CN105226873A - 带单极直流电磁传动机的飞轮储能和转换系统 - Google Patents

Abstract

一种适合在电网调峰、风力发电等固定场所应用的储能和转换系统，采用飞轮储能，采用常规同步或异步电动/发电机与电网连接，采用单极直流电磁传动机(HET)作为飞轮与电机之间的无级变速变矩传动设备。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。飞轮柔性悬挂式结构可避开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；立式转轴上的轴向支承永磁轴承可解决大质量飞轮的重力支承问题；飞轮的柔性连接多体轮体利于制造和提高储能体积密度；由HET和普通电机组成的能量输入输出转换系统，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。

Description

带单极直流电磁传动机的飞轮储能和转换系统

所属技术领域

本发明涉及一种储能和转换系统，特别是在固定场所利用飞轮储能，并进行与电网之间的能量输入输出变换的系统。

背景技术

飞轮储能和转换系统主要由飞轮储能装置和能量转换系统两大部分组成。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

本发明方案采用单极直流电磁传动机(HET--HomopolarElectromagneticTransmission)作为储能飞轮的能量传递设备，实现一种新的、功率强劲的、高效率、低成本储能和转换系统，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问题，从而较全面地改进飞轮储能和转换系统。

下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。

一种可应用于电网调峰、风力发电、不间断电源等固定场所的飞轮储能和转换系统，包括：一个储能飞轮装置，一个电动/发电机，在飞轮与电机之间的传动设备，以及它们的控制系统。其必要特征是：传动设备采用一套单极直流电磁传动机(HET)。

其中的电动/发电机采用同步电机或异步电机，直接与工频电网相连，起动后以同步转速(同步电机)或同步附近转速(异步电机)运转，位于大气环境中(非真空容器中)，采用卧式或立式结构。由电网向飞轮输入能量时，电机运行在电动机状态，由飞轮向电网输出能量时，电机运行在发电机状态。在飞轮具有能量时，电机的起动优先采用由飞轮和HET带到额定转速的方法。

其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11，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。

悬挂式柔性飞轮装置具有一套或多套串联的旋转轮体、一个转轴(101)、转轴上的轴承、包容轮体的真空容器，转轴中心线垂直于地面(即立式飞轮)，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1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2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3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4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4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8，图9)，上下端各采用半个圆环(图5)，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6)，或者在两个直段之间还有加强的横向连接梁(图7)。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8)。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8，图9)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8，图9)。图5、图8、图9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16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14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15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16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18)，其端部与其它件的连接宜采用法兰结构，如图17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18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18)；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19、图20、图21、图22)。

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22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21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20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19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19、图20)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。

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(Ф)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(I0)、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I0通过，当电机发电时，I0方向与电动势Em的方向相同，当电机作为电动机时，I0方向与Em方向相反。

作用在转子导体上的电磁力(安培力)F＝I0×B·L，由于I0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＝I0·Bm·L。

经过推导，可得到如下公式：

转子导体的电动势：

E＝Em＝ω·Фm/(2π)

ω为转子角速度，Фm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，Фm取二者平均值。

转子导体所受的电磁转矩：

Me＝-I0·Фm/(2π)

转矩矢量Me的正方向与角速度矢量ω的正方向相同，I0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·I0＝-ω·I0·Фm/(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Фm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Фm。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Фm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I0，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I0与E方向刚好相反，起被动转子作用。主电流回路的主电流I0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R0之比值。磁通Фm与主电流I0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I0的平方与R0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26和图27)。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26)，可以是圆柱面(图27)。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。

HET转子与静子之间的主磁通气隙表面，设计为轴对称圆柱面(轴面型)，轴面型不产生轴向磁吸力。

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，HET转子在内圈，静子在外圈，即内转子型结构。

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35)。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HET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。

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29至图35，图37，图38，图40至图43)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32、图33)，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34)，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。

采用立式集中型HET的方案：下端的转子与飞轮转轴上轴端采用联轴节连接，或者直联在飞轮转轴上轴端，或者与飞轮转轴上轴端采用离合器连接(以在HET不工作时脱开离合器)，上端的转子与立式电机转轴下轴端采用联轴节连接，或者直联在立式电机转轴下轴端。

采用分离型HET的方案：飞轮侧HET半偶件为立式结构，其转子与飞轮转轴上轴端采用联轴节连接，或者直联在飞轮转轴上轴端，或者与飞轮转轴上轴端采用离合器连接(以在HET不工作时脱开离合器)，电机侧HET半偶件为卧式结构，其转子与卧式电机转轴轴端采用联轴节连接，或者直联在卧式电机转轴轴端。

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I0。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Фmj，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Фm。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Фmj之和，记作∑Фr，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Фmj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Фmj作减法计算。

磁通Фmj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Фmj的激励作用最大，其他的励磁线圈对Фmj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Фmj值。

在运行使用时，对Фmj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·∑Ф1/(2π)(1)

转子2的电动势：

E2＝ω2·∑Ф2/(2π)(2)

主电流回路的电动势之和：

ΣE＝E1+E2(3)

主电流：

I0＝ΣE/R0(4)

转子1所受的电磁转矩：

Me1＝-I0·ΣФ1/(2π)(5)

转子2所受的电磁转矩：

Me2＝-I0·∑Ф2/(2π)(6)

其中，R0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R0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R0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∑Ф1的方向选定为ΣФ正方向，E1的方向选定为E正方向。I0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，I0的方向为正，当ΣE＜0时，I0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ΣФ1和∑Ф2在运行使用时可表示为主电流I0的绝对值|I0|和相关励磁线圈电流的函数：

ΣФ1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Ф2＝Ff2(|I0|，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I0、Me1、Me2在运行使用时可表示为如下变量的函数：

I0＝Fi0(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0n)(9)

Me1＝Fm1(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0n)(10)

Me2＝Fm2(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0n)(11)

其中，{Ii01，Ii02，…，Ii0n}是{Ir11，Ir12，…，Ir1n}与{Ir21，Ir22，…，Ir2n}的合集。

对HET采用的两种损耗总和最小原则的调节控制方法如下。

总损耗取为主电流欧姆热(I0·I0·R0)和励磁电流欧姆热(∑Poi)的总和，其中R0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I0和相关励磁电流Ii多维变量变化的对应关系，即：

∑Ф1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Ф2＝Ff2(|I0|，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R0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HET采用的三种损耗总和最小原则的调节控制方法如下。

总损耗取为主电流欧姆热(I0·I0·R0)、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，R0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I0和相关励磁电流Ii多维变量变化的对应关系，即：

∑Ф1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Ф2＝Ff2(|I0|，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R0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。

本发明方案可以实现以下有益效果：

(1)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。

(2)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。

(3)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)能量输入输出转换系统采用单极直流电磁传动机(HET)和普通电机，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的效率可达到98％。

附图说明

图1：相交十字轴万向节图(一)。

图2：相交十字轴万向节图(二)。

图3：一种万向节转动副图。

图4：相错十字轴万向节图。

图5：圆环链条端部半圆环图。

图6：圆环链条的圆环图。

图7：圆环链条的带横梁的圆环图。

图8：带一个中间圆环的圆环链条图。

图9：带三个中间圆环的圆环链条图。

图10：一套柔性飞轮轮体子午面图(一)。

图11：一套柔性飞轮轮体子午面图(二)。

图12：一套柔性飞轮轮体子午面图(三)。

图13：一套柔性飞轮轮体子午面图(四)。

图14：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15：转轴与承拉传扭柔性传动件的螺纹和法兰联接结构。

图16：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17：中心轴与承拉传扭柔性传动件的外法兰联接结构。

图18：多套串联轮体、多段圆筒形中心轴之间的连接。

图19：轴向永磁轴承和下端径向轴承(一)。

图20：轴向永磁轴承和下端径向轴承(二)。

图21：悬挂式柔性飞轮上端结构(一)。

图22：悬挂式柔性飞轮上端结构(二)。

图23：悬挂式柔性飞轮装置。

图24：吸力式轴向支承永磁轴承的静止盘。

图25：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26：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27：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28：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29：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30：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31：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32：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33：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34：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35：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36：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37：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38：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39：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40：电机侧卧式分离型HET半偶件子午面图(图41的A-A剖面)(双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型、单级)。

图41：单级分离型HET半偶件的外接端子与混排柔性电缆。

图42：飞轮侧立式分离型HET半偶件子午面图(图43的A-A剖面)(双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型、两级外串联)。

图43：两级外串联分离型HET半偶件的外接端子与混排柔性电缆。

图44：飞轮侧立式分离型HET半偶件与悬挂式柔性飞轮的连接。

图45：飞轮储能和转换系统。

图46：一种立式柔性飞轮子午面图(与分离型HET(A部分)同轴)。

具体实施方式

一个用于电网调峰的飞轮储能和转换系统具体实施方案(图45)如下。

该系统包括：一个悬挂式柔性飞轮装置(176)(图23)，一个飞轮侧立式分离型HET半偶件(177)(图42)，一个电机侧卧式分离型HET半偶件(178)(图40)，一个卧式同步电动/发电机(179)。

卧式同步电动/发电机：发电额定功率12MW，转速3000r/min，额定容量15MVA，额定电压6.3kV，总重31.7吨，采用间接空气冷却。在飞轮具有能量时，电机的起动优先采用由飞轮和HET带到额定转速的方法。

悬挂式柔性飞轮装置(图23)主要参数：额定转速1321.9r/min，额定传输功率12.8MW，最大传输转矩277398Nm(在1/3额定转速及以上转速下，可传输额定功率12.8MW)，飞轮最大外径9648mm，装置最大外径10697mm，装置总高度15894mm，装置总重量1414587kg，转子总重量1181437kg，额定储能38465kWh。

悬挂式柔性飞轮装置(图23)实施方案如下。

飞轮转子具有15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18)，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14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18)。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。连接14段相同结构中心轴的紧固件采用双头螺柱和螺母，螺柱在装配就位时穿过暂时未用的通孔空间。

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8)，上下端各采用带有法兰盘的半个圆环(图5)，中间采用一个带有横向连接梁的圆环(图7)。两环相扣的“孔轴”配合比较紧密，孔的半径为201mm，仅略大于轴的半径200mm，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5)，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17、图18)。

转轴下轴端与圆环链条上端的连接，采用如图14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12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20、图22)，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12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24)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20)，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20)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20)，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22)，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22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23)，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。真空容器壳体位于地面之下的深坑中。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23，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22)，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。

电机侧卧式分离型HET半偶件(图40)主要参数：额定转速3000r/min，额定功率12.3MW，额定转矩39097Nm，额定主电流429558A；转子外径730mm，静子本体外径1117mm，最大外径(外接端子外径)1720mm，总长度1217.6mm，转子重量1561kg，总重量5498kg(不含铝电缆)。采用双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型、单级型式。

飞轮侧立式分离型HET半偶件(图42)主要参数：额定转速1321.9r/min，额定功率12.8MW，设计功率3×12.8MW(在1/3额定转速下，也能达到额定功率12.8MW)，最大转矩277398Nm，额定主电流429558A；转子外径1373.7mm，静子本体外径2193.2mm，最大外径(外接端子外径)2818.9mm，总长度(高度)3212mm，转子重量18245kg，总重量68199kg(不含铝电缆)。采用双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型、两级外串联型式。

电机侧卧式分离型HET半偶件(图40)实施方案如下。

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。双磁通的磁路除两端部之外也是对称结构的。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，并在其内圈装有磁流体密封件(37)。

两个励磁线圈(9)通以大小相同、方向相反的电流(I1和I2，图30)，产生的双磁通磁场基本是左右对称的。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Zi＝Z2，转子总磁通∑Ф1＝Ff1(|I0|，I1，I2)＝Ff1(|I0|，Z1×Ic1，Z2×Ic1)。

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。中心细轴两端各装有一个滚动轴承(深沟球径向轴承)，在轴伸端一侧的轴承是轴向定位端，可承受双向轴向负荷，无轴伸端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；两个轴承采用润滑脂润滑。轴伸端带有外花键，可安装联轴节与卧式同步电动/发电机转轴连接。

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-0.5Cr。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16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16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)。

与飞轮侧立式分离型HET半偶件(177)的主电流电路的连接，采用外接端子(16)和混排柔性电缆方案(图41)。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，沿周均布八个这样的扇形块，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16个圆管(28)的汇总管，流路出液端连通16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。

在转轴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。

飞轮侧立式分离型HET半偶件(图42)实施方案如下。

飞轮侧立式分离型HET半偶件与电机侧卧式分离型HET半偶件(图40)具有大多数相同的结构细节，后者在前面已有描述，下面仅对主要不同之处进行说明。

飞轮侧立式分离型HET半偶件具有串联的两级结构，基本是由图40所示的单级结构串联组合而成，两个单级结构的四个励磁线圈(9)缩减为两级串联结构的三个励磁线圈(9)(对应图32、图42中的励磁电流I1、I2、I3)，即把原四个励磁线圈中的中间位置的、且励磁电流方向又一致的两个线圈合并为一个线圈(I3)，同时把原有的两个主磁路合并为一个主磁路，取消了原有的两个静子导磁体(10)。励磁电流为I1和I2的两端线圈具有相同的结构和匝数，由于磁路结构也是对称的，I1和I2相等时产生的通过转子导磁导电体的磁通也具有同样大小。励磁电流为I3的中间线圈具有较多的匝数，安排的匝数保证I3额定值产生的磁通与I1和I2额定值产生的磁通大小相同，即具有两个单级结构相加的效果。实际应用中，把三个励磁线圈的绕线串接在一起，I1与I2始终大小相等，方向也相同，I3与I1方向相反，I3与I1的数值之比始终等于其匝数之比，即：三个励磁线圈具有一种励磁绕线电流Ic2，I1＝Z1×Ic2，I2＝Z2×Ic2，I3＝Z3×Ic2，匝数Z1＝Z2，转子总磁通∑Ф2＝Ff2(|I0|，I1，I2，I3)＝Ff2(|I0|，Z1×Ic2，Z2×Ic2，Z3×Ic2)。

与电机侧卧式分离型HET半偶件(178)的主电流电路的连接，以及自身两级之间的主电流电路的连接，采用外接端子(16)和混排柔性电缆方案(图43)。混排柔性电缆按照图43所示方案连接在两级的外接端子之间，并通向电机侧卧式分离型HET半偶件(178)的外接端子。相同路径、相同电流方向的导线束(91)沿径向排成一列，不同路径、不同电流方向的各列导线束(91)交替混排成扇形块，沿周均布八个这样的扇形块，扇形块之间留出供其它管路和引线通过的空间。导线束(91)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。飞轮侧和电机侧HET半偶件外接端子所连接的导线束(91)根数相同，但分布形状不相同，连接到飞轮侧HET半偶件外接端子的导线束(91)沿径向分布的根数较少，沿周向分布的根数较多，以适应其外接端子较大的外径。

飞轮侧立式分离型HET半偶件的静子通过支架(175)与飞轮转轴上端轴承座(153)连接(图42、图44、图45)，即：支架(175)上端的小直径止口环体与HET半偶件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，使飞轮侧HET半偶件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HET半偶件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。HET半偶件转轴下端面压在飞轮转轴上端面上(图44)，HET半偶件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HET半偶件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44)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。

飞轮侧立式分离型HET半偶件转轴(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。

对HET执行运行控制时，可以选择应用以下2种调节控制方法的任一种。

第1种调节控制方法：

总损耗取为主电流欧姆热(I0·I0·R0)和励磁电流欧姆热(∑Poi)的总和，其中R0和Ri取为定值。

计算或试验获得下列随主电流I0和励磁绕线电流Ic1、Ic2变化的关系曲面：

∑Ф1＝Ff1(|I0|，Z11×Ic1，Z12×Ic1)(12)

∑Ф2＝Ff2(|I0|，Z21×Ic2，Z22×Ic2，Z23×Ic2)(13)

其中，I0取值范围为零至设计值，Ic1、Ic2取值范围为零至设计值，Z11、Z12是电机侧HET半偶件两个励磁线圈的匝数，Z21、Z22、Z23是飞轮侧HET半偶件三个励磁线圈的匝数。

给定一指定轴转矩应用范围，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R0取为定值)和上述公式(12)和(13)，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2种调节控制方法：

总损耗取为主电流欧姆热(I0·I0·R0)、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，R0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I0和励磁绕线电流Ic1、Ic2变化的关系曲面：

∑Ф1＝Ff1(|I0|，Z11×Ic1，Z12×Ic1)(12)

∑Ф2＝Ff2(|I0|，Z21×Ic2，Z22×Ic2，Z23×Ic2)(13)

其中，I0取值范围为零至设计值，Ic1、Ic2取值范围为零至设计值，Z11、Z12是电机侧HET半偶件两个励磁线圈的匝数，Z21、Z22、Z23是飞轮侧HET半偶件三个励磁线圈的匝数。

给定一指定轴转矩应用范围，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R0取为NaK液容量参数的函数)和上述公式(12)和(13)，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。

Claims (9)

1.一种储能和转换系统，包括：一个储能飞轮装置，一个电动/发电机，在飞轮与电机之间的传动设备，以及它们的控制系统，其特征是：传动设备采用一套单极直流电磁传动机(HET)。

2.如权利要求1所述的储能和转换系统，其特征是：储能飞轮采用立式柔性飞轮，由旋转的轮体、一个转轴(51)、转轴上的轴承、包容轮体且腔内真空的壳体(52)组成，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)，轮体中的称为结构体的质量块体和支承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，两个端面组成承重端面副(56)。

3.如权利要求2所述的储能和转换系统，其特征是：外圈结构体的一个面朝上的端面置于内圈结构体的一个面朝下的端面的下方，两个端面组成限制向上位移的端面副(57，64)，该端面副与承重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。

4.如权利要求1所述的储能和转换系统，其特征是：储能飞轮采用悬挂式柔性飞轮，由一套或多套串联的旋转轮体、一个转轴(101)、转轴上的轴承、包容轮体的真空容器组成，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。

5.如权利要求4所述的储能和转换系统，其特征是：承拉传扭柔性传动件采用一套万向传动轴，包括两个万向节，万向节的两个转动副的转轴轴线垂直相交，或垂直相错。

6.如权利要求4所述的储能和转换系统，其特征是：承拉传扭柔性传动件采用圆环链条(图8，图9)，上下端各采用半个圆环(图5)，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6)，或者该两个直段之间还有加强的横向连接梁(图7)。

7.如权利要求1至6所述的储能和转换系统，其特征是：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(Ф)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(I0)、每个转子的电磁转矩和电磁功率。

8.如权利要求7所述的储能和转换系统，其特征是：对HET采用总损耗最小原则的调节控制方法：主电流欧姆热和励磁电流欧姆热的总和为总损耗，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和相关励磁电流多维变量变化的对应关系，给定两轴转速和一指定轴电磁转矩的应用范围，利用电磁定律公式和上述对应关系，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，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，计算获得对应的各励磁电流最佳值，用于执行环节。

9.如权利要求7所述的储能和转换系统，其特征是：对HET采用总损耗最小原则的调节控制方法：主电流欧姆热、励磁电流欧姆热和电路连接区(5)液态金属磨擦热的总和为总损耗，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和相关励磁电流多维变量变化的对应关系，给定两轴转速、一指定轴电磁转矩、电路连接区液态金属状态参数的应用范围，利用电磁定律公式和上述对应关系，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矩阵和液态金属状态参数最佳值矩阵，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，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，计算获得对应的各励磁电流最佳值和液态金属状态参数最佳值，用于执行环节。