儲能渦卷彈簧實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可在機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)用渦卷彈簧運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)獲取其轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量的方法，屬發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，渦卷彈簧（以下簡稱渦簧）以其諸多的優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用，其中最重 要的應(yīng)用領(lǐng)域之一就是作為儲能裝置。申請?zhí)枮?01110008030. 3的中國發(fā)明專利公開了 一種采用渦卷彈簧作為核心儲能元件的機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)作為儲能過程驅(qū)動(dòng)電機(jī)，儲能時(shí)渦卷彈簧作為負(fù)載受電機(jī)控制。
[0003] 渦簧加工制造完成時(shí)，大都以自由狀態(tài)釋放，如附圖1所示。為方便應(yīng)用，常將制 造完成的渦簧安裝于外盒中，如附圖2所示。由附圖2可以看出，儲能時(shí)，需利用驅(qū)動(dòng)技術(shù) 控制電機(jī)以一定速度旋轉(zhuǎn)主軸來擰緊渦簧，以實(shí)現(xiàn)能量存儲。并且，隨著渦簧不斷向主軸收 攏，渦簧的形狀將不斷變小，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也將不斷改變。
[0004] 若以PMSM為研宄對象，可列出其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下式（1)所示：
[0005]
[0006] 式中J為渦簧等效到電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和，《為電機(jī)轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)角速度，Tm為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Tsp為渦簧扭矩等效到電機(jī)側(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，t為時(shí)間。
[0007] 由式⑴可以看出，PMSM轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度《與渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量直接相關(guān)。由于 渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨儲能過程實(shí)時(shí)變化，為實(shí)現(xiàn)儲能過程中機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的高精度控 制，需要確定作為負(fù)載的渦卷彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。但是，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式或測量方法 大都針對剛性元件，對于像渦簧這樣在運(yùn)行過程中形狀不斷變化的物體，傳統(tǒng)方法并不適 用。因此，如何獲取機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)用渦卷彈簧的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就成為有關(guān)技術(shù)人員面 臨的難題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種儲能渦卷彈簧實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 獲取方法，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度控制。
[0009] 本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案解決的：
[0010] 一種儲能渦卷彈簧實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的獲取方法，儲能渦卷彈簧系統(tǒng)包括渦簧、主軸 和外盒，所述方法將渦簧的儲能過程分為四個(gè)階段：第一階段為加裝外盒后未儲能時(shí)的初 始階段；第二階段是纏繞于外盒內(nèi)壁的簧片向自由狀態(tài)的轉(zhuǎn)變階段；第三階段是纏繞于外 盒內(nèi)壁的簧片完全釋放后，自由狀態(tài)的渦簧在主軸上纏繞的階段；第四階段為簧片全部纏 繞于主軸上后的儲能完成階段，然后分別確定渦簧在四個(gè)階段的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，各階段轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量的確定方法如下：
[0011] 第一階段下渦簧的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ji由下式確定：
[0012]
[0013] 其中，rbl為第一階段下自由長度渦簧與纏繞于外盒內(nèi)壁渦簧的分界點(diǎn)所對應(yīng)徑向 半徑，
、b、h分 別為渦黃柯科的?皮、莧皮和厚皮；m定指渦黃型線的形狀樂雙；rA73王細(xì)佇|nj平佇加上簧 片厚度的一半；rc為外盒內(nèi)壁的徑向半徑減去簧片厚度的一半；L。為渦簧全長；1^為主軸徑 向半徑；rw為外盒內(nèi)壁的徑向半徑；
[0014] 第二階段下渦簧的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2由下式確定：
[0015]
[0016] 其中，rb2為第二階段下自由長度渦簧與纏繞于外盒內(nèi)壁渦簧的分界點(diǎn)所對應(yīng)徑向 半徑，0是極坐標(biāo)下的角度坐標(biāo)，此階段1 為第二 2.71 階段下自由狀態(tài)渦簧與纏繞于主軸狀態(tài)渦簧的分界點(diǎn)所對應(yīng)徑向半徑，rf2為第二階段下處 于自由狀態(tài)渦簧的徑向半徑；
[0019] 笛=階段下渦箸的這:時(shí)鮮動(dòng)慍量T。由下式確宙，
[0017]
[0018]
[0020]
[0021] 其中，Jp2m、1&分別表示第二階段完成時(shí)刻處于自由狀態(tài)和纏繞于主軸狀態(tài)渦簧 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，rb3為第三階段下自由長度渦簧與纏繞于外盒內(nèi)壁渦簧的分界點(diǎn)所對應(yīng)徑向 半徑，rj3為第三階段下自由狀態(tài)渦簧與纏繞于主軸狀態(tài)渦簧的分界點(diǎn)所對應(yīng)徑向半徑，rj2m 是第二階段完成時(shí)刻自由長度狀態(tài)渦簧與纏繞于主軸狀態(tài)渦簧的分界點(diǎn)所對應(yīng)的徑向半 徑，此階段飛
[0022]
[0023]
[0024] 第四階段下渦簧的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J4由下式確定：
[0025]
[0026] 其中，rj4為第四階段下自由狀態(tài)渦簧與纏繞于主軸狀態(tài)渦簧的分界點(diǎn)所對應(yīng)徑 向半徑
[0027] 上述儲能渦卷彈簧實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的獲取方法，將渦簧的能量釋放過程視為儲能過 程的逆過程，渦簧在能量釋放過程中的形狀和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化與儲能過程正好相反，渦簧 在能量釋放過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)儲能過程的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定。
[0028] 由于轉(zhuǎn)角0在每個(gè)階段都有一定范圍，通過測量轉(zhuǎn)角的實(shí)際值就能確定渦簧處 于哪個(gè)階段，從而計(jì)算出渦簧的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0029] 本發(fā)明根據(jù)渦簧在儲能過程中的形狀變化分階段計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可精確獲取機(jī) 械彈性儲能系統(tǒng)用渦卷彈簧的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度控制創(chuàng)造了有利條 件。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0030]
[0031] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種儲能渦卷彈簧實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 獲取方法，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度控制。
【附圖說明】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0033] 圖1是制造完成的渦簧；
[0034]圖2是安裝于外盒中的渦簧（尚未施加外力矩）；
[0035] 圖3是完全纏繞于主軸上的渦簧；
[0036] 圖4是儲能過程渦簧狀態(tài)變化示意圖；
[0037] 圖5是實(shí)施例中求出的渦簧實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
[0038] 圖中各標(biāo)號為：1、渦簧，2、主軸，3、外盒，4、外盒內(nèi)壁。
[0039] 文中各符號為J2、J3、1分別為第一階段、第二階段、第三階段、第四階段下渦 簧總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jwl、Jw2、Jw3、Jw4分別為第一階段、第二階段、第三階段、第四階段下處于纏 繞于外盒內(nèi)壁狀態(tài)渦簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；AJw2為第二階段下處于纏繞于外盒內(nèi)壁狀態(tài)渦簧的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對于第一階段的變化值；Jfl、Jf2、Jf3、Jf4分別為第一階段、第二階段、第三階段、 第四階段下處于自由長度狀態(tài)渦簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；AJf2、A叉3分別為第二階段、第三階段下 處于自由狀態(tài)渦簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別相對于第一階段、第二階段處于自由狀態(tài)渦簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量的變化值；Jpl、Jp2、Jp3、Jp4分別為第一階段、第二階段、第三階段、第四階段下處于纏繞 于主軸狀態(tài)渦簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；AJp2、A&分別為第二階段、第三階段下處于纏繞于主軸狀 態(tài)渦簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別相對于第一階段、第二階段處于纏繞于主軸狀態(tài)渦簧的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 變化值；L。為渦簧全長；Lw2、ALw2分別為第二階段下處于纏繞于外盒內(nèi)壁狀態(tài)的渦簧長度 及其相對于第一階段的變化值；Lfl、Lf2、Lf3、Lf4分別為第一階段、第二階段、第三階段、第四 階段下處于自由狀態(tài)的渦簧長度；ALf2、A1^3分別為第二階段、第三階段下處于自由狀態(tài) 的渦簧長度分別相對于第一階段、第二階段的變化值；Lp2、Lp3、Lp4分別為第二階段、第三階 段、第四階段下纏繞于主軸狀態(tài)的渦簧長度；ALp2、A1^3分別為第二階段、第三階段下纏繞 于主軸狀態(tài)的渦簧長度分別相對于第一階段、第二階段的變化值；rwl、rw2分別為第一階段、 第二階段下處于纏繞于外盒內(nèi)壁狀態(tài)渦簧的徑向半徑；rfl、rf2、rf3分別為第一階段、第二階 段、第三階段下處于自由狀態(tài)渦簧的徑向半徑；rp2、rp3、rp4分