储能涡卷弹簧实时转动惯量的获取方法技术

一种储能涡卷弹簧实时转动惯量的获取方法，所述方法将涡簧的储能过程分为四个阶段：第一阶段为加装外盒后未储能时的初始阶段；第二阶段是缠绕于外盒内壁的簧片向自由状态的转变阶段；第三阶段是缠绕于外盒内壁的簧片完全释放后，自由状态的涡簧在主轴上缠绕的阶段；第四阶段为簧片全部缠绕于主轴上后的储能完成阶段，然后分别确定涡簧在四个阶段的实时转动惯量。本发明专利技术根据涡簧在储能过程中的形状变化分阶段计算其转动惯量，可精确获取机械弹性储能系统用涡卷弹簧的实时转动惯量，为实现电机转速的高精度控制创造了有利条件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可在机械弹性储能系统用涡卷弹簧运行过程中实时获取其转动 惯量的方法，属发电

技术介绍
近年来，涡卷弹簧（以下简称涡簧）以其诸多的优点获得了广泛应用，其中最重 要的应用领域之一就是作为储能装置。申请号为201110008030. 3的中国专利技术专利公开了 一种采用涡卷弹簧作为核心储能元件的机械弹性储能系统。该系统选用永磁同步电动机 (PMSM)作为储能过程驱动电机，储能时涡卷弹簧作为负载受电机控制。 涡簧加工制造完成时，大都以自由状态释放，如附图1所示。为方便应用，常将制 造完成的涡簧安装于外盒中，如附图2所示。由附图2可以看出，储能时，需利用驱动技术 控制电机以一定速度旋转主轴来拧紧涡簧，以实现能量存储。并且，随着涡簧不断向主轴收 拢，涡簧的形状将不断变小，其转动惯量也将不断改变。 若以PMSM为研宄对象，可列出其运动学方程如下式（1)所示： 式中J为涡簧等效到电机侧的转动惯量与电机转动惯量之和，《为电机转子旋 转角速度，Tm为电机电磁转矩，Tsp为涡簧扭矩等效到电机侧的负载转矩，t为时间。 由式⑴可以看出，PMSM转子旋转的角速度《与涡簧转动惯量直接相关。由于 涡簧转动惯量随储能过程实时变化，为实现储能过程中机械弹性储能系统转速的高精度控 制，需要确定作为负载的涡卷弹簧的转动惯量。但是，传统转动惯量的计算公式或测量方法 大都针对刚性元件，对于像涡簧这样在运行过程中形状不断变化的物体，传统方法并不适 用。因此，如何获取机械弹性储能系统用涡卷弹簧的实时转动惯量就成为有关技术人员面 临的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种储能涡卷弹簧实时转动惯量的 获取方法，以实现电机转速的高精度控制。 本专利技术所述问题是以下述技术方案解决的： 一种，储能涡卷弹簧系统包括涡簧、主轴 和外盒，所述方法将涡簧的储能过程分为四个阶段：第一阶段为加装外盒后未储能时的初 始阶段；第二阶段是缠绕于外盒内壁的簧片向自由状态的转变阶段；第三阶段是缠绕于外 盒内壁的簧片完全释放后，自由状态的涡簧在主轴上缠绕的阶段；第四阶段为簧片全部缠 绕于主轴上后的储能完成阶段，然后分别确定涡簧在四个阶段的实时转动惯量，各阶段转 动惯量的确定方法如下： 第一阶段下涡簧的实时转动惯量Ji由下式确定： 其中，rbl为第一阶段下自由长度涡簧与缠绕于外盒内壁涡簧的分界点所对应径向 半径，、b、h分 别为涡黄柯科的?皮、苋皮和厚皮；m定指涡黄型线的形状乐双；rA73王細佇|nj平佇加上簧 片厚度的一半；rc为外盒内壁的径向半径减去簧片厚度的一半；L。为涡簧全长；1^为主轴径 向半径；rw为外盒内壁的径向半径； 第二阶段下涡簧的实时转动惯量J2由下式确定： 其中，rb2为第二阶段下自由长度涡簧与缠绕于外盒内壁涡簧的分界点所对应径向 半径，0是极坐标下的角度坐标，此阶段1 为第二 2.71 阶段下自由状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应径向半径，rf2为第二阶段下处 于自由状态涡簧的径向半径； 笛=阶段下涡箸的这:时鲜动慍量T。由下式确宙， 其中，Jp2m、1&分别表示第二阶段完成时刻处于自由状态和缠绕于主轴状态涡簧 的转动惯量值，rb3为第三阶段下自由长度涡簧与缠绕于外盒内壁涡簧的分界点所对应径向 半径，rj3为第三阶段下自由状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应径向半径，rj2m 是第二阶段完成时刻自由长度状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应的径向半 径，此阶段飞 第四阶段下涡簧的实时转动惯量J4由下式确定： 其中，rj4为第四阶段下自由状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应径 向半径 上述，将涡簧的能量释放过程视为储能过 程的逆过程，涡簧在能量释放过程中的形状和转动惯量的变化与储能过程正好相反，涡簧 在能量释放过程中的转动惯量根据储能过程的转动惯量确定。 由于转角0在每个阶段都有一定范围，通过测量转角的实际值就能确定涡簧处 于哪个阶段，从而计算出涡簧的实时转动惯量。 本专利技术根据涡簧在储能过程中的形状变化分阶段计算其转动惯量，可精确获取机 械弹性储能系统用涡卷弹簧的实时转动惯量，为实现电机转速的高精度控制创造了有利条 件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种储能涡卷弹簧实时转动惯量的 获取方法，以实现电机转速的高精度控制。【附图说明】 下面结合附图对本专利技术作进一步说明。 图1是制造完成的涡簧；图2是安装于外盒中的涡簧（尚未施加外力矩）； 图3是完全缠绕于主轴上的涡簧； 图4是储能过程涡簧状态变化示意图； 图5是实施例中求出的涡簧实时转动惯量。 图中各标号为：1、涡簧，2、主轴，3、外盒，4、外盒内壁。 文中各符号为J2、J3、1分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段下涡 簧总的转动惯量；Jwl、Jw2、Jw3、Jw4分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段下处于缠 绕于外盒内壁状态涡簧的转动惯量；AJw2为第二阶段下处于缠绕于外盒内壁状态涡簧的 转动惯量相对于第一阶段的变化值；Jfl、Jf2、Jf3、Jf4分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段、 第四阶段下处于自由长度状态涡簧的转动惯量；AJf2、A叉3分别为第二阶段、第三阶段下 处于自由状态涡簧的转动惯量分别相对于第一阶段、第二阶段处于自由状态涡簧的转动惯 量的变化值；Jpl、Jp2、Jp3、Jp4分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段下处于缠绕 于主轴状态涡簧的转动惯量；AJp2、A&分别为第二阶段、第三阶段下处于缠绕于主轴状 态涡簧的转动惯量分别相对于第一阶段、第二阶段处于缠绕于主轴状态涡簧的转动惯量的 变化值；L。为涡簧全长；Lw2、ALw2分别为第二阶段下处于缠绕于外盒内壁状态的涡簧长度 及其相对于第一阶段的变化值；Lfl、Lf2、Lf3、Lf4分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四 阶段下处于自由状态的涡簧长度；ALf2、A1^3分别为第二阶段、第三阶段下处于自由状态 的涡簧长度分别相对于第一阶段、第二阶段的变化值；Lp2、Lp3、Lp4分别为第二阶段、第三阶 段、第四阶段下缠绕于主轴状态的涡簧长度；ALp2、A1^3分别为第二阶段、第三阶段下缠绕 于主轴状态的涡簧长度分别相对于第一阶段、第二阶段的变化值；rwl、rw2分别为第一阶段、 第二阶段下处于缠绕于外盒内壁状态涡簧的径向半径；rfl、rf2、rf3分别为第一阶段、第二阶 段、第三阶段下处于自由状态涡簧的径向半径；rp2、rp3、rp4分当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种储能涡卷弹簧实时转动惯量的获取方法，其特征是，所述方法将涡簧的储能过程分为四个阶段：第一阶段为加装外盒后未储能时的初始阶段；第二阶段是缠绕于外盒内壁的簧片向自由状态的转变阶段；第三阶段是缠绕于外盒内壁的簧片完全释放后，自由状态的涡簧在主轴上缠绕的阶段；第四阶段为簧片全部缠绕于主轴上后的储能完成阶段，然后分别确定涡簧在四个阶段的实时转动惯量，各阶段转动惯量的确定方法如下：第一阶段下涡簧的实时转动惯量J1由下式确定：其中，rb1为第一阶段下自由长度涡簧与缠绕于外盒内壁涡簧的分界点所对应径向半径,其中，ρ、b、h分别为涡簧材料的密度、宽度和厚度；m是指涡簧型线的形状系数；rA为主轴径向半径加上簧片厚度的一半；rC为外盒内壁的径向半径减去簧片厚度的一半；Lo为涡簧全长；rS为主轴径向半径；rW为外盒内壁的径向半径；第二阶段下涡簧的实时转动惯量J2由下式确定：其中，rb2为第二阶段下自由长度涡簧与缠绕于外盒内壁涡簧的分界点所对应径向半径，θ是极坐标下的角度坐标，此阶段下rj2为第二阶段下自由状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应径向半径，rf2为第二阶段下处于自由状态涡簧的径向半径；第三阶段下涡簧的实时转动惯量J3由下式确定：其中，Jp2m、Jf2m分别表示第二阶段完成时刻处于自由状态和缠绕于主轴状态涡簧的转动惯量值，rb3为第三阶段下自由长度涡簧与缠绕于外盒内壁涡簧的分界点所对应径向半径，rj3为第三阶段下自由状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应径向半径,rj2m是第二阶段完成时刻自由长度状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应的径向半径,此阶段下第四阶段下涡簧的实时转动惯量J4由下式确定：其中，rj4为第四阶段下自由状态涡簧与缠绕于主轴状态涡簧的分界点所对应径 向半径,...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余洋，米增强，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13