TW202044724A - 可調式節能慣量動能輸出系統及其控制方法 - Google Patents

可調式節能慣量動能輸出系統及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明公開一種可調式節能慣量動能輸出系統及其控制方法，系統包括有外殼、控制器、徑向電機與軸向發電機結合體以及用於偵測飛輪轉子轉速的轉速感測器；該控制器設置於外殼上；該徑向電機與軸向發電機結合體電性連接控制器，徑向電機與軸向發電機結合體包括有一主軸、一永磁轉子、一定子固定框、一徑向電機定子繞組、兩飛輪轉子、兩飛輪配重片、定子繞組封裝盤和兩轉子磁軛磁極；本系統結合徑向電機和軸向發電機，形成一體化結構，並具備飛輪功能和可調飛輪配重功能，可以自産動能和電力，配合利用控制器，以間歇脉衝送電的方式完成非精確的維持額定轉速和慣量，可節省大量耗能，而達到節能要求，本系統自生的多餘電力可儲存使用。

Description

可調式節能慣量動能輸出系統及其控制方法
本發明涉及節能系統領域技術，尤其是指一種可調式節能慣量動能輸出系統及其控制方法。
電機（英文：Electric machinery，俗稱“馬達”）是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。電機在電路中是用字母M（舊標準用D）表示，它的主要作用是産生驅動轉矩，作爲用電器或各種機械的動力源。
電機作爲一種常見的動能輸出系統，其普遍存在耗能的問題，不符合節能的要求，因此，有必要對目前的動能輸出系統進行改進。
有鑒於此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種可調式節能慣量動能輸出系統及其控制方法，其能有效解决現有之動力輸出系統耗能的問題。
爲實現上述目的，本發明採用如下之技術方案：
一種可調式節能慣量動能輸出系統，包括有外殼、控制器、徑向電機與軸向發電機結合體以及用於偵測飛輪轉子轉速的轉速感測器；該控制器設置於外殼上；該徑向電機與軸向發電機結合體電性連接控制器，徑向電機與軸向發電機結合體包括有一主軸、一永磁轉子、一定子固定框、一徑向電機定子繞組、兩飛輪轉子、兩飛輪配重片、定子繞組封裝盤和兩轉子磁軛磁極；該主軸可轉動地設置於外殼內，主軸的輸出端向外伸出外殼；該永磁轉子套設在主軸外；該定子固定框套設在主軸外，定子固定框位於永磁轉子的外圍並與外殼固定安裝，永磁轉子相對定子固定框可轉動地設置；該徑向電機定子繞組設置於定子固定框上；該兩飛輪轉子套設於主軸上並與主軸固定，兩飛輪轉子分別位於定子固定框的兩側並分別與永磁轉子的兩側固定連接；該兩飛輪配重片分別可拆卸安裝在兩飛輪轉子的外側面上；該定子繞組封裝盤和兩轉子磁軛磁極均套設於主軸上並位於兩飛輪轉子之間，定子繞組封裝盤位於兩轉子磁軛磁極之間，兩轉子磁軛磁極分別與兩飛輪轉子的內側面固定；該轉速感測器設置於外殼內，該轉速感測器連接控制器。
優選的，所述主軸的輸出端安裝有電磁離合器，該電磁離合器位於外殼外側並與控制器連接。
優選的，所述飛輪配重片爲環形。
優選的，所述控制器還連接有用於接收徑向電機動能反饋電力的超級電容組和用於接收軸向發電機電力的鋰電池組。
優選的，所述超級電容組爲兩組，鋰電池組亦爲兩組。
優選的，所述控制器通過接口/RS485連接個人電腦。
一種可調式節能慣量動能輸出系統的控制方法，採用前述一種可調式節能慣量動能輸出系統，首先由轉速感測器偵測飛輪轉子的轉速，啓動徑向電機到達額定轉速後，停止供電，當轉速感測器測得轉速下降至預設值時，控制器以間歇脉衝方式向徑向電機送電推動飛輪轉子，以間歇脉衝送電方式推動飛輪轉子，直到飛輪轉子達到額定轉速。
優選的，所述徑向電機在停止送電飛輪轉子以慣量爲動能而轉動時，産生電力回饋給控制器，由控制器分配給作爲該飛輪轉子動力源的超級電容組來儲能，設定超級電容組的電容量爲該飛輪轉子所需的啓動後達到額定轉速電流量的1000%以上，並具備2組超級電容組，在一組放電時另一組充電，控制器偵測到放電是超級電容組電力不足時，充足電力的超級電容組接替電力不足的超級電容組工作，電力不足的超級電容組則開始充電，兩超級電容組交替工作，以超級電容快速充放電的特性，即可滿足以上需求。
本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果，具體而言，由上述技術方案可知： 本系統結合徑向電機和軸向發電機，形成一體化結構，並具備飛輪功能和可調飛輪配重功能，可以自産動能和電力，配合利用控制器，以間歇脉衝送電的方式完成非精確的維持額定轉速和慣量，可節省大量耗能，而達到節能要求，本系統自生的多餘電力可儲存使用，長時無間斷産生的慣量動能，可搭配傳動系統和變速系統給對轉速要求不甚敏感但需長時運行的機械當作動力源(水泵、氣泵、通風扇、空調壓縮機、小型軸向或徑向發電系統、配合脉衝送電次數頻率的衝床)，以及本系統可當作不斷電系統使用，可並機使用。
爲更清楚地闡述本發明的結構特徵和功效，下面結合附圖與具體實施例來對本發明進行詳細說明。
在本新型被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內中，類似的元件是以相同的編號來表示。
請參照圖1至圖3所示，其顯示出了本發明之較佳實施例一種可調式節能慣量動能輸出系統的具體結構，包括有外殼10、控制器20、徑向電機與軸向發電機結合體30以及轉速感測器40。
該控制器20設置於外殼10上；所述控制器20還連接有用於接收徑向電機動能反饋電力的超級電容組51和用於接收軸向發電機電力的鋰電池組52。所述超級電容組51爲兩組，鋰電池組52亦爲兩組，超級電容組51和鋰電池組52都是充電和放電模組，鋰電池組52對應軸向發電機，超級電容組51對應徑向電機充放電和接受動能回充工作電力，超級電容組51和鋰電池組52兩者若有其中之一故障，可由控制器20切換取代，超級電容組51和鋰電池組52像是陣列硬碟，控制方式像是熱拔插功能。以及，所述控制器20可通過接口/RS485 53連接個人電腦 54，使多機同時對同載荷或不同載荷作動能或電力輸出時，可並機或分組設定或連動使用，並機或分組時可做主從控制或同期控制；控制器20具有8-16組可控制乾接點201，以便與周邊物件7連接，實現主動控制；當然，該控制器20亦可與個人電腦54斷開連接而離線工作，通過控制器20的內部程序進行控制。該控制器20可控制脉衝產生週期和強度，該控制器20可藉由調整輸入至徑向電機的工作電力以及脈衝的數值，來控制徑向電機的工作模式。
該徑向電機與軸向發電機結合體30電性連接控制器20，徑向電機與軸向發電機結合體30包括有一主軸31、一永磁轉子32、一定子固定框33、一徑向電機定子繞組34、兩飛輪轉子35、兩飛輪配重片36、定子繞組封裝盤37和兩轉子磁軛磁極38。
該主軸31可轉動地設置於外殼10內，主軸31的輸出端向外伸出外殼10；在本實施例中，所述主軸31的輸出端安裝有電磁離合器55，該電磁離合器55位於外殼10外側並與控制器20連接以受所述控制器20的控制。
該永磁轉子32套設在主軸31外；該定子固定框33套設在主軸31外，定子固定框33位於永磁轉子32的外圍並與外殼10固定安裝，永磁轉子32相對定子固定框33可轉動地設置；該徑向電機定子繞組34設置於定子固定框33上。
該兩飛輪轉子35套設於主軸31上並與主軸31固定，兩飛輪轉子35分別位於定子固定框33的兩側並分別與永磁轉子32的兩側固定連接；該兩飛輪配重片36分別可拆卸安裝在兩飛輪轉子35的外側面上；在本實施例中，所述飛輪配重片36爲環形，可根據負荷的選擇不同規格重量的飛輪配重片36，由動能公式Ek=（mv2 ）/2可知，重量m越重，轉速v越高，其動能Ek就越大。
該定子繞組封裝盤37和兩轉子磁軛磁極38均套設於主軸31上並位於兩飛輪轉子35之間，定子繞組封裝盤37位於兩轉子磁軛磁極38之間，兩轉子磁軛磁極38分別與兩飛輪轉子35的內側面固定，轉子磁軛磁極38、飛輪轉子35和永磁轉子32形成一體式結構，使得徑向電機和軸向發電機可以共用轉子。
該轉速感測器40設置於外殼10內，該轉速感測器40連接該控制器20，該轉速感測器40用於偵測飛輪轉子35的轉速。
本發明還公開了一種可調式節能慣量動能輸出系統的控制方法，採用前述一種可調式節能慣量動能輸出系統，首先由轉速感測器40偵測飛輪轉子35的轉速，啓動徑向電機到達額定轉速後，停止供電，當轉速感測器40測得轉速下降至預設值（額定轉速約80-90%，可根據需要由控制器20調整設定）時，控制器20以間歇脉衝(送電時間和産生周期由控制晶片運算或人工設定)方式向徑向電機送電推動飛輪轉子35(脉衝電壓或頻率高於額定電力規格10-25%可調整設定)，以間歇脉衝送電方式推動飛輪轉子35，直到飛輪轉子35達到額定轉速(誤差可控制在±1-2%)。由於是非精確的維持額定轉速和慣量，而是以間歇脉衝送電的方式完成，故可節省大量耗能，而達到節能要求，且長時無間斷産生的慣量動能，可搭配傳動系統和變速系統給對轉速要求不甚敏感但需長時運行的一動能載荷物8(如水泵、氣泵、通風扇、空調壓縮機、小型軸向或徑向發電系統、配合脉衝送電次數頻率的衝床等等)當作動力源。
具體而言，當具備一定質量m（m=ρV，ρ爲飛輪配重片36材料密度，V爲飛輪配重片36的體積）飛輪配重片36，啓動達到額定轉速後，以儲存的慣量I（I=mr²，m是飛輪配重片質量，r是質點和主軸的垂直距離）維持飛輪配重片36轉速，産生的轉動動能=½Iω²，其中I爲慣量，ω爲轉動角速度，在停止供電後，徑向電機之永磁轉子的轉速受空氣和軸承阻力緩慢下降至設定範圍後，再以間歇脉衝給電方式維持其轉速和産生的慣量，所述徑向電機在停止送電飛輪轉子35以慣量爲動能而轉動時，産生電力回饋給控制器20，由控制器20分配給作爲該飛輪轉子35動力源的超級電容組51來儲能，設定超級電容組51的電容量爲該飛輪轉子35所需的啓動後達到額定轉速電流量的1000%以上，額定轉速可依據負載的大小來設定，額定轉速設定的大小不能大於系統的最高轉速，並具備2組超級電容組51，在一組放電時另一組充電，控制器20偵測到放電是超級電容組51電力不足時，充足電力的超級電容組51接替電力不足的超級電容組51工作，電力不足的超級電容組51則開始充電，兩超級電容組51交替工作，以超級電容快速充放電的特性，即可滿足以上需求。
爲减少回充電力時産生的磁阻消耗過多的慣量動能，並充分利用超級電容組51充電直接和快速的優勢，該動能電力回充模式可另設定(節省動能模式)，當飛輪轉子35轉速降到脉衝發生設定點的50%時(芯片運算或人工設定脉衝放電加速的啓動點)，控制器20切斷回充供電回路，停止對超級電容組51充電，以降低發電回充時磁阻對慣量動能消耗的影響，以此方式直到超級電容組51充滿電力爲止。
當載荷需要大於額定扭矩T（T=9550*P/n，P爲功率kW，n爲轉速r/min）時，可在飛輪轉子35上安裝額外的飛輪配重片36，調整飛輪轉子35的質量，故可調整扭矩的輸出。
利用軸向發電機轉子或定子沒有鐵心，沒有定子與轉子之間的磁阻轉矩特性，以大直徑徑向電機飛輪轉子結構産生的大慣量和大力矩，可輕易帶動安裝於軸心處小直徑的軸向發電機永磁磁軛轉子，在徑向電機啓動達到額定轉速具備高慣量後，控制器20才會連通動能載荷物8(機械)或電力載荷物9 ，由於運用槓桿和旋轉慣量的高扭矩抵消軸向發電機磁場制動轉矩，從而可輕鬆帶動滿載輸出的小型軸向發電機，該控制器20控制鋰電池組52逆變產生交流電力以輸出至所述電力載荷物9。
只使用電力輸出功能時，可設定儲能足夠後停機，停機周期和時間由負載耗能速度和儲能系統容量决定，需儲能時則再啓動即可。
本發明的設計重點是：本系統結合徑向電機和軸向發電機，形成一體化結構，並具備飛輪功能和可調飛輪配重功能，可以自産動能和電力，配合利用控制器20，以間歇脉衝送電的方式完成非精確的維持額定轉速和慣量，可節省大量耗能，而達到節能要求，本系統自生的多餘電力可儲存使用，長時無間斷産生的慣量動能，可搭配傳動系統和變速系統給對轉速要求不甚敏感但需長時運行的動能載荷物8當作動力源(水泵、氣泵、通風扇、空調壓縮機、小型軸向或徑向發電系統、配合脉衝送電次數頻率的衝床)，以及本系統可當作不斷電系統使用，可並機使用。
以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是爲了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋爲對本發明保護範圍的限制。基於此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它具體實施方式，這些方式都將落入本發明的保護範圍之內。
10:外殼 20:控制器 201:可控制乾接點 30:徑向電機與軸向發電機結合體 31:主軸 32:永磁轉子 33:定子固定框 34:徑向電機定子繞組 35:飛輪轉子 36:飛輪配重片 37:定子繞組封裝盤 38:轉子磁軛磁極 40:轉速感測器 51:超級電容組 52:鋰電池組 53:接口/RS485 54:個人電腦 55:電磁離合器 7:周邊物件 8:動能載荷物 9:電力載荷物
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明之較佳實施例的組裝立體示意圖； 圖2是本發明之較佳實施例的分解圖；及 圖3是本發明之較佳實施例的控制原理示意圖。
10:外殼
20:控制器
30:徑向電機與軸向發電機結合體
31:主軸
32:永磁轉子
33:定子固定框
34:徑向電機定子繞組
35:飛輪轉子
36:飛輪配重片
37:定子繞組封裝盤
38:轉子磁軛磁極
40:轉速感測器
55:電磁離合器

Claims (8)

  1. 一種可調式節能慣量動能輸出系統，包括有外殼、控制器、徑向電機與軸向發電機結合體以及用於偵測飛輪轉子轉速的轉速感測器；該控制器設置於外殼上；該徑向電機與軸向發電機結合體電性連接控制器，徑向電機與軸向發電機結合體包括有一主軸、一永磁轉子、一定子固定框、一徑向電機定子繞組、兩飛輪轉子、兩飛輪配重片、定子繞組封裝盤和兩轉子磁軛磁極；該主軸可轉動地設置於外殼內，主軸的輸出端向外伸出外殼；該永磁轉子套設在主軸外；該定子固定框套設在主軸外，定子固定框位於永磁轉子的外圍並與外殼固定安裝，永磁轉子相對定子固定框可轉動地設置；該徑向電機定子繞組設置於定子固定框上；該兩飛輪轉子套設於主軸上並與主軸固定，兩飛輪轉子分別位於定子固定框的兩側並分別與永磁轉子的兩側固定連接；該兩飛輪配重片分別可拆卸安裝在兩飛輪轉子的外側面上；該定子繞組封裝盤和兩轉子磁軛磁極均套設於主軸上並位於兩飛輪轉子之間，定子繞組封裝盤位於兩轉子磁軛磁極之間，兩轉子磁軛磁極分別與兩飛輪轉子的內側面固定；該轉速感測器設置於外殼內，該轉速感測器連接控制器。
  2. 如請求項1所述的可調式節能慣量動能輸出系統，其中，所述主軸的輸出端安裝有電磁離合器，該電磁離合器位於外殼外側並與控制器連接。
  3. 如請求項1所述的可調式節能慣量動能輸出系統，其中，所述飛輪配重片爲環形。
  4. 如請求項1所述的可調式節能慣量動能輸出系統，其中，所述控制器還連接有用於接收徑向電機動能反饋電力的超級電容組和用於接收軸向發電機電力的鋰電池組。
  5. 如請求項1所述的可調式節能慣量動能輸出系統，其中，所述超級電容組爲兩組，鋰電池組亦爲兩組。
  6. 如請求項1所述的可調式節能慣量動能輸出系統，其中，所述控制器通過接口/RS485連接個人電腦。
  7. 一種可調式節能慣量動能輸出系統的控制方法，其中，採用如請求項1-6任一項所述的一種可調式節能慣量動能輸出系統，首先由轉速感測器偵測飛輪轉子的轉速，啓動徑向電機到達額定轉速後，停止供電，當轉速感測器測得轉速下降至預設值時，控制器以間歇脉衝方式向徑向電機送電推動飛輪轉子，以間歇脉衝送電方式推動飛輪轉子，直到飛輪轉子達到額定轉速。
  8. 如請求項7所述的可調式節能慣量動能輸出系統的控制方法，其中，所述徑向電機在停止送電飛輪轉子以慣量爲動能而轉動時，産生電力回饋給控制器，由控制器分配給作爲該飛輪轉子動力源的超級電容組來儲能，設定超級電容組的電容量爲該飛輪轉子所需的啓動後達到額定轉速電流量的1000%以上，並具備2組超級電容組，在一組放電時另一組充電，控制器偵測到放電是超級電容組電力不足時，充足電力的超級電容組接替電力不足的超級電容組工作，電力不足的超級電容組則開始充電，兩超級電容組交替工作，以超級電容快速充放電的特性，即可滿足以上需求。
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