CN105281512A - 单极直流电磁传动机 - Google Patents

Abstract

一种在两轴之间无级变速变矩传输动力的机器，原理上是两个单极直流电机的组合。两个转子的任一个至少有一个导磁导电体(3)，静子上至少有一个直流励磁线圈(9)，至少有两个主磁路(22)，主磁路穿过转子导磁导电体(3)，有一套闭合的、连接全部转子导磁导电体的主电流回路(23)。通过调节励磁线圈的电流，调节直流主电流和每个转子的电磁转矩。现有的机械无级变速器和液力变矩器，缺乏双向传动、反转、零转速、零转矩、负转矩调节等功能，功率不能满足几百至几万千瓦的需求，效率不高，结构复杂。现有的交流变频调速传动系统，设备多，空间大，成本很高，传动效率低。本发明避免了上述问题，并且具有动力传输的主导控制功能。

Description

单极直流电磁传动机

所属技术领域

本发明涉及一种在两个转动轴之间无级变速变矩传递动力的装置。

背景技术

目前应用的无级变速变矩传动装置，主要有机械无级变速器和液力变矩器。

机械无级变速器基本上是摩擦式的，靠传动元件间的摩擦力或油膜的切应力传动，包括刚性定轴式、刚性动轴式(行星式)、挠性带式、挠性链式。定轴式机械无级变速器又分为无中间滚动体的和有中间滚动体的，无中间滚动体的又分为改变主动轮工作直径调速的(I型)和改变从动轮工作直径调速的(II型)，有中间滚动体的又分为同时改变主从动轮工作直径调速的(III型)和改变中间滚动体工作直径调速的(IV型)。定轴式机械无级变速器的摩擦滑动率3％～5％，I型、III型和IV型功率小于40kW，传动效率I型仅有50％，II型约85％，III型75％～95％，IV型80％～93％，变速比(输入轴转速恒定时，输出轴转速的最大值与最小值之比)I型3～5，II型小于3，III型小于16或25，IV型小于17或20，III型和IV型不可以反转。行星式机械无级变速器的基本原理与定轴式相同，并利用了行星传动原理，扩大了传递功率和变速的范围，但功率也小于75kW，变速比也小于40，零转速附近的机械特性差，滑动率较大(7％～10％)，传动效率60％～80％，只能降速调速。带式和链式无级变速器的原理与定轴式基本相同，但采用了中间挠性构件(带、链)，单变径轮带式的传动效率不大于92％，变速比不大于2.5，功率不大于25kW，只用于降速；双变径轮带式的传动效率80％～90％，其普通V带型的变速比1.6～2.5，功率不大于40kW，宽V带型的变速比3～6，功率不大于55kW，块带型的变速比2～16，功率不大于44kW。链式无级变速器比带式的传递功率大，但结构也较复杂，齿链式功率0.75～22kW，变速比3～6，传动效率90％～95％；光面轮链式功率最大175kW，变速比2～10，传动效率不大于93％。机械无级变速器仅适用于中小功率传动，变速比有限，有滑动摩擦，传动效率低，对材料、热处理、加工精度、润滑油的要求高，轴及轴承载荷大，承受过载及冲击的能力差，寿命短，多数不可在停车时变速，有的只能降速调速，有的不可反转(本节上述资料来源于《机械工程手册》(第二版)传动设计卷)。机械无级变速器目前应用并不多见，但其中的V型推块金属带无级变速器已在汽车领域展开应用。

液力变矩器具有泵轮、涡轮和导轮，工作液体在其中依次循环流动，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上，导轮与静子连接，产生变矩效果，泵轮均为离心式，涡轮有向心式、轴流式和离心式三种，导轮多为轴流式或向心式，广泛应用向心涡轮和轴流导轮结构。轴流或离心涡轮式液力变矩器具有良好的反转制动性能。在泵轮转速恒定时，泵轮转矩、涡轮转矩和传动效率均是涡轮转速的单变量函数，其中，泵轮转矩变化不大，涡轮转矩随涡轮转速的增加几乎呈线性下降，直至为零，传动效率在某一中间转速(涡轮设计转速附近，通常是右侧)处于最高值，最高效率约为85％～90％，在低转速区域和高转速区域效率下降较快，一直下降为零。在泵轮转矩恒定时，泵轮转速、涡轮转矩和传动效率也均是涡轮转速的单变量函数。由于受到上述这些关联作用的制约，液力变矩器只具有变矩作用，转速被限定只能跟随变化。为解决这个问题，增加辅助结构或措施的可调速型液力变矩器可实现无级调速，调速范围为3～5，效率为40％～85％(本节上述资料来源于《机械工程手册》(第二版)传动设计卷)。液力变矩器的主要问题是效率低，要提高其效率只能简化结构和降低变矩比(涡轮转矩与泵轮转矩之比)，将起动工况变矩比K0(涡轮转速为零时，变矩比最大值)降低到2左右，才能使效率接近90％左右。

多种设备的组合使用是目前无级变速变矩传动装置的常见方式，其目的是弥补不足、增加功能。在汽车上应用的V型推块金属带无级变速器，与起步装置部分和前进/后退换向机构部分组合形成传动系统，起步装置有三种形式：电磁离合器、电子控制式湿式摩擦离合器、液力变矩器，目前比较倾向于采用液力变矩器作为起步装置。目前应用于汽车自动变速器的主流是液力机械变矩器，它由液力变矩器和电子控制动力换档机械变速器组成，后者结构大多是行星齿轮传动机构，传动速比档位多的有6～7档，液力变矩器绝大多数采用结构简单的对称型三元件单级两相形式，一般K0在2左右，变矩器主要是在起步加速和换档时起作用。

也有采用直流或交流电气传动系统间接实现两轴之间无级变速传动的。目前交流调速传动已取代直流调速传动，而以交流变频调速传动为应用主流。实现两轴之间无级变速传动的交流变频调速传动系统主要由下列设备构成：与输入轴连接的交流发电机、整流器、变频器、与输出轴连接的交流电动机，这种系统的缺点是设备多、体积大、成本高、环节多、效率低。一台国际先进标准的高效率低压三相笼型感应电动机的效率不大于95％(160kW及以下功率机型)，一台变频器的效率大约94％～96％，以每台效率95％计算，两台电机和一台变频器的系统效率仅有86％。

在汽车、风力发电、电网调峰、船舶推进、工矿机械驱动等应用领域，存在着对无级变速变矩传动装置的广泛需求，需要几百、几千、几万千瓦的传动功率，需要带有反向功率传递功能，需要大范围的无级变速(如转速从零至最大值，变速比为无穷大)，需要带有无级变速反转功能，需要大范围的无级变矩(如从零至最大转矩，从负转矩至最大正转矩)，需要转矩不依赖于转速而独立地全范围调节，需要两轴转速无关联而各自独立自由变化(两端的转子系统由动力学定律决定其自身转速变化)(如储能飞轮轴与连接车轮的转轴之间)，需要较大的两轴转速比(如风力发电场合的输入轴额定转速几十转/分钟，输出轴转速1500或3000转/分钟)，需要尽量高的传动效率(如95％～98％)，需要高功率密度，需要结构简单、成本低、可靠性高、寿命长，需要隔离机械振动和冲击在两轴之间的传递，需要低噪声、振动小。对于上述这些要求，现有的无级变速变矩传动装置或系统都难以满足，有的只是在局部个别方面有所满足，至今还没有一种能够全面满足上述要求的设备，目前采取的策略多是组合多个不同类型特点的设备，以争取满足较多的功能要求，但总是不尽如人意。

本发明应用了单极直流电机的电磁作用原理。单极直流电机是通过气隙全部面积的磁通都呈同一极性的电机，其励磁线圈环绕轴心线缠绕成轴对称形，通以直流电时，产生的磁通穿过转子上的轴对称导体，旋转的转子导体切割磁通，在其中感应出具有同一极向的直流电动势，由转子导体两端的电刷引接至外电路，形成直流电流。由于相当于只有一根导体在感应电势，所以它的电压较低，而电流却可以很大，可作为低电压大电流直流发电机，用于电化工业等。它几乎没有涡流和磁滞损耗，利于效率的提高，转子上没有绕组，不需要换向器，省铜，结构简单，电流密度可以很大，是高功率密度机型。用液态金属集流代替电刷，可以大大减少集流时的电压降及损耗，但要注意隔绝空气。其缺点是外引的电流大、电线粗、耗材多、损耗高，只用于需要低压大电流的特殊应用场合。

发明内容

现有的无级变速变矩传动装置或系统存在很多不足之处。对于机械无级变速器和液力变矩器，在功能方面，有的不能反向传递功率，有的不能反转，不能调速至零转速，不能自由调节至零转矩，不能产生负转矩，转矩不能独立于转速而在全范围内自由调节，两轴转速比不能满足如风力发电所需的大传动比；在功率方面，机械无级变速器的功率受限于结构，液力变矩器应用的功率也不高，不能满足几百、几千、几万千瓦功率的需求；在效率方面，各种机械无级变速器的效率在50％～95％范围内，液力变矩器运行时的峰值效率约为85％～90％左右，两端区域效率下降很快，直至为零，不能满足高效节能要求(比如效率95％～98％)；在结构、可靠性和寿命方面，机械无级变速器的结构复杂，各种加工要求高，滑动摩擦严重，不耐冲击，可靠性差，寿命短，最常用的液力机械变矩器的结构也相当复杂，密密麻麻，零件非常多，成为汽车中最为复杂和苛刻的设备；在成本方面，由于上述因素，它们的制造成本很高，维修费用也高。对于两个转动轴之间的交流变频调速传动系统，其包含输入端的交流发电机、中间过程的整流器和变频器、输出端的交流电动机，设备多，占据空间大，成本很高，传动效率低，以工频计算的系统效率小于86％，高频电机的损耗和发热问题更严重。

本发明采用了全新的技术方案，上述不足问题都可以避免。本发明产品称为单极直流电磁传动机(HET--HomopolarElectromagneticTransmission)，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，由一台“死”机械，变为一台“活”机器，举例来说，对于一台以储能飞轮为动力源、由HET连接飞轮与车轮的车辆，车辆行驶动力的控制完全由HET控制系统执行，HET处于“中枢”指挥地位；对于一套由HET连接风轮与发电机的风力发电系统，HET处于核心的“中枢”指挥地位，其他的子系统控制是从属辅助性的。

下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。

单极直流电机的电磁作用原理：

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·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＝-I0·Φm/(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·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，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I0(或者并联支路电流I0-1、I0-2)，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。对于串联连接的主电流回路(即单电路结构)，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。对于含有并联电路的主电流回路(即含双电路的结构)，主电流I0值和并联支路电流I0-1、I0-2值的大小，由串并联电路的欧姆定律决定。磁通Φm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。

静子上至少有一个环绕轴心线(1)缠绕的直流励磁线圈(9)，该数量限制是为了保证具有可用的励磁调节功能。励磁源不限于励磁线圈，还可采用永磁体(13)，其优点是没有励磁电流损耗，其材料可选用钕铁硼等。一个主磁路(22)的励磁源，可以共用永磁体(13)和励磁线圈，也可以单独使用永磁体，也可以单独使用励磁线圈。至少有两个主磁路，是为了调节有效。所谓“主磁路”是指励磁线圈周围(或永磁体安装路径上)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(10，12，20，21)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，磁导率较高的材料电导率也较高。

当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(图2至图5)。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至图5)。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。

在两套转子和一套静子上，构造有一套闭合的主电流回路(23)，该回路有三种形式：①串联连接全部的转子导磁导电体，称为单电路结构；②全部的转子导磁导电体位于两个并联分支电路上(图19)，称为双电路结构；③有转子导磁导电体位于总电流(主电流I0)电路上，有转子导磁导电体位于两个并联分支电路上，称为串并联混合结构。单电路结构的电动势较大、电流较小、外形尺寸细长。双电路结构的电动势较小、总电流较大、外形尺寸粗短。双电路结构与下列情形相对应：一路主磁通同时穿过同一转子上的相邻的两个导磁导电体。这两个导磁导电体上的电动势方向相反，二者只能并联，不能串联。

一套闭合的主电流回路(23)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(4，19)。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)，可以采用固体滑动接触结构，可以采用带液体润滑的固体滑动接触结构，可以采用液态金属作为导电媒介。后者称为金属液体电路连接，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。特殊应用场合也可设计外转子型结构，例如转速很低的风力发电机风轮。

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16)。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)。

集中型的可以具有两排外接电源的端子(16)，该端子内侧连接包含转子导磁导电体在内的主电流线路，外侧连接外部直流电源。该结构同时具有液态金属转换开关(15)，位于内部主电流回路上、两端子之间。当正常运行时，转换开关(15)缝隙空间充满金属液体，内部主电流回路处于闭合状态，外接电源的电路被设置在断开状态。当需要外接电源操作时，先抽空转换开关缝隙内的金属液体，以断开内部的主电流回路。外接电源操作的用途包括：使用外部直流电源驱动HET中的转子(一个或同时两个转子)，例如增加一个转子轴系上的飞轮的动能；或者反向能量流动，用转子机械能向外部电源充电，例如卸载减少一个转子轴系上的飞轮的动能。

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。外联导体(8，11，图8)可以是集中型静子导电体的拉伸变形。可以用外接端子(16，图9至图15)连接外联导体。用外接端子(16)连接的外联导体，可以采用多个同轴导体，具有同轴的芯轴和套筒，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。用外接端子(16)连接的外联导体，也可以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可以串联，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13、图14)，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15)，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。

转子与静子之间的金属液体电路连接区结构设计为：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，无论转动壁面在内圈还是外圈。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。

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，液态金属转换开关(15)的端部密封件，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调节控制方法，先进行如下名词术语解释及相关说明。

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1。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。

主电流回路只有一套，无并联电路的主电流回路没有分支电路，其直流电流记作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或2(对应转子1或转子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是由励磁源(励磁线圈和永磁体)激励产生的，同一主磁路(22)上的永磁体和附近的主励磁线圈对Φmj的激励作用最大，其他的励磁源对Φmj具有不同程度的影响，同属于一个转子的其他励磁源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源的影响也较大，无共享磁通的集中型结构不同转子励磁源也有漏磁影响，分离型结构的不同转子励磁源的影响可忽略不计。

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kBt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，永磁体是不可调整的，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(总电流I0和分电流10-1、I0-2)。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·∑Φ1/(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：

∑E＝E1+E2(3)

主电流：

I0＝∑E/R0(4)

转子1所受的电磁转矩：

Me1＝-I0·∑Φ1/(2π)(5)

转子2所受的电磁转矩：

Me2＝-I0·∑Φ2/(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∑Φ1的方向选定为∑Φ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∑E＞0时，I0的方向为正，当∑E＜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E)，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，串联主电路的∑Φ1和∑Φ2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：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Φ2＝Ff2(|I0|，Ir21，Ir22，…，Ir2n)(8)

其中，{Ir11，Ir12，…，Ir1n}是{I1，I2，…，In}中的子集或全集或空集，{Ir21，Ir22，…，Ir2n}也是{I1，I2，…，In}中的子集或全集或空集，不能全为空集。

忽略温度等次要因素的影响，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。

权利要求书公开了串联主电流回路的两类调节控制方法，第一类只调节一个励磁线圈电流，第二类采用总损耗最小原则调节全部励磁线圈电流。

第一类第1种调节控制方法(权利要求51)如下。

选定一个被调节对象励磁线圈(其电流为Is)，选定其他励磁线圈的固定电流值(一般选取额定值或最大值)，选定调节范围的主电流上限值I0max和下限值I0min。

在其他励磁线圈通以固定电流，并且主电流位于上限和下限这两种条件下，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调节励磁电流Is变化的关系曲线，即：

∑Φ1max＝Ff1(|I0max|，Is)(12)

∑Φ1min＝Ff1(|I0min|，Is)(13)

∑Φ2max＝Ff2(|I0max|，Is)(14)

∑Φ2min＝Ff2(|I0min|，Is)(15)

在运行调节时，即时采集两个转子的转速(ω1和ω2)，利用电磁定律公式((1)～(4)，其中R0取为定值)和上述关系曲线((12)～(15))，随时计算出在当前转速下的、对应主电流为上限值和下限值的调节励磁电流上限值Ismax和下限值Ismin，即：

Ismax＝F(I0max，ω1，ω2)(16)

Ismin＝F(I0min，ω1，ω2)(17)

同时，设计使得这种电流上限值(Ismax，I0max)和下限值(Ismin，I0min)也对应当前转速下的电磁转矩上限值(Me1max，Me2max)和下限值(Me1min，Me2min)，并且这种对应关系是单调变化的。

在调节执行时，可使执行器动作行程与位于上限值Ismax和下限值Ismin之间范围的调节励磁电流Is线性对应，动作行程的两端对应电磁转矩的上限值和下限值，但电磁转矩的中间值与动作行程通常不是线性关系；也可以在动作行程与调节励磁电流Is之间采用某种非线性对应规律，以使电磁转矩与动作行程之间趋于近似线性对应。

第一类第2种调节控制方法(权利要求52)如下。

选定一个被调节对象励磁线圈(其电流为Is)，选定其他励磁线圈的固定电流值(一般选取额定值或最大值)，选定转矩指令针对Me1或Me2。

在其他励磁线圈通以固定电流的条件下，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调节励磁电流Is和主电流I0变化的关系曲面，即：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，Is)(18)

∑Φ2＝Ff2(|I0|，Is)(19)

在运行调节时，即时采集两个转子的转速(ω1和ω2)，利用电磁定律公式((1)～(4)、(5)或(6)，其中R0取为定值)和上述关系曲面((18)、(19))，以当前转速值和给定的转矩指令(Me1值或Me2值，事先计算确定出满足各因素限制条件的Me1或Me2值的适用范围)为输入条件，随时计算出所需的调节励磁电流值Is，用于执行环节。该Is值是联立七个方程((1)～(4)、(5)或(6)、(18)、(19))的求解结果，函数形式为：

Is＝F(Me1或Me2，ω1，ω2)(20)

第一类第3种调节控制方法(权利要求53)如下。

选定一个被调节对象励磁线圈(其电流为Is)，选定其他励磁线圈的固定电流值(一般选取额定值或最大值)，选定转矩指令针对Me1或Me2。

在其他励磁线圈通以固定电流的条件下，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调节励磁电流Is和主电流I0变化的关系曲面，即：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，Is)(18)

∑Φ2＝Ff2(|I0|，Is)(19)

给定两轴转速的应用范围和一轴电磁转矩(Me1或Me2)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)和上述关系曲面((18)、(19))，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的调节励磁电流值Is(函数形式同式(20))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)，以当前转速值和给定的转矩指令(Me1值或Me2值)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调节励磁电流值Is，用于执行环节。

第一类调节控制方法的被调节对象励磁线圈一般选择其励磁电流可调范围大、适应工况范围广的那个励磁线圈，这既与HET结构有关，也与工况的两个转速状况有关。当全部运行工况范围内需要分区选择不同的调节励磁线圈时，则每一个分区调节控制的准备工作均应事先做好，在运行调节时按需转换调用。

第二类第1种调节控制方法(权利要求54)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。选定转矩指令针对Me1或Me2。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和各个励磁电流Ii多维变量变化的对应关系，即：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Φ2＝Ff2(|I0|，Ir21，Ir22，…，Ir2n)(8)

给定两轴转速的应用范围和一轴电磁转矩(Me1或Me2)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，给出转矩指令(Me1值或Me2值)，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。

第二类第2种调节控制方法(权利要求55)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。选定转矩指令针对Me1或Me2。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和各个励磁电流Ii多维变量变化的对应关系，即：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n)(7)

∑Φ2＝Ff2(|I0|，Ir21，Ir22，…，Ir2n)(8)

给定两轴转速的应用范围、一轴电磁转矩(Me1或Me2)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，给出转矩指令(Me1值或Me2值)，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R0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R0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，第二类第2种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。

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。

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、带永磁体励磁的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、带永磁体励磁、中间引出外接端子的HET子午面示意图。

图3：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、带永磁体励磁、单磁通一侧引出外接端子的HET子午面示意图。

图4：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、带永磁体励磁的HET子午面示意图。

图5：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6：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7：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8：分离型、两轴两单磁通、远轴线圈、实心轴、轴面型、带永磁体励磁、两轴垂直的HET子午面示意图。

图9：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10：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11：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12：分离型、双磁通、外转子、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图13：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14：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15：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16：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17：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18：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19：集中型、双电路、实心轴、轴面型HET子午面示意图。

图20：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21：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22：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。

具体实施方式

描述一个分离型HET具体设计方案，具有两个相同结构和尺寸的半偶件，每个半偶件是双磁通、单级、单电路、近轴线圈、实心轴、轴面型，其子午面图如图20所示。

每个半偶件的尺寸：转轴轴面半径53mm，静子本体半径138.65mm，外接端子半径213.5mm，静子轴向长度280mm。每个半偶件的转轴转速设计值10000r/min，电磁功率设计值240kW。主电流设计值40794A。在设计点工况，HET全部的励磁电流欧姆热功率、电路连接区NaK液摩擦功率和主电流欧姆热功率的总和，约是电磁功率设计值240kW的4％。

每个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。两个励磁线圈通以大小相同、方向相反的电流，产生的双磁通磁场基本是左右对称的。这两个励磁线圈串接在一起，可以视作一个线圈，具有一种励磁电流。

转轴(2)由中心细轴和外圈环轴两部分过盈配合组成，中心细轴两端装滚动轴承，一端带轴伸与外部转轴相连，中心细轴材质采用45钢或40Cr钢。外圈环轴采用20钢，磁流体密封件(37)与外圈环轴相配对，外圈环轴在该处具内凹槽，一为减少磁流体密封的漏磁，同时也减小应力集中。

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)。

在两个外接端子(16)上加工出周向均布的16组同轴心的凹槽和通孔，同轴外联导体的芯轴(40)与凹槽表面贴合，贴合面间隙充填镓铟锡合金液体(镓铟锡比例为62∶25∶13)，由氟橡胶密封圈(42)密封；同轴外联导体的管壁(41)与通孔表面贴合，贴合面间隙充填镓铟锡合金液体(镓铟锡比例为62∶25∶13)，由氟橡胶密封圈(43)密封；充装镓铟锡合金液体时采用真空抽吸法。芯轴(40)和管壁(41)采用纯铝材质。在芯轴(40)与管壁(41)之间留有间隙，在其中流动变压器油带走热量。

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。

HET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4个NaK液散热器的壳侧和同轴外联导体的中间空隙，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和同轴导体吸热升温和降压、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HET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。

每个半偶件的两个励磁线圈以旋向相反方式串接在一起，视作一个对偶线圈，通以一种励磁电流。转子1和转子2分别对应的励磁电流记作I1和I2。由于分离型两个半偶件的磁场具有独立性，因此总磁通∑Φ1和∑Φ2可以表达为：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，I1)(21）

∑Φ2＝Ff2(|I0|，I2)(22)

又由于两个半偶件的结构尺寸相同，规律性一致，因此函数形式Ff1()和Ff2()相同，可以记作一个函数形式Ff()，即：

∑Φ1＝Ff(|I0|，I1)(23)

∑Φ2＝Ff(|I0|，I2)(24)

同时，对应的规律内容计算量可以减半，只在一个半偶件上计算即可。

在运行控制时，可以选择应用以下5种调节控制方法的任一种。

第一类第1种调节控制方法：

选定调节范围的主电流上限值I0max为设计值，下限值I0min为零。

计算或试验获得下列两个数值：

∑Φmaxd＝Ff(|I0max|，Iid)(25)

∑Φmind＝Ff(|I0min|，Iid)(26)

其中，Iid为I1和I2的设计值。

计算或试验获得下列两个随励磁电流Is变化的关系曲线：

∑Φmax＝Ff(|I0max|，Is)(27)

∑Φmin＝Ff(|I0min|，Is)(28)

其中，Is取值范围为零至设计值Iid。

在运行调节时，即时采集两个转子的转速ω1和ω2。

当ω1大于或等于ω2时，取I2为固定值Iid，取I1为调节励磁电流Is，利用电磁定律公式((1)～(4)，其中R0取为定值)和下述公式((29)～(32))：

∑Φ1max＝∑Φmax＝Ff(|I0max|，Is)(29)

∑Φ1min＝∑Φmin＝Ff(|I0min|，Is)(30)

∑Φ2max＝∑Φmaxd＝Ff(|I0max|，Iid)(31)

∑Φ2min＝∑Φmind＝Ff(|I0min|，Iid)(32)

或者当ω1小于ω2时，取I1为固定值Iid，取I2为调节励磁电流Is，利用电磁定律公式((1)～(4)，其中R0取为定值)和下述公式((33)～(36))：

∑Φ2max＝∑Φmax＝Ff(|I0max|，Is)(33)

∑Φ2min＝∑Φmin＝Ff(|I0min|，Is)(34)

∑Φ1max＝∑Φmaxd＝Ff(|I0max|，Iid)(35)

∑Φ1min＝∑Φmind＝Ff(|I0min|，Iid)(36)

随时计算出在当前转速下的、对应主电流为上限值和下限值的调节励磁电流上限值Ismax和下限值Ismin，即：

Ismax＝F(I0max，ω1，ω2)(16)

Ismin＝F(I0min，ω1，ω2)(17)

上述得出的电流上限值(Ismax，I0max)和下限值(Ismin，I0min)，同时对应当前转速下的电磁转矩上限值(Me1max，Me2max)和下限值(Me1min，Me2min)，并且这种对应关系是单调变化的。其中的电磁转矩下限值为零，转速较低的转子电磁转矩上限值为设计额定值。

在调节执行时，可使执行器动作行程与位于上限值Ismax和下限值Ismin之间范围的调节励磁电流Is线性对应，动作行程的两端对应电磁转矩的上限值和下限值，但电磁转矩的中间值与动作行程通常不是线性关系；也可以在动作行程与调节励磁电流Is之间采用某种非线性对应规律，以使电磁转矩与动作行程之间趋于近似线性对应。这种非线性对应规律需要通过计算或试验数据分析总结获得。

第一类第2种调节控制方法：

计算或试验获得下列随主电流I0变化的关系曲线：

∑Φd＝Ff(|I0|，Iid)(37)

计算或试验获得下列随主电流I0和励磁电流Is变化的关系曲面：

∑Φ＝Ff(|I0|，Is)(38)

其中，I0取值范围为零至设计值，Is取值范围为零至设计值Iid。

选定转矩指令针对Me1或Me2。

在运行调节时，即时采集两个转子的转速ω1和ω2。

当ω1大于或等于ω2时，取I2为固定值Iid，取I1为调节励磁电流Is，利用电磁定律公式((1)～(4)、(5)或(6)，其中R0取为定值)和下述公式((39)～(40))：

∑Φ1＝∑Φ＝Ff(|I0|，Is)(39)

∑Φ2＝∑Φd＝Ff(|I0|，Iid)(40)

或者当ω1小于ω2时，取I1为固定值Iid，取I2为调节励磁电流Is，利用电磁定律公式((1)～(4)、(5)或(6)，其中R0取为定值)和下述公式((41)～(42))：

∑Φ2＝∑Φ＝Ff(|I0|，Is)(41)

∑Φ1＝∑Φd＝Ff(|I0|，Iid)(42)

以当前转速值和给定的转矩指令(Me1值或Me2值，事先计算确定出满足各因素限制条件的Me1或Me2值的适用范围)为输入条件，随时计算出所需的调节励磁电流值Is，用于执行环节。

该Is值是联立七个方程((1)～(4)、(5)或(6)、(39)或(41)、(40)或(42))的求解结果，函数形式为：

Is＝F(Me1或Me2，ω1，ω2)(20)

第一类第3种调节控制方法：

计算或试验获得下列随主电流I0变化的关系曲线：

∑Φd＝Ff(|I0|，Iid)(37)

计算或试验获得下列随主电流I0和励磁电流Is变化的关系曲面：

∑Φ＝Ff(|I0|，Is)(38)

其中，I0取值范围为零至设计值，Is取值范围为零至设计值Iid。

选定转矩指令针对Me1或Me2，并给定其应用范围。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)，当ω1大于或等于ω2时同时利用公式(39)和(40)，或者当ω1小于ω2时同时利用公式(41)和(42)，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的调节励磁电流值Is(函数形式同式(20))矩阵，并把全部数据存储于控制系统。其中，当ω1大于或等于ω2时，取I2为固定值Iid，取I1为调节励磁电流Is；或者当ω1小于ω2时，取I1为固定值Iid，取I2为调节励磁电流Is。

在调节执行时，即时采集两个转子的转速ω1和ω2，以当前转速值和给定的转矩指令(Me1值或Me2值)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调节励磁电流值Is，以及确定调节线圈，用于执行环节。

第二类第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和励磁电流Ii变化的关系曲面：

∑Φ＝Ff(|I0|，Ii)(43)

其中，I0取值范围为零至设计值，Ii取值范围为零至设计值Iid。

以I1、I2替代式(43)中的Ii，得到下列两个公式：

∑Φ1＝Ff(|I0|，I1)(44)

∑Φ2＝Ff(|I0|，I2)(45)

选定转矩指令针对Me1或Me2，并给定其应用范围。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(44)和(45)，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电流最佳值I1opt和I2opt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，给出转矩指令(Me1值或Me2值)，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I1opt和I2opt，用于执行环节。

第二类第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和励磁电流Ii变化的关系曲面：

∑Φ＝Ff(|I0|，Ii)(43)

其中，I0取值范围为零至设计值，Ii取值范围为零至设计值Iid。

以I1、I2替代式(43)中的Ii，得到下列两个公式：

∑Φ1＝Ff(|I0|，I1)(44)

∑Φ2＝Ff(|I0|，I2)(45)

选定转矩指令针对Me1或Me2，并给定其应用范围。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(44)和(45)，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电流最佳值I1opt和I2opt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，给出转矩指令(Me1值或Me2值)，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I1opt和I2opt，以及NaK液容量参数最佳值，用于执行环节。

励磁线圈直流电流大小的控制，采用直流斩波器。

Claims (57)

1.一种在两个转动轴之间传输动力的机器，应用了单极直流电机的电磁作用原理，称为单极直流电磁传动机(HET)，包括：两套转子，一套静子，外部附属系统，调节控制系统，其特征是：每个转子上有一个或多个轴对称形状的导磁导电体(3)，静子上有一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)，该回路串联或并联或串并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。

2.如权利要求1所述的单极直流电磁传动机，其特征是：一个主磁路(22)的励磁源，可以共用永磁材料(13)和励磁线圈，也可以单独使用永磁材料，也可以单独使用励磁线圈。

3.如权利要求1、2所述的单极直流电磁传动机，其特征是：通过每个转子导磁导电体的磁通(Φ)，可以是单磁通，也可以是由两路励磁源产生的双磁通。

4.如权利要求1、2所述的单极直流电磁传动机，其特征是：对于一个转子上的导磁导电体(3)，一路主磁通只通过一个导磁导电体，或者一路主磁通同时通过相邻的两个导磁导电体，后者情况下，相邻的这两个导磁导电体并联于主电路中。

5.如权利要求1至4所述的单极直流电磁传动机，其特征是：构成磁路一部分的转轴(2)，可以是实心轴，也可以是空心轴。

6.如权利要求1至5所述的单极直流电磁传动机，其特征是：转子与静子的相对位置，从径向比较，转子在内圈，静子在外圈(内转子型)。

7.如权利要求1至4所述的单极直流电磁传动机，其特征是：转子与静子的相对位置，从径向比较，转子在外圈，静子在内圈(外转子型)(图12)。

8.如权利要求1至7所述的单极直流电磁传动机，其特征是：穿过主磁通的转子与静子的间隙处，结构件表面为轴对称圆柱面(轴面型)。

9.如权利要求1至4所述的单极直流电磁传动机，其特征是：穿过主磁通的转子与静子的间隙处，结构件表面为垂直于轴心线的端面(盘面型)。

10.如权利要求1至8所述的单极直流电磁传动机，其特征是：导磁材料的轴(2)与主电流回路的转子导磁导电体(3)和转子导电体(4)绝缘，也可以与一个转子导磁导电体及其相邻的转子导电体不绝缘，并同时是导电材料。

11.如权利要求1至6、8、10所述的单极直流电磁传动机，其特征是：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16)。

12.如权利要求1至11所述的单极直流电磁传动机，其特征是：转子导磁导电体(3)与转子导电体(4，19)之间，主电流回路和电流支路(24)上的相邻静子结构件之间(6与7、16，7与8、16，8与17，11与18)，上述结构件内部的相邻零件之间，可以直接接触导电，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。

13.如权利要求1至12所述的单极直流电磁传动机，其特征是：两个转子的轴心线重合，两个转子互相靠近(集中型)。

14.如权利要求13所述的单极直流电磁传动机，其特征是：具有两排外接电源的端子(16)，连接包含转子导磁导电体在内的主电流线路，具有液态金属转换开关(15)，用于在外接电源前抽空液体、断开原有的主电流回路。

15.如权利要求13、14所述的单极直流电磁传动机，其特征是：一个主磁路(22)同时经过两个转子的导磁导电体，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至图5)。

16.如权利要求1至12所述的单极直流电磁传动机，其特征是：两个转子分离布置(分离型)，各有独立的静子，具有外联导体传输主电流。

17.如权利要求16所述的单极直流电磁传动机，其特征是：外联导体(8，11，图8)是集中型静子导电体的拉伸变形。

18.如权利要求16所述的单极直流电磁传动机，其特征是：具有外接端子(16，图9至图15)，外联导体连接外接端子。

19.如权利要求18所述的单极直流电磁传动机，其特征是：单个转子具有多个导磁导电体(3)，它们在主电流回路上的串接，采用外接端子和外部导体，相邻的两个导磁导电体有对一个主磁通的共用(图13、图14)。

20.如权利要求18所述的单极直流电磁传动机，其特征是：单个转子具有多个导磁导电体(3)，它们在主电流回路上的串接，采用靠近转轴的内部导体，每个主磁通仅穿过一个转子导磁导电体(图15)。

21.如权利要求18至20所述的单极直流电磁传动机，其特征是：两个HET半偶件不要求为相同类型，可任意配对。

22.如权利要求1至21所述的单极直流电磁传动机，其特征是：主电流回路上的转子与静子之间的电路连接(5)，采用固体滑动接触结构，或者采用带液体润滑的固体滑动接触结构。

23.如权利要求1至21所述的单极直流电磁传动机，其特征是：主电流回路上的转子与静子之间的电路连接(5)，采用液态金属作为导电媒介。

24.如权利要求23所述的单极直流电磁传动机，其特征是：转子与静子之间的液态金属电路连接区空隙，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)。

25.如权利要求24所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在静子导电体(6，11)上，在分支缝隙(25)一侧，开有轴对称的、与电路连接区缝隙(5)连通的第二分支缝隙(26)。

26.如权利要求25所述的单极直流电磁传动机，但去除其中的权利要求9所述的特征(盘面型特征)，其特征是：第二分支缝隙(26)是进液通道，位于靠近转子导电体(4)和转子导磁导电体(3)的一侧，在静子导电体(6，11)上，在缝隙(26)的相对转子的远边侧，开有轴对称的隔热缝隙(31)，并与动、静件之间的气隙相连通。

27.如权利要求24所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在静子导电体(6，11)上，开有与分支缝隙(25)连通的、轴对称形状的均匀配送缓冲区空隙(27)，其通道一端较宽，与分支缝隙(25)连通的通道一端逐渐变窄，在宽通道端开有数个沿周向均布的向外通孔，通孔的轴心线沿径向或轴向，通孔中插入与外部连通的圆管(28)，圆管(28)穿过其直通路径中相遇的静子结构件的相配开孔，圆管(28)与外部附属系统连通。

28.如权利要求25所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在静子导电体(6，11)上，开有与分支缝隙(25)连通的、轴对称形状的均匀配送缓冲区空隙(27)，其通道一端较宽，与分支缝隙(25)连通的通道一端逐渐变窄，在宽通道端开有数个沿周向均布的向外通孔，通孔的轴心线沿径向或轴向，通孔中插入与外部连通的圆管(28)，圆管(28)穿过其直通路径中相遇的静子结构件的相配开孔，圆管(28)与外部附属系统连通，在静子导电体(6，11)上，开有与第二分支缝隙(26)连通的、轴对称形状的均匀配送缓冲区空隙(29)，其通道一端较宽，与第二分支缝隙(26)连通的通道一端逐渐变窄，在宽通道端开有数个沿周向均布的向外通孔，通孔的轴心线沿径向或轴向，通孔中插入与外部连通的圆管(30)，圆管(30)穿过其直通路径中相遇的静子结构件的相配开孔，圆管(30)与外部附属系统连通。

29.如权利要求26所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在静子导电体(6，11)上，开有与分支缝隙(25)连通的、轴对称形状的均匀配送缓冲区空隙(27)，其通道一端较宽，与分支缝隙(25)连通的通道一端逐渐变窄，在宽通道端开有数个沿周向均布的向外通孔，通孔的轴心线沿径向或轴向，通孔中插入与外部连通的圆管(28)，圆管(28)穿过其直通路径中相遇的静子结构件的相配开孔，圆管(28)与外部附属系统连通，在静子导电体(6，11)上，开有与第二分支缝隙(26)连通的、轴对称形状的均匀配送缓冲区空隙(29)，其通道一端较宽，与第二分支缝隙(26)连通的通道一端逐渐变窄，在宽通道端开有数个沿周向均布的向外通孔，通孔的轴心线沿径向或轴向，通孔中插入与外部连通的圆管(30)，圆管(30)穿过其直通路径中相遇的静子结构件的相配开孔，并且在开孔与圆管(30)之间留出隔热间隙，圆管(30)与外部附属系统连通，缝隙(26)和空隙(29)共同拥有隔热缝隙(31)，即同为隔热缝隙(31)和动、静件气隙所包围。

30.如权利要求24、27所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在电路连接区缝隙(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，通过调节胶管(33)中的气体压强，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)的密封控制。

31.如权利要求25、28所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在电路连接区缝隙(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，通过调节胶管(33)中的气体压强，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)的密封控制。

32.如权利要求26、29所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在电路连接区缝隙(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，通过调节胶管(33)中的气体压强，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)的密封控制。

33.如权利要求30所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在静子导电体(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，在单极直流电磁传动机组装充填液态金属时，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液态金属，应用真空抽吸作用，使液态金属充满由胶管(33)密封的空间。

34.如权利要求31所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在静子导电体(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，在单极直流电磁传动机组装充填液态金属时，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液态金属，应用真空抽吸作用，使液态金属充满由胶管(33)密封的空间。

35.如权利要求32所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在静子导电体(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，在单极直流电磁传动机组装充填液态金属时，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液态金属，应用真空抽吸作用，使液态金属充满由胶管(33)密封的空间。

36.如权利要求24、27、30、33所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在外部附属系统中装有一个液态金属容积调节阀，该阀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液态金属容量时，调整该阀的容积。

37.如权利要求25、28、31、34所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在外部附属系统中装有一个液态金属容积调节阀，该阀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液态金属容量时，调整该阀的容积。

38.如权利要求26、29、32、35所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在外部附属系统中装有一个液态金属容积调节阀，该阀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液态金属容量时，调整该阀的容积。

39.如权利要求37、38所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在单极直流电磁传动机运行时，第二分支缝隙(26)作为电路连接区(5)液态金属的进口通道，分支缝隙(25)作为电路连接区液态金属的出口通道，使用在外部附属系统中的流体循环泵，使电路连接区的液态金属保持循环流动，带走所携热量。

40.如权利要求39所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在外部附属系统中，装有循环流动液态金属的散热器。

41.如权利要求40所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在外部附属系统中，装有液态金属循环流动液的固体杂质过滤器。

42.如权利要求41所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在外部附属系统中，装有液态金属循环流动液的气泡滤除器。

43.如权利要求40、41、42所述的单极直流电磁传动机，其特征是：在外部附属系统中，循环流动液态金属的散热器采用绝缘油作为冷却介质，绝缘油再在另设的集中式换热器中由空气或水冷却。

44.如权利要求24至43所述的单极直流电磁传动机，其特征是：与电路连接区(5)连通的、含有转子壁面边界的空隙腔室，由包含动密封的密封件密封，与外界空气隔离，空隙腔室内充装惰性气体。

45.如权利要求44所述的单极直流电磁传动机，其特征是：惰性气体为氮气，或为氦气。

46.如权利要求44、45所述的单极直流电磁传动机，其特征是：动密封件使用磁性流体密封结构。

47.如权利要求44、45、46所述的单极直流电磁传动机，其特征是：支承转子的轴承，在空隙腔室之外，接触外界空气，或与外界空气连通。

48.如权利要求24至47所述的单极直流电磁传动机，其特征是：电路连接区(5)的转子壁面，加工有耐冲蚀磨损的、并且导电的表面层。

49.如权利要求48所述的单极直流电磁传动机，其特征是：表面层为镀硬铬，或为镀硬银，或为镀银锑合金，或为镀金钴合金，或为镀金镍合金，或为镀金锑合金，或为金-碳化钨复合镀层，或为金-氮化硼复合镀层，或为化学镀镍磷合金镀层，或为化学镀镍硼合金镀层，或为化学镀镍磷合金-碳化硅复合镀层，或为化学镀镍磷合金-金刚石复合镀层，或为化学镀镍硼合金-金刚石复合镀层。

50.如权利要求24至49所述的单极直流电磁传动机，其特征是：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，通过测量元件的电阻值，计算元件暴露表面被液态金属覆盖的长度，从而检测出液态金属在通道中的边界位置。

51.如权利要求1至50所述的单极直流电磁传动机，但去除其中的主电流回路并联电路特征，其特征是：采用只调节一个励磁线圈电流的调节控制方法：选定一个被调节对象励磁线圈，选定其他励磁线圈的固定电流值，选定调节范围的主电流上限和下限值，在其他励磁线圈通以固定电流，并且主电流位于上限和下限这两种条件下，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调节励磁电流变化的关系曲线，在运行调节时，即时采集两个转子的转速，利用电磁定律公式和上述关系曲线，随时计算出在当前转速下的、对应主电流为上限值和下限值的调节励磁电流上限值和下限值，设计使得这种电流上限值和下限值同时也对应当前转速下的电磁转矩上限值和下限值，并且这种对应关系是单调变化的，在调节执行时，可使执行器动作行程与位于限值范围的调节励磁电流线性对应，也可以采用某种非线性对应规律，以使电磁转矩趋于线性变化。

52.如权利要求1至50所述的单极直流电磁传动机，但去除其中的主电流回路并联电路特征，其特征是：采用只调节一个励磁线圈电流的调节控制方法：选定一个被调节对象励磁线圈，选定其他励磁线圈的固定电流值，在其他励磁线圈通以固定电流的条件下，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调节励磁电流和主电流变化的关系曲面，在运行调节时，即时采集两个转子的转速，利用电磁定律公式和上述关系曲面，以当前转速和给定的转矩指令为输入条件，随时计算出所需的调节励磁电流值，用于执行环节。

53.如权利要求1至50所述的单极直流电磁传动机，但去除其中的主电流回路并联电路特征，其特征是：采用只调节一个励磁线圈电流的调节控制方法：选定一个被调节对象励磁线圈，选定其他励磁线圈的固定电流值，在其他励磁线圈通以固定电流的条件下，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调节励磁电流和主电流变化的关系曲面，给定两轴转速和一轴电磁转矩的应用范围，利用电磁定律公式和上述关系曲面，计算出全范围覆盖不同转速条件和转矩需求的调节励磁电流值矩阵，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，以当前转速和给定的转矩指令为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，计算获得对应的调节励磁电流值，用于执行环节。

54.如权利要求1至50所述的单极直流电磁传动机，但去除其中的主电流回路并联电路特征，其特征是：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励磁电流多维变量变化的对应关系，给定两轴转速和一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。

55.如权利要求23至50所述的单极直流电磁传动机，但去除其中的主电流回路并联电路特征，其特征是：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励磁电流多维变量变化的对应关系，给定两轴转速、一轴电磁转矩、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。

56.如权利要求1至55所述的单极直流电磁传动机，其特征是：励磁线圈与直流电源相连，通过电压调节，控制励磁电流。

57.如权利要求56所述的单极直流电磁传动机，其特征是：电压调节的方法，是采用直流斩波器，或者采用电阻电位器。