儲能渦卷彈簧實時轉動慣量的獲取方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可在機械彈性儲能系統(tǒng)用渦卷彈簧運行過程中實時獲取其轉動 慣量的方法，屬發(fā)電技術領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，渦卷彈簧（以下簡稱渦簧）以其諸多的優(yōu)點獲得了廣泛應用，其中最重 要的應用領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械彈性儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用永磁同步電動機 (PMSM)作為儲能過程驅動電機，儲能時渦卷彈簧作為負載受電機控制。
[0003] 渦簧加工制造完成時，大都以自由狀態(tài)釋放，如附圖1所示。為方便應用，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，需利用驅動技術 控制電機以一定速度旋轉主軸來擰緊渦簧，以實現(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，其轉動慣量也將不斷改變。
[0004] 若以PMSM為研宄對象，可列出其運動學方程如下式（1)所示：
[0005]
[0006] 式中J為渦簧等效到電機側的轉動慣量與電機轉動慣量之和，《為電機轉子旋 轉角速度，Tm為電機電磁轉矩，Tsp為渦簧扭矩等效到電機側的負載轉矩，t為時間。
[0007] 由式⑴可以看出，PMSM轉子旋轉的角速度《與渦簧轉動慣量直接相關。由于 渦簧轉動慣量隨儲能過程實時變化，為實現(xiàn)儲能過程中機械彈性儲能系統(tǒng)轉速的高精度控 制，需要確定作為負載的渦卷彈簧的轉動慣量。但是，傳統(tǒng)轉動慣量的計算公式或測量方法 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，如何獲取機械彈性儲能系統(tǒng)用渦卷彈簧的實時轉動慣量就成為有關技術人員面 臨的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術之弊端，提供一種儲能渦卷彈簧實時轉動慣量的 獲取方法，以實現(xiàn)電機轉速的高精度控制。
[0009] 本發(fā)明所述問題是以下述技術方案解決的：
[0010] 一種儲能渦卷彈簧實時轉動慣量的獲取方法，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階段：第一階段為加裝外盒后未儲能時的初 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階段的實時轉動慣量，各階段轉 動慣量的確定方法如下：
[0011] 第一階段下渦簧的實時轉動慣量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)壁渦簧的分界點所對應徑向 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時轉動慣量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)壁渦簧的分界點所對應徑向 半徑，0是極坐標下的角度坐標，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)渦簧的分界點所對應徑向半徑，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:時鮮動慍量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刻處于自由狀態(tài)和纏繞于主軸狀態(tài)渦簧 的轉動慣量值，rb3為第三階段下自由長度渦簧與纏繞于外盒內(nèi)壁渦簧的分界點所對應徑向 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)渦簧的分界點所對應徑向半徑，rj2m 是第二階段完成時刻自由長度狀態(tài)渦簧與纏繞于主軸狀態(tài)渦簧的分界點所對應的徑向半 徑，此階段飛
[0022]
[0023]
[0024] 第四階段下渦簧的實時轉動慣量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)渦簧的分界點所對應徑 向半徑
[0027] 上述儲能渦卷彈簧實時轉動慣量的獲取方法，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動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動慣量根據(jù)儲能過程的轉動慣量確定。
[0028] 由于轉角0在每個階段都有一定范圍，通過測量轉角的實際值就能確定渦簧處 于哪個階段，從而計算出渦簧的實時轉動慣量。
[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算其轉動慣量，可精確獲取機 械彈性儲能系統(tǒng)用渦卷彈簧的實時轉動慣量，為實現(xiàn)電機轉速的高精度控制創(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)有技術之弊端，提供一種儲能渦卷彈簧實時轉動慣量的 獲取方法，以實現(xiàn)電機轉速的高精度控制。
【附圖說明】
[0032] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[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是實施例中求出的渦簧實時轉動慣量。
[0038] 圖中各標號為：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 簧總的轉動慣量；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)渦簧的轉動慣量；AJw2為第二階段下處于纏繞于外盒內(nèi)壁狀態(tài)渦簧的 轉動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)渦簧的轉動慣量；AJf2、A叉3分別為第二階段、第三階段下 處于自由狀態(tài)渦簧的轉動慣量分別相對于第一階段、第二階段處于自由狀態(tài)渦簧的轉動慣 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)渦簧的轉動慣量；AJp2、A&分別為第二階段、第三階段下處于纏繞于主軸狀 態(tài)渦簧的轉動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)渦簧的轉動慣量的 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