负值。方向基准选取为：设计点时，主动转子1的角速度ω1的矢量方向选定为ω矢量正方向，磁通ΣΦ1的方向选定为ΣΦ正方向，E1的方向选定为E正方向。IO的正方向与E正方向相同，Me的矢量正方向与ω矢量正方向相同。E1在设计点具有正方向和正值，但在其他工作点可以是负值。E2与E1的方向始终相反，以构成主动轴与被动轴的关系。当ΣE＞0时，IO的方向为正，当ΣE＜0时，IO的方向为负。当一个转子的电磁转矩Me的矢量方向与角速度ω的矢量方向相同时(即两参数同为正值或同为负值)，表示该转子接受电磁功率(Pe值为正)，该转轴表现为被动轴。当一个转子的电磁转矩Me的矢量方向与角速度ω的矢量方向相反时，表示该转子输出电磁功率(Pe值为负)，该转轴表现为主动轴。

忽略温度等次要因素的影响，一套HET的串联主电路的∑Φ1和∑Φ2在运行使用时可表示为主电流IO的绝对值|IO|和相关励磁线圈电流的函数：

∑Φ1＝Ff1(|IO|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Φ2＝Ff2(|IO|，Ir21，Ir22，…，Ir2n)(8)

其中，{Ir11，Ir12，…，Ir1n}是{I1，I2，…，In}的子集或全集，{Ir21，Ir22，…，Ir2n}也是{I1，I2，…，In}的子集或全集。

忽略温度等次要因素的影响，一套HET的串联主电流回路的IO、Me1、Me2在运行使用时可表示为如下变量的函数：

IO＝FiO(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，IiOn)(9)

Me1＝Fm1(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，IiOn)(10)

Me2＝Fm2(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，IiOn)(11)

其中，{Ii01，Ii02，…，IiOn}是{Ir11，Ir12，…，Ir1n}与{Ir21，Ir22，…，Ir2n}的合集。

本发明方案中的储能飞轮由轮体、转轴、轴承、真空腔室等组成，轮体的大质量部分由单向连续纤维增强复合材料周向缠绕制成，轴承采用机械滚动轴承或磁力轴承。储能飞轮的较佳方案是采用立式柔性飞轮或悬挂式柔性飞轮，后者尤其适用于具有很大质量的飞轮。

立式柔性飞轮的方案说明如下。

立式柔性飞轮的基本组成包括：旋转的轮体，一个转轴(51)，转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体(52)。其转轴中心线垂直于地面，轮体为多体轴对称结构，轮体含有一个或多个质量块体(53)和至少一个支承体(54)，这些结构体以大环套小环形式依次顺序布置，质量块体位于旋转的最外圈和次外圈，支承体位于质量块体的内圈，质量块体由周向缠绕的纤维增强聚合物构成，采用轴对称的柔性膜环(55，58)连接相邻的内圈和外圈结构体，外圈结构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上，两个端面为承重端面副(56)。

用于质量块体缠绕成型的纤维增强聚合物，其纤维为单向连续纤维，纤维种类可选碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等，玻璃纤维可选高强型玻璃纤维和E玻璃纤维等，采用缠绕成型用无捻粗纱；其聚合物可选热固性树脂和热塑性树脂，热固性树脂可选环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等。碳纤维增强聚合物与玻璃纤维增强聚合物相比较，其优点在于：周向(环向)拉伸弹性模量较高，旋转时变形较小；复合材料的密度较小，比强度较高，单位重量的储能密度较高；其缺点在于：碳纤维价格昂贵，产品成本很高；由于密度较小，而强度的优势并不明显或仅仅持平(相对高强玻纤)，其单位体积的储能密度较低。因此，采用玻璃纤维增强聚合物具有较多的综合优势，适宜大规模经济性应用，在变形和蠕变量大的问题解决之后更是如此。

单向纤维增强聚合物材料结构的周向(材料自身的纵向)强度最高，但材料结构的径向和轴向(材料自身的横向)强度很低，使得轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环。质量块体可以是单个、两个、三个等，从各自的优缺点衡量取舍来选用。选用单个质量块体的优点是充分利用了高线速度区域，可以获得较高的单位重量储能密度，但是其内孔所占空间不能有效利用，导致以整个设备体积计算的单位体积的储能密度偏低。选用两个质量块体的优点是适当利用了有效空间，并且位于内圈的质量块体可以采用强度较低但价格较廉的纤维和树脂，其缺点是单位重量储能密度小于单个质量块体方案。

轮体的支承体主要作用是在质量块体与转轴之间进行连接，支承体个数取决于连接径向尺寸比例和支承体材质种类。支承体材质可选周向缠绕的纤维增强聚合物，也可选金属材料，前者在金属材料强度不能胜任的较高线速度位置必须采用。同样因为径向强度很低的原因，纤维增强聚合物支承体也常有多体的情形。由于线速度低于质量块体，支承体纤维增强聚合物可以选用强度较低但价格较廉的纤维和树脂。最内圈的支承体宜选用金属材料，以利于与转轴的连接。支承体金属材料可选钢、铝合金、钛合金等，铝合金和钛合金具有较高的比强度，所制支承体的外径较大，可减少纤维增强聚合物支承体的数量；铝合金还具有价格较低、重量较轻的特点；钢制支承体可以兼作永磁吸力轴向轴承的旋转盘，这时采用45号或40Cr钢较佳。

由于缠绕成型纤维增强聚合物在高速旋转失效破坏时容易粉碎为棉絮状碎片，具有较好的安全性，因此，位置较靠外圈的、储能较大的轮体采用纤维增强聚合物具有很明显的安全优势。

轮体结构体之间的端面副可仅采用一个承重端面副(56)，即外圈结构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上；也可采用一个承重端面副(56)和一个限制向上位移的端面副(57，64)，两个端面副可以设计为集中组合在一起，形成凸台与凹槽配合结构，并且这两个端面副的轴向位置以靠近负载体的重心为佳。端面副(56，57，64)的两个相对端面在径向高度上留有裕量，以补偿旋转时产生的径向位移错位，使端面副在静止至最大转速范围内始终保持有效的作用面积。端面副(57)的两个相对端面之间没有间隙，与承重端面副(56)联合起轴向定位作用，强制限制角不对中变化，紧密参与力和力矩的传递；端面副(64)的两个相对端面之间具有间隙，起限制外圈结构体向上位移的限位作用，一定程度地限制角不对中变化，有时或部分地参与力和力矩的传递。为增加端面副接触面的耐磨性，增加有效接触面积，保护纤维增强塑料表面，以及可靠耐用和吸振等目的，端面副(56，57，64)的两个相对端面材质可采用橡胶弹性材料，如采用聚氨酯橡胶，橡胶端面薄板(65)或橡胶端面厚块(66)与基体胶粘在一起。橡胶端面厚块(66)具有较大的弹性和变形适配性，但其离心负荷较大，应安装在外圈基体上，采用基体内孔面承载离心负荷。由于承重端面副(56)的负荷较大，选择所附的基体与轮体结构主体为一体结构，保证负荷传递路径具有充分的强度储备，而非承重端面副(57，64)的一端基体采用配件结构，该配件可用胶粘剂与主基体连接固定，配件材料采用与主基体相同的材质。

连接相邻内圈和外圈结构体的柔性膜环(55，58)，可以采用单组或双组，双组设计以两组的轴向跨距较大为佳。每组柔性膜环由单片或多片柔性膜环构成，数量取决于强度和刚度等因素的考虑。每片柔性膜环均与内圈和外圈基体胶粘，既有直接与主基体胶粘，也有与配件结构胶粘，配件结构再与主基体胶粘，配件材料采用与主基体相同的材质。可采用安装状态没有预先弯曲变形的柔性膜环(55)，由两端根部和中间的身部组成，带半圆头的根部与基体胶粘，身部厚度沿径向渐缩设计，以减小最大应力。也可采用安装状态具有预先弯曲变形的柔性膜环(58)，膜环零件在安装前的自由状态为等厚度平直垫圈形状，安装时强制变形为向一侧面弯曲状，距离中心轴较远处的膜环弯曲程度较大，在旋转至最大转速时膜环基本拉直。柔性膜环(55，58)材质为弹性材料，包括橡胶材料，如聚氨酯橡胶。柔性膜环(58)还可采用弹性材料与径向增强纤维的复合材料，顺半径方向布置的纤维集中在膜中心面，大幅提高膜环径向强度，同时不影响膜的弯曲，也不降低周向的弹性。柔性膜环(58)安装时进行周向拉伸，增大膜环内孔径至配合尺寸，保持膜环外径不变。对于质量块之间的双组柔性膜环(58)，与定位端面副有一定轴向距离的柔性膜环可选偏置安装(图32，放大图Ⅳ)，偏置量补偿旋转时外圈相对内圈的轴向收缩差值，以求在最大转速时膜环处于径向伸直状态。对于质量块之间的双组柔性膜环(55)，与定位端面副有一定轴向距离的柔性膜环可选倾斜设计，以求在最大转速时膜环处于径向伸直状态。

转轴(51)与最内圈的支承体(54)之间可以直接连接，如圆锥面过盈连接；也可以在二者之间安装支承盘(62)，支承盘的中心内孔与转轴连接，如圆锥面过盈连接，支承盘的盘身位于最内圈的支承体下方，二者之间安装弹性材料环(63)，后者与二者胶粘连接。与转轴过盈连接的物体材质宜取为与转轴同类型，如同取为钢材，以使二者的弹性模量、线胀系数等参数差别不大，利于在安装和使用时减小应力并保证过盈连接。与转轴直接连接的最内圈支承体一般为钢质，其外径较小，其转动惯量一般很小。当最内圈支承体选用铝合金或钛合金材质时，其外径较大，其转动惯量也较大，较需要柔性连接，同时轻合金与钢质转轴过盈连接的问题也较大，因此，采用中间过渡的钢质支承盘和弹性材料环的结构是优选解决方案，其中的弹性材料环同时起到柔性连接、承重和轴向定位作用，其材质可用橡胶材料，如聚氨酯橡胶。

飞轮转轴(51)的径向支承轴承可用两个径向支承磁悬浮轴承，也可用两组滚动轴承。其轴向支承轴承采用一组轴向支承磁悬浮轴承。

一组轴向支承磁悬浮轴承由一个或多个轴承构成，对于轮体重量很大的情形，适合于采用多个轴承。轴向支承磁悬浮轴承采用永磁斥力式或永磁吸力式。

一个永磁斥力式轴向支承磁悬浮轴承具有一个转动盘和一个静止盘，转动盘位于静止盘的上方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，静止盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，上述所有永磁体的充磁磁路也是轴对称结构，两盘相邻侧端面上相同半径处相对的磁极相反，向上的磁斥力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。

一个永磁吸力式轴向支承磁悬浮轴承具有一个转动盘(59)和一个静止盘(60)，转动盘位于静止盘的下方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘为轴对称软磁体结构，静止盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，上述所有永磁体的充磁磁路也是轴对称结构，向上的磁吸力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。

上述永磁式轴向支承磁悬浮轴承没有磁滞和涡流损失。永磁吸力式与永磁斥力式比较，具有两大优点：一是转动盘不需要安装永磁体，而永磁体的强度是很低的；二是磁吸端面的磁通密度可以组织设计的较大，以较小的轴承外径尺寸获得较大的轴承吸力。

径向支承的两组滚动轴承，一组滚动轴承承受径向负荷，另一组滚动轴承承受径向负荷和双向轴向负荷，并是轴向定位端。每组滚动轴承由一个滚动轴承或多个滚动轴承组成，以满足负载大小和方向的要求。轴向定位端一般位于上端。可以增设两组径向保护滚动轴承，以短时承担超载径向力。

轴向支承磁悬浮轴承的设置位置，一是静止盘(60)可以靠近轴向定位端滚动轴承，并与轴承座直接或间接固定连接；二是静止盘可以固定在壳体(52)上，此时，其转动盘可以由一个支承体(54)兼作。

当径向支承采用滚动轴承时，真空容器壳体(52)与转轴(51)之间设置磁性流体密封组件。

悬挂式柔性飞轮的方案说明如下。

悬挂式柔性飞轮与上述立式柔性飞轮具有较多的相同特征，下面仅针对与立式柔性飞轮的不同之处或有区别之处进行说明。

悬挂式柔性飞轮的基本组成包括：一套或多套串联的旋转轮体，一个转轴(101)，转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体。其转轴中心线垂直于地面，转轴上的轴向轴承采用一组轴向支承永磁轴承，轮体位于转轴的下端，轮体与中心轴(102)连接，中心轴与转轴下轴端通过承拉传扭柔性传动件连接，使轮体悬挂在转轴下面。

承拉传扭柔性传动件可以采用一套万向传动轴，包括两个万向节、中间的传动轴、两端的传动轴，上端传动轴与转轴(101)连接，下端传动轴与中心轴(102)连接。下端传动轴是不受轴承座约束的自由轴，这与通常使用的万向传动轴不同，中间传动轴和下端传动轴都可不围绕自身轴心线旋转，实际情况是包括轮体和转轴的全部转动件都围绕一个中心线——转轴(101)轴心线旋转。每个万向节由两个节叉孔件(104，121)和中间的一个轴件组成，形成两个转动副，两个转动副的转轴轴线均垂直于中间轴件的中心线(对称中心线，竖轴线)，并互相垂直，即两个转动副的转轴为互相垂直的横轴。两个转动副的转轴可以垂直相交，中间轴件为通常使用的万向节十字轴(103)；两个转动副的转轴也可以垂直相错，中间轴件为十字轴的变形，即两个横轴(119)沿竖轴方向平移拉开了一定距离。在柔性悬挂效果方面，相错十字轴与相交十字轴(103)所起的作用相同，但相错十字轴方案在优化万向节结构方面，主要是优化节叉孔件结构和强度方面具有较大优势。

万向节转动副可采用满装的滚针(105)，滚针与相交十字轴(103)或相错横轴(119)的圆柱轴面接触，或者与增设的高硬度轴承内圈(106)接触。图22表示一种带轴承内圈(106)的相交十字轴万向节方案，滚针(105)、轴承钢碗(107)、中心顶尖橡胶球(108)、卡环(109)、密封套筒(110)及密封胶圈的离心力均作用在节叉孔件(104)上。图23表示一种相交十字轴万向节方案，滚针(105)、球面内圈(113)、球面外圈(112)、螺母(111)、橡胶环(114)及其内外支环的离心力均作用在节叉孔件(104)上。为减小节叉孔件的应力，可采用转动副零件离心力由相交十字轴(103)或相错横轴(119)承担的方案，如图24表示的采用圆锥滚子轴承(117)的方案，铝碗盖(116)、铝套(115)及密封圈、圆锥滚子轴承(117)、斜螺母(118)的离心力均作用在转轴上；如图25表示的组合采用径向轴承滚针(105)和推力轴承滚针(126)的方案，满装滚针(105)、轴承套(122)及密封圈、滚针(126)及保持架、推力轴承的轴圈(125)、斜螺母(124)的离心力均作用在转轴上，只有起轴向限位和密封作用的扁橡胶圈(123)的离心力作用在节叉孔件上。

在不出现较大应力和变形的条件下，万向节的节叉孔件可以采用通常的悬臂结构。为大幅减小应力和变形，可以采用非悬臂的整圈结构，只开出两个或四个孔形成转动副。对于相交十字轴万向节，两个节叉孔件可以采用大小两个直径的整圈节叉环互相套装的方案，在外的大直径节叉环可以只开有两个孔装配长横轴转动副，在内的小直径节叉环开有四个孔，其中两个孔装配短横轴转动副，另两个孔空间穿过长横轴；同时，整圈节叉环为轴向中分结构，由沿两个转动副中心线剖分的两个整圈的半分节叉环装配组成，以利于十字轴的安装。相错十字轴结构为优化节叉孔件提供了很有利条件，由于两个横轴是错开布置的，可以采用如图25所示的销轴式相错十字轴，两个横轴(119)作为销，垂直插入竖轴(120)的销孔中，因而可采用无需半分的整圈节叉环(121)，两个节叉环(121)彼此分开不重叠，每个节叉环只开有两个孔以形成转动副。

承拉传扭柔性传动件可以采用圆环链条(图29，图30)，上下端各采用半个圆环(图26)，中间采用一个或多个圆环，每个圆环由上下两个半环和中间加长的两个直段组成(图27)，或者在两个直段之间还有加强的横向连接梁(图28)。两环相扣的“孔轴”配合比较紧密，孔的半径(图例为201mm)仅略大于轴的半径(图例为200mm)，以降低承载应力。每一个环扣具有两个转动自由度，最低需要两个环扣(图29)。更多的环扣和链条长度更加有利于减小作用到转轴(101)上的不平衡力。圆环链条(图29，图30)采用焊接方法构成环扣，或者采用铸造方法构成环扣。可采用球墨铸铁铸造圆环链条(图29，图30)。图26、图29、图30所示的半圆环端部的与转轴和中心轴连接部分结构仅为一种特例，图37也给出了半圆环端部的另一种特例。

当飞轮重量和扭矩较小时，承拉传扭柔性传动件可以采用单根或多根钢丝绳。单根钢丝绳可以单用(单个截面承担全部重力)或多用(多个截面分担全部重力)，后者将钢丝绳螺旋缠绕在转轴(101)下轴端与中心轴(102)上轴端之间，多段均匀分配负荷，扭矩传递力臂较大。多根钢丝绳也可以单用(多根钢丝绳的单个截面共同承担全部重力)或多用(每根钢丝绳的多个截面均匀分配负荷)，后者为多头螺旋结构。采用多用方案时，应考虑钢丝绳的离心力影响，必要时在绳长的中间点一处或中间部位多处间隔均匀地设置加强盘(环)，以承受钢丝绳离心力负荷。

转轴下轴端与承拉传扭柔性传动件的连接，可以采用如图35所示的花键、螺纹和法兰联接结构，即：连接件(127)的内花键与转轴(101)下轴端的外花键配合联接、传递扭矩，连接件(127)的外法兰盘通过止口与承拉传扭柔性传动件的上端外法兰盘(129)相配合，并通过螺栓紧固，螺母(128)紧固在转轴末端，承受由连接件(127)传递的重力，螺母(128)的环槽结构利于螺纹载荷均匀；也可以采用如图36所示的螺纹和法兰联接结构，即：连接件(130)的外法兰盘通过止口与承拉传扭柔性传动件的上端外法兰盘(129)相配合，并通过螺栓紧固，连接件(130)的内螺纹与转轴(101)下轴端的外螺纹联接，该螺纹除承载重力外，还借助螺纹的自锁摩擦力传递双向的扭矩；也可以采用如图37所示的直接螺纹联接结构，即：承拉传扭柔性传动件的上端结构(129)加工有内螺纹，直接与转轴(101)下轴端的外螺纹联接，该螺纹除承载重力外，还借助螺纹的自锁摩擦力传递双向的扭矩；也可以采用如下结构：在承拉传扭柔性传动件的上端部分加工出内花键，与转轴下轴端的外花键配合联接、传递扭矩，并有螺母紧固在转轴末端，承受重力；也可以采用销轴结构：承拉传扭柔性传动件的上端部分与转轴下轴端形成孔轴圆柱面配合，并有一个圆柱销插入横穿二者的销孔中，承载重力和扭矩。

中心轴上轴端具有实心轴结构形式时，或者具有空心轴结构但外轴径不大时，可以采用上述的转轴下轴端与承拉传扭柔性传动件的连接结构形式，与承拉传扭柔性传动件的下端部分进行连接，只是上下位置及朝向相反。当飞轮储能规模较大时，中心轴宜采用外径较大的圆筒形式(图39)，其端部与其它件的连接宜采用法兰结构，如图38所示为中心轴上端的外法兰盘(132)与承拉传扭柔性传动件的下端外法兰盘(131)通过止口和螺栓连接。

当采用多套串联的轮体时，中心轴采用多段组合的结构形式，每套轮体对应一段中心轴，各段中心轴之间通过法兰连接，如图39所示；但也可采用共用一个长中心轴的结构形式，各套轮体通过圆柱面过盈配合、或圆锥面过盈配合、或锥形中间套结构与中心轴紧固连接。

中心轴(102)与最内圈的支承体(54)之间的连接，可以采用圆柱面过盈配合，或圆锥面过盈配合，或锥形中间套连接结构；也可以采用柔性膜环(55，58)和端面副(56，57或64)的连接结构，适合于多段组合中心轴情形(图39)；也可以在中心轴与最内圈的支承体(54)之间安装有支承盘(62)，支承盘的中心内孔与中心轴过盈连接，支承盘的盘身位于最内圈的支承体下方，二者之间安装有弹性材料环(63)，后者与二者胶粘连接，弹性材料环同时起到柔性连接、承重和轴向定位作用，其材质可用橡胶材料，如聚氨酯橡胶。

转轴(101)的轴向支承轴承采用一组轴向支承永磁轴承，由一个或多个串联的轴向支承永磁轴承构成，对于轮体重量较大的情形，适合于采用多个轴承串联。轴向支承永磁轴承采用永磁斥力式或永磁吸力式。

转轴(101)的径向支承轴承采用两组滚动轴承，或者两组径向支承磁悬浮轴承。

转轴(101)的轴向支承永磁轴承位于转轴中部，径向支承轴承位于转轴两端(图40、图41、图42、图43)。

径向支承的两组滚动轴承，一组滚动轴承承受径向负荷，位于转轴下端，另一组滚动轴承能够承受径向负荷和双向轴向负荷，并是轴向定位端，位于转轴上端。每组滚动轴承由一个滚动轴承或多个滚动轴承组成，以满足负载大小和方向的要求。滚动轴承腔室与大气连通。

为使飞轮转轴(101)中心线处于铅垂位置，可采用如图43所示的结构，调整支座板(133)与基座(134)安装的水平度，使飞轮转轴安装基准面(135)的水平度达到要求；也可采用如图42所示的结构，支座由支座板(133)和球面锥体(137)构成，二者接触面(136)为球心位于转轴中心线上的球面，安装时通过调整球面锥体的方位角度，使飞轮转轴安装基准面(135)达到水平要求或者飞轮转轴中心线达到铅垂状态。

转轴下端滚动轴承向静止件和支座的传力结构，可以采用如图41所示的结构，轴承座(140)直接与包容轴向支承永磁轴承静止盘(60)的外钢套(139)的内圆柱孔相接触连接，为保证上下端轴承座孔的同轴度，对包括外钢套的相关零件进行组合加工上下端座孔；也可以采用如图40所示的向真空腔壳体传力的结构，轴承座(140)与外球面套(141)的内圆柱孔接触，后者与支承盘(142)的内球面接触，球面的球心位于转轴中心线上，球面副用于自动调整轴承座孔的角度，外圈的支承环(143)焊接在真空腔壳体(138)的内壁面上，支承盘(142)与支承环(143)的连接具有较大的中心距调整裕度，在完成飞轮转轴和轮体的悬挂安装之后，再行紧固支承盘与支承环端面之间的螺栓，以及紧定螺钉(144)，其中的垫圈(145)用于调整高度，调整垫圈和螺纹紧固件的安装由从真空腔壳体上的人孔门进入的人员操作。带有外圆柱面的轴承座(140)(图40、图41)及其内部所附带的静止件的重力作用在下端轴承的外圈端面上，以保证维持轴承的最小负荷，轴承座的外圆柱面同时起到允许非定位轴承支承面轴向自由位移的作用。

本发明风电系统中的风轮、发电机、飞轮三者之间的能量传递具有三类方案：第一类是风轮与发电机之间无HET的方案，相当于在现有常规风电系统上增加了储能装置及其能量传递设备，第二类是风轮与发电机之间具有一套独立HET的方案，第三类是风轮、发电机、飞轮三者各连接一个HET半偶件的方案。

在第一类方案中，风轮或者与发电机直接连接(直驱方案)，或者通过一个增速齿轮箱与发电机连接；传递飞轮能量的一套HET(记为HETf)的一端转子与飞轮转轴连接，另一端转子或与发电机转轴连接，或通过一对锥齿轮与发电机转轴连接；HETf可以为分离型或集中型；与HETf相连接的发电机转轴端可以面向风轮(直驱方案除外)或背向风轮(即所连接的轴伸端位于与风轮相连接的一侧或其相对侧，下同)；飞轮可以为立式或水平轴式，优选立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮；当采用水平轴式风轮、卧式发电机(包括风轮和发电机轴线具有一些仰角的情况，下同)、立式飞轮时，HETf具有三种可选方案：其一为“一卧一立分离型HETf”，一个卧式半偶件HETfhe转轴与卧式发电机转轴连接，一个立式半偶件HETfhf转轴与飞轮转轴连接，其二为“两立分离型HETf”，一个立式半偶件HETfhe转轴通过一对锥齿轮与卧式发电机转轴连接，一个立式半偶件HETfhf转轴与飞轮转轴连接，其三为“立式集中型HETf”，立式集中型HETf的一个转子转轴通过一对锥齿轮与卧式发电机转轴连接，另一个转子转轴与飞轮转轴连接。

在第二类方案中，风轮与发电机之间采用一套HET(记为HETw)传递动力，HETw的一端转子与发电机转轴连接，另一端转子或与飞轮转轴直接连接，或通过一个增速齿轮箱与飞轮转轴连接；HETw可以为分离型或集中型；当采用水平轴式风轮、卧式发电机时，无增速齿轮箱的方案采用分离型卧式HETw，此时风轮侧HET半偶件的转速很低，可采用空心轴、内转子型结构，或者采用外转子型结构，有增速齿轮箱的方案采用分离型或集中型卧式HETw；传递飞轮能量的一套HET(记为HETf)的一端转子与飞轮转轴连接，另一端转子或与发电机转轴连接，或通过一对锥齿轮与发电机转轴连接；HETf可以为分离型或集中型；与HETf相连接的发电机转轴端可以面向风轮或背向风轮；飞轮可以为立式或水平轴式，优选立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮；当采用水平轴式风轮、卧式发电机、立式飞轮时，HETf具有三种可选方案：其一为“一卧一立分离型HETf”，一个卧式半偶件HETfhe转轴与卧式发电机转轴连接，一个立式半偶件HETfhf转轴与飞轮转轴连接，其二为“两立分离型HETf”，一个立式半偶件HETfhe转轴通过一对锥齿轮与卧式发电机转轴连接，一个立式半偶件HETfhf转轴与飞轮转轴连接，其三为“立式集中型HETf”，立式集中型HETf的一个转子转轴通过一对锥齿轮与卧式发电机转轴连接，另一个转子转轴与飞轮转轴连接。

在第三类方案中，风轮转轴或者直接连接一个HET半偶件(记为HEThw，转速很低，可采用空心轴、内转子型结构，或者采用外转子型结构)，或者通过一个增速齿轮箱连接一个HET半偶件(记为HEThw)，发电机转轴连接一个HET半偶件(记为HEThe)，飞轮转轴连接一个HET半偶件(记为HEThf)，这三个HET半偶件的主电流电路串联连接，原理上相当于1.5个分离型HET；飞轮可以为立式或水平轴式，优选立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮。

第二类方案与第三类方案的比较：第二类方案采用彼此互相独立的两套HET(HETw和HETf)，调节控制灵活，可调范围大，缺点是具有四个转子(或半偶件)；第三类方案采用串联的1.5套HET，具有三个HET半偶件(HEThw、HEThe和HEThf)，结构数量少，但由于受限于三者主电流必须相同，调节控制不够灵活、优化运行受限。

当采用水平轴式风轮、立式飞轮时，飞轮转动中心线与偏航转动中心线最好应重合或平行，两中心线重合或平行均可使飞轮陀螺力矩降低为零，两中心线重合还可消除因飞轮重心移动对结构及轴承产生的径向负荷。

采用第二类、第三类方案时，发电机可采用通用的同步或异步工频交流发电机，在工频下同步恒转速运行，或异步近似恒转速运行，均直接输出工频交流电，经升压向电网供电，或向离网用户供电；此时，采用水平轴式的风轮，其叶片可为固定桨距角或变桨距角翼型截面叶片。

本发明风电系统中的发电机的功率容量，以及相关设备(包括入网的升压变压器和其他电网连接设备及电缆)的功率容量，可以减额设计，即以低于风轮额定功率的容量规格进行设计，例如，发电机额定电磁功率及其相关设备额定功率取为风轮额定功率的一半。本发明风电系统中的飞轮结构传递功率容量，传递飞轮能量的HETf或HEThf的功率容量，可以减额设计，例如取为风轮额定功率的一半。上述发电机端的减额设计和飞轮端的减额设计，可以同时采用，例如两端设计容量均减半。

对独立的一套HET(HETf或HETw)可采用如下所示的两种损耗总和最小原则调节控制方法。

总损耗取为主电流欧姆热(IO·IO·RO)和励磁电流欧姆热(∑Poi)的总和，其中RO和Ri取为定值。选定主电流和各个励磁电流的应用极限范围，在该范围内，分别计算或试验获得两个转子上的穿过转子主电流回路回转面的总磁通跟随主电流IO和相关励磁电流Ii多维变量变化的对应关系，即：

∑Φ1＝Ff1(|IO|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Φ2＝Ff2(|IO|，Ir21，Ir22，…，Ir2n)(8)

给定两轴转速的应用范围和一指定轴电磁转矩的应用范围，利用电磁定律公式((1)～(4)、(5)或(6)，其中RO取为定值)和上述多维变量函数关系((7)、(8))，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的、满足总损耗最小目标的各个励磁电流最佳值Iiopt矩阵，并把全部数据存储于控制系统。

在调节执行时，即时采集两个转子的转速(ω1和ω2)，作为输入条件，给出一指定轴转矩指令，也作为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，采用样条插值函数公式计算获得对应的各励磁电流最佳值Iiopt，用于执行环节。

对独立的一套HET(HETf或HETw)也可采用如下所示的三种损耗总和最小原则调节控制方法。

总损耗取为主电流欧姆热(IO·IO·RO)、励磁电流欧姆热(∑Poi)和电路连接区液态金属磨擦热的总和，其中，RO取为液态金属状态参数MLS的函数，Ri取为定值。选定主电流和各个励磁电流的应用极限范围，在该范围内，分别计算或试验获得两个转子上的穿过转子主电流回路回转面的总磁通跟随主电流IO和相关励磁电流Ii多维变量变化的对应关系，即：

∑Φ1＝Ff1(|IO|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

ΣΦ2＝Ff2(|IO|，Ir21，Ir22，…，Ir2n)(8)

给定两轴转速的应用范围、一指定轴电磁转矩的应用范围和液态金属状态参数MLS的应用范围，利用电磁定律公式((1)～(4)、(5)或(6)，其中RO取为液态金属状态参数MLS的函数)和上述多维变量函数关系((7)、(8))，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的、满足总损耗最小目标的各个励磁电流最佳值Iiopt矩阵和液态金属状态参数最佳值MLSopt矩阵，并把全部数据存储于控制系统。

在调节执行时，即时采集两个转子的转速(ω1和ω2)，作为输入条件，给出一指定轴转矩指令，也作为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，采用样条插值函数公式计算获得对应的各励磁电流最佳值Iiopt和液态金属状态参数最佳值MLSopt，用于执行环节。

具有三个HET半偶件(HEThw、HEThe和HEThf)的1.5个分离型HET的串联主电流回路的电磁定律公式具有如下形式：

HEThw半偶件转子的电动势：

Ew＝ωw·∑Φw/(2π)(12)

HEThe半偶件转子的电动势：

Ee＝ωe·∑Φe/(2π)(13)

HEThf半偶件转子的电动势：

Ef＝ωf·∑Φf/(2π)(14)

主电流回路的电动势之和：

ΣE＝Ew+Ee+Ef(15)

主电流：

IO＝ΣE/RO(16)

HEThw半偶件转子所受的电磁转矩：

Mew＝-IO·∑Φw/(2π)(17)

HEThe半偶件转子所受的电磁转矩：

Mee＝-IO·∑Φe/(2π)(18)

HEThf半偶件转子所受的电磁转矩：

Mef＝-IO·∑Φf/(2π)(19)

忽略温度等次要因素的影响，∑Φw、∑Φe和∑Φf在运行使用时可表示为主电流IO的绝对值|IO|和对应半偶件励磁线圈电流的函数：

∑Φw＝Ffw(|IO|，Iw1，Iw2，…，Iwm)(20)

∑Φe＝Ffe(|IO|，Ie1，Ie2，…，Iem)(21)

∑Φf＝Fff(|IO|，If1，If2，…，Ifm)(22)

忽略温度等次要因素的影响，IO、Mew、Mee、Mef在运行使用时可表示为如下变量的函数：

IO＝FiO(ωw，ωe，ωf，MLS，Ii01，Ii02，…，IiOm)(23)

Mew＝Fmw(ωw，ωe，ωf，MLS，Ii01，Ii02，…，IiOm)(24)

Mee＝Fme(ωw，ωe，ωf，MLS，Ii01，Ii02，…，IiOm)(25)

Mef＝Fmf(ωw，ωe，ωf，MLS，Ii01，Ii02，…，IiOm)(26)

其中，{Ii01，Ii02，…，IiOm}是{Iw1，Iw2，…，Iwm}、{Ie1，Ie2，…，Iem}、{If1，If2，…，Ifm}的合集。

对具有三个HET半偶件(HEThw、HEThe和HEThf)的1.5个分离型HET可采用如下所示的两种损耗总和最小原则调节控制方法。

总损耗取为主电流欧姆热(IO·IO·RO)和各个励磁电流欧姆热(∑Poi)的总和，其中RO和Ri取为定值。选定主电流和各个励磁电流的应用极限范围，在该范围内，分别计算或试验获得三个转子上的穿过转子主电流回路回转面的总磁通跟随主电流和相关励磁电流多维变量变化的对应关系，即：

∑Φw＝Ffw(|IO|，Iw1，Iw2，…，Iwm)(20)

∑Φe＝Ffe(|IO|，Ie1，Ie2，…，Iem)(21)

∑Φf＝Fff(|IO|，If1，If2，…，Ifm)(22)

给定三轴转速的应用范围、两个指定轴电磁转矩的应用范围，利用电磁定律公式((12)～(16)公式，(17)～(19)中的两个公式，其中RO取为定值)和上述多维变量函数关系((20)～(22))，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的、满足总损耗最小目标的各个励磁电流最佳值Iiopt矩阵，并把全部数据存储于控制系统。

在调节执行时，即时采集三个转子的转速(ωw，ωe，ωf)，作为输入条件，给出两个指定轴电磁转矩指令，也作为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，采用样条插值函数公式计算获得对应的各励磁电流最佳值Iiopt，用于执行环节。

对具有三个HET半偶件(HEThw、HEThe和HEThf)的1.5个分离型HET也可采用如下所示的三种损耗总和最小原则调节控制方法。

总损耗取为主电流欧姆热(IO·IO·RO)、各个励磁电流欧姆热(∑Poi)和电路连接区液态金属磨擦热的总和，其中，RO取为液态金属状态参数MLS的函数，Ri取为定值。选定主电流和各个励磁电流的应用极限范围，在该范围内，分别计算或试验获得三个转子上的穿过转子主电流回路回转面的总磁通跟随主电流和相关励磁电流多维变量变化的对应关系，即：

∑Φw＝Ffw(|IO|，Iw1，Iw2，…，Iwm)(20)

∑Φe＝Ffe(|IO|，Ie1，Ie2，…，Iem)(21)

∑Φf＝Fff(|IO|，If1，If2，…，Ifm)(22)

给定三轴转速的应用范围、两个指定轴电磁转矩的应用范围、电路连接区液态金属状态参数MLS的应用范围，利用电磁定律公式((12)～(16)公式，(17)～(19)中的两个公式，其中RO取为液态金属状态参数MLS的函数)和上述多维变量函数关系((20)～(22))，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的、满足总损耗最小目标的各个励磁电流最佳值Iiopt矩阵和液态金属状态参数最佳值MLSopt矩阵，并把全部数据存储于控制系统。

在调节执行时，即时采集三个转子的转速(ωw，ωe，ωf)，作为输入条件，给出两个指定轴电磁转矩指令，也作为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，采用样条插值函数公式计算获得对应的各励磁电流最佳值Iiopt和液态金属状态参数最佳值MLSopt，用于执行环节。

电路连接区的金属液体应是无空洞的连续的一个轴对称液环，两端侧边界是气液界面，中间的液固界面应连续、不含气体。影响总电阻RO的不仅是金属液体电路连接区自身的电阻，金属液体分布位置的移动也影响了相邻导体的电流路径和电阻。金属液体左、右边界位置参数(即气液界面中心点位置参数)和气液界面的形状，可以完整描述与RO相关的金属液体状态(MLS)，但在实际应用时可以忽略气液界面形状因素。金属液体左、右边界位置参数也可由液体容量和中心位置参数来替代，这种替代是对等的。MLS参数同时也是影响金属液体摩擦热的一个主要参数。

电路连接区的金属液体受到以下方面的作用：液体表面张力，液体旋转离心力，动壁面旋转带动的液体子午面迴流，循环泵驱动的循环流动(含射入流和汇出流)，两侧气体压力，导电金属液体受到的电磁力。在电磁力中，周向磁密Bt与主电流产生的子午面洛仑兹力Flm是唯一显著并起重要作用的部分，Flm方向垂直于主电流方向，始终指向主电流环的外侧。在维持金属液体位置不脱位方面，循环流动是有利因素，其流速越高则维稳能力越强；中间半径大、两侧半径小的通道使两侧液体旋转离心力互相牵制，利于维稳；洛仑兹力Flm始终向外，是不利因素，可设计液体旋转离心力与之抵消。对于两侧气体压力，可采用调节两侧压差的手段维持金属液体位置稳定。由此产生金属液体位置维稳的两种方案，方案一：不调节两侧气体压力，两侧压差为零(自由状态)，设计较长的两侧通道，采用较多的液体容量，主要利用液体旋转离心力的作用，保证在全部运行使用范围内金属液体位置不脱位，即不脱离循环流动入口和出口对应的位置；方案二：调节两侧气体压差，不必设计较长的两侧通道，不必采用较多的液体容量，主要利用两侧气体压差的作用，保证在全部运行使用范围内金属液体位置不脱位，并且处于较佳的、预定的位置。调节两侧气体压差可采用容积伸缩法：设置活塞结构或柱塞结构或隔膜结构的容积调节阀，其可调容积腔室与待调节压强的气体腔连通，利用容积变化改变压强，这在HET缝隙小容积腔是可行的，并且有调节时操作迅速的优点。

在采用金属液体位置维稳方案一时，液体中心位置是不能主动调节控制的，因此，上述调节控制方法所用的金属液体状态MLS参数仅含可控量金属液体容量参数，而液体中心位置参数固定为一个平均值以近似处理。在采用方案二时，增加了两侧气体压差调节手段，液体中心位置由此可主动调节控制，当中心位置要求控制在一个固定位置时，MLS参数仅含金属液体容量参数；当中心位置变动控制时，MLS参数可包含液体中心位置参数和液体容量参数，中心位置控制在满足总损耗最小目标的最佳位置上；当中心位置变动控制时，MLS参数也可仅含金属液体容量参数，以简化工作量，而中心位置参数固定为一个平均值以近似处理，这时的中心位置控制与总损耗最小目标无关，按照其他要求执行。

HET励磁线圈直流电流大小的控制，采用电压调节方法，可采用直流斩波器，或者采用电阻电位器。

采用第二类、第三类方案时，在设计风速及以下风速情况下，水平轴式风轮以设计桨距角变转速运转，利用HET的调节功能，控制风轮转速跟随风速变化，始终保持在最佳叶尖速比状态附近；在设计风速以上风速至切出风速情况下，对于采用固定桨距角叶片的水平轴式风轮，使用失速方法进行功率限制控制，利用HET的调节功能控制风轮保持设计转速，或使风轮变速(主要是降速)运转以使风轮输出维持设计功率，对于采用变桨距角叶片的水平轴式风轮，使用变桨距角方法或“主动失速控制”方法进行功率限制控制，利用HET的调节功能控制风轮保持设计转速，或使风轮变速(主要是降速)运转以使风轮输出维持设计功率。

在传动轴上配置一套机械刹车装置，无增速齿轮箱方案的机械刹车装置设在风轮轴处，有增速齿轮箱方案的机械刹车装置可以设在风轮轴处，也可以设在齿轮箱输出轴处。风轮同时配备空气动力制动措施，变桨距叶片风轮采用“顺桨”制动方法，固定桨距叶片带有“叶尖”顺桨制动结构或“扰流板”制动结构。

水平轴式风轮采用如下一种对风装置：偏航驱动主动对风机构，对风尾舵，对风侧轮。水平轴式风电系统还具有机舱、塔架等结构。

本发明风电系统的常规操作采用稳定发电运行方法，按照计划的平均发电功率运行发电机，较大风况或阵风使风轮输出功率高于平均值时，高出的差值由飞轮吸收，较小风况使风轮输出功率低于平均值时，不足的差额由飞轮补偿输出。

本发明风电系统也可兼顾起到电网调峰功能，当电网需要储能、且风速较小时，发电机作为电动机使用，由飞轮吸收来自电网的电能，当电网负荷增加、且风速较小时，由飞轮全力输出储存的能量。

本发明方案可以实现以下有益效果：

(1)采用飞轮和HET作为风电系统中的储能装置及其能量传递设备，可以实现稳定发电的功能，形成比较稳定可靠的发电源；在不需要额外的电网调峰措施同时，还可以兼职向电网提供调峰能力；可以提供标准品质的电能；可以大幅降低发电机及其与电网相连设备的额定容量。

(2)采用HET作为储能飞轮的能量传递设备，不使用位于真空腔中的高频高转速电机，不使用变频器，没有电机的发热量大且散热不利问题，传输功率不受限制，设备的功率密度高，成本低，能量转换效率高(HET效率可达到98％)。

(3)飞轮立式轮体柔性悬挂式结构从根本上避开了常规使用的轮体与转轴组合简支转子的不平衡和共振问题，轮体处于自动平衡旋转状态，对上端转轴的不平衡作用力很小，也不出现共振点；飞轮立式转轴上的轴向支承永磁轴承解决了大质量飞轮最大的支承难题——重力支承问题，无摩擦损耗，无涡流和磁滞损耗，无电流及其他能源供给；飞轮的柔性连接多体轮体利于制造和提高储能体积密度。

(4)在风轮与发电机之间采用HET作为传动设备，具有以下有益效果：

(a)实现了风轮与发电机之间的无级变速变距传动功能，两端的转速和转矩范围允许从零至最大值，可以实现一端有转速、一端零转速，这是通常的机械无级变速传动装置做不到的；

(b)HET的两个转子之间无直接机械连接，形成了风轮(和齿轮箱)一端转子轴系与发电机一端轴系的柔性连接，隔离了一端冲击载荷向另一端的直接刚性传递，十分有利于降低各设备的最大设计载荷，增加运行稳定性和可靠性，防止发电机与电网解裂；

(c)利用HET的调节功能，可控制风轮高效率变转速运转，在设计风速及以下风速情况下，控制风轮转速跟随风速变化，始终保持在最佳叶尖速比状态，获取最大可能的风能捕获效率；

(d)在超过设计风速进行功率限制控制时，可利用HET的调节功能控制风轮变速运转，使风轮输出维持设计功率，即使是对带固定桨距叶片的风轮；该项调节能力也是实施第(c)项的支持基础，现有风电系统由于缺乏有效的调节手段而在功率限制区域和正常运行区域之间作权衡妥协，实际采用的风能利用系数大幅低于可达到的最大值；

(e)HET的效率较高，成本较低，不产生电磁噪声和谐波，电磁干扰小；

(f)各种方案对于使用常规的高供电品质同步发电机没有障碍，也可使用常规的异步发电机；

(g)当启动风速下的定桨距叶片风轮起动力矩较小不足以自起动，需要发电机作为电动机驱动风轮起动时，由于发电机轴没有与风轮和齿轮箱的直接连接，发电机轴系的转动惯量相对很小，再采取电机空载起动方法(HET零转矩负荷，风轮暂时不转动)，因此非常有利于电机的合闸自起动，包括异步发电机作为异步电动机的自起动，包括同步发电机作为同步电动机(带有起动绕组)的自起动，当电机空载起动到额定转速后，再通过HET加载驱动风轮开始旋转起来，直至风轮输出净功率、电机转为发电机运行状态。

附图说明

图1：集中型、两轴单磁通(无两轴共用)、远轴线圈、实心轴、轴面型HET子午面示意图。

图2：集中型、两轴一单一双磁通(有两轴共用)、远轴线圈、实心轴、轴面型HET子午面示意图。

图3：集中型、两轴两双磁通(有两轴共用)、近轴线圈、实心轴、轴面型HET子午面示意图。

图4：集中型、两轴两双磁通(形式上无两轴共用)、近轴线圈、实心轴、轴面型、两轴转向相同的HET子午面示意图。

图5：集中型、两轴两单磁通(形式上无两轴共用)、实心轴、盘面型(轴向磁通气隙，轴向吸力抵消设计)HET子午面示意图。

图6：分离型、单磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图7：分离型、双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图8：分离型、双磁通、近轴线圈、空心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图9：分离型、双磁通、外转子、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图10：分离型、双磁通、两级外串联、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图11：分离型、双磁通、三级外串联、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图12：分离型、双磁通、两级内串联、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图13：分离型、双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型、转子导电体非全高的HET半偶件子午面图。

图14：集中型、两轴两双磁通(形式上无两轴共用)、近轴线圈、实心轴、轴面型、两轴转向相反的HET子午面示意图。

图15：分离型、单磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型、轴端集电设计的HET半偶件子午面示意图。

图16：分离型、双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面图。

图17：集中型、两轴两单磁通(形式上无两轴共用)、实心轴、盘面型(轴向磁通气隙，轴向吸力抵消设计)HET子午面图。

图18：集中型、两轴两双磁通(有两轴共用)、近轴线圈、实心轴、轴面型HET子午面图。

图19：分离型、双磁通、近轴线圈、空心轴、轴面型、单级、卧式HET半偶件子午面图(图20的A-A剖面)。

图20：单级分离型HET半偶件的外接端子与混排柔性电缆。

图21：带飞轮和HET的风力发电系统。

图22：相交十字轴万向节图(一)。

图23：相交十字轴万向节图(二)。

图24：一种万向节转动副图。

图25：相错十字轴万向节图。

图26：圆环链条端部半圆环图。

图27：圆环链条的圆环图。

图28：圆环链条的带横梁的圆环图。

图29：带一个中间圆环的圆环链条图。

图30：带三个中间圆环的圆环链条图。

图31：一套柔性飞轮轮体子午面图(一)。

图32：一套柔性飞轮轮体子午面图(二)。

图33：一套柔性飞轮轮体子午面图(三)。

图34：一套柔性飞轮轮体子午面图(四)。

图35：转轴与承拉传扭柔性传动件的花键、螺纹和法兰联接结构。

图36：转轴与承拉传扭柔性传动件的螺纹和法兰联接结构。

图37：转轴与承拉传扭柔性传动件的直接螺纹联接结构(图中示出圆环链条的半圆环)。

图38：中心轴与承拉传扭柔性传动件的外法兰联接结构。

图39：多套串联轮体、多段圆筒形中心轴之间的连接。

图40：轴向永磁轴承和下端径向轴承(一)。

图41：轴向永磁轴承和下端径向轴承(二)。

图42：悬挂式柔性飞轮上端结构(一)。

图43：悬挂式柔性飞轮上端结构(二)。

图44：悬挂式柔性飞轮装置。

图45：吸力式轴向支承永磁轴承的静止盘。

图46：一种立式柔性飞轮子午面图(与分离型HET(A部分)同轴)。

图47：卧式分离型HET半偶件子午面图(双磁通、近轴线圈、空心轴、轴面型、单级)－HETfhe。

图48：立式分离型HET半偶件子午面图(双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型、单级)－HETfhf。

图49：飞轮侧立式分离型HET半偶件(HETfhf)与悬挂式柔性飞轮的连接。

图50：悬挂式柔性飞轮(176)和飞轮侧HET半偶件(HETfhf，177)子午面图。

具体实施方式

一个带飞轮和HET的1.5MW风力发电系统(图21)的具体实施方案如下。

该系统包括：一个水平轴式变桨距叶片风轮，一个连接风轮轴的卧式增速齿轮箱，一个连接齿轮箱输出轴和间接连接发电机轴的单极直流电磁传动机(HETw)，一个卧式同步发电机，一个悬挂式柔性飞轮装置，一个连接飞轮转轴和发电机轴的单极直流电磁传动机(HETf)，一个设在风轮轴处的机械刹车装置，一个偏航驱动主动对风机构，一个机舱，一个塔架，以及控制和附属系统。

风轮采用三个翼型剖面叶片，风能利用系数Cp最大值为0.47，对应的最佳叶尖速比为7，额定设计点应用此最佳叶尖速比值和最大Cp值。选取适用风场范围广的较低风能的12m/s额定风速。风轮额定转速24.31r/min，额定叶尖线速度84m/s，额定输出功率1670kW。风轮直径66m。

增速齿轮箱在额定工况将转速24.31r/min增加到1500r/min，使HETw的两个转子的额定转速相同，增速比为61.7，额定输入功率1670kW，采用三级传动，前两级为行星齿轮，后一级为平行轴圆柱齿轮。

同步发电机额定输出功率750kW(功率减半设计)，1500r/min恒速运行，输出50Hz交流电，经升压变压器接入电网。

HETw为卧式分离型，具有一对相同规格的HET半偶件(图19)，额定输入功率1612kW，额定转速1500r/min，额定主电流107873A，额定效率97％。每个HET半偶件为单级、空心轴、双磁通、近轴线圈结构形式，每个HET半偶件的几何和重量参数为：转子最大外径701.8mm，静子本体最大外径928.9mm，外接端子外径1239.5mm，总长804.7mm，转子重量927kg，总重量2604kg。

HETf为分离型，具有一个连接发电机轴的卧式半偶件HETfhe(图47)和一个连接飞轮转轴的立式半偶件HETfhf(图48)，额定输出功率750kW(功率减半设计)，额定主电流60959A。HETfhe半偶件的额定转速1500r/min，具有单级、空心轴、双磁通、近轴线圈结构形式，转子最大外径571.1mm，静子本体最大外径806.6mm，外接端子外径1133mm，总长945mm，转子重量821kg，总重量2481kg。HETfhf半偶件的额定转速3796.25r/min，设计功率为3×750kW(在1/3额定转速时也可达到额定功率750kW)，具有单级、实心轴、双磁通、近轴线圈结构形式，转子最大外径527.7mm，静子本体最大外径756.5mm，外接端子外径1080.4mm，总长820mm，转子重量871kg，总重量2356kg。HETf在下述条件下的平均额定效率为97％：功率为额定值750kW，HETfhe半偶件转速为额定值1500r/min，HETfhf半偶件转速为从1/3额定转速至100％额定转速的全程转速(对应飞轮从1/3额定转速、1/9储能量至100％额定转速、100％储能量的全过程)。

在面向风轮侧的发电机转轴端连接HETf，增速齿轮箱与发电机之间的各设备连接如下：一个联轴节连接齿轮箱输出轴与HETw的前半偶件端轴，一套外联电缆连接HETw的两个半偶件主电流电路，一个联轴节连接HETw的后半偶件端轴与卧式半偶件HETfhe的前端轴，一个联轴节连接卧式半偶件HETfhe的后端轴与发电机转轴。HETfhe转轴兼具向后面的发电机转轴传递功率的作用，该转轴前端传递功率额定值为1563kW，该转轴后端传递功率额定值为782kW。

悬挂式柔性飞轮装置(图44)主要参数：额定转速3796.25r/min，额定传输功率750kW(功率减半设计)，最大传输转矩5660Nm(在1/3额定转速及以上转速下，可传输额定功率750kW)，飞轮最大外径3360mm，装置最大外径3727mm，装置总高度4675mm，装置总重量51581kg，转子总重量42837kg，额定储能1567kWh。

悬挂式柔性飞轮装置(图44)实施方案如下。

飞轮转子具有7套上下串列的轮体，每套轮体具有两个质量块体(53)和两个支承体(54)(图39)，每套轮体与一段圆筒形中心轴(102)相连接，上下相邻的中心轴采用法兰和螺纹紧固件连接，位于下方的6段中心轴具有相同的结构，最上方的一段中心轴具有与圆环链条下端法兰盘(131)相连接的法兰盘(图39)。安装装配时，首先从底部支承安放最下端的一套轮体和中心轴组件，再由下至上逐套装配连接其余的轮体和中心轴组件。

在外圈的质量块体材质采用缠绕成型的高强型玻璃纤维无捻粗纱增强环氧树脂，在内圈的质量块体材质采用缠绕成型的E型玻璃纤维无捻粗纱增强环氧树脂，支承体材质采用缠绕成型的E型玻璃纤维无捻粗纱增强不饱和聚酯树脂，圆筒形中心轴采用球墨铸铁。

在外圈与内圈质量块体之间，采用一个承重端面副(56)。在内圈质量块体与外圈支承体之间，在外圈与内圈支承体之间，在内圈支承体与圆筒形中心轴之间，均采用一个承重端面副(56)和一个限制向上位移的端面副(64)，两个端面副集中设计。承重端面副(56)的两个相对端面在径向高度上留有裕量，以补偿旋转时产生的径向位移错位，使端面副在静止至最大转速范围内始终保持有效的作用面积。为增加端面副接触面的耐磨性，增加有效接触面积，保护纤维增强塑料表面，以及可靠耐用和吸振等目的，端面副(56)的两个相对端面材质采用聚氨酯橡胶材料，这种材料的端面薄板(65)和端面厚块(66)与基体胶粘在一起。端面厚块(66)具有较大的弹性和变形适配性，但其离心负荷较大，安装在外圈基体上，采用基体内孔面承载离心负荷。由于承重端面副(56)的负荷较大，选择所附的基体与轮体结构主体为一体结构，保证负荷传递路径具有充分的强度储备，而非承重端面副(64)的一端基体采用配件结构，该配件用胶粘剂与主基体连接固定，配件材料采用与主基体相同的材质。

在外圈与内圈质量块体之间，在内圈质量块体与外圈支承体之间，在外圈与内圈支承体之间，在内圈支承体与圆筒形中心轴之间，均设置一个单片柔性膜环(58)。每个柔性膜环与配件结构胶粘，配件结构再与主基体胶粘，配件材料采用与主基体相同的材质。柔性膜环采用聚氨酯橡胶材料，膜环零件在安装前的自由状态为等厚度平直垫圈形状，安装时强制变形为向一侧面弯曲状，距离中心轴较远处的膜环弯曲程度较大，在旋转至最大转速时膜环基本拉直。柔性膜环在安装时进行周向拉伸，增大膜环内孔径至配合尺寸。

飞轮转轴(101)和轮体中心轴(102)之间的承拉传扭柔性传动件采用圆环链条(图29)，上下端各采用带有法兰盘的半个圆环(图26)，中间采用一个带有横向连接梁的圆环(图28)。两环相扣的“孔轴”配合比较紧密，孔的半径为70mm，仅略大于轴的半径69.6mm，以降低承载应力。采用球墨铸铁铸造加工，先铸造和加工两个端部半圆环(图26)，再在两个端部半圆环参加的条件下铸造中间圆环及后续加工处理。

中心轴上端与圆环链条下端的连接，采用法兰结构(图38、图39)。

转轴下轴端与圆环链条上端的连接，采用如图35所示的花键、螺纹和法兰联接结构，连接件(127)的内花键与转轴(101)下轴端的外花键配合联接、传递扭矩，连接件(127)的外法兰盘通过止口与圆环链条上端外法兰盘(129)相配合，并通过螺栓紧固，螺母(128)紧固在转轴末端，承受由连接件(127)传递的重力，螺母(128)的环槽结构利于螺纹载荷均匀。

轴向支承永磁轴承由5个串列的吸力式轴向支承永磁轴承构成，每个轴承具有一个转动盘(59)和一个静止盘(60)(图41、图43)，转动盘位于静止盘的下方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙。转动盘采用5个相同尺寸结构的软磁材料45#钢锥形盘，每个转动盘通过一个紧定套(147)(带有外圆锥面、内圆柱面，纵向开有一缝)和一个螺母(146)与转轴(101)紧固，两个相邻转动盘之间设置中间隔套(148)，最上端的转动盘与主轴上的凸肩之间设置隔套(152)，这些隔套起到轴向定位和确保可靠传递轴向力的作用。静止盘(图45)由轴对称的非导磁材料铝合金基体(151)、软磁材料电磁纯铁环(149)、永磁材料钕铁硼环(150)组成，三者之间胶粘连接，钕铁硼环(150)沿径向充磁，相邻的钕铁硼环充磁方向相反，主磁通回路通过钕铁硼环、相邻的两个电磁纯铁环及其相对的转动盘，在电磁纯铁环与转动盘之间产生较强的气隙磁场，对转动盘形成向上的磁吸力，设计用来抵消转子的重力。静止盘(60)与其他件的连接结构及装配步骤如下：在转轴上端轴承组及其附近零件和钢制轴承座(153)装配完成后，首先安装最上端的静止盘和上端钢套(154)，然后安装最上端的转动盘(59)、隔套(152)、紧定套(147)和螺母(146)及其锁定配件，再按先静止件、后转动件的顺序，逐套安装中间的静止盘、橡胶弹性垫套(155)和中间钢套(156)，以及中间的转动盘、中间隔套(148)、紧定套(147)和螺母(146)及其锁定配件，最后安装最下端的静止盘、橡胶弹性垫套(155)和下端钢套(157)，最终由一个通长的外钢套(139)包容套装串列的各段钢套(154、156、157)。

转轴(101)上下端采用径向滚动轴承支承，轴向支承永磁轴承的转动盘位于转轴中部，转轴设计为刚性转子，其一阶弯曲临界转速高于额定转速。

转轴下端采用一个深沟球轴承(图41)，使用润滑脂。轴承两侧具有磁流体密封组件(钕铁硼环及其两侧的各带有三个齿的电磁纯铁环，以及齿尖处的磁流体液)，使轴承与周围真空环境隔离，轴承腔与大气连通。轴承两侧还具有防止润滑脂向两侧移动的离心隔离盘(159)。在相对磁流体密封组件的位置，在转轴上安装隔套(160、161)，隔套采用导磁性高于转轴材料的45#钢，以保证密封磁通，同时隔套具有相关零部件的轴向定位作用。隔套(160、161)与转轴(101)之间设置橡胶密封圈和真空密封脂，隔套(160)与转轴之间也可采用钎焊方法固定连接及密封。上下两套磁流体密封组件分别固定在轴承座(140)和端盖(158)之上，连接面采用胶粘剂粘接及密封，端盖与轴承座之间采用螺钉紧固，并设置橡胶密封圈和真空密封脂。轴承座(140)、端盖(158)、离心隔离盘(159)均采用非磁性材料铝合金，以满足磁流体密封的要求。

转轴下端的深沟球轴承(图41)是非轴向定位的自由端轴承，应保证其外圈的轴向自由位移，另外还要保证维持该轴承的负荷不低于其最小负荷，以免引起严重的滑动摩擦。为满足上述两项要求，采用如下结构措施：轴承座(140)与轴承外圈的上端面接触，轴承座的外圆柱面允许轴向自由位移，轴承座、端盖(158)、两套磁流体密封组件、以及轴承外圈的全部重量形成的轴向负荷作用于轴承滚珠上，该轴向负荷产生的轴承当量负荷不低于要求的最小负荷。

转轴下端轴承采用通过外钢套(139)向支座传力的方案(图41)，轴承座(140)的外圆柱面直接与外钢套的内圆柱孔相接触。为保证上下端轴承座孔的同轴度，对包括外钢套的相关零件(139、153、154)进行组合加工上下端座孔。

转轴上端采用一对深沟球轴承(图43)，在两个轴承的内圈之间设置一个隔圈，在上轴承外圈的上端面之上和下轴承外圈的下端面之下，分别设置一个带有十几个沿周均布轴向通孔及其内置螺旋压缩弹簧的支承隔圈，使两个轴承形成面对面轴承组合，承受径向负荷和双向轴向负荷，并且作为轴向定位端。支承隔圈中的十几个内置螺旋压缩弹簧，用于保证每个轴承的当量负荷不低于要求的最小负荷。下端的支承隔圈由铝合金端座(162)限位支承，上端的支承隔圈由铝合金端盖(165)限位支承，铝合金端座(162)与钢质轴承座(153)采用止口定位，并钎焊固定及密封，铝合金端盖(165)与钢质轴承座之间设置调整垫圈，装配时依据专门工装预现轴承达到要求预紧负荷时的相关尺寸测量结果对调整垫圈厚度进行研磨。轴承润滑使用润滑脂，轴承组两侧具有防止润滑脂向两侧移动的铝合金材质的离心隔离盘。轴承组下侧设置带有六个密封齿的磁流体密封组件，使轴承与转子所处真空环境隔离，轴承腔与大气气路连通。轴承组上侧设置带有两个密封齿的磁流体密封组件。磁流体密封组件分别固定在铝合金端座(162)和铝合金端盖(165)之上，连接面采用胶粘剂粘接及密封。在相对磁流体密封组件的位置，在转轴上安装隔套(163、164)，隔套采用导磁性高于转轴材料的45#钢，以保证密封磁通，同时隔套具有相关零部件的轴向定位及传力作用。隔套(163)与转轴(101)之间设置橡胶密封圈和真空密封脂，隔套(163)与转轴之间也可采用钎焊方法固定连接及密封。隔套(164)的上端面由轴端螺母紧固。转轴(101)的上轴端还带有外花键以供与外部设备转轴连接，还带有中心孔处的内螺纹用于安装工艺。

为使飞轮转轴(101)中心线处于铅垂位置，采用如图43所示的结构，调整支座板(133)与基座(134)安装的水平度，使飞轮转轴安装基准面(135)的水平度达到严格要求，同时严格控制轴承座(153)、外钢套(139)、扇形垫块(166)、扇形调整垫板(167)的相关加工形位精度。扇形垫块(166)沿周均布，安装开始时暂不使用，在转轴下端完成与圆环链条的连接，并完成圆环链条与坐落于底部的飞轮轮体及中心轴的连接之后，由安装在转轴上轴端内螺纹处的吊装工具吊起整个转子(包括轴承座(153)和外钢套(139)之内的全部静子件)，或者在飞轮轮体中心轴底部采用液压千斤顶先顶起最重的飞轮轮体，再吊起伸直全部转子，之后从侧面安装扇形垫块(166)。沿周均布的、从侧面安装的扇形调整垫板(167)用于调整轴向支承永磁轴承转动盘与静止盘之间的间隙大小，从而调整磁吸力大小。在逐个装配永磁轴承的静止盘和转动盘时，静止盘吸到转动盘上，由于在两盘相对端面的内缘和外缘处设置了更小间隙的限位凸边，两盘互相吸住时的气隙仍保留约一半的额定气隙距离，使得此时的磁吸力不致过大，利于对磁吸力的调试操作。

固定安装于基座(134)的真空容器壳体为上细下粗的瓶状(图44)，具有上、中、下三部分，下部由底部椭圆形封头与下部圆筒段组成，中部为椭圆形收口，上部由圆筒段和支座板(133)组成。轴承座(153)同时也是真空容器的封头。中部与下部壳体设置法兰连接，上部与中部壳体设置法兰连接，安装的先后顺序为：下部壳体，轮体与中心轴组件，中部壳体，基座(134)，上部壳体，其余零组件。在中部与下部壳体之间的、上部与中部壳体之间的法兰连接处外圈(图44，放大图I)，设置有钎焊环腔壁结构，两端的薄壁环形件(168、170)先与厚壁壳体焊接固定，在现场安装和法兰连接紧固之后，采用现场软钎焊方法焊接中间的薄壁环形件(169)与两端的薄壁环形件(168、170)，以保证可靠的真空密封，同时又是半可拆式密封和连接，其中的薄壁件和两端过渡结构主要为了防止现场钎焊时热量散失过快。在支座板(133)和轴承座(153)之间，设置有包容前二者之间全部连接面的钎焊环腔壁结构(图43)，两端的薄壁环形件(171、173)先与轴承座、支座板焊接固定，在容器未抽真空和转子静态条件下确定扇形调整垫板(167)厚度并完成轴承座(153)与外钢套(139)的紧固之后，采用现场软钎焊方法焊接中间的薄壁环形件(172)与两端的薄壁环形件(171、173)，以保证对包容件的可靠密封，并在需要进一步调整扇形调整垫板(167)厚度时可以拆除和重用。

HETw的两个相同设计的卧式半偶件(图19)、HETf的卧式半偶件HETfhe(图47)和立式半偶件HETfhf(图48)，均为单级、双磁通、近轴线圈形式，并采用混排柔性外联电缆，这三种半偶件的实施方案共同之处说明如下。

转子具有一个转子导磁导电体(3)，在其左右两侧具有对称结构的两个转子导电体(4)、两个静子导电体(6)、两个励磁线圈(9)、两个静子导磁导电体(7)、两个NaK金属液体电路连接区(5)及其配套的通道和管路。双磁通的磁路也是完全或基本对称结构的。两端的支撑端盖(36)采用铝合金材质，不影响磁路的对称性，尽量不产生对转子的轴向磁吸力，同时也满足端盖内圈所装的磁流体密封件(37)的非导磁要求。支撑端盖(36)兼作轴承座。

转子上的导磁导电体(3)和导电体(4)均是整圈结构，均与转轴(2)过盈配合，并与转轴(2)之间电绝缘。导磁导电体(3)采用20钢，导电体(4)采用铬铜Cu-O.5Cr。导磁导电体(3)的两端面底部加宽成锥体状，利于导磁，也利于减少过盈配合引起的应力集中。导电体(4)采用与导磁导电体(3)外径相同的全高设计，二者之间连接缝采用NaK金属液体充填，连接缝顶端和底端采用氟橡胶密封体和胶粘剂密封。导电体(4)底部加工有周向均布的两个注液孔，连通外部与金属液体连接缝，注液孔外端设有堵塞，装配注液时采用真空抽吸方法，一个注液孔用于抽真空，另一注液孔用于注入NaK金属液体。底部注液孔装满的液体可补充到连接缝在旋转时增加的容积空间中，保证连接缝始终充满金属液体。

静子导电体(6)设计为非整圈的上下半中分结构，以在装配时与整体设计的转子导电体(4)不发生干涉(若把导电体(4)在中间细颈处分割为左右两体，则静子导电体(6)也可整圈分体安装)，同时也有利于在中分面加工或安装所需的通道、管路和连线。导电体(6)材质选用紫铜。导电体(6)上设计有NaK金属液体的进入通路和排出通路，排出通路含分支缝隙(25)、均匀配送缓冲区空隙(27)、径向布置的周向均布48个通孔(供圆管(28)插入)，进入通路含第二分支缝隙(26)、均匀配送缓冲区空隙(29)、径向布置的周向均布48个通孔(供圆管(30)插入)。圆管(28，30)采用紫铜材料，插入相应通孔时接触面用氟橡胶密封胶粘剂密封。为防止进入通路的金属液体受热过快升温，设计有气体隔热缝隙(31)，同时在圆管(30)的外伸线路上设计有隔热气隙。为便于加工导电体(6)上的窄缝(25，26，27，29，31)，导电体(6)分为依次套装的4个分体(6a，6b，6c，6d)，使各窄缝壁面在加工时完全暴露在外。6a与6b的连接止口(所称止口具有圆柱面和端面)，以及6b与6c的连接止口，采用氟橡胶导电胶粘剂密封，保持导电性；6c与6d的连接止口位于顶端，采用氟橡胶密封胶粘剂密封。

在静子导电体(6a，6d)上开有两个轴对称凹槽(32)，里端半圆形，凹槽中安装氟橡胶胶管(33)，胶管在内外压强为大气压时卧藏在凹槽中不突出。每个胶管有一个通气管(34)与之相连通，通气管采用氟橡胶，通气管插入胶管开孔中并粘接密封。通气管穿过导电体(6)和导磁体(10)连至HET外部附属系统。通气管的中心线位于导电体(6)中分面上，即在导电体(6)两半中分面相应开出半圆凹槽，上下半合并时构成整圆凹槽容纳通气管，装配时通气管与凹槽壁面采用氟橡胶密封胶粘剂密封。通气管在导电体(6)与导磁体(10)邻接面处轴向布置，整圈结构的导磁体(10)轴向安装时，通气管穿过对应的导磁体(10)轴向通孔。

在靠近胶管(33)的导电体(6a，6d)上下半中分面上，开有半圆凹槽，上下半合并时构成通气孔(35)。在通气孔到达导电体(6a)或导电体(6d)的边界之前，采用通气孔接管与通气孔连通。通气孔接管材质为氟橡胶，其安装、布置及相应加工操作与通气管(34)的做法相同。

静子导电体(6)上下半中分面在装配合并时采用氟橡胶密封胶粘剂密封。

两个静子导磁导电体(7)、两个外接端子(16)、两个静子导磁体(10)均是整圈结构。导磁导电体(7)和导磁体(10)采用电磁纯铁，外接端子(16)采用紫铜。静子导电体(6)与导磁导电体(7)之间的连接缝采用NaK液充填，NaK液由周向均布的4个小孔(44)供应，连接缝顶端和底端采用氟橡胶密封体和胶粘剂密封。导磁导电体(7)与外接端子(16)的连接面为锥面，该连接缝采用NaK液充填，NaK液由周向均布的4个小孔(38)供应，连接缝顶端和底端采用氟橡胶密封体和胶粘剂密封。两个外接端子(16)和两个导磁体(10)的机械连接采用交错方向布置的螺栓紧固，即单数螺栓紧固两个外接端子和左侧导磁体，双数螺栓紧固两个外接端子和右侧导磁体。设计有橡胶材质的弹性锥形垫圈(39)，传递紧固导磁体(10)的螺栓轴向力，依次轴向压紧励磁线圈(9)、静子导电体(6a，6b)、静子导磁导电体(7)。

主电流电路的外部连接，采用外接端子(16)和混排柔性电缆方案(图20)。混排柔性电缆使用线径零点几毫米的紫铜导线材料，由细导线组成柔性导线束(91)，连接在外接端子上。相同电流方向的导线束沿径向排成一列，不同电流方向的各列导线束交替混排成扇形块，沿周均布16个这样的扇形块，扇形块之间留出供其它管路和引线通过的空间。导线束与紫铜外接端子钎焊连接，或通过紫铜中间过渡端子与二者钎焊连接。

励磁线圈(9)采用连续缠绕的整圈结构，中间无插接头、无中分面。

在电路连接区(5)的转子壁面上，加工有耐冲蚀磨损的、并且导电的表面层，表面层为电镀银锑合金。

在HET外部附属系统中，对应每个电路连接区(5)设置有一个循环NaK液外部流路，流路进液端连通48个圆管(28)的汇总管，流路出液端连通48个圆管(30)的汇总管。在每个外部流路中，从流路进液端一侧开始，依次设置有容积调节阀、固体杂质过滤器、循环泵、气泡滤除器、散热器。

容积调节阀采用隔膜结构，隔膜材质为氟橡胶，隔膜的轴向移动由带直线位移输出的步进电动机驱动，由隔膜和阀体封闭围成并密封的可调容积腔室与外部流路连通。

固体杂质过滤器采用镍材粉末冶金多孔材料作滤芯，使外部流路的全部NaK液流过滤芯，截留固体杂质于滤芯前部。

循环泵采用离心泵，由可调转速的电动机驱动，离心叶轮的转轴采用氟橡胶填料密封。

气泡滤除器采用镍材粉末冶金多孔材料作为气液分离元件，全部NaK液较缓速流过由该元件内侧面围成的通道，该元件外侧面有一个与电路连接区(5)周围气腔连通的腔室，NaK液中的气泡由内外侧压差驱动穿过分离元件孔隙，得到滤除并返回原有气腔，而NaK液体因表面张力很大被限制不能穿过分离元件孔隙。

散热器为管壳式结构，NaK液在换热管内流动，变压器油在管外壳内流动，换热管外壁带有翅片。

设有一套变压器油循环系统，其中含有一个变压器油循环泵、一个变压器油风冷换热器和一个固体杂质过滤器，循环泵采用离心泵或轴流泵，驱动变压器油并联流过NaK液散热器的壳侧，并集中流过翅片管式风冷换热器的管内流道和固体杂质过滤器，冷却用空气由外部风扇驱动。循环泵位于风冷换热器之前和过滤器之后，变压器油依次经历在散热器吸热升温和降压、在过滤器降压、在循环泵增压和升温、在风冷器放热降温和降压的不断反复循环过程。

在两端轴承的内侧设置磁流体动密封件(37)。除了在上面已描述的静密封之外，在静子上还设置了下列各处的静密封：件37与件36之间，件36与件10之间，件10与件16之间，两个件16之间(绝缘和密封)，圆管(28，30)与件10之间(采用密封环45)，通气管(34)与件10之间，通气孔(35)的接管与件10之间。在由上述密封及其他相关物体构成的封闭气体腔室中，装有氮气。

在全套系统组装时，充装氮气和金属液体。首先对氮气和NaK液体将占据的封闭空间抽真空，该空间是相互连通的一个空间(密封用胶管(33)不膨胀密封，对其管内同时抽真空)，该空间含有静子本体内的NaK液连接缝，含有NaK液外部流路，含有气泡滤除器气液分离元件外侧面的腔室。再对密封胶管(33)用氮气充压，使胶管外壁与转子壁面密封接触。持续保持对两个通气孔(35)的抽真空操作，同时，从NaK液外部管路注入液体开始，按照串行线路顺序进行，向与电路连接区相连通的真空腔充装NaK液，应用真空抽吸作用，使NaK液充满由胶管(33)密封的空间。再对胶管(33)减压解除密封，通过通气孔(35)向气体腔室充装氮气，胶管(33)的管内氮气压强控制与气体腔室一致。

HETw的半偶件(图19)、HETf的半偶件HETfhe(图47)均为卧式、空心轴结构，其转轴中间段是空心的20钢导磁体(2)，两端是40Cr钢端轴(180，182)和20钢套环(181)，套环(181)用于磁流体密封件(37)的导磁，导磁体(2)与端轴之间，端轴与套环之间，均为过盈连接，并在接触端面涂密封胶。两个端轴上各装有一个滚动轴承(深沟球径向轴承，油脂润滑，双侧带接触式密封圈)，在端轴(180)一侧的轴承是轴向定位端，可承受双向轴向负荷，在端轴(182)一侧的轴承是可轴向位移的自由端；转子重力产生的轴承径向负荷大于其最小负荷，不需要对两个轴承增加额外的预紧措施。HETw的半偶件(图19)具有一个带有外花键的轴伸，HETf的半偶件HETfhe(图47)具有两个带有外花键的轴伸。

HETf的半偶件HETfhf(图48)为立式、实心轴结构，转轴(2)由中心细轴和外圈环轴两部分过盈配合组成，中心细轴材质采用45钢，外圈环轴采用20钢。具有一个面向下面的带有外花键的轴伸。

HETfhf(图48)的静子通过支架(175)与飞轮转轴上端轴承座(153)连接(图49、图50)，即：支架(175)上端的小直径止口环体与HETfhf静子下端法兰盘止口连接紧固，支架下端的大直径止口环体与飞轮转轴上端轴承座(153)外缘凸台止口连接紧固，使HETfhf静子的支承与飞轮装置形成一体，通过相关连接零部件的形位公差加工控制，使HETfhf转轴与飞轮转轴的轴心线重合。支架(175)由上端的小直径止口环体、下端的大直径止口环体、连接两端的沿周均布的矩形截面径向辐条构成，采用球墨铸铁铸造和机加工艺制造。HETfhf转轴下端面压在飞轮转轴上端面上(图49)，HETfhf转子的重力传递到飞轮转轴上，统一由飞轮的轴向支承永磁轴承负责承担，使HETfhf免设很高负荷的轴向支承轴承，也免设轴向定位死点。两轴的轴端加工有相同规格尺寸的外花键，两轴之间的扭矩由一个装配在两轴端的内花键套筒(174)(图49)来传递。上述这种其中一台设备无轴向定位死点的两台设备之间的联轴节，在运行时不会对仅有的一个轴向定位轴承产生额外的、不希望的轴向负荷。而在通常的两台设备均有轴向定位死点的场合，二者之间的弹性联轴节会产生轴向力(由轴向位移、不对中等情况引起的)，二者之间的刚性固定联轴节会产生很大的热膨胀轴向力，二者之间的齿式联轴节在转轴等零件热伸缩导致啮合齿之间轴向位移时会产生摩擦轴向力，这些轴向力均是成对出现的作用力与反作用力，并同时传递到两台设备的轴向定位端的轴向支承轴承。

HETfhf(图48)的转轴(中心细轴)两端仅各设一个径向滚动轴承(深沟球轴承)，外圈均可自由轴向位移，没有可承受双向轴向负荷的轴向定位轴承。由于立式转子轴承不承受重力，为保持轴承的最小负荷，在轴承座端盖一侧加装作用于轴承外圈端面的螺旋压缩弹簧施加轴向预紧负荷。

悬挂式柔性飞轮装置和HETfhf(图50)布置在塔架中心位置，飞轮转轴中心线与偏航转动中心线重合，在风轮对风时不产生飞轮陀螺力矩，也不引起飞轮重心的转动。

在HETw的半偶件、HETf的半偶件HETfhe和HETfhf中，每个半偶件的两个励磁线圈(9)通以大小相同、方向相反的电流(I1和I2，图7，图8)，产生的双磁通磁场是左右对称的。这两个励磁线圈的绕线串接在一起，具有一种励磁绕线电流Ic1，I1＝Z1×Ic1，I2＝Z2×Ic1，匝数Z1＝Z2，半偶件转子总磁通∑Φ1＝Ff1(|IO|，I1，I2)＝Ff1(|IO|，Z1×Ic1，Z2×Ic1)。

由于HETw的两个半偶件具有完全相同的设计，因此这两个半偶件可以通用一套电磁作用关系曲面公式，即有∑Φ2＝Ff1(|IO|，Z1×Ic2，Z2×Ic2)，Ic2为HETw的第二个半偶件的励磁绕线电流。

对HETw和HETf的运行控制是分别独立执行的，每套HET的控制均可以选择应用以下两种调节控制方法的任一种。

第一种调节控制方法：

总损耗取为主电流欧姆热(IO·IO·RO)和励磁电流欧姆热(∑Poi)的总和，其中RO和Ri取为定值。

计算或试验获得下列随主电流IO和励磁绕线电流Ic1、Ic2变化的关系曲面：

∑Φ1＝Ff1(|IO|，Z11×Ic1，Z12×Ic1)(27)

∑Φ2＝Ff2(|IO|，Z21×Ic2，Z22×Ic2)(28)

其中，IO取值范围为零至设计值，Ic1、Ic2取值范围为零至设计值，Z11、Z12是第一个HET半偶件两个励磁线圈的匝数，Z21、Z22是第二个HET半偶件两个励磁线圈的匝数。

给定一指定转轴转矩应用范围，给定两轴转速的应用范围。利用电磁定律公式((1)～(4)，(5)或(6)，其中RO取为定值)和上述公式(27)和(28)，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的、满足总损耗最小目标的励磁绕线电流最佳值Ic1opt和Ic2opt矩阵，并把全部数据存储于控制系统。

在调节执行时，即时采集两个转子的转速ω1和ω2，作为输入条件，给出一指定转轴转矩指令，也作为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，采用样条插值函数公式计算获得对应的各励磁绕线电流最佳值Ic1opt和Ic2opt，用于执行环节。

第二种调节控制方法：

总损耗取为主电流欧姆热(IO·IO·RO)、励磁电流欧姆热(∑Poi)和电路连接区液态金属磨擦热的总和，其中，Ri取为定值，RO取为电路连接区NaK液状态参数MLS的函数，MLS参数中的变量是NaK液容量参数，而液体中心位置参数固定为一个平均值。MLS参数同时也对液态金属磨擦热有影响。

计算或试验获得下列随主电流IO和励磁绕线电流Ic1、Ic2变化的关系曲面：

∑Φ1＝Ff1(|IO|，Z11×Ic1，Z12×Ic1)(27)

∑Φ2＝Ff2(|IO|，Z21×Ic2，Z22×Ic2)(28)

其中，IO取值范围为零至设计值，Ic1、Ic2取值范围为零至设计值，Z11、Z12是第一个HET半偶件两个励磁线圈的匝数，Z21、Z22是第二个HET半偶件两个励磁线圈的匝数。

给定一指定转轴转矩应用范围，给定两轴转速的应用范围，给定电路连接区NaK液容量参数的应用范围。利用电磁定律公式((1)～(4)，(5)或(6)，其中RO取为NaK液容量参数的函数)和上述公式(27)和(28)，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的、满足总损耗最小目标的励磁绕线电流最佳值Ic1opt和Ic2opt矩阵，以及NaK液容量参数最佳值矩阵，并把全部数据存储于控制系统。

在调节执行时，即时采集两个转子的转速ω1和ω2，作为输入条件，给出一指定转轴转矩指令，也作为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，采用样条插值函数公式计算获得对应的各励磁绕线电流最佳值Ic1opt和Ic2opt，以及NaK液容量参数最佳值，用于执行环节。

励磁线圈绕线直流电流大小的控制，采用直流斩波器。

风电系统的常规操作采用稳定发电运行方法，按照计划的平均发电功率运行发电机，较大风况或阵风使风轮输出功率高于平均值时，高出的差值由飞轮吸收，较小风况使风轮输出功率低于平均值时，不足的差额由飞轮补偿输出。

风电系统在必要时兼顾电网调峰功能，当电网需要储能、且风速较小时，发电机作为电动机使用，由飞轮吸收来自电网的电能，当电网负荷增加、且风速较小时，由飞轮全力输出储存的能量。

采用风力起动风轮和发电机的过程：达到启动风速时，风轮叶片桨距角由“顺桨”位置减小角度至具有较大起动力矩的桨距角，由风力驱动叶轮自起动，并由HETw传动带动同步发电机转子从零转速升高至同步转速1500r/min，再经同步并网操作程序接入电网；在起动过程完成时，叶片桨距角转动至额定的设计桨距角，叶轮转速调整至满足最佳叶尖速比7的转速值。

在无风情况下发挥电网调峰功能、采用飞轮起动发电机(电动机)的过程：利用飞轮动能，由HETf传动带动同步电机转子从零转速升高至同步转速1500r/min，再经同步并网操作程序接入电网，之后的同步电机再按计划作发电工况运行，或者作电动工况运行。当飞轮处于零转速、无动能时，同步电机采用自带的起动绕组空载起动，运行电动工况。

在切入风速至额定风速范围内的风轮常规运行控制方案：风轮叶片保持设计桨距角，按照风轮转速跟随风速正比例线性变化(即叶尖线速度与风速比值等于7)的控制目标，实时测量当地(机舱外部)平均风速、风轮转速、发电机转速、飞轮转速，以风轮转矩与风速二次方成比例关系为主控规律，给出HETw的风轮侧半偶件转轴转矩Mew1指令，以发电机按照计划平均发电功率稳定运行为能量调配原则，给出HETfhe半偶件转轴转矩Mefhe指令(正值或负值)，从而调节控制HETw和HETf的运行及其功率传递。当风轮转速低于目标转速一定值时，适当调低Mew1指令(同时也相应改变Mefhe指令)，以减轻风轮输出负载，使风轮增速；当风轮转速高于目标转速一定值时，适当调高Mew1指令(同时也相应改变Mefhe指令)，以增加风轮输出负载，使风轮降速。

在额定风速至切出风速范围内的风轮功率限制控制方案：采用向减小失速趋势、减小气流攻角、增大叶片桨距角方向变化的变桨距角措施，原则上保持风轮功率恒定和叶轮转速恒定(均等于额定值)，即要求叶轮风能利用系数Cp与风速三次方成反比变化，同时要求叶尖速比λ与风速成反比变化，在Cp-λ图上显示为Cp值与λ三次方成比例的运行轨迹，这是一条陡峭的曲线；利用在桨距角可调范围内的不同桨距角下的Cp-λ曲线族，求出该曲线族与上述陡峭曲线的交点族，从交点族确定桨距角随风速变化的对应规律；实时测量当地平均风速、风轮转速、发电机转速、飞轮转速，按相应规律调节桨距角，同时按风轮转矩等于额定转矩的主控规律给出HETw的风轮侧半偶件转轴转矩Mew1指令，以发电机按照计划平均发电功率稳定运行为能量调配原则给出HETfhe半偶件转轴转矩Mefhe指令，从而调节控制HETw和HETf的运行及其功率传递。当风轮转速低于额定转速一定值时，适当调低Mew1指令(同时也相应改变Mefhe指令)，以减轻风轮输出负载，使风轮增速；当风轮转速高于额定转速一定值时，适当调高Mew1指令(同时也相应改变Mefhe指令)，以增加风轮输出负载，使风轮降速。

叶轮制动、停机控制过程：达到切出风速时，或者其他制动指令发出时，首先转动风轮叶片桨距角至“顺桨”位置，实施空气动力制动，然后进行设在风轮轴处的刹车盘机械制动，直至停止风轮转动。

Claims (14)

1.一种风力发电系统，包括：一个风轮，一个发电机，一个储能装置及其能量传递系统，以及它们的支承、控制和附属系统，其特征是：储能装置采用飞轮，其能量传递采用单极直流电磁传动机(HET)。

2.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征是：风轮与发电机直接连接，或者通过一个增速齿轮箱连接。

3.如权利要求2所述的风力发电系统，其特征是：传递飞轮能量的HET(记为HETf)一端转子与飞轮转轴连接，另一端转子或与发电机转轴连接，或通过一对锥齿轮与发电机转轴连接。

4.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征是：风轮与发电机之间采用一个HET(记为HETw)传递动力，HETw的一端转子与发电机转轴连接，另一端转子或与飞轮转轴直接连接，或通过一个增速齿轮箱与飞轮转轴连接。

5.如权利要求4所述的风力发电系统，其特征是：传递飞轮能量的HET(记为HETf)一端转子与飞轮转轴连接，另一端转子或与发电机转轴连接，或通过一对锥齿轮与发电机转轴连接。

6.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征是：风轮转轴连接一个HET半偶件(记为HEThw)，或通过一个增速齿轮箱连接一个HET半偶件(记为HEThw)，发电机转轴连接一个HET半偶件(记为HEThe)，飞轮转轴连接一个HET半偶件(记为HEThf)，这三个HET半偶件的主电流电路串联连接。

7.如权利要求4至6所述的风力发电系统，其特征是：发电机采用同步或异步工频交流发电机，在工频下同步恒转速运行，或异步近似恒转速运行。

8.如权利要求7所述的风力发电系统，其特征是：风轮采用水平轴式，翼型叶片，固定桨距角或变桨距角。

9.如权利要求8所述的风力发电系统，其特征是：在设计风速及以下风速情况下，风轮以设计桨距角变转速运转，利用与风轮相连接的HET的调节功能，控制风轮转速跟随风速变化，始终保持在最佳叶尖速比状态附近。

10.如权利要求1至9所述的风力发电系统，其特征是：储能飞轮采用立式柔性飞轮或悬挂式柔性飞轮。

11.如权利要求1至10所述的风力发电系统，其特征是：发电机及其相关设备的功率容量减额设计，例如发电机额定电磁功率取为风轮额定功率的一半。

12.如权利要求1至11所述的风力发电系统，其特征是：飞轮结构传递功率和传递飞轮能量的HETf或HEThf功率的容量减额设计，例如取为风轮额定功率的一半。

13.如权利要求1至12所述的风力发电系统，其特征是：常规操作采用稳定发电运行方法，按照计划的平均发电功率运行发电机，较大风况或阵风使风轮输出功率高于平均值时，高出的差值由飞轮吸收，较小风况使风轮输出功率低于平均值时，不足的差额由飞轮补偿输出。

14.如权利要求1至13所述的风力发电系统，其特征是：兼起电网调峰功能，当电网需要储能、且风速较小时，发电机作为电动机使用，由飞轮吸收来自电网的电能，当电网负荷增加、且风速较小时，由飞轮全力输出储存的能量。