带单极直流电磁传动机的车辆用飞轮动力系统
阅读：882发布：2021-02-22
专利汇可以提供带单极直流电磁传动机的车辆用飞轮动力系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种由 电网 充能的车辆动 力 系统，由布置于车辆底盘的两个旋向相反的立轴式柔性 飞轮 、从飞轮至 驱动桥 主减速器 的传动系、控制系统等组成，传动系含有与飞轮相 配对 的两套单极直流电磁传动机(HET)。车辆前进和倒车时的驱动转矩或 动能 回收 制动 转矩的控制，由HET调节控制系统按照司机指令执行。对飞轮的大功率快速充能采用机械直联加载方式，同时也可插电慢充。现有的化学 电池 动力系统充能时间长，动力性不足，动能回收能力受限，行驶里程不长，成本高，电池寿命短， 能量 效率低。现有的飞轮动力系统能量效率低，成本高，重量大，占据空间多， 电机 散热 问题大，飞轮动平衡难度大，磁力 轴承 可靠性低。本 发明 全面解决上述问题。，下面是带单极直流电磁传动机的车辆用飞轮动力系统专利的具体信息内容。
1.一种车辆动力系统，包括：储能飞轮装置，从飞轮装置至驱动桥主减速器的传动系，以及它们的控制系统，其特征是：传动系含有单极直流电磁传动机(HET)。
2.如权利要求1所述的动力系统，其特征是：储能飞轮装置是两个立轴式柔性飞轮装置，旋向相反，布置于车辆底盘。
3.如权利要求2所述的动力系统，其特征是：一个立轴式柔性飞轮装置含有旋转的轮体、一个转轴(51)、转轴上的轴承、真空容器壳体(52)，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，采用两组轴对称形状的柔性膜环(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)，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，两个端面为限制向上位移的端面副(57，64)，该端面副与承重端面副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3所述的动力系统，其特征是：在每个飞轮转轴下端安装有加载盘(69)，在对飞轮快速加载充能时，加载盘用于连接外部加载系统的加载接头和转轴，通过向飞轮转轴传输机械扭矩进行大功率快速加载充能。
5.如权利要求2至4所述的动力系统，其特征是：每个飞轮对应配置一套HET，每个飞轮与其对应的HET的一个转子(HET输入端转子)共用一个转轴。
6.如权利要求5所述的动力系统，其特征是：一套HET含有两套转子、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(I0)、每个转子的电磁转矩和电磁功率。
7.如权利要求6所述的动力系统，其特征是：每套HET的两个转子的轴心线重合，两个转子互相靠近(集中型HET)。
8.如权利要求7所述的动力系统，其特征是：每套HET具有两列外接电源的端子(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，以分别对各个飞轮进行插电充能或卸载。
9.如权利要求7、8所述的动力系统，其特征是：每套HET的未与飞轮共用转轴的那个转子(HET输出端转子)的转轴上端，设置有一对锥齿轮，一个锥齿轮与该转轴直联，另一个锥齿轮的转轴与一个驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴，以形成集中型HET四轮驱动结构。
10.如权利要求7、8所述的动力系统，其特征是：两套HET的输出端转子的转轴上端，一套设置有一对锥齿轮，另一套设置有一个主动锥齿轮和两个相对布置的被动锥齿轮，主动锥齿轮均与输出端转子转轴直联，不同HET的两个被动锥齿轮转轴之间通过一个万向传动轴连接，第三个被动锥齿轮转轴与驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴，以形成集中型HET两轮驱动结构。
11.如权利要求7、8所述的动力系统，其特征是：两套HET的输出端转子的转轴上端，一套设置有一对锥齿轮，另一套设置有一个主动锥齿轮和两个相对布置的被动锥齿轮，主动锥齿轮均与输出端转子转轴直联，不同HET的两个被动锥齿轮转轴之间通过一个万向传动轴连接，第三个被动锥齿轮转轴与分配前后轴驱动力的分动器或轴间差速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，分动器或轴间差速器再与前后两个驱动桥主减速器连接，或者其中还设置有万向传动轴，以形成集中型HET带分动的四轮驱动结构。
12.如权利要求6所述的动力系统，其特征是：每套HET的两个转子分离布置(分离型HET)，具有两个HET半偶件，采用外联导体传输主电流。
13.如权利要求12所述的动力系统，其特征是：未与飞轮共用转轴的两个HET输出端转子的转轴(两个HET半偶件转轴)，分别与前后驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴，以形成分离型HET四轮驱动结构。
14.如权利要求13所述的动力系统，其特征是：每个飞轮轴端HET半偶件的外联导体上，并联接出连接外部电源的导线，以分别对各个飞轮进行插电充能或卸载。
15.如权利要求12所述的动力系统，其特征是：未与飞轮共用转轴的两个HET半偶件合并为一个半偶件，合并后的半偶件额定电动势是合并前的两个半偶件额定电动势之和，两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者主电路采用外联导体串联，合并半偶件转轴与驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴，以形成分离型HET两轮驱动结构。
16.如权利要求12所述的动力系统，其特征是：未与飞轮共用转轴的两个HET半偶件合并为一个半偶件，合并后的半偶件额定电动势是合并前的两个半偶件额定电动势之和，两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者主电路采用外联导体串联，合并半偶件转轴与分配前后轴驱动力的分动器或轴间差速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，分动器或轴间差速器再与前后两个驱动桥主减速器连接，或者其中还设置有万向传动轴，以形成分离型HET带分动的四轮驱动结构。
17.如权利要求15、16所述的动力系统，其特征是：合并半偶件的外联导体上，并联接出连接外部电源的导线，以对两个飞轮进行插电充能或卸载。
18.如权利要求7至11、13、14所述的动力系统，其特征是：对每套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，给定两轴转速和输出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。
19.如权利要求7至11、13、14所述的动力系统，其特征是：对每套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、输出轴电磁转矩、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。
20.如权利要求15至17所述的动力系统，其特征是：对由两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者构成的系统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，给定三轴转速、合并半偶件转轴电磁转矩、两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值的应用范围，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，即时采集三个转子的转速，作为输入条件，给出合并半偶件转轴转矩指令，以及两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值指令，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。
21.如权利要求15至17所述的动力系统，其特征是：对由两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者构成的系统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，给定三轴转速、合并半偶件转轴电磁转矩、两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值、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，即时采集三个转子的转速，作为输入条件，给出合并半偶件转轴转矩指令，以及两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值指令，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。
22.如权利要求18至21所述的动力系统，其特征是：在驾驶席设置动力操纵单元，包括：车辆前进正车或倒车设置单元，从零至最大值的驱动转矩相对值指令操纵输出单元，车辆制动指令操纵输出单元，初始速比档位设置单元(针对具有有级变速比机械传动装置的车辆)，也可包括两套HET电磁转矩的比例值(两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值，或者两个HET输出端转子的转轴电磁转矩比例值)设置单元。
23.如权利要求22所述的动力系统，其特征是：两套HET电磁转矩的比例值或由司机操纵设置单元在起车前或在溜车时设定，或由控制系统自动在起车前或在溜车时设定，或由控制系统自动在非溜车行驶中改变设定。
24.如权利要求23所述的动力系统，其特征是：动能回收制动和摩擦制动共用车辆制动指令操纵输出单元的一套操纵装置，制动操作行程分为先后两段，在先行程段对应为从零至最大值的动能回收制动转矩相对值，在后行程段对应为从零至最大值的摩擦制动转矩相对值，在后行程段同时保持最大值的动能回收制动转矩。
25.如权利要求24所述的动力系统，其特征是：车辆正车或倒车驱动转矩的控制由HET调节控制系统主导执行，正车或倒车意向在起车前设定，由司机给出范围在零至最大的驱动转矩相对值指令，由HET调节控制系统指挥HET输出所需的正车正向或倒车反向驱动转矩。
26.如权利要求25所述的动力系统，其特征是：车辆正车或倒车时的动能回收制动转矩的控制由HET调节控制系统主导执行，正车或倒车意向在起车前设定，由司机给出范围在零至最大的动能回收制动转矩相对值指令，由HET调节控制系统指挥HET向飞轮传输车辆动能，制造所需的正车反向或倒车正向制动转矩。
27.如权利要求26所述的动力系统，其特征是：车辆起动程序如下：HET的各个励磁线圈电流处于零值状态，电路连接区(5)液态金属处于缩回断路状态，设定正车或倒车，设定两套HET电磁转矩的比例值，具有有级变速比机械传动装置的车辆设定初始速比档位，给出驱动转矩指令，电路连接区液态金属归位，由HET调节控制系统控制输出驱动转矩，起动车辆开始行驶。
28.如权利要求27所述的动力系统，其特征是：所述的初始速比档位，可以是有级变速比机械传动装置的任意一个档位，在车辆行驶速度从零升速至最大速度范围内，速比值从初始档位值依次降低至最小速比档位值。
29.如权利要求28所述的动力系统，其特征是：行驶中的换档操作由HET调节控制系统自动控制，当达到预定的档位转换速度时，控制使HET输出转矩降为零(即励磁电流降为零)，脱开原档位，使用同步器摩擦同步欲接合的两部分，挂接新档位，再按当时的驱动转矩指令使HET输出所需的转矩。
30.一种车辆，包括：动力系统，行驶系，转向系，制动系，车身，附属设备，其特征是：动力系统采用权利要求1至29所述的动力系统。
31.一种对飞轮的机械连接加载充能系统，包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台同步电动机或异步电动机，加载转轴与电动机之间的传动系，其特征是：传动系含有一套单极直流电磁传动机(HET)。
32.如权利要求31所述的加载充能系统，其特征是：采用分离型HET，具有立式加载端半偶件HEThj和立式供能端半偶件HEThg，HEThg转轴与立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
33.如权利要求31所述的加载充能系统，其特征是：采用分离型HET，具有立式加载端半偶件HEThj和卧式供能端半偶件HEThg，HEThg转轴与卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
34.如权利要求32、33所述的加载充能系统，其特征是：立式加载端半偶件HEThj转轴上端连接一个立式万向传动轴。
35.如权利要求31所述的加载充能系统，其特征是：采用分离型HET，具有卧式加载端半偶件HEThj和卧式供能端半偶件HEThg，HEThj转轴通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与一个立式万向传动轴连接，HEThg转轴与卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
36.如权利要求31所述的加载充能系统，其特征是：采用集中型立式HET，HET输出端转轴与一个立式万向传动轴连接，HET输入端转轴与立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
37.如权利要求31所述的加载充能系统，其特征是：采用集中型卧式HET，HET输出端转轴通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与一个立式万向传动轴连接，HET输入端转轴与卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
38.一种对飞轮的机械连接加载充能系统，包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台同步电动机或异步电动机，一个作缓冲用途的立轴式柔性飞轮装置，加载转轴与电动机之间的、缓冲飞轮串联在其中的传动系，其特征是：传动系含有两套单极直流电磁传动机(HET)，一套HET(加载HET)位于缓冲飞轮与加载转轴之间，另一套HET(供能HET)位于缓冲飞轮与电动机之间。
39.如权利要求38所述的加载充能系统，其特征是：加载HET采用立式分离型，供能HET采用立式分离型或集中型，供能HET的输入端转轴与立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
40.如权利要求38所述的加载充能系统，其特征是：加载HET采用立式分离型，供能HET采用分离型，具有立式输出端半偶件和卧式输入端半偶件，后者转轴与卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
41.如权利要求38所述的加载充能系统，其特征是：加载HET采用立式分离型或集中型，其输出端转轴与一个立式万向传动轴连接，供能HET采用立式分离型或集中型，其输入端转轴与立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
42.如权利要求38所述的加载充能系统，其特征是：加载HET采用立式分离型或集中型，其输出端转轴与一个立式万向传动轴连接，供能HET采用分离型，具有立式输出端半偶件和卧式输入端半偶件，后者转轴与卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
43.一种对飞轮的机械连接加载充能系统，包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的直流电源，加载转轴与直流电源之间的传动系和电路连接线，其特征是：传动系含有一个立式HET半偶件，HET半偶件由直流电源供电，其转轴上端可与一个立式万向传动轴连接。
44.一种对飞轮的机械连接加载充能系统，包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的直流电源，加载转轴与直流电源之间的传动系和电路连接线，其特征是：传动系含有一个卧式HET半偶件，HET半偶件由直流电源供电，其转轴通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与一个立式万向传动轴连接。
45.一种对飞轮的机械连接加载充能系统，包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台带调速装置的电动机，加载转轴与电动机之间的传动系，其特征是：传动系含有一个立式万向传动轴，与立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与卧式电动机转轴连接。
46.如权利要求32至37、39至45所述的加载充能系统，其特征是：设有一套使加载转轴方位移动的机械手系统，以及对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统。
47.一种对飞轮的机械连接加载充能系统，包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台带调速装置的立式电动机，加载转轴与电动机之间的传动系，其特征是：设有一套使加载转轴方位移动的机械手系统，以及对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统。
48.如权利要求32至37、39至47所述的加载充能系统，其特征是：传动系还设有一个立式圆柱齿轮增速器，与已有的立式万向传动轴上端连接，或与已有的加载端立式HET半偶件转轴上端连接(无万向传动轴时)，或与已有的立式电动机转轴上端连接(无万向传动轴和HET时)。
49.一种对飞轮的机械连接加载充能系统，包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台带调速装置的卧式电动机，加载转轴与电动机之间的传动系，其特征是：设有一套使加载转轴方位移动的机械手系统，以及对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统，设有一台与卧式电动机输出转轴连接的带锥齿轮的增速齿轮箱，齿轮箱输出转轴向上伸出。
50.如权利要求31至49所述的加载充能系统，其特征是：加载接头与车辆飞轮转轴下端加载盘的机械连接，采用一对内外齿轮相啮合或分离的齿轮式结构，或者采用牙嵌式结构，或者采用外抱胶管液压式结构。
51.如权利要求31至50所述的加载充能系统，其特征是：还设有车辆车架固定支承装置，具有三点或四点支承结构，用于在车辆飞轮加载前支承车重和固定车架，使飞轮位置稳定。
带单极直流电磁传动机的车辆用飞轮动力系统
所属技术领域
背景技术
[0002] 不携带燃料、使用电网充能、零排放的车辆动力系统，当前主要有两种类型，一种是化学电池动力系统，一种是飞轮动力系统。
[0003] 现有的车辆用化学电池动力系统，包含化学蓄电池、电动机/发电机、变流设备、控制系统等主要部分，电网交流电在整流为直流电后向化学蓄电池充能，蓄电池直流电通过变流设备变换为频率和电压恰当的交流电，输入电动机、驱动车辆。当车辆制动使用动能回收功能时，电动机改用作发电机，相关系统使能量反向流动，车辆动能转换为蓄电池化学能。迄今为止，车辆用化学电池动力系统还存在着诸多问题和缺点，包括：
[0004] (1)化学蓄电池充能时间过长，采用的快充方案也是时间很长，并且快充对电池的损伤很大；
[0006] (3)车辆制动时动能回收功能受限，同样因为设备功率和化学蓄电池大电流充电的限制，使得动能回收制动功率偏低，而车辆制动经常处于高能量转换率的情形；
[0007] (4)车辆行驶里程不够长，该问题与电池成本和重量等问题相关，也与电池充能时间过长问题相关，充能问题不能解决使得行驶里程问题变得严重，甚至上升为最重要的问题，而充能场所等配套设施积极建设的内在驱动力应来自于这种动力车辆的实用竞争性及其市场前景，另外，充能时间很长的场所的占地面积是不可接受的，各方的时间效率是极其低下的；
[0008] (5)化学蓄电池单位成本很高，车辆价格很高，不具备市场竞争性；
[0010] (7)能量转换效率较低，化学蓄电池的充电效率(电能转换为化学能的效率)约70％，电动机和变流设备的效率在恒速时约80％，在加速时约60％，合计的综合效率在恒速时仅有56％，在加速时仅有42％；(数据来源于《电动机技术实用手册》(日)海老原大树主编，王益全等译，科学出版社，2005，第844页)
[0011] (8)安全性和环境保护方面存在问题，高能量密度的锂离子电池易引起过热、自燃甚至爆炸，低能量密度的铅酸电池的重量较大，且严重污染环境，化学蓄电池在从生产至用后处理的全寿命周期中始终存在着不利于环境保护的较大问题。
[0012] 现有的车辆用飞轮动力系统，还未见在车辆上独立作为主动力应用，主要用在混合动力车辆上。该系统或分系统的典型构成为：真空环境、磁悬浮支承的飞轮，与飞轮同轴的高转速变频电动机/发电机，电力半导体变流设备，最终连接至车轮的变频电动机/发电机。飞轮驱动时，飞轮动能驱动车辆经过如下能量传递路径：飞轮侧发电机、变流设备、车轮侧电动机；动能回收制动时，车辆动能向飞轮传递路径为：车轮侧发电机、变流设备、飞轮侧电动机；外界电网或车内燃料发动机向飞轮充能的传递路线为：电能、变流设备、飞轮侧电动机。这种飞轮动力系统的不足之处包括：
[0013] (1)能量传递过程的效率较低，电网向飞轮充能经过变流设备和飞轮侧高频电动机，该过程最高效率不大于90％，平均效率约80％，飞轮驱动车辆经过飞轮侧高频发电机、变流设备和车轮侧电动机，该过程最高效率不大于86％，平均效率约72％，从电网电能至驱动车辆机械能的能量传递全过程的最高效率不大于77％，平均效率约58％；
[0014] (2)两套电动机/发电机和一整套变流设备的成本较高、重量较大、占据空间较多；
[0015] (3)与飞轮同轴的高转速变频电动机/发电机位于真空容器内，高频高转速电机的发热量大、同时散热又不畅的问题比较大；
[0017] (5)飞轮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，在车辆等移动式应用场合，面临着频繁的随机的大幅度冲击载荷的考验，特别是飞轮陀螺力矩对径向轴承的冲击载荷相当严重；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；
[0018] (6)现有飞轮动力系统未见在车辆上独立应用，也未见有大功率、大储能容量设计型，仅以小容量、小尺寸设计型在个别混合动力车型中得到尝试应用，这其中也说明了该种动力系统具有不被接受的缺陷，具有不能独立应用、不能按常规容量设计的缺点。
发明内容
[0019] 本发明方案的车辆动力系统，主要由柔性飞轮和单极直流电磁传动机(HET--Homopolar Electromagnetic Transmission)构成，飞轮作为能量载体，HET用以无级变速变矩传递能量，并且是操控能量流方向及大小的控制中枢。
[0020] 对比现有飞轮动力系统，本发明方案主要在以下方面具有独特之处，并在性能或功能上具有大幅进步：
[0021] (1)驱动车辆和动能回收制动车辆的能量传递采用HET，对飞轮的小功率慢速充能采用外部交流电整流经与飞轮同轴的HET转子加载，对飞轮的大功率快速充能采用机械直联加载方式，该加载在充能站使用专用的HET和定速同步电动机；HET传递能量的效率很高，可设计达到96％～98％；
[0024] (4)飞轮轮体设计为柔性连接的多体结构，避免了刚性结构轮体的振动难题，同时又增加了空间有效利用率，即多布置了轮体质量块；
[0025] (5)飞轮设计为立轴式结构，飞轮向下的重量采用永磁轴向轴承支承，其很小的径向负荷采用机械滚动轴承支承，出现较大的陀螺力矩冲击负载时可选择辅以机械保护轴承应急承担；这种方案避免了全部采用磁悬浮轴承带来的问题，又使轴承摩擦损失维持在可接受的较低水平；
[0026] (6)本发明方案的车辆用飞轮动力系统可按常规储能容量和超大功率规格设计，车辆续驶里程可达300～400公里，HET额定功率典型设计为2×240kW共计480kW。
[0027] 与现有的车辆用化学电池动力系统相比较，除了在上面的对比中已说明的之外，本发明方案还有以下显著的优点：
[0028] (1)采用机械直联加载方式对飞轮的大功率快速充能非常快捷，每个飞轮的加载功率可达到2000kW，全程加载时间在2分钟以内，同时也可选择插电式慢充；
[0029] (2)由于HET功率密度很高，而飞轮自身几乎不限功率，可设计较大的传动功率，得到十分强劲的车辆动力性；同样也使动能回收制动的能力变得十分强大，节能效果大幅提升；
[0031] (4)飞轮和HET的使用寿命很长。
[0032] 下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。
[0034] 具有两个布置于车辆底盘的立轴式柔性飞轮装置，两个飞轮的规格尺寸相同，仅是旋向相反。旋向相反的一对飞轮产生陀螺力矩时的力矩方向也相反，这两个飞轮转速相同时的陀螺力矩可完全互相抵消，即对车辆的作用整体为零，仅表现为一对陀螺力矩作用在车辆底盘上。立轴式飞轮具有四个显著优点，一是有利于采用优化的轴承组合方案，二是有利于采用轮体柔性连接结构，三是有利于大直径飞轮在车辆中的最优布置，四是有利于减少车辆行驶中产生飞轮陀螺力矩的机会和大小，从而降低陀螺力矩对飞轮结构、轴承和车辆底盘的冲击负荷。飞轮陀螺力矩的大小等于下列参数的乘积：飞轮转动惯量J、飞轮旋转角速度ω、车辆运动角速度Ω、ω矢量与Ω矢量夹角θ的正弦值sinθ。飞轮陀螺力矩矢量的方向等于ω矢量与Ω矢量叉乘积的方向，同时垂直于ω矢量方向和Ω矢量方向。车辆运动角速度Ω矢量方向有三种主方向：一是立轴方向，对应车辆左右转弯行驶状态，出现频繁，持续时间较长，角速度值较大；二是横轴方向，对应车辆发生俯仰转动状态，例如在上下坡的转接路段，以及过凸包或凹坑时；三是纵轴方向，对应车辆发生侧翻转动状态，例如进出侧倾坡路时，以及路况颠簸导致车辆侧转时。立轴式飞轮在车辆左右转弯行驶时不产生陀螺力矩。
[0035] 每一个立轴式柔性飞轮装置包括旋转的轮体、一个转轴(51)、转轴上的轴承、真空容器壳体(52)，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，采用两组轴对称形状的柔性膜环(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)，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，两个端面为限制向上位移的端面副(57，64)，该端面副与承重端面副设计为集中组合在一起，形成凸台与凹槽配合结构。
[0036] 用于质量块体(53)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。
[0037] 质量块体(53)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。
[0038] 轮体的支承体(54)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。
[0040] 承重端面副(56)和限制向上位移的端面副(57，64)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。
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。
[0041] 连接相邻内圈和外圈结构体的柔性膜环(55，58)双组设计较适用于车辆等移动型场合，并且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，距离转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20，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。
[0042] 本发明方案的“柔性”连接方式，可以补偿各个块体的不平衡，可以大幅降低对动平衡校正的要求，可以自动适应运转时的大位移变形和蠕变变形，可以大幅降低旋转轮体对转轴作用的动不平衡力和力矩，最终减小对轴承的激振力和振动。
[0043] 飞轮转轴(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。
[0044] 真空容器壳体(52)设计为垂直轴线剖分的两半结构，一圈法兰(67)位于壳体外圆表面的中间部位，法兰边可以位于容器外侧或内侧。法兰边内侧设计意在减小实用外形尺寸，内侧法兰边不设把紧螺栓，依靠容器真空产生的压力压紧，采用这种设计时，同时也在容器外侧四角处增设四段耳法兰(74)及其把紧螺栓，该四角位置选择不影响实用外形尺寸的地方，例如不影响布置宽度和长度的45°角方位。在整圈法兰边设置橡胶密封圈，也可在橡胶密封圈的外侧增设真空密封脂，也可在橡胶密封圈的内侧增设软金属密封圈，也可在橡胶密封圈的外侧增设真空密封脂并在内侧增设软金属密封圈。壳体的安装支承部位利用外露的法兰边，这也是整个飞轮装置及其相连结构的安装支承部位。
[0045] 作为增加的安全防护措施，可在最外圈质量块体与其外侧壳体之间增设包容性强的保护套筒(68)，保护套筒与壳体相靠支承，但不限制套筒旋转。保护套筒可以设置一个或多个，多个套筒之间允许自由旋转，两个套筒各有一侧带端部围裙(68)。
[0046] 真空容器壳体(52)可采用三层复合结构(图21，图22)，中间层为纤维增强塑料，两个外表面层为轻质金属材料，中间层与外表面层胶粘连接。增强纤维可选玻璃纤维、碳纤维等，使用非单向布织物、短切纤维、毡等材料。树脂可选环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等。中间层可采用片状模塑料(SMC)进行成型加工。外表面层轻质金属优选铝或铝合金。三层复合结构的优点是：振动阻尼大，强度高，韧性好，重量轻。
[0047] 飞轮转轴(51)的径向支承轴承可用两组滚动轴承，也可用两个径向支承磁悬浮轴承。其轴向支承轴承采用一组轴向支承磁悬浮轴承。
[0048] 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。
[0049] 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。
[0050] 一个永磁吸力式轴向支承磁悬浮轴承具有一个转动盘(59，54)和一个静止盘(60，61)，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。
[0051] 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。
[0052] 飞轮转轴(51)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。当飞轮陀螺力矩较大时，可以增设两组径向保护滚动轴承，以短时承担超载径向力。
[0053] 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(61)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。
[0054] 当飞轮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。也可在下半壳体与转轴之间设置磁性流体密封组件和下轴承座(图20)，密封组件位于转轴与下轴承座之间，下半壳体的内中心孔与下轴承座的外圆柱面接触连接，并可轴向位移滑动，两面之间设置橡胶密封圈和真空密封脂。
[0055] 可在两个飞轮转轴下端安装加载盘(69)，在对飞轮快速加载充能时，加载盘用于连接外部加载系统的加载接头和转轴，通过向飞轮转轴传输机械扭矩进行大功率快速加载充能。这种加载方式对每个飞轮的加载功率可达到2000kW，充能时间可与汽车加油基本相当。
[0056] 每个飞轮对应配置一套HET，每个飞轮与其对应的HET的一个转子(HET输入端转子)共用一个转轴。
[0057] 一套HET含有两套转子、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(I0)、每个转子的电磁转矩和电磁功率。
[0058] 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。
[0059] HET所应用的单极直流电机的电磁作用原理如下：
[0060] 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。
[0061] 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。
[0062] 经过推导，可得到如下公式：
[0063] 转子导体的电动势：
[0064] E＝Em＝ω·Φm/(2π)
[0065] 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。
[0066] 转子导体所受的电磁转矩：
[0067] Me＝-I0·Φm/(2π)
[0068] 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。
[0069] 转子导体所接受或输出的电磁功率：
[0070] Pe＝Me·ω＝-E·I0＝-ω·I0·Φm/(2π)
[0071] 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。
[0072] 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。
[0074] 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。
[0075] 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。
[0076] 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。
[0077] 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。
[0078] 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。
[0079] 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。
[0080] 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。
[0081] 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。
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。
[0082] 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。
[0083] 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。
[0084] 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。
[0085] 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。
[0086] 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。
[0087] 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。
[0088] 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7至图12，图15，图16)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。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。
[0089] 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。
[0090] 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。
[0091] 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)。
[0092] 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。
[0093] 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。
[0094] 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。
[0095] 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。
[0096] 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。
[0097] 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。
[0098] 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。
[0100] 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)。
[0101] 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。
[0102] 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。
[0103] 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。
[0105] 对于集中型HET，每套HET可以设置两列外接直流电源的端子(16)(图2、图3、图18)，连接包含转子导磁导电体在内的主电流线路，并设置液态金属转换开关(15)，用于在外接电源前抽空液体、断开原有的主电流回路，用以实现(分别)对各个飞轮进行插电充能或卸载。进行插电充能时，车辆手闸制动，断开液态金属转换开关(15)，接通各个电路连接区(5)，接通使HET飞轮端转子磁通达到最大值的相关励磁线圈，并一直维持最大励磁电流，调节直流电源电压大小与HET飞轮端转子电动势相等，方向与之相反，主电流线路与直流电源接通，调高直流电源电压至达到插电主电流额定限值或插电功率额定限值，在飞轮充能升速过程中持续调节调高直流电源电压，保持额定限值的插电主电流和/或插电功率，电流限制在前，功率限制在后，飞轮转速起点较高时只有功率限制；充能结束时，先调低直流电源电压至得到零电流，主电流线路与直流电源断开，取消HET励磁。进行插电卸载时，准备程序同上，电流方向相反，操作程序相反，即调低直流电源电压至达到插电卸载功率额定限值或插电卸载主电流额定限值。这种插电充能或卸载适合小功率应用情形，例如家用电源、社区电源、慢充和慢放。
[0106] 在集中型HET四轮驱动结构中，每套HET的未与飞轮共用转轴的那个转子(HET输出端转子)的转轴上端，设置有一对锥齿轮，一个锥齿轮与该转轴直联，另一个锥齿轮的转轴与一个驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴。
[0107] 在集中型HET两轮驱动结构中，两套HET的输出端转子的转轴上端，一套设置有一对锥齿轮，另一套设置有一个主动锥齿轮和两个相对布置的被动锥齿轮，主动锥齿轮均与输出端转子转轴直联，不同HET的两个被动锥齿轮转轴之间通过一个万向传动轴连接，第三个被动锥齿轮转轴与驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴。
[0108] 在集中型HET带分动的四轮驱动结构中，两套HET的输出端转子的转轴上端，一套设置有一对锥齿轮，另一套设置有一个主动锥齿轮和两个相对布置的被动锥齿轮，主动锥齿轮均与输出端转子转轴直联，不同HET的两个被动锥齿轮转轴之间通过一个万向传动轴连接，第三个被动锥齿轮转轴与分配前后轴驱动力的分动器或轴间差速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，分动器或轴间差速器再与前后两个驱动桥主减速器连接，或者其中还设置有万向传动轴。
[0109] 在分离型HET四轮驱动结构中，未与飞轮共用转轴的两个HET输出端转子的转轴(即两个HET半偶件转轴)，分别与前后驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴。在每个飞轮轴端HET半偶件的外联导体上，可以并联接出连接外部直流电源的导线，用以实现(分别)对各个飞轮进行插电充能或卸载。进行插电充能时，断开非飞轮轴端HET半偶件的电路连接区(5)，接通飞轮轴端半偶件的电路连接区(5)，接通使HET飞轮端转子磁通达到最大值的相关励磁线圈，并一直维持最大励磁电流，调节直流电源电压大小与HET飞轮端转子电动势相等，方向与之相反，主电流线路与直流电源接通，调高直流电源电压至达到插电主电流额定限值或插电功率额定限值，在飞轮充能升速过程中持续调节调高直流电源电压，保持额定限值的插电主电流和/或插电功率，电流限制在前，功率限制在后，飞轮转速起点较高时只有功率限制；充能结束时，先调低直流电源电压至得到零电流，主电流线路与直流电源断开，取消HET励磁。进行插电卸载时，准备程序同上，电流方向相反，操作程序相反，即调低直流电源电压至达到插电卸载功率额定限值或插电卸载主电流额定限值。这种插电充能或卸载适合小功率应用情形。
[0110] 在分离型HET两轮驱动结构中，未与飞轮共用转轴的两个HET半偶件合并为一个半偶件，合并后的半偶件额定电动势是合并前的两个半偶件额定电动势之和，两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者主电路采用外联导体串联，合并半偶件转轴与驱动桥主减速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，或者其中还设置一个万向传动轴。
[0111] 在分离型HET带分动的四轮驱动结构中，未与飞轮共用转轴的两个HET半偶件合并为一个半偶件，合并后的半偶件额定电动势是合并前的两个半偶件额定电动势之和，两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者主电路采用外联导体串联，合并半偶件转轴与分配前后轴驱动力的分动器或轴间差速器连接，或通过一个固定速比减速器连接，或通过一个有级变速比减速器连接，分动器或轴间差速器再与前后两个驱动桥主减速器连接，或者其中还设置有万向传动轴。
[0112] 在合并半偶件的外联导体上，可以并联接出连接外部直流电源的导线，用以实现对两个飞轮进行插电充能或卸载。进行插电充能时，断开合并半偶件的电路连接区(5)，接通两个飞轮轴端半偶件的电路连接区(5)，接通使两个HET飞轮端转子磁通达到最大值的相关励磁线圈，并一直维持最大励磁电流(为使两个飞轮转速在充能结束时趋于一致，适当调整两个转子的励磁电流，使转速较低者得到较大的电动势和电功率)，调节直流电源电压大小与两个HET飞轮端转子电动势之和相等，方向与之相反，主电流线路与直流电源接通，调高直流电源电压至达到插电主电流额定限值或插电功率额定限值，在飞轮充能升速过程中持续调节调高直流电源电压，保持额定限值的插电主电流和/或插电功率，电流限制在前，功率限制在后，飞轮转速起点较高时只有功率限制；充能结束时，先调低直流电源电压至得到零电流，主电流线路与直流电源断开，取消HET励磁。进行插电卸载时，准备程序同上，电流方向相反，操作程序相反，即调低直流电源电压至达到插电卸载功率额定限值或插电卸载主电流额定限值。这种插电充能或卸载适合小功率应用情形。
[0115] 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。
[0116] 每个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。
[0117] 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。
[0118] 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(对应单个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。
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。
[0119] 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。
[0120] 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。
[0121] 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。
[0122] 下文所述的单个HET的串联主电流回路的电磁定律公式包括：
[0123] 转子1的电动势：
[0124] E1＝ω1·∑Φ1/(2π) (1)
[0125] 转子2的电动势：
[0126] E2＝ω2·∑Φ2/(2π) (2)
[0127] 主电流回路的电动势之和：
[0128] ∑E＝E1+E2 (3)
[0129] 主电流：
[0130] I0＝∑E/R0 (4)
[0131] 转子1所受的电磁转矩：
[0132] Me1＝-I0·∑Φ1/(2π) (5)
[0133] 转子2所受的电磁转矩：
[0134] Me2＝-I0·∑Φ2/(2π) (6)
[0135] 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。
[0136] 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。
[0137] 忽略温度等次要因素的影响，单个HET的串联主电路的∑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：
[0138] ∑Φ1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n) (7)
[0139] ∑Φ2＝Ff2(|I0|，Ir21，Ir22，…，Ir2n) (8)
[0140] 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。
[0141] 忽略温度等次要因素的影响，单个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：
[0142] I0＝Fi0(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0n) (9)
[0143] Me1＝Fm1(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0n) (10)
[0144] Me2＝Fm2(ω1，ω2，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0n) (11)
[0145] 其中，{Ii01，Ii02，…，Ii0n}是{Ir11，Ir12，…，Ir1n}与{Ir21，Ir22，…，Ir2n}的合集。
[0146] 对集中型HET各种驱动结构和分离型HET四轮驱动结构中的每套HET采用的两种损耗总和最小原则的调节控制方法如下。
[0147] 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：
[0148] ∑Φ1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n) (7)
[0149] ∑Φ2＝Ff2(|I0|，Ir21，Ir22，…，Ir2n) (8)
[0150] 给定两轴转速的应用范围和输出轴电磁转矩(Me2)的应用范围，利用电磁定律公式((1)～(4)、(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。
[0151] 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Me2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。
[0152] 对集中型HET各种驱动结构和分离型HET四轮驱动结构中的每套HET采用的三种损耗总和最小原则的调节控制方法如下。
[0153] 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：
[0154] ∑Φ1＝Ff1(|I0|，Ir11，Ir12，…，Ir1n) (7)
[0155] ∑Φ2＝Ff2(|I0|，Ir21，Ir22，…，Ir2n) (8)
[0156] 给定两轴转速的应用范围、输出轴电磁转矩(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)、(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。
[0157] 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Me2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。
[0158] 分离型HET两轮驱动结构和带分动的四轮驱动结构中的由两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者构成的串联主电流回路的电磁定律公式具有如下形式：
[0159] 飞轮a轴端半偶件转子的电动势：
[0160] E1a＝ω1a·∑Φ1a/(2π) (12)
[0161] 飞轮b轴端半偶件转子的电动势：
[0162] E1b＝ω1b·∑Φ1b/(2π) (13)
[0163] 合并半偶件转子的电动势：
[0164] E2ab＝ω2ab·∑Φ2ab/(2π) (14)
[0165] 主电流回路的电动势之和：
[0166] ∑Eab＝E1a+E1b+E2ab (15)
[0167] 主电流：
[0168] I0ab＝∑Eab/R0ab (16)
[0169] 飞轮a轴端半偶件转子所受的电磁转矩：
[0170] Me1a＝-I0ab·∑Φ1a/(2π) (17)
[0171] 飞轮b轴端半偶件转子所受的电磁转矩：
[0172] Me1b＝-I0ab·∑Φ1b/(2π) (18)
[0173] 合并半偶件转子所受的电磁转矩：
[0174] Me2ab＝-I0ab·∑Φ2ab/(2π) (19)
[0175] 忽略温度等次要因素的影响，∑Φ1a、∑Φ1b和∑Φ2ab在运行使用时可表示为主电流I0ab的绝对值|I0ab|和对应半偶件励磁线圈电流的函数：
[0176] ∑Φ1a＝Ff1a(|I0ab|，Ia11，Ia12，…，Ia1m) (20)
[0177] ∑Φ1b＝Ff1b(|I0ab|，Ib11，Ib12，…，Ib1m) (21)
[0178] ∑Φ2ab＝Ff2ab(|I0ab|，Iab21，Iab22，…，Iab2m) (22)忽略温度等次要因素的影响，I0ab、Me1a、Me1b、Me2ab在运行使用时可表示为如下变量的函数：
[0179] I0ab＝Fi0ab(ω1a，ω1b，ω2ab，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0m) (23)[0180] Me1a＝Fm1a(ω1a，ω1b，ω2ab，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0m) (24)[0181] Me1b＝Fm1b(ω1a，ω1b，ω2ab，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0m) (25)[0182] Me2ab＝Fm2ab(ω1a，ω1b，ω2ab，MLS，Ii01，Ii02，…，Ii0m) (26)[0183] 其中，{Ii01，Ii02，…，Ii0m}是{Ia11，Ia12，…，Ia1m}、{Ib11，Ib12，…，Ib1m}、{Iab21，Iab22，…，Iab2m}的合集。
[0184] 对分离型HET两轮驱动结构和带分动的四轮驱动结构中的由两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者构成的系统采用的两种损耗总和最小原则的调节控制方法如下。
[0185] 总损耗取为主电流欧姆热(I0ab·I0ab·R0ab)和各个励磁电流欧姆热(∑Poi)的总和，其中R0ab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：
[0186] ∑Φ1a＝Ff1a(|I0ab|，Ia11，Ia12，…，Ia1m) (20)
[0187] ∑Φ1b＝Ff1b(|I0ab|，Ib11，Ib12，…，Ib1m) (21)
[0188] ∑Φ2ab＝Ff2ab(|I0ab|，Iab21，Iab22，…，Iab2m) (22)
[0189] 给定三轴转速的应用范围、合并半偶件转轴电磁转矩(Me2ab)的应用范围、两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例(Me1a/Me1b)的应用范围，利用电磁定律公式((12)～(19)，其中R0ab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。
[0190] 在调节执行时，即时采集三个转子的转速(ω1a，ω1b，ω2ab)，作为输入条件，给出合并半偶件转轴转矩指令(Me2ab值)，以及两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值指令(Me1a/Me1b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。
[0191] 对分离型HET两轮驱动结构和带分动的四轮驱动结构中的由两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者构成的系统采用的三种损耗总和最小原则的调节控制方法如下。
[0192] 总损耗取为主电流欧姆热(I0ab·I0ab·R0ab)、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，R0ab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：
[0193] ∑Φ1a＝Ff1a(|I0ab|，Ia11，Ia12，…，Ia1m) (20)
[0194] ∑Φ1b＝Ff1b(|I0ab|，Ib11，Ib12，…，Ib1m) (21)
[0195] ∑Φ2ab＝Ff2ab(|I0ab|，Iab21，Iab22，…，Iab2m) (22)
[0196] 给定三轴转速的应用范围、合并半偶件转轴电磁转矩(Me2ab)的应用范围、两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例(Me1a/Meib)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)～(19)，其中R0ab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。
[0197] 在调节执行时，即时采集三个转子的转速(ω1a，ω1b，ω2ab)，作为输入条件，给出合并半偶件转轴转矩指令(Me2ab值)，以及两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值指令(Me1a/Me1b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。
[0198] 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。
[0199] 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迥流，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F1m是唯一显著并起重要作用的部分，F1m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F1m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。
[0200] 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。
[0201] 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。
[0202] 在车辆驾驶席设置动力操纵单元，其中包括：车辆前进正车或倒车设置单元，从零至最大值的驱动转矩相对值指令操纵输出单元，车辆制动指令操纵输出单元。对于具有有级变速比机械传动装置的车辆，还包括初始速比档位设置单元。也可包括两套HET电磁转矩的比例值设置单元，该比例值是对两个飞轮及其HET传递的功率大小分配比例，对于由两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者构成的系统，是指两个飞轮轴端半偶件转轴电磁转矩比例值，对于由独立的两套HET构成的系统，是指两个HET输出端转子的转轴电磁转矩比例值。
[0203] 设定两套HET电磁转矩比例值的方法，可由驾驶席设置单元手操执行，即由司机操纵设置单元在起车前或在溜车时设定，也可由控制系统自动执行，即由控制系统自动在起车前或在溜车时或在非溜车行驶中设定，也可同时配置这两种措施，单独使用一种措施或联合使用两种措施执行设定。
[0204] 动能回收制动和摩擦制动共用车辆制动指令操纵输出单元的一套操纵装置，制动操作行程分为先后两段，在先行程段对应为从零至最大值的动能回收制动转矩相对值，在后行程段对应为从零至最大值的摩擦制动转矩相对值，在后行程段同时保持最大值的动能回收制动转矩。动能回收制动是通过HET反向功率流传递将车辆动能向飞轮回收，摩擦制动是采用车轮摩擦制动元件将车辆动能转换为热能。
[0205] 车辆正车或倒车驱动转矩的控制由HET调节控制系统主导执行。正车或倒车意向在起车前设定，由司机操纵驱动转矩相对值指令操纵输出单元给出范围在零至最大的驱动转矩相对值指令，依据两套HET电磁转矩比例设定值，由HET调节控制系统指挥HET输出所需的正车正向或倒车反向驱动转矩。
[0206] 车辆正车或倒车时的动能回收制动转矩的控制由HET调节控制系统主导执行。正车或倒车意向在起车前设定，由司机操纵车辆制动指令操纵输出单元给出范围在零至最大的动能回收制动转矩相对值指令，依据两套HET电磁转矩比例设定值，由HET调节控制系统指挥HET向飞轮传输车辆动能，制造所需的正车反向或倒车正向制动转矩。
[0207] 对于由两个飞轮轴端半偶件和一个合并半偶件三者构成的HET系统，具有一套HET调节控制系统。对于由独立的两套HET构成的系统，具有两套在逻辑上互相独立的HET调节控制系统，但可共用一套硬件系统。
[0208] 车辆起动程序如下：HET的各个励磁线圈电流处于零值状态，电路连接区(5)液态金属处于缩回断路状态，设定正车或倒车，设定两套HET电磁转矩的比例值，给出驱动转矩指令，电路连接区液态金属归位，由HET调节控制系统控制输出驱动转矩，起动车辆开始行驶。对装备有级变速比机械传动装置的车辆，在给出驱动转矩指令之前，还应设定其初始速比档位。
[0209] 设定的初始速比档位，可以是有级变速比机械传动装置的任意一个档位，包括最小传动速比档位。在车辆行驶速度从零升速至最大速度范围内，控制使得传动速比值从初始档位值依次降低至最小传动速比档位值。当初始速比档位选择最小传动速比档位时，速比档位不再变化，相当于使用固定速比传动。
[0210] 行驶中的换档操作由HET调节控制系统自动控制，当达到预定的档位转换速度时，控制使HET输出转矩降为零(即励磁电流降为零)，脱开原档位，使用同步器摩擦同步欲接合的两部分，挂接新档位，再按当时的驱动转矩指令使HET输出所需的转矩。
[0211] 权利要求30要求保护带有上述动力系统的车辆，包括：如上所述动力系统，行驶系，转向系，制动系，车身，附属设备。行驶系由车辆的行路机构和承载机构组成，包括轮胎及车轮、车桥、悬架、车架等。车身是指车辆上起覆盖、载客、载货等作用的部分，覆盖部分指车前、车后板制件，载客部分指驾驶员和乘客乘坐的车室，载货部分指货箱或货厢，车身在结构上包括车身内外覆盖件、内外装饰件、功能件(隔声、防振、密封等功能件)，以及盖、窗等部件，以及车身附件(刮水器、洗涤器、遮阳板、烟灰盒、座椅、安全带、安全气囊、门锁、门铰链、门限位器、玻璃升降器、内外后视镜、扶手等)。附属设备包括：除动力操纵单元之外的车辆操纵机构(驻车制动操纵器、转向盘、各类操纵开关等)，照明及仪表(外部照明及信号装置、喇叭、仪表、车内照明灯具、视听装置、导航系统、电话、天线等)，空调系统(通风装置、暖风装置、冷气装置、空气净化装置)，供电系统(蓄电池、电线束、电器开关、继电器、发电机)。
[0212] 权利要求31至37涉及的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台电动机，加载转轴与电动机之间的传动系。其中，传动系含有一套单极直流电磁传动机(HET)，区分为分离型HET方案和集中型HET方案。
[0213] 分离型HET方案的HET具有加载端半偶件HETho(输出端)和供能端半偶件HEThi(输入端)，根据HETho的型式不同，又区分为立式HETho方案和卧式HETho方案。
[0214] 立式HETho方案的HETho位于分离型HET的上侧，HETho转轴上端也可再连接一个立式万向传动轴。配对的HEThi可选择同轴线的立式结构，也可选择卧式结构。采用立式HEThi时，其转轴与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与侧下方的卧式电动机转轴连接。采用卧式HEThi时，其转轴与侧面的卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与侧面的卧式电动机转轴连接。
[0215] 卧式HETho方案的HETho转轴通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与侧上方的一个立式万向传动轴连接。配对的HEThi为卧式结构，其转轴与侧面的卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与侧面的卧式电动机转轴连接。
[0216] 集中型HET方案又区分为立式HET方案和卧式HET方案。采用立式HET方案时，HET输出端转子位于上侧，其转轴与上方的一个立式万向传动轴连接，HET输入端转子转轴与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与侧下方的卧式电动机转轴连接。采用卧式HET方案时，HET输出端转子转轴通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与侧上方的一个立式万向传动轴连接，HET输入端转子转轴与侧面的卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与侧面的卧式电动机转轴连接。
[0217] HET用于对车辆飞轮的机械连接加载充能系统中，可以充分发挥HET的优点：无级变速变矩，一轴可零转速驱动，功率流可反向，功率密度很高，成本低，寿命长，能量传递效率高。
[0218] 权利要求38至42涉及的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台电动机，一个作缓冲用途的立轴式柔性飞轮装置，加载转轴与缓冲飞轮之间的、缓冲飞轮与电动机之间的传动系。其中，传动系含有两套单极直流电磁传动机(HET)，一套HET(加载HET)位于缓冲飞轮与加载转轴之间，另一套HET(供能HET)位于缓冲飞轮与电动机之间。
[0219] 缓冲飞轮之前的部分(加载转轴与缓冲飞轮之间的部分)：加载HET可用立式分离型或立式集中型，加载HET输入端转子位于下侧，连接立式缓冲飞轮的上伸轴，加载HET输出端转子转轴上端连接一个立式万向传动轴；立式分离型的也可不加万向传动轴。
[0220] 缓冲飞轮之后的部分(缓冲飞轮与电动机之间的部分)：供能HET可用立式分离型或立式集中型，供能HET输出端转子位于上侧，连接立式缓冲飞轮的下伸轴，供能HET输入端转子转轴下端与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与侧下方的卧式电动机转轴连接；供能HET也可由输出端立式HET半偶件和输入端卧式HET半偶件组成，输出端立式HET半偶件位于上侧，连接立式缓冲飞轮的下伸轴，输入端卧式HET半偶件转轴与侧面的卧式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与侧面的卧式电动机转轴连接。
[0221] 缓冲飞轮用于对车辆飞轮的机械连接加载充能系统中，可以起到以下作用：避免频繁起动大型电动机(典型功率2000kW)，可以使用较小功率电动机常充缓冲飞轮，稳定电网，减少设备投资，可用一个较大容量的缓冲飞轮满足充能站多点加载。
[0222] 上述机械连接加载充能系统中的电动机，可以是同步电动机或异步电动机，同步电动机对电网有利。电动机起动后运行在同步转速或转差率不大的较稳定转速上，不需要调速运行。当需要车辆飞轮或缓冲飞轮向电网卸载时，电动机可逆向运行作为发电机使用。
[0223] 上述机械连接加载充能系统中的不设置万向传动轴的方案，其(加载)HET均采用了分离型结构，其输出端半偶件均为立式结构，并且是可移动的。此时，(加载)HET的两个分离型半偶件之间的外联导体采用混排柔性电缆，或中间一部分采用混排柔性电缆，以获得错位移动容让性。
[0224] 权利要求43、44涉及的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的直流电源，加载转轴与直流电源之间的传动系和电路连接线。其中，传动系含有一个HET半偶件，HET半偶件由直流电源通过同轴导体或混排柔性电缆供电。区分为HET半偶件立式方案和卧式方案。采用立式HET半偶件时，其转轴上端可与一个立式万向传动轴连接，也可不加万向传动轴而直接使用，这时的直流供电采用混排柔性电缆或中间一部分采用混排柔性电缆；采用卧式HET半偶件时，其转轴通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与侧上方的一个立式万向传动轴连接。
[0225] 该直流电源的电压设计值可取30伏至50伏，HET半偶件串联级数越多，额定电压值越高。直流电源经电网交流电整流和降压得来，输出电压可调节，对飞轮加载时运行在最大电流限制边界和最大功率限制边界及其范围内。直流电源可在充能站容易地布置实施对多个车辆、多个飞轮的多头加载。该直流电源可增加逆变器等设备，当需要为车辆飞轮卸载时，能量逆向返回交流电网。
[0226] 上述机械连接加载充能系统中的集中型HET，可以采用图1、图4、图5、图6、图14、图17所表示的方案。上述机械连接加载充能系统中的分离型HET半偶件，可以采用图7至图13、图15、图16、图24、图25、图26所表示的方案。
[0227] 权利要求45涉及的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台带调速装置的电动机，加载转轴与电动机之间的传动系。其中，传动系含有一个立式万向传动轴，与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台增速齿轮箱与下方的立式电动机转轴连接，或通过一台带锥齿轮的增速齿轮箱与侧下方的卧式电动机转轴连接。
[0228] 上述的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统，可以增加设置一套使加载转轴方位移动的机械手系统，以及对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统。
[0229] 权利要求47涉及的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台带调速装置的立式电动机，加载转轴与电动机之间的传动系。其中，设有一套使加载转轴方位移动的机械手系统，以及对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统。
[0230] 上述的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统，还可以在传动系增加设置一个立式圆柱齿轮增速器，位于靠近车辆飞轮侧，即：当已设置万向传动轴时，增速器与已有的立式万向传动轴上端连接；当未设置万向传动轴时，增速器与已有的加载端立式HET半偶件转轴上端连接；当未设置万向传动轴和HET时，增速器与已有的立式电动机转轴上端连接。增设该增速器的作用在于，合理降低位于传动系顶端的万向传动轴、加载端立式HET半偶件、立式电动机的转速。该增速器可设计为单级或多级，输出轴与输入轴可平行错位或同轴线，同轴线利于操作。
[0231] 权利要求49涉及的对车辆飞轮的机械连接加载充能系统包括：操作时与飞轮转轴下端加载盘机械连接的加载接头和转轴，与交流电网连接的一台带调速装置的卧式电动机，加载转轴与电动机之间的传动系。其中，设有一套使加载转轴方位移动的机械手系统，以及对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统，设有一台与卧式电动机输出转轴连接的带锥齿轮的增速齿轮箱，齿轮箱输出转轴向上伸出。
[0232] 权利要求47和49所述的电动机，其位置在为飞轮加载对中时可以移动，与电动机本体连接的电缆及附属系统具有错位移动容让性。
[0233] 上述带调速装置的电动机，可以采用异步电动机、同步电动机、直流电动机，推荐采用变频调速异步电动机。也可以采用能逆向运行的带调速装置的电动机，在为飞轮卸载时作为发电机使用，向电网回馈能量。
[0234] 上面所述的加载转轴，由位于传动系顶端设备的最上端转轴兼任，当配置了立式圆柱齿轮增速器时，其输出轴兼作加载转轴；当未配置增速器，已配置立式万向传动轴时，万向传动轴的输出轴兼作加载转轴；当未配置增速器和万向传动轴，已配置加载端立式HET半偶件时，HET半偶件的上端转轴兼作加载转轴；当未配置增速器、万向传动轴和HET时，加载转轴由传动系顶端的立式电动机或带锥齿轮的增速齿轮箱的输出转轴兼作。
[0235] 加载接头装配在加载转轴上端，加载接头与车辆飞轮转轴下端加载盘的机械连接，采用嵌合式结构或摩擦式结构。该连接结构的选择关注以下因素：零转速至最大转速范围内均能接合、传扭和脱离，传递转矩能力，外形尺寸大小，结构简单，容易接合，接合冲击力、轴向推力、径向合成力尽量小，振动、发热尽量小，飞轮加载盘在不加载时的单独日常旋转带来的鼓风摩耗要小、噪声要低。嵌合式结构具有转矩大、尺寸小、不发热的优点，其缺点是：转速允差小，对中需精确，有冲击，加载盘的齿或牙引起的鼓风摩耗和噪声较大。摩擦式结构的优缺点与嵌合式结构正好对换。嵌合式结构优选传递转矩能力较大的齿轮式结构或牙嵌式结构，并且其结构简单，利于实现两个分离元件的长行程接合。摩擦式结构优选不产生轴向推力的圆柱面接合形式，以及作用负荷较大的、结构较简单的液压式操纵加压方式，例如外抱胶管液压式结构。液压式结构的液压油由附属系统液压站供应，通过管路和加载转轴上的轴心输油孔传输到加载接头的液压工作腔，管路与加载转轴的密封接头首选位于暴露可接触的加载转轴下轴端，当转轴下轴端不能接触时，密封接头设计在加载转轴的一段圆柱面上。
[0236] 上述使加载转轴方位移动的机械手系统，以及对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统，用于对加载转轴及其支承固定件进行找中定位和移动操纵。机械手系统在加载转轴的支承固定件外表面设置三个球面铰支点，利用六个直线进动执行装置控制三个支点的空间位置，从而操纵加载转轴空间位置和方向角的调整移动。加载前进行的工作程序：打开飞轮轴端防护罩，非接触测量飞轮轴端空间位置和方向角(三个空间坐标和两个方向角)，利用机械手系统将加载转轴及其支承固定件调整移动到预备位置和姿态(与飞轮方向角相同)，然后直线平移加载转轴至加载工作位置。
[0237] 上面所述的带锥齿轮的增速齿轮箱，或者具有一对锥齿轮，或者具有一对锥齿轮和一级或多级圆柱齿轮组。一对锥齿轮的轴线互相垂直，优选曲线齿锥齿轮并进行磨齿，例如弧齿锥齿轮和摆线齿锥齿轮。
[0238] 上面所述的立式万向传动轴，由一对万向节、中间的可伸缩花键传动轴、两端的传动轴及其轴承和固支件等组成，无论其上端传动轴是否连接有立式圆柱齿轮增速器，机械手系统控制操纵或者人工操纵的移动对象均包含万向传动轴的上端传动轴，五个自由度的万向传动轴自动适应这种移动和转角。优先选用等速万向节，在加载工作位置的万向节交角较小时，以及振动在允许范围内时，可以选用十字轴万向节。
[0239] 对车辆飞轮的机械连接加载充能系统，还可设置对车辆车架的固定支承装置，用于在车辆飞轮加载前支承车重(轮胎架空)和固定车架，使坐落于车架上的飞轮位置稳定。该装置采用三点支承结构，例如在车辆车架布置前两点支承和后一点支承，也可采用四点支承结构。
附图说明
附图说明
[0240] 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。
[0241] 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、中间引出外接端子的HET子午面示意图。
[0242] 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、一侧引出外接端子的HET子午面示意图。
[0243] 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、无引出外接端子的HET子午面示意图。
[0244] 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、无引出外接端子的HET子午面示意图。
[0245] 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。
[0246] 图7：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。
[0247] 图8：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。
[0248] 图9：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。
[0249] 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。
[0250] 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。
[0251] 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。
[0252] 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。
[0253] 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。
[0254] 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。
[0255] 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。
[0256] 图17：集中型、两轴两双磁通(有两轴共用)、近轴线圈、实心轴、轴面型、无引出外接端子的HET子午面图。
[0257] 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、有引出外接端子的HET子午面图。
[0258] 图19：柔性飞轮和分离型HET半偶件(A部分)子午面图(一)。
[0259] 图20：柔性飞轮和集中型HET(A部分)子午面图。
[0260] 图21：柔性飞轮壳体和保护套筒子午面图。
[0261] 图22：柔性飞轮和分离型HET半偶件(A部分)子午面图(二)。
[0262] 图23：一种四轮驱动轿车动力系统的飞轮和分离型HET非飞轮轴端半偶件布置示意图。
[0263] 图24：两级外串联分离型HET半偶件的外接端子与混排柔性电缆。
[0264] 图25：加载端立式分离型半偶件HETho子午面图(图24的A-A剖面)(双磁通、近轴线圈、两级外串联、非全高转子导电体)。
[0265] 图26：供能端立式分离型半偶件HEThi子午面图(双磁通、近轴线圈、实心轴、两级外串联、非全高转子导电体)。
[0266] 图27：加载接头和加载转轴上端结构及支承件(左半剖面与右半剖面交角135°)。
[0267] 图28：加载接头与飞轮加载盘(左半剖面与右半剖面交角135°)。
具体实施方式
[0268] 一种四轮驱动轿车动力系统，主要由两个立轴式柔性飞轮装置、从飞轮装置至驱动桥主减速器的传动系、它们的控制系统等组成。传动系含有互相独立的两套分离型HET。
[0269] 两个立轴式柔性飞轮装置(71)布置于车辆底盘，沿车辆纵轴中心线相邻排列，居于车辆长度方向的中部位置。每个飞轮通过四个耳法兰(74)和支承组件(75)与车架(73)连接。两个飞轮的规格尺寸相同，仅是旋向相反。
[0270] 每个立轴式柔性飞轮装置具体实施方案(图19)如下。
[0271] 主要参数：额定转速10000r/min，外径1354.4mm，真空容器高度440.2mm，总高度535.3mm，转轴上的飞轮质量748.8kg，额定储能30.6kWh。
[0272] 具有两个质量块体(53)，材质为缠绕成型的高强型玻璃纤维无捻粗纱增强环氧树脂。为适应壳体(52)的大圆角，外圈质量块体的两端面与外圆交界处设计为圆倒角，以在最大转速时产生的质量块体变形轮廓与壳体仍有足够安全间隙为准。
[0273] 具有一个支承体(54)，材质为铝合金。
[0274] 在外圈质量块体与内圈质量块体之间，采用一个承重端面副(56)和一个限制向上位移的端面副(57)，两个端面副集中设计，并且其轴向位置与外圈质量块体的重心齐平。在内圈质量块体与支承体之间，采用一个承重端面副(56)和一个限制向上位移的端面副(57)，两个端面副集中设计，并且其轴向位置尽量与两个质量块体的重心齐平。端面副(56，
57)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。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)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(57)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。
57)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。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)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(57)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。
[0275] 在外圈质量块体与内圈质量块体之间，以及内圈质量块体与支承体之间，均设置两个轴向跨距较大的柔性膜环(55)。每个柔性膜环直接与其连接的内圈和外圈主基体胶粘。该柔性膜环采用聚氨酯橡胶材料，在安装状态没有预先弯曲变形，由两端根部和中间的身部组成，带半圆头的根部与主基体胶粘，身部厚度沿径向渐缩设计，以减小最大应力。由于两个质量块之间的柔性膜环与定位端面副有较大的轴向距离，对这两个柔性膜环采取了倾斜设计，以求在最大转速时膜环处于径向伸直状态。
[0276] 在钢质转轴(51)与支承体(54)之间，设置有钢质支承盘(62)和聚氨酯橡胶弹性材料环(63)。支承盘的中心内孔与转轴采用圆锥面过盈连接，支承盘的盘身位于支承体下方，支承盘与支承体之间安装弹性材料环，后者与二者胶粘连接。弹性材料环起柔性连接、承重和轴向定位作用。
[0277] 真空容器壳体(52)设计为垂直轴线剖分的两半结构，一圈法兰(67)位于壳体外圆表面的中间部位，法兰边位于容器内侧。内侧法兰边不设把紧螺栓，依靠容器真空产生的压力压紧。在容器外侧不影响布置宽度和长度的45°角的四角方位，设置四段耳法兰(74)及其把紧螺栓。在整圈法兰边设置橡胶密封圈，并在橡胶密封圈的外侧设置真空密封脂，并在橡胶密封圈的内侧设置软金属密封圈。壳体(以及整个飞轮装置)的安装支承利用外露的耳法兰(74)及支承组件(75)与车架(73)连接。
[0278] 壳体(52)采用三层复合结构(图21)，中间层为玻璃短切纤维增强环氧树脂，两个外表面层为铝合金材料，中间层与外表面层胶粘连接。壳体(52)与转轴(51)之间设置磁性流体密封组件。
[0279] 转轴(51)的径向支承轴承采用两组滚动轴承，位于下端的滚动轴承承受径向负荷，采用一个单列深沟球轴承；位于上端的滚动轴承承受径向负荷和双向轴向负荷，并作为轴向定位端，采用一对角接触球轴承。在下端滚动轴承侧，设置一个径向保护用的球面滚子轴承；在上端滚动轴承侧，设置一个径向保护用的CARB圆环滚子轴承。
[0280] 转轴(51)的轴向支承轴承采用一个永磁吸力式轴向支承磁悬浮轴承，位置靠近上端的轴向定位轴承，具有一个阶梯形转动盘(59)和一个阶梯形静止盘(60)，静止盘与轴承座直接固定连接，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45钢轴对称结构，静止盘为铝合金、电磁纯铁与钕铁硼永磁体的轴对称混合结构，铝合金结构是静止盘的基体，由电磁纯铁环与钕铁硼永磁体环相间布置的混合盘结构形成与转动盘相对的侧端面，永磁体环沿径向向外或向内方向充磁，相邻的永磁体环充磁方向相反，气隙磁场向上的磁吸力作用于转动盘，设计用来抵消转子的重力。该磁悬浮轴承没有磁滞和涡流损失。
[0281] 在飞轮转轴下端安装加载盘(69)，用于连接外部加载系统的加载接头和转轴，通过向飞轮转轴传输机械扭矩进行大功率快速加载充能。额定设计加载功率2000kW。
[0282] 每个飞轮对应配置一套HET，每个飞轮与其对应的HET的一个转子(HET输入端转子)共用一个转轴。两套分离型HET具有相同的规格尺寸。
[0283] 每套分离型HET具体实施方案如下。
[0284] 每套分离型HET具有两个电磁结构与尺寸相同的半偶件，仅在两端轴承与支承结构方面不同，飞轮轴端半偶件(图19中的A部分)与飞轮共轴立式安装，非飞轮轴端半偶件(72)卧式安装于车架上，其子午面图如图16所示。每个半偶件均是双磁通、单级、单电路、近轴线圈、实心轴、轴面型。
[0285] 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，非飞轮轴端半偶件静子轴向长度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％。
[0286] HET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。非飞轮轴端半偶件两端的支撑端盖(36)和飞轮轴端半偶件上端的支撑端盖(36)均兼作轴承座，并在其内圈装有磁流体密封件(37)。飞轮轴端半偶件下端的支撑端盖(36)与飞轮的真空容器壳体(52)的上侧壁配合连接，可互相轴向滑动，滑动圆柱面上装有橡胶密封圈。飞轮轴端半偶件下端的动密封与真空容器壳体(52)的动密封合并为一个磁流体密封件(37)，即前者借用了后者，优先考虑后者密封性能。
[0287] 两个励磁线圈(9)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。
[0288] HET转轴(2)由中心轴和外圈环轴两部分过盈配合组成。非飞轮轴端半偶件转子的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。飞轮轴端半偶件转子的中心轴与飞轮钢质转轴(51)共用一根轴，材质采用45钢或40Cr钢，外圈环轴采用20钢，磁流体密封件(37)与中心轴相配对。
[0289] HET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。
[0290] HET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。
[0291] 在HET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。
[0292] 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。
[0293] HET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。
[0294] HET的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)。
[0295] 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。
[0296] 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。
[0297] 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。
[0298] 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。
[0299] 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。
[0302] 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。
[0304] 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。
[0305] 在HET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。
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。
[0306] 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。
[0307] 每个HET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：
[0308] ∑Φ1＝Ff1(|I0|，I1) (27)
[0309] ∑Φ2＝Ff2(|I0|，I2) (28)
[0310] 又由于两个半偶件的电磁结构尺寸相同，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：
[0311] ∑Φ1＝Ff(|I0|，I1) (29)
[0312] ∑Φ2＝Ff(|I0|，I2) (30)
[0313] 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。
[0314] 在对每套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。
[0315] 第1种调节控制方法：
[0316] 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。
[0317] 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：
[0318] ∑Φ＝Ff(|I0|，Ii) (31)
[0319] 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。
[0320] 以I1、I2替代式(31)中的Ii，得到下列两个公式：
[0321] ∑Φ1＝Ff(|I0|，I1) (32)
[0322] ∑Φ2＝Ff(|I0|，I2) (33)
[0323] 给定转矩Me2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)、(6)，其中R0取为定值)和上述公式(32)和(33)，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。
[0324] 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Me2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I1opt和I2opt，用于执行环节。
[0325] 第2种调节控制方法：
[0326] 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。
[0327] 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：
[0328] ∑Φ＝Ff(|I0|，Ii) (31)
[0329] 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。
[0330] 以I1、I2替代式(31)中的Ii，得到下列两个公式：
[0331] ∑Φ1＝Ff(|I0|，I1) (32)
[0332] ∑Φ2＝Ff(|I0|，I2) (33)
[0333] 给定转矩Me2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)、(6)，其中R0取为NaK液容量参数的函数)和上述公式(32)和(33)，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。
[0334] 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Me2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I1opt和I2opt，以及NaK液容量参数最佳值，用于执行环节。
[0335] 励磁线圈直流电流大小的控制，采用直流斩波器。
[0336] 为构成一套主电流闭合回路的两个HET半偶件之间的外联导体采用芯轴(40)与套筒(41)相配的同轴导体，芯轴与套筒的电流方向相反。
[0337] 未与飞轮共用转轴的两个HET半偶件(即非飞轮轴端半偶件)(72)水平布置在车架上，与前飞轮对应的一个半偶件转轴通过一个两级速比减速器与前驱动桥主减速器连接，与后飞轮对应的一个半偶件转轴通过一个两级速比减速器与后驱动桥主减速器连接。前后两个两级速比减速器具有相同的设计，前后驱动桥也具有相同的减速比。前后驱动桥均为断开式，采用独立悬架。
[0338] 在每个飞轮轴端HET半偶件的外联导体上，并联接出连接外部直流电源的导线，用以实现(分别)对各个飞轮进行插电充能或卸载。用于对飞轮进行插电充能或卸载的外部电源，采用布置于车辆内的连接电网交流电的可调压直流电源设备，设计最大功率7kW。进行插电充能时，断开非飞轮轴端HET半偶件的电路连接区(5)，接通飞轮轴端半偶件的电路连接区(5)，接通使HET飞轮端转子磁通达到最大值的相关励磁线圈，并一直维持最大励磁电流，调节直流电源电压大小与HET飞轮端转子电动势相等，方向与之相反，主电流线路与直流电源接通，调高直流电源电压至达到插电主电流额定限值或插电功率额定限值，在飞轮充能升速过程中持续调节调高直流电源电压，保持额定限值的插电主电流和/或插电功率，电流限制在前，功率限制在后，飞轮转速起点较高时只有功率限制；充能结束时，先调低直流电源电压至得到零电流，主电流线路与直流电源断开，取消HET励磁。进行插电卸载时，准备程序同上，电流方向相反，操作程序相反，即调低直流电源电压至达到插电卸载功率额定限值或插电卸载主电流额定限值。
[0340] 驱动踏板行程对应输出从零至最大值的驱动转矩相对值指令，转矩与行程采用非线性关系，初始阶段转矩增加较缓，以易于实现对车辆缓慢行驶速度的控制。
[0341] 制动踏板行程分为先后两段，在先行程对应从零至最大值的动能回收制动转矩相对值，在后行程对应从零至最大值的摩擦制动转矩相对值，在后行程同时保持最大值的动能回收制动转矩。动能回收制动是通过HET反向功率流传递将车辆动能向飞轮回收，摩擦制动是采用四个车轮摩擦制动盘将车辆动能转换为热能。
[0342] 正车1档、正车2档、倒车1档初始设定操纵杆兼顾车辆正倒车设置和初始速比档位设置，正车1档初始设定是指，在车辆正车行驶速度从零至一个中间切换速度范围内，有级变速减速器位于1档较大传动比状态，在中间切换速度至最大速度范围内，位于2档较小传动比状态；正车2档初始设定是指，有级变速减速器始终位于2档较小传动比状态；倒车1档初始设定是指，在车辆倒车行驶速度从零至一个中间速度范围内，有级变速减速器位于
1档较大传动比状态，并且限速不超过该中间速度。倒车时，HET输出轴及其后轴系反转，没有专设的倒车齿轮组。
1档较大传动比状态，并且限速不超过该中间速度。倒车时，HET输出轴及其后轴系反转，没有专设的倒车齿轮组。
[0343] 两飞轮转矩比例设定按钮用于在起车前或在溜车时由司机手操设置两个HET输出端转子的转轴电磁转矩比例值。同时在控制系统中具有自动设定转矩比例值的功能，自动设定可在起车前或在溜车时或在非溜车行驶中执行，自动设定的比例值根据设置在控制系统中的逻辑准则而计算得出。行驶使用时手操设定与自动设定择一而用，设定按钮有一个自动档位。
[0344] 车辆正车和倒车驱动转矩的控制由HET调节控制系统主导执行，正车或倒车意向在起车前设定，司机用驱动踏板给出驱动转矩从零至最大的相对值指令，依据两套HET电磁转矩比例设定值，由HET调节控制系统指挥HET输出所需的正车正向驱动转矩或倒车反向驱动转矩。
[0345] 车辆正车或倒车时的动能回收制动转矩的控制由HET调节控制系统主导执行，正车或倒车意向在起车前设定，司机用制动踏板给出动能回收制动转矩从零至最大的相对值指令，依据两套HET电磁转矩比例设定值，由HET调节控制系统指挥HET向飞轮传输车辆动能，制造所需的正车反向或倒车正向制动转矩。
[0346] 车辆起动程序：起动前，HET的各个励磁线圈电流处于零值状态，电路连接区(5)液态金属处于缩回断路状态，用操纵杆执行正车1档或正车2档或倒车1档初始设定，手操或自动设定两套HET电磁转矩的比例值，用驱动踏板给出驱动转矩指令，由HET调节控制系统控制电路连接区液态金属归位，并输出驱动转矩，由此起动车辆开始行驶。
[0347] 行驶中的换档操作由HET调节控制系统自动控制，当达到预定的档位转换速度时，控制使HET输出转矩降为零(即励磁电流降为零)，脱开原档位，使用同步器摩擦同步欲接合的两部分，挂接新档位，再按当时的驱动转矩指令使HET输出所需的转矩。
[0348] 对车辆飞轮的机械连接加载充能系统采用以下顺序组成方案：加载接头，加载端立式分离型半偶件HETho(图25)以及机械手系统，供能端立式分离型半偶件HEThi(图26)，锥齿轮增速器，卧式同步电动机。加载额定功率2000kW。
[0349] HETho转轴兼作加载转轴，加载接头装配在加载转轴上端，加载接头与车辆飞轮转轴下端加载盘(69)采用外抱胶管液压式连接结构。加载接头具有液压连接盘(80)和花键盘(81)，花键盘与加载转轴的渐开线花键配合连接和传扭，液压连接盘与花键盘之间采用止口定位，并用周向均布的四个圆柱销(87)传扭，采用四个螺钉(88)将液压连接盘的中心端面与加载转轴的轴端面贴紧固定。液压连接盘的外缘呈向上伸出的圆筒型，在圆筒部分的内壁开有周向凹槽，凹槽内布置一个聚氨酯材质的胶圈(82)，胶圈外表面具有较长的内圆柱面和较长的外圆柱面，胶圈内含三个轴向排列的环形圆孔，对应每个环形圆孔开有两个周向均布的向外侧的径向通孔，对应这两排径向通孔的方位，在液压连接盘内部加工出连通径向通孔的两路液压油路(83)，两路液压油路在液压连接盘的轴心油孔汇合，该轴心油孔与加载转轴(即HETho转轴)上的轴心通孔(84)对接连通。液压油由附属系统的液压站供应，通过管路和HETho转轴下端轴头的密封接头输入到轴心通孔(84)及其连通的油路。胶圈的外圆柱表面和外圆角表面与液压连接盘的凹槽表面胶粘密封，以保证两排径向通孔与液压油路的对接密封。液压油路经过排空充油后，不加压时，胶圈保持初始形状，胶圈的内圆柱表面半径大于飞轮加载盘外圆柱表面半径0.5mm，此时可操纵加载头轴向移动(接近或离开)；当增加液压油压强时，胶圈内孔腔压力提高，胶圈膨胀，胶圈的内圆柱表面半径缩小，起到抱紧飞轮加载盘外圆柱表面的作用；液压油压强降低后，胶圈又恢复到初始形状。当加载转轴旋转时，产生的离心力效应会使胶圈内孔腔液压油压力升高，同时也增加胶圈本身的离心力使其内圆柱表面向外位移。为避开离心力效应及其作用效果的不确定性，在加载转轴未达到加载工作位置之前，以及加载转轴从加载工作位置离开时，均使加载转轴处于零转速状态。为防止胶圈外抱加载盘时在接合区域残留空气，在加载盘外圆柱面加工出两个环形沟槽(85)，沟槽的轴向位置对应胶圈的两个环形圆孔轴向位置中分点，并在加载盘上加工出两组周向均布的排气孔(86)，将沟槽与外界连通。
[0350] 加载端立式分离型半偶件HETho(图25)和供能端立式分离型半偶件HEThi(图26)布置在同一轴心线上，均采用两级外串联、每级双磁通、近轴励磁线圈、半高转子导电体(4)的电磁结构型式。每个半偶件的主要参数：电磁额定功率2000kW，额定转速10000r/min，主电流额定值65644A，电动势额定值30.5V，转轴轴面半径85.285mm，转子最大半径
145.8mm，静子本体半径232.8mm，外接端子半径342.8mm，静子轴向长度600.5mm，转子质量
175kg。
145.8mm，静子本体半径232.8mm，外接端子半径342.8mm，静子轴向长度600.5mm，转子质量
175kg。
[0351] 半偶件HETho(图25)和半偶件HEThi(图26)与车辆动力系统具体实施方式采用的分离型HET半偶件(图16)具有大多数相同的结构细节，后者在前面已有描述，下面仅对半偶件HETho和HEThi与图16表示的分离型HET半偶件的主要不同之处进行说明。
[0352] HETho和HEThi具有串联的两级结构，基本是由图16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10、图25、图26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12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，把三个励磁线圈的导线串接，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，这样就简化了全部转子磁通与其影响因素变化的函数关系，可以对照采用图16所示的分离型HET半偶件电磁规律公式以及调节控制方法。
[0353] 在每个半偶件的两级之间，在HETho与HEThi之间，主电流电路的连接采用布置在外接端子(16)之间的混排柔性电缆方案(图24、图25、图26)。混排柔性电缆使用线径零点几毫米的紫铜导线材料，由细导线组成外轮廓直径6mm的圆形柔性导线束(91)，按照图24、图25和图26所示方案连接在每个半偶件两级的外接端子之间，以及HETho与HEThi的外接端子之间。相同路径、相同电流方向的导线束沿径向排成一列，不同路径、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。HETho与HEThi外接端子之间的导线束长度应满足HETho和加载转轴向上及左右移动达到工作位置的极限要求，即具有充分的伸缩柔性。
[0354] 机械手系统在HETho外表面设置三个球面铰支点(P1、P2、P3三支点)，在以HETho转轴轴心线为纵轴Zb的附体直角坐标系中，三支点具有相同的Zb坐标(取该处Zb值为零)，三支点与Zb轴的距离也相同(距离为R＝340mm)，三支点沿周均布，P1点取在Xb轴上。采用六个直线步进执行装置控制三个支点的绝对坐标，取地面绝对直角坐标系(X，Y，Z)与初始位置的附体直角坐标系(Xb，Yb，Zb)重合，三个支点的Z轴坐标直接受控，P1点的Y轴坐标直接受控，P2和P3点的X轴坐标直接受控，P1点的X轴坐标、P2和P3点的Y轴坐标由三支点刚性连接关系而间接受控。每个支点的Z轴控制：采用上下构件的棱柱运动副(具体为带导向滑动键的圆柱运动副，下同)，下端构件刚性固定于不动的机架和基础，下端构件的上端加工有带键槽的圆柱孔座，上端构件的下端加工有带键的轴伸，装配成棱柱运动副，轴伸端下面连接直线步进执行装置(具体为步进电机和丝杠螺母传动机构，下同)的输出轴，直线步进执行装置机脚固定在下端构件上。P1点的Y轴控制：采用棱柱运动副，其中的一个构件是P1点Z轴控制运动副上端构件，在其上配置一对轴心线与Y轴平行的带键槽的圆柱孔座，另一个构件两端具有带键的轴伸，中间具有一个轴心线与X轴平行的不带键槽的圆柱孔座，两端轴伸与一对孔座装配成棱柱运动副，一端轴伸连接直线步进执行装置的输出轴，直线步进执行装置机脚固定在上端构件上。P2点(P3点)的X轴控制：采用棱柱运动副，其中的一个构件是P2点(P3点)Z轴控制运动副上端构件，在其上配置一对轴心线与X轴平行的带键槽的圆柱孔座，另一个构件两端具有带键的轴伸，中间具有一个轴心线与Y轴平行的不带键槽的圆柱孔座，两端轴伸与一对孔座装配成棱柱运动副，一端轴伸连接直线步进执行装置的输出轴，直线步进执行装置机脚固定在上端构件上。在三个不带键槽的圆柱孔座中，各装配一个圆柱形活塞，在活塞的靠近Z轴一端的端面中心处，安装一个球面关节轴承座，与相配的球面杆头组合成球面铰，三个球面铰的球心就是P1点、P2点、P3点，三个带球面杆头的支杆固定连接在HETho静子上端法兰处增设的支座环板(92)上面。
[0355] 配合应用机械手系统的、对车辆立式飞轮转轴方位的检测系统，采用非接触测距仪器，测量飞轮转轴端的、与转轴同轴心的对称固定件上三个测量标志点与检测系统的三个固定基准点之间的九个距离数据，计算确定三个测量标志点的空间三维绝对坐标，从而确定飞轮轴端空间位置和方向角(三个空间坐标和两个方向角)。加载前进行的工作程序：打开飞轮轴端防护罩，测量确定飞轮轴端空间位置和方向角，利用机械手系统将HETho调整移动到预备位置，并且轴心线与飞轮重合的姿态，然后直线平移HETho至加载工作位置。为确保加载前接合对中顺利进行，增加了导向措施：在飞轮轴端壳体上附设了导向套环(90)，在HETho上端轴承座上附设了导向套筒(89)，二者配合在接合对中时起到辅助导向作用。该导向措施也可用于人工接合对中时。
[0356] 卧式同步电动机的额定功率2000kW，起动后同步转速3000r/min下运行，当需要车辆飞轮储能向电网卸载时，可逆向运行作为同步发电机使用。锥齿轮增速器具有一对经磨齿的弧齿锥齿轮，两轴线互相垂直，增速传动比为3.333。
[0357] 设置对车辆车架的固定支承装置，采用三点支承结构，即车辆前两点和后一点支承，在车架标准设定支承底面与地面支座之间布置三个液压千斤顶，在车辆进位后由系统控制顶起车辆，架空轮胎，固定车架，使坐落于车架上的飞轮位置获得稳定。
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