TWI448865B - 變慣性矩之控制方法及其裝置 - Google Patents

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TWI448865B TW099126695A TW99126695A TWI448865B TW I448865 B TWI448865 B TW I448865B TW 099126695 A TW099126695 A TW 099126695A TW 99126695 A TW99126695 A TW 99126695A TW I448865 B TWI448865 B TW I448865B
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Description

變慣性矩之控制方法及其裝置
本發明係有關於一種變慣性矩之控制方法及其裝置，本創作關於變慣性矩裝置，分別依變慣性矩之控制參數，完成其動力行為分析。實施於風力葉片，可依當地風場之振幅與頻率等，應用本發明的裝置之動力系統數值模擬分析結果，透過變慣性矩之控制方法完成滿足當地風場設計的變頻風力機。
運用慣性矩，已廣為大眾所知。但是，到目前為止，利用變慣性矩之控制裝置尚未出現。然日本物理雜誌(Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.7052-7060)作者曾專研旋轉臂單擺之非線性動力行為分析。
因此，本創作之一範疇在於提供一種變慣性矩之控制方法及其裝置，其應用變慣性矩之控制方法，依動力分析結果，透過變慣性矩之控制方法能滿足當地風場設計的變頻風力機。
爰此，有鑑於習知之慣性矩裝置，故本發明提供一種變慣性矩之控制方法，其步驟如下：A.施於變慣性矩結構，確認該動力系統，其旋轉質心與旋轉主軸共心，請參閱第一圖所示，依幾何關係求質點系統質心 公式如下：Mr 2 sinθ2 -Mr 3 sinθ3 +mr 1 sinθ1 =0 (1)
m (R -r 1 cosθ1 )+M b b -Mr 2 cosθ2 -Mr 3 cosθ3 =0 (2)
其中，r 1 與θ1 分別表示控制質量之連桿長度及連桿與葉片之夾角，r 2 ，r 3 與θ2 ,θ3 分別表示配重至旋轉主軸之距離及滑桿與葉片之夾角；R 表示控制質量之旋轉轉軸至旋轉質心之距離；M 與m 分別表示配重與控制質量之質量；M b 與b 分別表示葉片之質量與葉片質量中心至旋轉主軸之距離。
依以上方程式(1)與(2)關係式可以確認該動力系統其旋轉質心位於旋轉主軸心上。
B.該變慣性矩結構可模擬如第三圖所示之動力系統，其動力系統模擬方程式如下：
其中，m 表示控制質量之質量；ω表示旋轉主軸之旋轉角速度；r 表示控制質量之連桿長度；R 表示控制質量之旋轉轉軸至旋轉主軸之距離；c r 表示系統阻尼係數；g 表示重力場常數；t 表示時間；θ(Angular Displacement)表示控制質量之連桿與葉片之夾角(角位移)；d θ/dt 與d 2 θ/dt 2 分別表示控制質量相對轉軸之角速度(Angular Velocity)與角加速度(Angular Acceleration)。依方程式(3)透過無因次化(Dimensionless)及長度比(Length Ratio,ρ =R /r )後，簡化為
其中，2=c r /(mr 2 )，γ =g /r 與ρ =R /r 。
透過動力系統之數值模擬分析，如頻譜、分歧、渾沌、軌跡等數值模擬方法，本創作關於變慣性矩裝置，分別依變慣性矩之控制參數，完成其動力行為分析。實施於風力葉片，可依當地風場設計，透過變慣性矩之控制方法完成滿足風場設計的變頻風力機。
本發明係有關於一種變慣性矩之控制方法及其裝置，其包括：至少一葉片架設於旋轉主軸上之葉片鼓，至少一控制質量(Controlling Mass)固定銜接於連桿一端，連桿另一端架設於其葉片末端之轉軸；相對於旋轉主軸之葉片另一端至少一葉片配重(Counterweight)，其中，該葉片配重匹配旋轉葉片相對稱於旋轉主軸，使該動力系統之質心位於旋轉主軸之軸心上。應用變慣性矩控制，其實施方法：變慣性矩之控制裝置為一動力系統；透過動力分析包括：頻譜、分歧、渾沌、軌跡等數值模擬方法，本創作關於變慣性矩裝置，分別依變慣性矩之控制參數，完成其動力行為分析。實施於風力葉片，可順應當地風場設計，透過變慣性矩之控制方法能滿足風場設計的變頻風力機。
首先，請參閱第一圖及第三圖所示，本發明係為一種變慣性矩之控制方法，其步驟如下：
a.　該裝置，其中，變慣性矩之旋轉資心與旋轉主軸共心：變慣性矩之控制裝置為一動力系統，由第三圖所示之動力系統模型，假設忽略葉片自重，公式(1)與(2)簡化為
Mr 2 sinθ 2 -Mr 3 sinθ 3 +mr 1 sinθ 1 =0　(5)
m (R -r 1 cosθ 1 )-Mr 2 cosθ 2 -Mr 3 cosθ 3 =0　(6)
其旋轉慣性矩之質心即旋轉主軸，可由公式(5)與(6)所決定。
b.請參閱第三圖所示之動力系統模型座標：系統旋轉主軸為y 1 ，相對角速率為ω ；控制質量為m ；相對葉片之轉軸為A-A 軸；控制質量之連桿長度為r ；控制質量相對葉片之轉角為θ ；R 表示控制質量之旋轉轉軸至旋轉主軸之距離即葉片長度；重力場之方向量為z 1 。
c.　請參閱第四圖所示，透過動力分析包括：
應用李亞譜諾夫指數(第五圖(a ))，使用方程式(4 )及參數=0.2,ω =1/3,γ =4.0與0.01<ρ <1.10，在第五圖(a )中，李亞譜諾夫指數(垂直軸)對長度比(橫軸即ρ =R/r )；分歧(第五圖(b ))，角速度(垂直軸)對長度比(ρ )，以上若李亞譜諾夫指數大於0表示系統持有渾沌現象。應用渾沌(第六圖)，使用方程式(4 )及參數=0.2,ω =2.0,ρ =0.5與4.0<γ <20.0，在第六圖(a )中，李亞譜諾夫指數對外力振幅(Forcing Amplitude,γ )；分歧(第六圖(b ))，角速度對外力振幅，以上若李亞譜諾夫指數大於0表示系統持有渾沌現象。
在相軌跡(第七圖)等數值模擬，使用方程式(4 )及參數(,ω ,γ )=(0.2,1/3,4.0)，圖中，描述角速度(垂直軸,dθ /dt )對角位移(橫軸即θ )，在(a)渾沌(ρ =0.8)，以及其(b)渾沌(PoincarMaps)奇異吸引區(ρ =0.8);(c)週6(ρ =1.1)，以及其(d)週期6(PoincarMaps)吸引區(ρ =1.1)。
在相軌跡(第八圖)等數值模擬，使用方程式(4 )及參數(,ω ,ρ )=(0.2,2.0,0.5)，圖中，描述角速度對角位移，在(a)渾沌(γ =14.30)，以及其(b)渾沌(PoincarMaps)奇異吸引區(γ =14.30);(c)週期2(γ =14.80)，以及其(d)週期2(PoincarMaps)吸引區(γ =14.80)。本創作關於變慣性矩裝置，分別依變慣性矩之控制參數，完成其動力行為分析。實施於風力葉片，可順應當地風場設計，透過變慣性矩之控制方法能滿足風場設計的變頻風力機。
另外，請參閱第一圖及第二圖所示，本發明亦為本發明係有關於一種變慣性矩之控制方法及其裝置，其包括：至少一葉片(10)架設於旋轉主軸(11)上之葉片鼓(12)；該旋轉主軸(11)與葉片鼓(12)間至少一插削鍵(19)固定連接該兩件架構；至少一控制質量(13)固定銜接於連桿(14)一端，連桿另一端 構；至少一控制質量(13)固定銜接於連桿(14)一端，連桿另一端架設於其葉片(10)末端之轉軸(15)；相對於旋轉主軸(11)之葉片(10)另一端至少一葉片配重(17)，其中，該葉片配重(17)匹配旋轉葉片相對稱於旋轉主軸(11)，使該動力系統之質心位於旋轉主軸(11)之軸心(11)上；該葉片配重(17)與滑桿(18)間至少一螺桿鍵(20)固定連接該兩件架構。
(10)‧‧‧葉片
(11)‧‧‧旋轉主軸
(12)‧‧‧葉片鼓(Hub)
(13)‧‧‧控制質量
(14)‧‧‧連桿
(15)‧‧‧轉軸
(16)‧‧‧旋轉槽
(17)‧‧‧配重
(18)‧‧‧滑桿
(19)‧‧‧插削鍵
(20)‧‧‧螺桿鍵
第一圖係為本發明之裝置平面示意圖。
第二圖係為本發明之葉片部分立體圖。
第三圖係為本發明之裝置模型示意圖。
第四圖係為本發明之流程示意圖。
第五圖係為本發明之(a)李亞譜諾夫指數對長度比圖及(b)角速度對長度比圖。
第六圖係為本發明之(a)李亞譜諾夫指數對外力振幅圖及(b)角速度對外力振幅圖。
第七圖係為本發明之角速度對角位移在兩種不同長度比下分別(a)相軌跡圖與相對應(b)渾沌圖及(c)相軌跡圖與相對應(d)周期圖。
第八圖係為本發明之角速度對角位移在兩種不同外力振幅下分別(a)相軌跡圖與相對應(b)渾沌圖及(c)相軌跡圖與相對應(d)周期圖。
(10)．．．葉片
(11)．．．旋轉主軸
(12)．．．葉片鼓(Hub)
(13)．．．控制質量
(14)．．．連桿
(15)．．．轉軸
(16)．．．旋轉槽
(17)．．．配重
(18)．．．滑桿
(19)．．．插削鍵
(20)．．．螺桿鍵

Claims (8)

  1. 一種變慣性矩之控制方法，步驟如下：a.施於變慣性矩裝置，其旋轉變慣性矩之質心與旋轉主軸共心；b.定義該裝置之動力系統模型與分析座標；c.透過動力分析包括：李亞譜諾夫指數、分歧、渾沌與軌跡等數值模擬方法，本創作關於變慣性矩裝置，分別依變慣性矩之控制參數，完成其動力行為分析。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之變慣性矩之控制方法，其中，其裝置設置風力機單葉片時，該控制方法係適用於該裝置上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之變慣性矩之控制方法，其中，其裝置設置風力機二個葉片以上時，該控制方法係適用於該裝置上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之變慣性矩之控制方法，其中，其裝置設置一個控制質量於風力機之葉片時，該控制方法係適用於該裝置上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之變慣性矩之控制方法，其中，其裝置設置二個以上之控制質量於風力機之葉片上時，該控制方法係適用於該裝置上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之變慣性矩之控制方法，其中，其裝置設置一個配重於風力機之葉片鼓上時，該控制方法係適用於該裝置上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之變慣性矩之控制方法，其中，其裝置設置二個配重以上於風力機之葉片鼓上時，該控制方法係適用於該裝置上。
  8. 一種變慣性矩之控制裝置，包括有：至少一葉片架設於旋轉主軸之葉片鼓上；該旋轉主軸與葉片鼓間至少一插削鍵固定連接該兩件架構；至少一控制質量固定銜接於連桿一端，連桿另一端架設於其葉片末端之轉軸；相對於旋轉主軸之葉片另一端至少一葉片配重，其中，該葉片配重匹配旋轉葉片相對稱於旋轉主軸，使該動力系統之質心位於旋轉主軸之軸心上；該葉片配重與滑桿間至少一螺桿鍵固定連接該兩件架構。
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Citations (5)

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US4900227A (en) * 1988-06-14 1990-02-13 Thomson-Brandt-Armements Wind power of hydraulic power machine with axial feed, radial outflow, and variable geometry vanes, and projectiles fitted with wind power or hydraulic power machines of this type
CN1427149A (zh) * 2002-11-13 2003-07-02 沈阳工业大学 兆瓦级变速恒频风电机组
KR20030072428A (ko) * 2002-03-04 2003-09-15 이상석 고효율 수직형 풍력 발전장치
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TWM387913U (en) * 2010-02-12 2010-09-01 National Penghu Univ Wind turbine blade with variable moment of inertia

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