可调式节能惯量动能输出系统及其控制方法与流程

本发明涉及节能系统领域技术，尤其是指一种可调式节能惯量动能输出系统及其控制方法。

背景技术：

电机(英文：electricmachinery，俗称“马达”)是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机在电路中是用字母m(旧标准用d)表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

电机作为一种常见的动能输出系统，其普遍存在耗能的问题，不符合节能的要求，因此，有必要对目前的动能输出系统进行改进。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种可调式节能惯量动能输出系统及其控制方法，其能有效解决现有之动力输出系统耗能的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种可调式节能惯量动能输出系统，包括有外壳、控制器、径向电机与轴向发电机结合体以及用于侦测飞轮转子转速的转速传感器；该控制器设置于外壳上；该径向电机与轴向发电机结合体电性连接控制器，径向电机与轴向发电机结合体包括有一主轴、一永磁转子、一定子固定框、一径向电机定子绕组、两飞轮转子、两飞轮配重片、定子绕组封装盘和两转子磁轭磁极；该主轴可转动地设置于外壳内，主轴的输出端向外伸出外壳；该永磁转子套设在主轴外；该定子固定框套设在主轴外，定子固定框位于永磁转子的外围并与外壳固定安装，永磁转子相对定子固定框可转动地设置；该径向电机定子绕组设置于定子固定框上；该两飞轮转子套设于主轴上并与主轴固定，两飞轮转子分别位于定子固定框的两侧并分别与永磁转子的两侧固定连接；该两飞轮配重片分别可拆卸安装在两飞轮转子的外侧面上；该定子绕组封装盘和两转子磁轭磁极均套设于主轴上并位于两飞轮转子之间，定子绕组封装盘位于两转子磁轭磁极之间，两转子磁轭磁极分别与两飞轮转子的内侧面固定；该转速传感器设置于外壳内，该转速传感器连接控制器。

优选的，所述主轴的输出端安装有电磁离合器，该电磁离合器位于外壳外侧并与控制器连接。

优选的，所述飞轮配重片为环形。

优选的，所述控制器还连接有用于接收径向电机动能反馈电力的超级电容组和用于接收轴向发电机电力的锂电池组。

优选的，所述超级电容组为两组，锂电池组亦为两组。

优选的，所述控制器通过网口/rs485连接pc。

一种可调式节能惯量动能输出系统的控制方法，采用前述一种可调式节能惯量动能输出系统，首先由转速传感器侦测飞轮转子的转速，启动径向电机到达额定转速后，停止供电，当转速传感器测得转速下降至预设值时，控制器以间歇脉冲方式向径向电机送电推动飞轮转子，以间歇脉冲送电方式推动飞轮转子，直到飞轮转子达到额定转速。

优选的，所述径向电机在停止送电飞轮转子以惯量为动能而转动时，产生电力回馈给控制器，由控制器分配给作为该飞轮转子动力源的超级电容组来储能，设定超级电容组的电容量为该飞轮转子所需的启动后达到额定转速电流量的1000％以上，并具备2组超级电容组，在一组放电时另一组充电，控制器侦测到放电是超级电容组电力不足时，充足电力的超级电容组接替电力充足的超级电容组工作，电力不足的超级电容组则开始充电，两超级电容组交替工作，以超级电容快速充放电的特性，即可满足以上需求。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

本系统结合径向电机和轴向发电机，形成一体化结构，并具备飞轮功能和可调飞轮配重功能，可以自产动能和电力，配合利用控制器，以间歇脉冲送电的方式完成非精确的维持额定转速和惯量，可节省大量耗能，而达到节能要求，本系统自生的多余电力可储存使用，长时无间断产生的惯量动能，可搭配传动系统和变速系统给对转速要求不甚敏感但需长时运行的机械当作动力源(水泵、气泵、通风扇、空调压缩机、小型轴向或径向发电系统、配合脉冲送电次数频率的冲床)，以及本系统可当作不断电系统使用，可并机使用。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：

附图说明

图1是本发明之较佳实施例的组装立体示意图；

图2是本发明之较佳实施例的分解图；

图3是本发明之较佳实施例的控制原理示意图。

附图标识说明：

10、外壳20、控制器

30、径向电机与轴向发电机结合体31、主轴

32、永磁转子33、定子固定框

34、径向电机定子绕组35、飞轮转子

36、飞轮配重片37、定子绕组封装盘

38、转子磁轭磁极40、转速传感器

51、超级电容组52、锂电池组

53、网口/rs48554、pc

55、电磁离合器

具体实施方式

请参照图1至图3所示，其显示出了本发明之较佳实施例一种可调式节能惯量动能输出系统的具体结构，包括有外壳10、控制器20、径向电机与轴向发电机结合体30以及转速传感器40。

该控制器20设置于外壳10上；所述控制器20还连接有用于接收径向电机动能反馈电力的超级电容组51和用于接收轴向发电机电力的锂电池组52。所述超级电容组51为两组，锂电池组52亦为两组，超级电容组51和锂电池组52都是充电和放电模块，锂电池组52对应轴向发电机，超级电容组51对应径向电机充放电和接受动能回充工作电力，超级电容组51和锂电池组52两者若有其中之一故障，可由控制器20切换取代，超级电容组51和锂电池组52像是阵列硬盘，控制方式像是热拔插功能。以及，所述控制器20可通过网口/rs48553连接pc54，使多机同时对同载荷或不同载荷作动能或电力输出时，可并机或分组设定或连动使用，并机或分组时可做主从控制或同期控制；控制器20具有8-16组可控制干接点，以便与周边物件连接，实现主动控制；当然，该控制器20亦可与pc断开连接而离线工作，通过控制器20的内部程序进行控制。

该径向电机与轴向发电机结合体30电性连接控制器20，径向电机与轴向发电机结合体30包括有一主轴31、一永磁转子32、一定子固定框33、一径向电机定子绕组34、两飞轮转子35、两飞轮配重片36、定子绕组封装盘37和两转子磁轭磁极38。

该主轴31可转动地设置于外壳10内，主轴31的输出端向外伸出外壳10；在本实施例中，所述主轴31的输出端安装有电磁离合器55，该电磁离合器55位于外壳10外侧并与控制器20连接。

该永磁转子32套设在主轴31外；该定子固定框33套设在主轴31外，定子固定框33位于永磁转子32的外围并与外壳10固定安装，永磁转子32相对定子固定框33可转动地设置；该径向电机定子绕组34设置于定子固定框33上。

该两飞轮转子35套设于主轴31上并与主轴31固定，两飞轮转子35分别位于定子固定框33的两侧并分别与永磁转子32的两侧固定连接；该两飞轮配重片36分别可拆卸安装在两飞轮转子35的外侧面上；在本实施例中，所述飞轮配重片36为环形，可根据负荷的选择不同规格重量的飞轮配重片36，由动能公式ek＝(mv²)/2可知，重量m越重，转速v越高，其动能ek就越大。

该定子绕组封装盘37和两转子磁轭磁极38均套设于主轴31上并位于两飞轮转子35之间，定子绕组封装盘37位于两转子磁轭磁极38之间，两转子磁轭磁极38分别与两飞轮转子35的内侧面固定，转子磁轭磁极38、飞轮转子35和永磁转子32形成一体式结构，使得径向电机和轴向发电机可以共用转子。

该转速传感器40设置于外壳10内，该转速传感器40连接控制器20，该转速传感器40用于侦测飞轮转子35的转速。

本发明还公开了一种可调式节能惯量动能输出系统的控制方法，采用前述一种可调式节能惯量动能输出系统，首先由转速传感器40侦测飞轮转子35的转速，启动径向电机到达额定转速后，停止供电，当转速传感器40测得转速下降至预设值(额定转速约80-90％，可根据需要由控制器20调整设定)时，控制器20以间歇脉冲(送电时间和产生周期由控制芯片运算或人工设定)方式向径向电机送电推动飞轮转子35(脉冲电压或频率高于额定电力规格10-25％可调整设定)，以间歇脉冲送电方式推动飞轮转子35，直到飞轮转子35达到额定转速(误差可控制在±1-2％)。由于是非精确的维持额定转速和惯量，而是以间歇脉冲送电的方式完成，故可节省大量耗能，而达到节能要求。

具体而言，当具备一定质量m(m＝ρv，ρ为飞轮配重片36材料密度，v为飞轮配重片36的体积)飞轮配重片36，启动达到额定转速后，以储存的惯量i(i＝mr²，m是飞轮配重片质量，r是质点和主轴的垂直距离)维持飞轮配重片36转速，产生的转动动能＝1/2iω²，其中i为惯量，ω为转动角速度，在停止供电后，径向电机之永磁转子的转速受空气和轴承阻力缓慢下降至设定范围后，再以间歇脉冲给电方式维持其转速和产生的惯量，所述径向电机在停止送电飞轮转子35以惯量为动能而转动时，产生电力回馈给控制器20，由控制器20分配给作为该飞轮转子35动力源的超级电容组51来储能，设定超级电容组51的电容量为该飞轮转子35所需的启动后达到额定转速电流量的1000％以上，额定转速可依据负载的大小来设定，额定转速设定的大小不能大于系统的最高转速，并具备2组超级电容组51，在一组放电时另一组充电，控制器20侦测到放电是超级电容组电力不足时，充足电力的超级电容组接替电力充足的超级电容组工作，电力不足的超级电容组则开始充电，两超级电容组交替工作，以超级电容快速充放电的特性，即可满足以上需求。

为减少回充电力时产生的磁阻消耗过多的惯量动能，并充分利用超级电容组51充电直接和快速的优势，该动能电力回充模式可另设定(节省动能模式)，当飞轮转子35转速降到脉冲发生设定点的50％时(芯片运算或人工设定脉冲放电加速的启动点)，控制器20切断回充供电回路，停止对超级电容组51充电，以降低发电回充时磁阻对惯量动能消耗的影响，以此方式直到超级电容组51充满电力为止。

当载荷需要大于额定扭矩t(t＝9550*p/np为功率kw，n为转速r/min)时，可在飞轮转子35上安装额外的飞轮配重片36，调整飞轮转子35的质量，故可调整扭矩的输出。

利用轴向发电机转子或定子没有铁心，没有定子与转子之间的磁阻转矩特性，以大直径径向电机飞轮转子结构产生的大惯量和大力矩，可轻易带动安装于轴心处小直径的的轴向发电机永磁磁轭转子，在径向电机启动达到额定转速具备高惯量后，控制器20才会连通负载(电力和机械)，由于运用杠杆和旋转惯量的高扭矩抵消轴向发电机磁场制动转矩，从而可轻松带动满载输出的小型轴向发电机。

只使用电力输出功能时，可设定储能足够后停机，停机周期和时间由负载耗能速度和储能系统容量决定，需储能时则再启动即可。

本发明的设计重点是：本系统结合径向电机和轴向发电机，形成一体化结构，并具备飞轮功能和可调飞轮配重功能，可以自产动能和电力，配合利用控制器，以间歇脉冲送电的方式完成非精确的维持额定转速和惯量，可节省大量耗能，而达到节能要求，本系统自生的多余电力可储存使用，长时无间断产生的惯量动能，可搭配传动系统和变速系统给对转速要求不甚敏感但需长时运行的机械当作动力源(水泵、气泵、通风扇、空调压缩机、小型轴向或径向发电系统、配合脉冲送电次数频率的冲床)，以及本系统可当作不断电系统使用，可并机使用。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。