TWI728758B

TWI728758B - 動能輸出系統及其控制方法

Info

Publication number: TWI728758B
Application number: TW109109746A
Authority: TW
Inventors: 曾慶維
Original assignee: 曾慶維; 何煖軒; 蘇麗華; 余上智
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-05-21
Also published as: TW202044724A; CN110212664A

Abstract

本發明公開一種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；控制器設置於外殼上；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主軸、永磁轉子、定子固定框、徑向電機定子繞組、飛輪轉子、飛輪配重片、定子繞組封裝盤和轉子磁軛磁極；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，可以自產動能和電力，配合利用控制器，以間歇脈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

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，它的主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。

電機作為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動能輸出系統及其控制方法，其能有效解決現有之動力輸出系統耗能的問題。

為實現上述目的，本發明採用如下之技術方案：

一種動能輸出系統，包括有一外殼、一控制器、一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一轉速感測器；該控制器設置於該外殼上；該徑向電機與軸向發電機結合體電性連接該控制器，該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、一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該外殼內，該主軸的輸出端向外伸出該外殼；該永磁轉子套設在主軸外；該定子固定框套設在該主軸外，該定子固定框位於該永磁轉子的外圍並與該外殼固定安裝，該永磁轉子相對該定子固定框可轉動地設置；該徑向電機定子繞組設置於該定子固定框上；該兩飛輪轉子套設於該主軸上並與該主軸固定，該兩飛輪轉子分別位於該定子固定框的兩側並分別與該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該兩飛輪轉子的外側面上；該定子繞組封裝盤和該兩轉子磁軛磁極均套設於該主軸上並位於該兩飛輪轉子之間，該定子繞組封裝盤位於該兩轉子磁軛磁極之間，該兩轉子磁軛磁極分別與該兩飛輪轉子的內側面固定；該轉速感測器設置於該外殼內，該轉速感測器連接該控制器。

優選的，所述主軸的輸出端安裝有一電磁離合器，該電磁離合器位於該外殼的外側並與該控制器連接。

優選的，所述飛輪配重片為環形。

優選的，所述控制器還連接有用於接收一徑向電機動能反饋電力的超級電容組和用於接收一軸向發電機電力的鋰電池組。

優選的，所述超級電容組為兩組，所述鋰電池組亦為兩組。

優選的，所述控制器通過接口/RS485連接個人電腦。

一種動能輸出系統的控制方法，採用前述一種動能輸出系統，首先由該轉速感測器偵測該兩飛輪轉子的轉速，啟動該徑向電機到達額定轉速後，停止供電，當該轉速感測器測得轉速下降至預設值時，該控制器以間歇脈衝方式向徑向該電機送電推動該等飛輪轉子，直到該等飛輪轉子達到額定轉速。

優選的，所述徑向電機在停止送電，該兩飛輪轉子以慣量為動能而轉動時，產生電力回饋給該控制器，由該控制器分配給作為該兩飛輪轉子動力源的該超級電容組來儲能，設定該超級電容組的電容量為該兩飛輪轉子所需的啟動後達到額定轉速電流量的1000%以上，並具備兩組超級電容組，在一組放電時另一組充電，該控制器偵測到放電是所述超級電容組電力不足時，充足電力的該超級電容組接替電力不足的該超級電容組工作，電力不足的該超級電容組則開始充電，該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：

本系統結合所述徑向電機和所述軸向發電機，形成一體化結構，並具備飛輪功能和可調飛輪配重功能，可以自產動能和電力，配合利用控制器，以間歇脈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，長時無間斷產生的慣量動能，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、配合脈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。

為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。

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。

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動能輸出系統的具體結構，包括有一外殼10、一控制器20、一徑向電機與軸向發電機結合體30以及一轉速感測器40，該徑向電機與軸向發電機結合體30由徑向電機及軸向發電機結合而成。

該控制器20設置於該外殼10上；所述控制器20還連接有用於接收所述徑向電機動能反饋電力的超級電容組51和用於接收所述軸向發電機電力的鋰電池組52。所述超級電容組51為兩組，所述鋰電池組52亦為兩組，所述超級電容組51和所述鋰電池組52都是充電和放電模組，所述鋰電池組52對應所述軸向發電機，所述超級電容組51對應所述徑向電機充放電和接受動能回充工作電力，所述超級電容組51和所述鋰電池組52兩者若有其中之一故障，可由該控制器20切換取代，所述超級電容組51和所述鋰電池組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可通過一接口/RS485 53連接一個人電腦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；該控制器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亦可與該個人電腦54斷開連接而離線工作，通過該控制器20的內部程序進行控制。該控制器20可控制脈衝產生週期和強度，該控制器20可藉由調整輸入至所述徑向電機的工作電力以及脈衝的數值，來控制所述徑向電機的工作模式。

該徑向電機與軸向發電機結合體30電性連接該控制器20，該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、一定子繞組封裝盤37和兩轉子磁軛磁極38。

該主軸31可轉動地設置於該外殼10內，該主軸31的輸出端向外伸出該外殼10；在本實施例中，所述主軸31的輸出端安裝有一電磁離合器55，該電磁離合器55位於該外殼10外側並與該控制器20連接以受所述控制器20的控制。

該永磁轉子32套設在該主軸31外；該定子固定框33套設在該主軸31外，該定子固定框33位於該永磁轉子32的外圍並與該外殼10固定安裝，該永磁轉子32相對該定子固定框33可轉動地設置；該徑向電機定子繞組34設置於該定子固定框33上。

該兩飛輪轉子35套設於該主軸31上並與該主軸31固定，該兩飛輪轉子35分別位於該定子固定框33的兩側並分別與該永磁轉子32的兩側固定連接；該兩飛輪配重片36分別可拆卸安裝在該兩飛輪轉子35的外側面上；在本實施例中，所述飛輪配重片36為環形，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和該兩轉子磁軛磁極38均套設於該主軸31上並位於該兩飛輪轉子35之間，該定子繞組封裝盤37位於該兩轉子磁軛磁極38之間，該兩轉子磁軛磁極38分別與該兩飛輪轉子35的內側面固定，該兩轉子磁軛磁極38、該兩飛輪轉子35和該永磁轉子32形成一體式結構，使得所述徑向電機和所述軸向發電機可以共用轉子。

該轉速感測器40設置於該外殼10內，該轉速感測器40連接該控制器20，該轉速感測器40用於偵測該等飛輪轉子35的轉速。

本發明還公開了一種動能輸出系統的控制方法，採用前述一種動能輸出系統，首先由該轉速感測器40偵測該等飛輪轉子35的轉速，啟動所述徑向電機到達額定轉速後，停止供電，當該轉速感測器40測得轉速下降至預設值(額定轉速約80-90%，可根據需要由該控制器20調整設定)時，該控制器20以間歇脈衝(送電時間和產生周期由控制晶片運算或人工設定)方式向所述徑向電機送電推動該等飛輪轉子35(脈衝電壓或頻率高於額定電力規格10-25%可調整設定)，以間歇脈衝送電方式推動該等飛輪轉子35，直到該等飛輪轉子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，而是以間歇脈衝送電的方式完成，故可節省大量耗能，而達到節能要求，且長時無間斷產生的慣量動能，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、配合脈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為該等飛輪配重片36材料密度，V為該等飛輪配重片36的體積)的飛輪配重片36啟動達到額定轉速後，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)維持該等飛輪配重片36轉速，產生的轉動動能=½Iω²，其中I為慣量，ω為轉動角速度，在停止供電後，所述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，再以間歇脈衝給電方式維持其轉速和產生的慣量，所述徑向電機在停止送電該等飛輪轉子35，使其以慣量為動能而轉動時，其產生電力回饋給該控制器20，由該控制器20分配給作為該等飛輪轉子35動力源的所述超級電容組51來儲能，設定所述超級電容組51的電容量為該等飛輪轉子35所需的啟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，並具備兩組超級電容組51，在一組放電時另一組充電，該控制器20偵測到放電是所述超級電容組51電力不足時，充足電力的該超級電容組51接替電力不足的該超級電容組51工作，電力不足的該超級電容組51則開始充電，該兩超級電容組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。

為減少回充電力時產生的磁阻消耗過多的慣量動能，並充分利用所述超級電容組51充電直接和快速的優勢，動能電力回充模式可另設定(節省動能模式)，當該等飛輪轉子35轉速降到脈衝發生設定點的50%時(芯片運算或人工設定脈衝放電加速的啟動點)，該控制器20切斷回充供電回路，停止對所述超級電容組51充電，以降低發電回充時磁阻對慣量動能消耗的影響，以此方式直到所述超級電容組51充滿電力為止。

當載荷需要大於額定扭矩T(T=9550*P/n，P為功率kW，n為轉速r/min)時，可在該等飛輪轉子35上安裝額外的該等飛輪配重片36，調整該等飛輪轉子35的質量，故可調整扭矩的輸出。

利用所述軸向發電機的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，以大直徑的徑向電機飛輪轉子結構產生的大慣量和大力矩，可輕易帶動安裝於軸心處小直徑的所述軸向發電機的永磁磁軛轉子，在所述徑向電機啟動達到額定轉速具備高慣量後，該控制器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所述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控制所述鋰電池組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決定，需儲能時則再啟動即可。

本發明的設計重點是：本系統結合所述徑向電機和所述軸向發電機，形成一體化結構，並具備飛輪功能和可調飛輪配重功能，可以自產動能和電力，配合利用該控制器20，以間歇脈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，長時無間斷產生的慣量動能，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該等動能載荷物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、配合脈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。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為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。