TWI448865B - 變慣性矩之控制方法及其裝置 - Google Patents
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Description
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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---|---|---|---|---|
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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 |
CN101265876A (zh) * | 2008-04-22 | 2008-09-17 | 上海爱瑞科技发展有限公司 | 用于垂直轴风动力机的离心式变惯量机械储能机构 |
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-
2010
- 2010-08-11 TW TW099126695A patent/TWI448865B/zh not_active IP Right Cessation
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