一种马格纳斯(Magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制与实施方法与流程

本发明涉及一种垂直轴风力机领域，尤其涉及一种马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子的正反转控制方法。

背景技术：

长期以来，由于垂直轴风力机的风能利用率没有水平轴风力机高，其发展受到限制，然而水平轴风力机在制造、安装和维护等方面的成本高，对风场条件要求相对严苛以及对鸟类生存等生态环境的影响逐渐突显，垂直轴风力机的研究和应用重新受到关注。

马达拉斯(madaras)转子垂直轴风力实验机是美国工程师juliusd.madaras1933年构想建造的大型实验方案(针对40mw风场)，其转子设计原理基于马格纳斯(magnus)效应，基本构成是：在环形轨道上运行的小车上，垂直安装有由外力(电动机)驱动的旋转圆柱，当来风吹向圆柱时，在圆柱的一侧，流动方向与圆柱的运动方向相同，另一侧则相反，诱发的绕旋转圆柱的环流将产生垂直于流动方向的升力(升力方向指向上述运动方向相同一侧)，和与来流方向相反的阻力，其合力推动小车绕环形轨道运行，并用车轮轴驱动发电机。

该风力发电装置并没有取得大规模发电的效果，原因在于其机械的复杂性：为了使圆柱转子上产生的升力驱动小车在环形轨道上往复运动，旋转圆柱必须在每一个上风口圆弧与下风口圆弧的结合点处改变一次旋转方向；为了获得大的升力，圆柱的直径和旋转速度都要求取大值，造成圆柱的转动惯量大，在当时的技术条件下，改变转子圆柱的转速和转向只能借助复杂的机械系统实现，造成机械损失过大。同样由于换向困难和制造和控制技术的限制，圆柱的转速过低，使得其空气动力特性得不到充分发挥，加上车体轨道摩擦阻力损失，致使该种风力机的运行效率远不如水平轴风力机高而被最终放弃。

随着现代科技的不断进步，以上方案中出现的技术问题可以通过新的技术手段和方法得以解决，通过建立该种风力机的数学模型，可以获得环形小车驱动转矩的瞬时方向与转子所处方位角之间的方程，并求解出转矩正负切换点的方位角与来流风速、转子的升阻比、线速度的关系，本专利提供了一种马达拉斯(madaras)转子正反转控制与实施方法，可以随来流风向自动调整转子的换向时机，并有效降低转子驱动和换向时的能量消耗。

由于马格纳斯(magnus)效应的旋转圆柱可以获得比其它翼型更大的升力，且制造成本低廉，以及垂直轴风力机的诸多优点，经过改进的马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机有着良好的应用前景。

技术实现要素：

技术问题：针对装有马格纳斯(magnus)效应圆柱转子的垂直轴风力机需要随来流风向的变化不断改变转子正反向转换点的方位角，以及圆柱反转后需要在不耗费大量能量的前提下获得启动，并在合理时间内达到所需转速的技术需求，本发明提供了一种马达拉斯(madaras)转子正反转控制与实施方法。

基本原理是：根据风向风速传感器测定的实时风向角，测算出风力机圆柱转子需要改变旋转方向的动态反向点，在反向点前后一定圆心角范围内设置出转子换向区，正向转动的圆柱进入反向区后将经过：停止驱动——转动能量传递给蓄能器——刹车——蓄能器向圆柱传递反向转动能量——变频电动机反向缓慢加速圆柱直到要求转速的过程。

由于存在转动能量的短暂存储和重新利用，以及变频调速器可以在合理的缓冲区间内缓慢提高供电频率，驱动电动机可以在换向区间内获得足够的加速时间，使圆柱达到较高的设定转速，避免为了转子的启动，使用容量大于转子稳定运行时所需功率的普通电动机或者虽小功率电动机通过用大减速比获得大的启动扭矩，而电动机的最佳工作转速与转子的稳定转速不匹配的技术问题，从而减小了能耗，总体上提高了该类风力机的风能利用效率。

技术方案：本发明一种马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制与实施方法，由环形轨道、轨道小车、圆柱转子、转子电动机及其变频式电机调速器、转子速度传感器、电磁刹车器、机械蓄能机构、蓄能机构移位电动机及行程开关、风向风速传感器、总控制器、圆柱转子方位识别器等组成。

其特征在于平面环形轨道上，安放着可沿圆周轨道运动的轨道小车，小车的平台上安装有电动机驱动的圆柱转子，环形轨道平面被分成若干个圆心角相等的区域(一般区域角度不大于10°圆心角)，每个区域都设置有方位识别器，使得车载圆柱沿环形轨道驰入某个区域时，识别器能够识别其所处区域方位角；

总控制器根据风向风速传感器测定的实时信号，设定旋转的圆柱转子在环形轨道上反转切换点所处的方位角，并时刻监测圆柱转子是否已进入该方位角；

圆柱转子做成内部有空间的圆柱筒形式，并在圆柱筒内部空间设置带有两个缓冲轮的机械蓄能机构，两个缓冲轮通过外啮合齿轮奇数次啮合传动，使两轮的转动方向始终相反；

机械蓄能机构安装在小车平台上线性模组(市售定型产品)的导轨滑台上，其移位电动机通过其丝杠螺母副驱动滑台移动，当转子进入换向区后，移位电动机使一个缓冲轮缓慢靠近旋转圆柱筒的内壁，圆柱筒带动该缓冲轮旋转，该旋转运动通过传动齿轮驱动另一个缓冲轮反向转动，当圆柱筒内壁与前一个缓冲轮接触处线速度基本相同后蓄能机构后退，缓冲轮脱离与圆柱筒内壁接触；

圆柱转子方位角到达反转切换点后，电磁刹车器对圆柱转子实施刹车，圆柱停止转动；

圆柱方位超越反转切换点后，蓄能机构移位电动机反转，把另一个反向旋转的缓冲轮靠向圆柱筒另一侧内壁，缓冲轮带动圆柱筒开始反向启动，使其获得反向转动的初始能量，两轮线速度基本相同后蓄能机构后退，缓冲轮脱离与圆柱筒内壁接触；

总控制器测量圆柱实际获得的初始转速值，并在此基础上逐渐提高变频调速器对转子电机的驱动频率，使电动机获得合理的驱动加速时间，在反转切换点后的换向区(一般对应10度以上圆心角)方位角的范围加速圆柱转子到指定转速。

进一步地，所述的风向风速传感器应安装在不受风力机及其它影响风力机现场主力风向判别的地方，其分辨率和精度满足圆柱转子方位判别的需要，并把测量值在线传递给总控制器。

进一步地，所述的总控制器接受风向风力传感器传送的风力机现场风向风力信号，实时调整圆柱转子反转切换点；监测各圆柱转子的方位，判断其是否进入转子反向区；控制变频式电机调速器，实施电机的正、反转变频调速；控制蓄能机构移位电动机的转动方向和转动速度；控制电磁刹车器对转子进行制动，并通过转子速度传感器检测转子电机的转速，特别是转子从蓄能机构缓冲轮获得反向启动的转速后，总控制器需要在此转速基础上逐渐提高转子电机的驱动频率。

进一步地，所述的圆柱转子方位识别器的编码和读取部分分别安装在绕环形轨道运行的小车上和方位分区的固定位置，若环形轨道上的小车不止一个，需要标记不同编码，以便总控制器能监测各圆柱转子随其载体运动的实时方位区间。

进一步地，所述的变频式电机调速器及电动机是圆柱转子的驱动力源，变频式电机调速器受控于总控制器，完成对电动机的正、反方向由低频到指定频率的驱动以及停止驱动的控制，电动机则把驱动信号转换为与驱动频率相应的旋转运动传递给圆柱转子。

进一步地，所述的圆柱转子是指能够产生马格纳斯(magnus)效应的马达拉斯(madaras)圆柱转子，是马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机产生升力的动力叶片，是本专利技术控制的对象。

进一步地，所述的机械蓄能机构安装在圆柱筒内部空间，蓄能机构固定安装在线性模组的导轨滑台上，其导轨安装在圆柱转子的机架上，所述的蓄能机构移位电动机通过丝杠螺母机构带动蓄能机构在导轨上前后移动，分别完成缓冲轮与圆柱筒的接触和分离动作。

进一步地，所述的机械蓄能机构设置有两个缓冲轮，缓冲轮圆周使用具有较大摩擦力和缓冲功能的材料，两缓冲轮轴之间通过外啮合齿轮的奇数对齿轮传动，使它们转动方向 始终相反；适当提高蓄能装置内各旋转件的质量和质量分布，以提高其存储转动能的容量。

进一步地，所述的蓄能机构移位电动机及行程开关，当总控制器监测到圆柱转子实时方位已进入换向区，所述转子电动机立即停止驱动圆柱筒旋转，圆柱和其驱动电机在其转动惯性的带动下继续转动，此时总控制器控制蓄能机构移位电动机转动，使一个蓄能机构的缓冲轮接触旋转圆柱的内壁，并通过加力弹簧使其间压力逐渐增加，缓冲轮则在旋转圆柱的带动下加速转动，吸收圆柱筒的转动能量，而圆柱的转速会随着接触时间和摩擦力增加而降低，加力弹簧变形达到一定程度后，圆柱和缓冲轮的线速度接近相同，行程开关动作，控制蓄能机构移位电动机反转，缓冲轮与圆柱转子脱离接触。

进一步地，所述的电磁刹车器，在总控制器监测到圆柱转子已到达反转切换点，并且蓄能机构缓冲轮已退出与圆柱转子接触后，向刹车器发出制动信号，刹车器制动圆柱后及时复位。

进一步地，所述的蓄能机构移位电动机，在电磁刹车器刹车动作完成后，执行反向转动，驱动另一个缓冲轮重新接触圆柱的内壁，带动圆柱反向旋转，并在上述加力弹簧变形达到一定程度后脱离。

进一步地，所述的总控制器控制变频式电机调速器反向驱动转子电机，并以圆柱转子的已有转速为基准，逐渐提高控制频率，使电机得到持续合理的加速转矩，直至圆柱转子达到要求转速。

有益效果：

1.设计了一种马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子反转切换点实时设定方法，可以根据现场风向风力的变化，调整圆柱转子反转切换点方位，使风力机输出不受风向变化的影响。

2.设计了一套圆柱转子从正向转动过渡到反向转动的能量收储和释放的方法，缓解了具有较大转动惯量的圆柱转子在反向转动时能量损失很大，以及圆柱反转启动困难的问题。

3.相关研究结果表明，在马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子反转切换点前后存在一个圆柱转子的转速对风力机驱动力矩贡献为负或很小的区域，本专利采用变频电动机驱动圆柱转子，利用圆柱经过该区域的有效时长，在蓄能机构对圆柱反转启动的基础上逐渐提升电动机驱动频率，最终达到指定转速，因此降低了对机械传动和驱动电动机的要求，有效减低了能耗，提高了风力机的效率。

附图说明

图1为马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制方法原理图；

图2为马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子及蓄能机构工作原理图；

图3马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子蓄能机构装配示意图

图4为马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子控制框图；

图中：1-环形轨道，2-轨道小车，3-圆柱转子，4-转子电机，5-转子方位识别器，6-蓄能正转缓冲轮，7-蓄能反转传缓冲轮，8-蓄能反向转换传动齿轮副，9-蓄能机构移位滑台，10-蓄能机构移位丝杠，11-蓄能机构移位电机，12-行程开关，13-缓冲轮加压弹簧，14-转子第一反转切换点，15-转子第一减速区，16-转子第一反转加速区，17-转子第二反转切换点，18-转子第二减速区，19-转子第二反转加速区，20-风向风速传感器，21-总控制器，22-变频式电机调速器，23-电磁刹车器，24-转速传感器。

具体实施方式

本发明实施例中提供了一种马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制与实施方法，根据现场风向实时调整风力机转子正反向转换点的方位，并在转换点的前后设置转子动态换向区，通过带有两个旋转方向相反的缓冲轮的能量存储机构，使转子正向转动的部分能量得以存储并转换成转子反转后的启动能量，变频控制电动机充分利用转子经过换向区的时间段，以转子反转启动转速和系统动态特性为基础逐渐加大电动机的驱动频率到预定值，减低转子反转阶段的能量消耗，从而提高了该类风力机的风能利用率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰地描述，显然，描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

结合图1～4，本发明一种马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制与实施方法由环形轨道1，轨道小车2，圆柱转子3，转子电机4，转子方位识别器5(沿环形轨道对应10°圆心角，均布36个)，蓄能正转缓冲轮6，蓄能反转缓冲轮7，蓄能反向转换传动齿轮副8，蓄能机构移位滑台9，蓄能机构移位丝杠10，蓄能机构移位电机11，行程开关12(正反方向各一个)，缓冲轮加压弹簧13(正反方向各一个)，转子第一反转切换点14，转子第一减速区15，转子第一反转加速区16，转子第二反转切换点17，转子第二减速区18，转子第二反转加速区19，风向风速传感器20，总控制器21，变频式电机调速器22，电磁刹车器23，转速传感器24等组成。

其中环形轨道1，轨道小车2，圆柱转子3，是马达拉斯(madaras)转子的马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机的基本组成，其工作原理是：如图1所示，在绕环形轨道1上运行的轨道小车2的平台上，垂直安装有由外力驱动的顺时针旋转的圆柱转子3，该转子在 图1所示由左向右的来流风力场中将在圆柱转子上产生垂直转子轴线及风向并指向上方的升力和与风向相反的阻力，该现象被称为马格纳斯(magnus)效应，升力和阻力的合力驱动小车前行，小车车轮驱动发电机发电。

由于马格纳斯(magnus)效应产生的升力方向由转子的转动方向确定，因此圆柱转子根据来流风向等因素在小车绕环形轨道运行一周的过程中需要两次变换旋转方向，以获得持续驱动小车沿轨道往复运动的动力。

在该技术首次出现的20世纪30年代，由于相关基础理论研究欠缺，且受控制手段的限制，只能依靠大量繁复的机械装置实现上述功能，导致机械结构复杂，转子换向和运行能耗过大，最终因风力机效率不高而被放弃，本发明实施例提供一种有效减低能耗的马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制与实施方法，目的是用现有技术克服原型机的缺陷，使其成为一种有使用价值的垂直轴风力机发电机。

装有马达拉斯(madaras)转子的马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机的原型机基本组成是：椭圆形轨道，轨道小车和车载圆柱转子，如图1所示，本实施例把椭圆形轨道改为环形轨道(图1中，轨道半径与小车尺寸比例被缩小)，其他基本结构布置不变。

圆柱转子3在轨道小车2上做自传运动，转子的机架安装在小车平台上，轨道小车受圆柱转子产生升力的驱动，在钢轨上做圆周运动；

在环形轨道平面把轨道分成36个方位区段(每一方位区段对应的10°圆心角)，并各自设置方位识别器5(圆周上均布36个)。各方位识别器读取每个小车在环形轨道上所处区域的方位编码，并把方位编码信号传送给总控制器21，这样总控制器可以实时监测车载圆柱转子3所在轨道的实际区域位置；

风向风速传感器20安装在能够判别现场主力风向的地方，并尽量不受风力机运行的影响，传感器分辨率和精度应满足圆柱转子方位判别的需要，并把测量到的实时风向风速通过数据线传递给总控制器21；

总控制器21接受传感器20传送的实时信号，判断出圆柱转子的第一反转切换点14在环形轨道上的方位，并以此区间为中心向前开辟出一个区段作为圆柱转子第一减速区15，向后开辟一个区段作为圆柱转子第一反转加速区16，同理确定转子第二反转切换点17，转子第二减速区18，转子第二反转加速区19。

如图2所示，圆柱转子3的机架安装在小车2的平板上，并随小车一起在环形轨道上运动，圆柱由安装在其机架上的转子电机4驱动旋转，转速传感器24用于测量圆柱转子的实际转速，电磁刹车器23安装圆柱转子的驱动路线上，总控制器21可通过刹车器对转子实施制动。

如图2所示，圆柱转子3由圆柱筒通过辐板与其转轴连接，使圆柱筒端内部留有可以安装蓄能器正转缓冲轮6和反转传缓冲轮7的空间，为安装方便，两个缓冲轮在圆柱筒轴向可以高低错开安装，其间通过一对外啮合的齿轮副8传动，实现两个缓冲轮相互反向转动。

如图1、2、3所示，包含上述两个缓冲轮6、7和齿轮副8的蓄能机构通过缓冲轮加压弹簧13安装在蓄能机构移位滑台9上，通过蓄能机构移位丝杠10与蓄能机构移位电机11连接(市场上称线性模组)，由电机11通过丝杠10、滑台9及弹簧13(图2、3所示，弹簧与两个导向杆平行安装)带动缓冲轮6和7移动，实现一个缓冲轮靠紧圆柱筒内壁，并在加压弹簧13变形到一定程度后，触动行程开关12动作，电机11反向，滑台带动缓冲轮后退，脱离与圆柱筒内壁的接触。

如图2和图3所示，要求圆柱筒内壁与蓄能装置缓冲轮6、7接触的内壁部分光滑规整，两个缓冲轮的外缘周上使用具有较大摩擦力和缓冲功能的材料，适当提高蓄能机构内部旋转件的质量和质量分布，以提高系统转动惯量，提高其机械蓄能量。

如图2所示，圆柱筒3的转动轴通过连轴器与转子电动机4输出轴连接，总控制器21通过控制变频式电机调速器22对电动机4进行正向、反向旋转的变频驱动控制。

以下结合图4所示控制框图，叙述马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制与实施方法的控制工作过程：风力机在风场中启动后，总控制器21根据从风向风速传感器20采集到的风向风速信号，在环形轨道上确定两个反转切换点14和17所处方位，并在环路上设定两个换向减速区15、18和两个反转加速区16、19的入口和出口方位角；

总控制器21随即扫描各风力机圆柱转子方位识别器5(如风力机转子不止一个)，若转子处于正转或反转方位区间，总控制器21分别向各转子的变频调速器22发出正转或反转控制信号，并由低频逐渐提高变频信号，电动机4在变频调速器22驱动下带动其圆柱转子缓慢启动旋转；

转动的圆柱转子随即在来流风速下产生马格纳斯(magnus)效应，产生的升力将推动轨道小车向预定的环路方向前进；如当总控制器21通过方位识别器5监测到某一个转子进入第一换向减速区后，立刻停止对应转子电机的驱动，圆柱转子在其惯性的驱动下和转子电机一起自由转动；

总控制器21随即向蓄能机构移位电机11发出正向转动信号，移位电动机带动蓄能机构正转缓冲轮6靠向圆柱筒3一侧内壁，与圆柱筒内壁接触后，移位电动机11继续正向转动，移位滑台9压缩加压弹簧13缓慢增加缓冲轮6与圆柱筒3内壁的接触压力，缓冲轮6在圆柱筒3的带动下旋转，并通过传动齿轮副8带动缓冲轮7反向转换；

缓冲轮6的转速逐渐提高，圆柱筒3的转速逐渐降低，最终两者接触处的线速度趋 于一致，蓄能机构完成对转子正向转动能量的接收，当移位滑台9触碰到行程开关12后，总控制器21控制移位电机11反转，正转缓冲轮6脱离与转子3内壁接触，返回初始位置；

上述圆柱转子的能量被部分转移到蓄能机构后，其转速已大幅下降，小车进入反转切换点14方位角后，总控制器21控制电磁刹车器23对转子制动，随后及时撤出刹车信号，电磁刹车器复位；

电磁刹车器复位后，总控制器21控制电机11反转，带动蓄能机构反转缓冲轮7靠向圆柱筒3的另一侧内壁，同前述，电机11继续转动，移位滑台9反向压缩加压弹簧13增加缓冲轮7与圆柱筒3内壁的接触压力，圆柱筒在缓冲轮7的带动下开始反方向转动，并随着两者接触压力的增加，接触处的线速度趋于一致，蓄能机构完成对转子反向转动的能量传递，当移位滑台9触碰到另一侧行程开关12后，电机11变向转动(正转)，带动缓冲轮7脱离与圆柱筒内壁接触，返回到初始位置停止。

总控制器21随后根据转速传感器24测得转子电机4的初始反向转速，通过变频式电机调速器22向转子电机4发出渐进提升的反向驱动频率，并在其载体小车驰离第一反转加速区16前把圆柱转子加速到预定转速，圆柱转子完成本次转向。

同理，当轨道小车2进入圆柱筒转子第二减速区18，第二反转切换点17，和第二反转加速区19后，动作过程与前述相似，只是缓冲轮7首先靠向圆柱筒另一侧的内壁，其它动作过程类推。

以上对本发明所提供的一种马格纳斯(magnus)效应垂直轴风力机转子正反转控制与实施方法进行了详细的介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。