CN105221355B - 带单极直流电磁传动机的风力发电系统 - Google Patents

Abstract

一种风力发电系统，采用单极直流电磁传动机(HET)作为无级变速变矩传动设备，HET或者直接连接风轮与发电机，或者在风轮与HET之间配置增速齿轮箱，风轮可用水平轴式或竖轴式，水平轴式风轮可用定桨距叶片或变桨距叶片，发电机可用常规的、恒速运行同步发电机或异步发电机。系统运行主要由HET调节控制，常规运行工况风轮保持最佳叶尖速比变转速运转。优点在于：实现两端转速自由不受限的无级变速变距传动功能；柔性传动连接隔离了冲击载荷的双向传递；获取最大可能的风能捕获效率；供电品质高；HET的效率较高，成本较低，不产生电磁噪声和谐波，电磁干扰小。

Description

带单极直流电磁传动机的风力发电系统

所属技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，特别是带有无级变速传动的风力发电系统。

背景技术

风力发电系统的源头是吸收风能的风轮，后端具有发电机，前者的转速很低，二者之间通常采用一台增速齿轮箱连接，也有直联风轮和发电机的所谓“直驱”方案(发电机尺寸和重量很大，未见推广应用)。风轮具有水平轴式和竖轴式，普遍应用水平轴式，并大多采用三个叶片和翼型叶型，其叶根具有以叶身径向中心线为中心轴线转动的结构的叶片称为“变桨距(角)”叶片，无此转动结构的叶片称为“固定桨距(角)”叶片，这两种叶片均有应用。

单位时间流过单位迎风面积的风能(动能)等于空气密度与风速三次方乘积的二分之一，风轮能够捕获的风能只是该全部风能的一部分，即需要乘一个风能利用系数Cp，Cp有一个理论极限值16/27(Betz极限，约为0.593)，实际情况下的Cp值低于Betz极限，典型的现代三叶片水平轴式风轮的Cp最大值约为0.47，并且Cp最大值仅是在相对应的最佳叶尖速比(叶尖速比即叶片顶部旋转线速度与风速之比)条件下出现的峰值，大于或小于最佳叶尖速比均使Cp值降低。从最大限度捕获风能角度考虑，在对应设计/额定功率的设计风速以下的风速范围内，水平轴式风轮运转应始终保持处于最佳叶尖速比状态下，即风轮转速应跟随风速正比例线性变化，维持叶尖速比在最佳值上。风轮变速运转具有以下优点：为始终保持最佳叶尖速比、最大效率运行提供了条件；低风速时低转速运行，叶片不产生相对环境噪声过高的空气动力学噪声；转速相对自由的风轮能够作为大惯量飞轮临时吸收阵风带来的能量脉动和叶片掠过塔身时形成的力矩脉动，避免产生对后端传动系和发电机的过大力矩冲击。

目前的水平轴式风轮运转具有三种方案：恒速、双速和变速。风轮恒速(或近似恒速) 运转方案有利于发电机以固定频率发电，多采用异步发电机，具有较简单的结构，但是其风能捕获效率较低。双速方案采用双速异步发电机，改进了恒速方案的风能捕获效率。变速方案实际应用变频原理，在发电机与电网之间增设有变频器，发电机和风轮可以变转速运转，发电机输出的变化频率的交流电经整流和逆变为工频交流电输送至电网，这种变频变速有两种方法：“宽带”变速和“窄带”变速，“宽带”变速情形为，发电机定子通过变频器连接至电网，允许发电机(和风轮)带载从零变到额定转速，但所有功率输出必须通过变频器，“窄带”变速情形为，发电机定子和转子都连接至电网，定子直接与电网相连，转子通过滑环和变频器连接至电网，所需的变频器容量较小，但变速范围较窄，一般从约50％转速至额定转速，这种发电机称为“双馈异步发电机”，是应用较多的主流技术。变速方案也有对采用机械无级变速器等其他途径的研究，但未见有实际应用，主要是因为在诸多方面存在严重缺点。

在设计风速以上的风速直至切出风速的范围内，对风轮采取功率限制调节措施，通常控制不超过额定功率，控制的方法主要有：对“固定桨距”叶片使用失速调节方法，结构简单，但在风速的绝大部分范围内低于额定功率，因气流在叶片背弧失速引起运行不稳定、能量脉动、性能规律性差，对风轮和塔架的气动推力负荷大；“变桨距”叶片的变桨距角调节方法，风速变动时相应地改变叶片安装角，可实现全范围内等于额定功率，在及时降低风能利用系数Cp值的同时，叶片保持不失速稳定流动，气动推力也较小，缺点是增加比较复杂的变桨距角调节机构，并要求对阵风的响应需足够快。功率限制的其他方法有：“变桨距”叶片转到加大失速趋势方位的“主动失速控制”方法，利用对风偏航驱动机构进行的“偏航控制”方法。也有功率限制的“被动变桨距控制”方法的研究。

当前应用的风力发电系统存在以下不足之处：恒速和双速风轮运转方案距离高效风能捕获差距较大；主流应用的“窄带”变速不能满足低风速范围的最佳变速要求，这部分风速范围基本包括了年平均风速以下的部分，属于风频最高的区域；双馈异步发电机的滑环不利于维护使用；变频器产生电磁噪声和谐波，电磁干扰大；变频器价格高，变流过程的能量损失也较大；由于调节手段受限等原因，很多实际应用的风轮的风能利用系数Cp大幅低于可达到的最大值，包括设计点工况和变速运行工况。

发明内容

本发明的风力发电系统，在风轮(或增速齿轮箱)与发电机之间，采用单极直流电磁传动机(HET--Homopolar Electromagnetic Transmission)作为无级变速变矩传动设备，实现风轮在设计风速以下的全部工况始终保持最佳叶尖速比变速运转，而同步或异步发电机始终保持同步恒速运转或异步近似恒速运转，向电网提供稳定工频和高品质电能，避免了现有风力发电系统的上述缺点和不足。

下面对本发明的技术方案及原理进行详细说明。

一种风力发电系统，包括：一个吸收风能的风轮，水平轴式或竖轴式均可，一个直接输出工频交流电的、与电网连接(或与离网用户连接)的发电机，同步或异步发电机均可，一个连接风轮和发电机的传动系，以及这些设备的支承、控制和附属系统，其基本特征是：传动系至少包括一套单极直流电磁传动机(HET)。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

在HET金属液体电路连接区(5)的两端，在静子导电体(6，11)上，开有轴对称的、与电路连接区(5)的缝隙连通的凹槽(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(5)的缝隙的密封。该密封用于充装金属液体时保持真空吸力和维持液体边界，在无转速或转速较低时也可使用该密封作为特别的液体保持措施。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

主电流回路的直流电流记作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、2(对应一套HET的转子1和转子2)。一个转子上的串联主电路的各个对应Φmj通常应具有相同的方向，特殊情况下例外，这时应对相反方向的Φmj作减法计算。

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

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

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

下文所述的一套HET的串联主电流回路的电磁定律公式包括：

转子1的电动势：

E1＝ω1·∑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值为正)，该转轴表现为被动轴。当一个转子的电磁转矩Me的矢量方向与角速度ω的矢量方向相反时，表示该转子输出电磁功率(Pe值为负)，该转轴表现为主动轴。

忽略温度等次要因素的影响，一套HET的串联主电路的∑Φ1和∑Φ2在运行使用时可表示为主电流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}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：

∑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：

∑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。

本发明的风力发电系统的HET可以直接与风轮连接，称为“无齿轮箱直联”方案，可以通过一个增速齿轮箱再与风轮连接，称为“带增速的连接”方案。

“无齿轮箱直联”方案：HET采用分离型，一个HET半偶件与风轮轴连接，与风轮同转速变速运行，另一个HET半偶件与发电机轴连接，与发电机同转速恒速或近似恒速运行。风轮侧HET半偶件转速很低，采用空心轴、内转子型结构，或者采用外转子型结构。风轮侧HET半偶件尺寸和重量很大，是其一个大缺点，有利之处是取消大速比增速齿轮箱、减少维护工作及其故障隐患。

“带增速的连接”方案：风轮轴与一个增速齿轮箱连接，HET位于齿轮箱与发电机之间， HET采用集中型或分离型，一个HET转子与齿轮箱输出轴连接，作变速运行，另一个HET转子与发电机轴连接，与发电机同转速恒速或近似恒速运行。齿轮箱增速比一般选取等于发电机转速与风轮设计转速之比值，使HET的两个转子具有相同的设计转速，也可选取较小的齿轮箱增速比。在重量和成本因素方面，“带增速的连接”方案明显优于“无齿轮箱直联”方案。

发电机采用通用的同步发电机或异步发电机，同步发电机恒转速运行，异步发电机近似恒转速运行，均直接输出工频交流电，经升压向电网供电，或向离网用户供电。

风轮可以采用水平轴式或竖轴式。但广泛应用的是水平轴式风轮，带有三个翼型叶片。水平轴式风轮可以采用固定桨距角叶片或变桨距角叶片。

在设计风速及以下风速情况下，水平轴式风轮以设计桨距角变转速运转，利用HET的调节功能，控制风轮转速跟随风速变化，始终保持在最佳叶尖速比状态附近。

在设计风速以上风速至切出风速情况下，对于采用固定桨距角叶片的水平轴式风轮，使用失速方法进行功率限制控制，利用HET的调节功能控制风轮保持设计转速，或使风轮变速 (主要是降速)运转以使风轮输出维持设计功率；对于采用变桨距角叶片的水平轴式风轮，使用变桨距角方法或“主动失速控制”方法进行功率限制控制，利用HET的调节功能控制风轮保持设计转速，或使风轮变速(主要是降速)运转以使风轮输出维持设计功率。

传动系配置一套机械刹车装置，“无齿轮箱直联”方案的机械刹车装置设在风轮轴处，“带增速的连接”方案的机械刹车装置可以设在风轮轴处，也可以设在齿轮箱输出轴处。风轮同时配备空气动力制动措施，变桨距叶片风轮采用“顺桨”制动方法，固定桨距叶片带有“叶尖”顺桨制动结构或“扰流板”制动结构。

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

本发明方案可以实现以下有益效果：

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

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

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

(4)在超过设计风速进行功率限制控制时，可利用HET的调节功能控制风轮变速运转，使风轮输出维持设计功率，即使是对带固定桨距叶片的风轮；该项调节能力也是实施第(3) 项的支持基础，现有风电系统由于缺乏有效的调节手段而在功率限制区域和正常运行区域之间作权衡妥协，实际采用的风能利用系数大幅低于可达到的最大值；

(5)HET的效率较高，成本较低，不产生电磁噪声和谐波，电磁干扰小；

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

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

附图说明

在附图中出现的标记7-1、7-2与标记7表示同一种组成部分，类似地，在附图中出现的标记x-y与标记x表示同一种组成部分(其中的x和y为阿拉伯数字编号)。图1：集中型、两轴单磁通(无两轴共用)、远轴线圈、实心轴、轴面型HET子午面示意图。

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

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

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

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

图6：分离型、单磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图7：分离型、双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图8：分离型、双磁通、近轴线圈、空心轴、轴面型HET半偶件子午面示意图。

图9：分离型、双磁通、外转子、轴面型HET半偶件子午面示意图。

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

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

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

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

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

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

图16：分离型、双磁通、近轴线圈、实心轴、轴面型HET半偶件子午面图。

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

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

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

图20：单级分离型HET半偶件的外接端子与混排柔性电缆。

图21：带HET的风力发电系统。

具体实施方式

一个带HET的1.5MW风力发电系统(图21)的具体实施方案如下。

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

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

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

同步发电机额定输出功率1.5MW，1500r/min恒速运行，输出50Hz交流电，经升压变压器接入电网。

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

HET半偶件(图19)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。双磁通的磁路也是完全对称结构的。两端的支撑端盖36采用铝合金材质，不影响磁路的对称性，尽量不产生对转子的轴向磁吸力，同时也满足端盖内圈所装的磁流体密封件37的非导磁要求。支撑端盖36兼作轴承座。

转轴为空心轴，中间段是空心的20钢导磁体2，两端是40Cr钢端轴180、182和20钢套环181，套环181用于磁流体密封件37的导磁，导磁体2与端轴之间，端轴与套环之间，均为过盈连接，并在接触端面涂密封胶。两个端轴上各装有一个滚动轴承(深沟球径向轴承，油脂润滑，双侧带接触式密封圈)，在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。轴伸端带有外花键，用于安装联轴节与发电机转轴、齿轮箱输出轴连接。

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48个通孔(供圆管28插入)，进入通路含第二分支缝隙26、均匀配送缓冲区空隙29、径向布置的周向均布48个通孔(供圆管30插入)。圆管28、30 采用紫铜材料，插入相应通孔时接触面用氟橡胶密封胶粘剂密封。为防止进入通路的金属液体受热过快升温，设计有气体隔热缝隙31，同时在圆管30的外伸线路上设计有隔热气隙。为便于加工导电体6上的窄缝(25，26，27，29，31)，导电体6分为依次套装的4个分体(6a，6b，6c，6d)，使各窄缝壁面在加工时完全暴露在外。6a与6b的连接止口(所称止口具有圆柱面和端面)，以及6b与6c的连接止口，采用氟橡胶导电胶粘剂密封，保持导电性； 6c与6d的连接止口位于顶端，采用氟橡胶密封胶粘剂密封。

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

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

静子导电体6上下半中分面在装配合并时采用氟橡胶密封胶粘剂密封。

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

两个分离型HET半偶件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20)。混排柔性电缆使用线径零点几毫米的紫铜导线材料，由细导线组成柔性导线束91，连接在外接端子上。相同电流方向的导线束沿径向排成一列，不同电流方向的各列导线束交替混排成扇形块，沿周均布16个这样的扇形块，扇形块之间留出供其它管路和引线通过的空间。导线束与紫铜外接端子钎焊连接，或通过紫铜中间过渡端子与二者钎焊连接。

励磁线圈9采用连续缠绕的整圈结构，中间无插接头、无中分面。

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

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

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

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

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

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

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

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

在两个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。

两个励磁线圈9通以大小相同、方向相反的电流(I1和I2，图8)，产生的双磁通磁场是左右对称的。这两个励磁线圈的绕线串接在一起，具有一种励磁绕线电流Ic1，I1＝Z1×Ic1， I2＝Z2×Ic1，匝数Z1＝Z2，转子总磁通∑Φ1＝Ff1(|I0|，I1，I2)＝Ff1(|I0|，Z1×Ic1，Z2 ×Ic1)。由于两个HET半偶件具有完全相同的设计参数，因此可以通用一套电磁作用关系曲面公式，即有∑Φ2＝Ff1(|I0|，Z1×Ic2，Z2×Ic2)，Ic2为第二个HET半偶件的励磁绕线电流。第一个HET半偶件(HETh1)转轴与齿轮箱输出轴采用联轴节连接，第二个HET半偶件 (HETh2)转轴与发电机转轴采用联轴节连接。

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：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，Z1×Ic1，Z2×Ic1) (12)

∑Φ2＝Ff1(|I0|，Z1×Ic2，Z2×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。

给定HETh1转轴转矩Me1应用范围，给定两轴转速的应用范围。利用电磁定律公式((1)～ (5)，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HETh1转轴转矩Me1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：

∑Φ1＝Ff1(|I0|，Z1×Ic1，Z2×Ic1) (12)

∑Φ2＝Ff1(|I0|，Z1×Ic2，Z2×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。

给定HETh1转轴转矩Me1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)～(5)，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HETh1转轴转矩Me1指令，也作为输入条件，从控制系统中调用相关存储数据，采用样条插值函数公式计算获得对应的各励磁绕线电流最佳值Ic1opt和Ic2opt，以及NaK液容量参数最佳值，用于执行环节。

励磁线圈绕线直流电流大小的控制，采用直流斩波器。

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

在切入风速至额定风速范围内的常规运行控制方案：风轮叶片保持设计桨距角，按照风轮转速跟随风速正比例线性变化(即叶尖线速度与风速比值等于7)的控制目标，实时测量当地(机舱外部)平均风速、风轮转速、发电机转速，以风轮转矩与风速二次方成比例关系为主控规律，给出HETh1转轴转矩Me1指令，调节控制HET的运行及其功率传递，当风轮转速低于目标转速一定值时，适当调低Me1指令，以减轻风轮输出负载，使风轮增速；当风轮转速高于目标转速一定值时，适当调高Me1指令，以增加风轮输出负载，使风轮降速。

在额定风速至切出风速范围内的功率限制控制方案：采用向减小失速趋势、减小气流攻角、增大叶片桨距角方向变化的变桨距角措施，原则上保持功率恒定和叶轮转速恒定(均等于额定值)，即要求叶轮风能利用系数Cp与风速三次方成反比变化，同时要求叶尖速比λ与风速成反比变化，在Cp-λ图上显示为Cp值与λ三次方成比例的运行轨迹，这是一条陡峭的曲线；利用在桨距角可调范围内的不同桨距角下的Cp-λ曲线族，求出该曲线族与上述陡峭曲线的交点族，从交点族确定桨距角随风速变化的对应规律；实时测量当地平均风速、风轮转速、发电机转速，按相应规律调节桨距角，同时按风轮转矩等于额定转矩的主控规律给出 HETh1转轴转矩Me1指令，调节控制HET的运行及其功率传递，当风轮转速低于额定转速一定值时，适当调低Me1指令，以减轻风轮输出负载，使风轮增速；当风轮转速高于额定转速一定值时，适当调高Me1指令，以增加风轮输出负载，使风轮降速。

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

Claims (9)

1.一种风力发电系统，包括：一个风轮，一个发电机，一个连接风轮和发电机的传动系，以及它们的支承、控制和附属系统，其特征是：传动系含有一套单极直流电磁传动机(HET)，所述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，每个转子导磁导电体(3)的轴向两侧分别连接一个转子导电体(4)，该转子导磁导电体(3)和其两侧的转子导电体(4)与转轴(2)套接，转轴(2)导引主磁路(22)的磁通，并与经过转子导磁导电体(3)的磁通相接，每个转子导电体(4)通过一个电路连接区(5)缝隙内的液态金属与一个静子导电体(6，11)形成主电路连接，电路连接区(5)的径向位置介于转子导电体(4)的内径与外径之间，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。

2.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征是：传动系还含有一个齿轮箱，位于风轮与HET之间。

3.如权利要求1所述的风力发电系统，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。

4.如权利要求2所述的风力发电系统，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。

5.如权利要求1所述的风力发电系统，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。

6.如权利要求2所述的风力发电系统，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。

7.如权利要求3至6中任一权利要求所述的风力发电系统，其特征是：发电机采用同步或异步工频交流发电机，在工频下同步恒转速运行，或异步近似恒转速运行。

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

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