本發(fā)明涉及一種垂直軸風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的正反轉(zhuǎn)控制方法。

背景技術(shù)：

長期以來，由于垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率沒有水平軸風(fēng)力機(jī)高，其發(fā)展受到限制，然而水平軸風(fēng)力機(jī)在制造、安裝和維護(hù)等方面的成本高，對(duì)風(fēng)場(chǎng)條件要求相對(duì)嚴(yán)苛以及對(duì)鳥類生存等生態(tài)環(huán)境的影響逐漸突顯，垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究和應(yīng)用重新受到關(guān)注。

馬達(dá)拉斯(madaras)轉(zhuǎn)子垂直軸風(fēng)力實(shí)驗(yàn)機(jī)是美國工程師juliusd.madaras1933年構(gòu)想建造的大型實(shí)驗(yàn)方案(針對(duì)40mw風(fēng)場(chǎng))，其轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)原理基于馬格納斯(magnus)效應(yīng)，基本構(gòu)成是：在環(huán)形軌道上運(yùn)行的小車上，垂直安裝有由外力(電動(dòng)機(jī))驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)圓柱，當(dāng)來風(fēng)吹向圓柱時(shí)，在圓柱的一側(cè)，流動(dòng)方向與圓柱的運(yùn)動(dòng)方向相同，另一側(cè)則相反，誘發(fā)的繞旋轉(zhuǎn)圓柱的環(huán)流將產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向的升力(升力方向指向上述運(yùn)動(dòng)方向相同一側(cè))，和與來流方向相反的阻力，其合力推動(dòng)小車?yán)@環(huán)形軌道運(yùn)行，并用車輪軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。

該風(fēng)力發(fā)電裝置并沒有取得大規(guī)模發(fā)電的效果，原因在于其機(jī)械的復(fù)雜性：為了使圓柱轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的升力驅(qū)動(dòng)小車在環(huán)形軌道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)圓柱必須在每一個(gè)上風(fēng)口圓弧與下風(fēng)口圓弧的結(jié)合點(diǎn)處改變一次旋轉(zhuǎn)方向；為了獲得大的升力，圓柱的直徑和旋轉(zhuǎn)速度都要求取大值，造成圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，改變轉(zhuǎn)子圓柱的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向只能借助復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，造成機(jī)械損失過大。同樣由于換向困難和制造和控制技術(shù)的限制，圓柱的轉(zhuǎn)速過低，使得其空氣動(dòng)力特性得不到充分發(fā)揮，加上車體軌道摩擦阻力損失，致使該種風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率遠(yuǎn)不如水平軸風(fēng)力機(jī)高而被最終放棄。

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，以上方案中出現(xiàn)的技術(shù)問題可以通過新的技術(shù)手段和方法得以解決，通過建立該種風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以獲得環(huán)形小車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)方向與轉(zhuǎn)子所處方位角之間的方程，并求解出轉(zhuǎn)矩正負(fù)切換點(diǎn)的方位角與來流風(fēng)速、轉(zhuǎn)子的升阻比、線速度的關(guān)系，本專利提供了一種馬達(dá)拉斯(madaras)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法，可以隨來流風(fēng)向自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)子的換向時(shí)機(jī)，并有效降低轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)和換向時(shí)的能量消耗。

由于馬格納斯(magnus)效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱可以獲得比其它翼型更大的升力，且制造成本低廉，以及垂直軸風(fēng)力機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過改進(jìn)的馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)有著良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：針對(duì)裝有馬格納斯(magnus)效應(yīng)圓柱轉(zhuǎn)子的垂直軸風(fēng)力機(jī)需要隨來流風(fēng)向的變化不斷改變轉(zhuǎn)子正反向轉(zhuǎn)換點(diǎn)的方位角，以及圓柱反轉(zhuǎn)后需要在不耗費(fèi)大量能量的前提下獲得啟動(dòng)，并在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需轉(zhuǎn)速的技術(shù)需求，本發(fā)明提供了一種馬達(dá)拉斯(madaras)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法。

基本原理是：根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速傳感器測(cè)定的實(shí)時(shí)風(fēng)向角，測(cè)算出風(fēng)力機(jī)圓柱轉(zhuǎn)子需要改變旋轉(zhuǎn)方向的動(dòng)態(tài)反向點(diǎn)，在反向點(diǎn)前后一定圓心角范圍內(nèi)設(shè)置出轉(zhuǎn)子換向區(qū)，正向轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱進(jìn)入反向區(qū)后將經(jīng)過：停止驅(qū)動(dòng)——轉(zhuǎn)動(dòng)能量傳遞給蓄能器——?jiǎng)x車——蓄能器向圓柱傳遞反向轉(zhuǎn)動(dòng)能量——變頻電動(dòng)機(jī)反向緩慢加速圓柱直到要求轉(zhuǎn)速的過程。

由于存在轉(zhuǎn)動(dòng)能量的短暫存儲(chǔ)和重新利用，以及變頻調(diào)速器可以在合理的緩沖區(qū)間內(nèi)緩慢提高供電頻率，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以在換向區(qū)間內(nèi)獲得足夠的加速時(shí)間，使圓柱達(dá)到較高的設(shè)定轉(zhuǎn)速，避免為了轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)，使用容量大于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所需功率的普通電動(dòng)機(jī)或者雖小功率電動(dòng)機(jī)通過用大減速比獲得大的啟動(dòng)扭矩，而電動(dòng)機(jī)的最佳工作轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不匹配的技術(shù)問題，從而減小了能耗，總體上提高了該類風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率。

技術(shù)方案：本發(fā)明一種馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法，由環(huán)形軌道、軌道小車、圓柱轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)及其變頻式電機(jī)調(diào)速器、轉(zhuǎn)子速度傳感器、電磁剎車器、機(jī)械蓄能機(jī)構(gòu)、蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)及行程開關(guān)、風(fēng)向風(fēng)速傳感器、總控制器、圓柱轉(zhuǎn)子方位識(shí)別器等組成。

其特征在于平面環(huán)形軌道上，安放著可沿圓周軌道運(yùn)動(dòng)的軌道小車，小車的平臺(tái)上安裝有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的圓柱轉(zhuǎn)子，環(huán)形軌道平面被分成若干個(gè)圓心角相等的區(qū)域(一般區(qū)域角度不大于10°圓心角)，每個(gè)區(qū)域都設(shè)置有方位識(shí)別器，使得車載圓柱沿環(huán)形軌道馳入某個(gè)區(qū)域時(shí)，識(shí)別器能夠識(shí)別其所處區(qū)域方位角；

總控制器根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速傳感器測(cè)定的實(shí)時(shí)信號(hào)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)的圓柱轉(zhuǎn)子在環(huán)形軌道上反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)所處的方位角，并時(shí)刻監(jiān)測(cè)圓柱轉(zhuǎn)子是否已進(jìn)入該方位角；

圓柱轉(zhuǎn)子做成內(nèi)部有空間的圓柱筒形式，并在圓柱筒內(nèi)部空間設(shè)置帶有兩個(gè)緩沖輪的機(jī)械蓄能機(jī)構(gòu)，兩個(gè)緩沖輪通過外嚙合齒輪奇數(shù)次嚙合傳動(dòng)，使兩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向始終相反；

機(jī)械蓄能機(jī)構(gòu)安裝在小車平臺(tái)上線性模組(市售定型產(chǎn)品)的導(dǎo)軌滑臺(tái)上，其移位電動(dòng)機(jī)通過其絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子進(jìn)入換向區(qū)后，移位電動(dòng)機(jī)使一個(gè)緩沖輪緩慢靠近旋轉(zhuǎn)圓柱筒的內(nèi)壁，圓柱筒帶動(dòng)該緩沖輪旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)另一個(gè)緩沖輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)圓柱筒內(nèi)壁與前一個(gè)緩沖輪接觸處線速度基本相同后蓄能機(jī)構(gòu)后退，緩沖輪脫離與圓柱筒內(nèi)壁接觸；

圓柱轉(zhuǎn)子方位角到達(dá)反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)后，電磁剎車器對(duì)圓柱轉(zhuǎn)子實(shí)施剎車，圓柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)；

圓柱方位超越反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)后，蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，把另一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的緩沖輪靠向圓柱筒另一側(cè)內(nèi)壁，緩沖輪帶動(dòng)圓柱筒開始反向啟動(dòng)，使其獲得反向轉(zhuǎn)動(dòng)的初始能量，兩輪線速度基本相同后蓄能機(jī)構(gòu)后退，緩沖輪脫離與圓柱筒內(nèi)壁接觸；

總控制器測(cè)量圓柱實(shí)際獲得的初始轉(zhuǎn)速值，并在此基礎(chǔ)上逐漸提高變頻調(diào)速器對(duì)轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率，使電動(dòng)機(jī)獲得合理的驅(qū)動(dòng)加速時(shí)間，在反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)后的換向區(qū)(一般對(duì)應(yīng)10度以上圓心角)方位角的范圍加速圓柱轉(zhuǎn)子到指定轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步地，所述的風(fēng)向風(fēng)速傳感器應(yīng)安裝在不受風(fēng)力機(jī)及其它影響風(fēng)力機(jī)現(xiàn)場(chǎng)主力風(fēng)向判別的地方，其分辨率和精度滿足圓柱轉(zhuǎn)子方位判別的需要，并把測(cè)量值在線傳遞給總控制器。

進(jìn)一步地，所述的總控制器接受風(fēng)向風(fēng)力傳感器傳送的風(fēng)力機(jī)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向風(fēng)力信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整圓柱轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)；監(jiān)測(cè)各圓柱轉(zhuǎn)子的方位，判斷其是否進(jìn)入轉(zhuǎn)子反向區(qū)；控制變頻式電機(jī)調(diào)速器，實(shí)施電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)變頻調(diào)速；控制蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度；控制電磁剎車器對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行制動(dòng)，并通過轉(zhuǎn)子速度傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速，特別是轉(zhuǎn)子從蓄能機(jī)構(gòu)緩沖輪獲得反向啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速后，總控制器需要在此轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上逐漸提高轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率。

進(jìn)一步地，所述的圓柱轉(zhuǎn)子方位識(shí)別器的編碼和讀取部分分別安裝在繞環(huán)形軌道運(yùn)行的小車上和方位分區(qū)的固定位置，若環(huán)形軌道上的小車不止一個(gè)，需要標(biāo)記不同編碼，以便總控制器能監(jiān)測(cè)各圓柱轉(zhuǎn)子隨其載體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)方位區(qū)間。

進(jìn)一步地，所述的變頻式電機(jī)調(diào)速器及電動(dòng)機(jī)是圓柱轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)力源，變頻式電機(jī)調(diào)速器受控于總控制器，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的正、反方向由低頻到指定頻率的驅(qū)動(dòng)以及停止驅(qū)動(dòng)的控制，電動(dòng)機(jī)則把驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為與驅(qū)動(dòng)頻率相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給圓柱轉(zhuǎn)子。

進(jìn)一步地，所述的圓柱轉(zhuǎn)子是指能夠產(chǎn)生馬格納斯(magnus)效應(yīng)的馬達(dá)拉斯(madaras)圓柱轉(zhuǎn)子，是馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生升力的動(dòng)力葉片，是本專利技術(shù)控制的對(duì)象。

進(jìn)一步地，所述的機(jī)械蓄能機(jī)構(gòu)安裝在圓柱筒內(nèi)部空間，蓄能機(jī)構(gòu)固定安裝在線性模組的導(dǎo)軌滑臺(tái)上，其導(dǎo)軌安裝在圓柱轉(zhuǎn)子的機(jī)架上，所述的蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蓄能機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，分別完成緩沖輪與圓柱筒的接觸和分離動(dòng)作。

進(jìn)一步地，所述的機(jī)械蓄能機(jī)構(gòu)設(shè)置有兩個(gè)緩沖輪，緩沖輪圓周使用具有較大摩擦力和緩沖功能的材料，兩緩沖輪軸之間通過外嚙合齒輪的奇數(shù)對(duì)齒輪傳動(dòng)，使它們轉(zhuǎn)動(dòng)方向 始終相反；適當(dāng)提高蓄能裝置內(nèi)各旋轉(zhuǎn)件的質(zhì)量和質(zhì)量分布，以提高其存儲(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)能的容量。

進(jìn)一步地，所述的蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)及行程開關(guān)，當(dāng)總控制器監(jiān)測(cè)到圓柱轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)方位已進(jìn)入換向區(qū)，所述轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)立即停止驅(qū)動(dòng)圓柱筒旋轉(zhuǎn)，圓柱和其驅(qū)動(dòng)電機(jī)在其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的帶動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)總控制器控制蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使一個(gè)蓄能機(jī)構(gòu)的緩沖輪接觸旋轉(zhuǎn)圓柱的內(nèi)壁，并通過加力彈簧使其間壓力逐漸增加，緩沖輪則在旋轉(zhuǎn)圓柱的帶動(dòng)下加速轉(zhuǎn)動(dòng)，吸收?qǐng)A柱筒的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，而圓柱的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著接觸時(shí)間和摩擦力增加而降低，加力彈簧變形達(dá)到一定程度后，圓柱和緩沖輪的線速度接近相同，行程開關(guān)動(dòng)作，控制蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，緩沖輪與圓柱轉(zhuǎn)子脫離接觸。

進(jìn)一步地，所述的電磁剎車器，在總控制器監(jiān)測(cè)到圓柱轉(zhuǎn)子已到達(dá)反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)，并且蓄能機(jī)構(gòu)緩沖輪已退出與圓柱轉(zhuǎn)子接觸后，向剎車器發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，剎車器制動(dòng)圓柱后及時(shí)復(fù)位。

進(jìn)一步地，所述的蓄能機(jī)構(gòu)移位電動(dòng)機(jī)，在電磁剎車器剎車動(dòng)作完成后，執(zhí)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)另一個(gè)緩沖輪重新接觸圓柱的內(nèi)壁，帶動(dòng)圓柱反向旋轉(zhuǎn)，并在上述加力彈簧變形達(dá)到一定程度后脫離。

進(jìn)一步地，所述的總控制器控制變頻式電機(jī)調(diào)速器反向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電機(jī)，并以圓柱轉(zhuǎn)子的已有轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，逐漸提高控制頻率，使電機(jī)得到持續(xù)合理的加速轉(zhuǎn)矩，直至圓柱轉(zhuǎn)子達(dá)到要求轉(zhuǎn)速。

有益效果：

1.設(shè)計(jì)了一種馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)實(shí)時(shí)設(shè)定方法，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向風(fēng)力的變化，調(diào)整圓柱轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)方位，使風(fēng)力機(jī)輸出不受風(fēng)向變化的影響。

2.設(shè)計(jì)了一套圓柱轉(zhuǎn)子從正向轉(zhuǎn)動(dòng)過渡到反向轉(zhuǎn)動(dòng)的能量收儲(chǔ)和釋放的方法，緩解了具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的圓柱轉(zhuǎn)子在反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能量損失很大，以及圓柱反轉(zhuǎn)啟動(dòng)困難的問題。

3.相關(guān)研究結(jié)果表明，在馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)前后存在一個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩貢獻(xiàn)為負(fù)或很小的區(qū)域，本專利采用變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱轉(zhuǎn)子，利用圓柱經(jīng)過該區(qū)域的有效時(shí)長，在蓄能機(jī)構(gòu)對(duì)圓柱反轉(zhuǎn)啟動(dòng)的基礎(chǔ)上逐漸提升電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率，最終達(dá)到指定轉(zhuǎn)速，因此降低了對(duì)機(jī)械傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的要求，有效減低了能耗，提高了風(fēng)力機(jī)的效率。

附圖說明

圖1為馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制方法原理圖；

圖2為馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子及蓄能機(jī)構(gòu)工作原理圖；

圖3馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子蓄能機(jī)構(gòu)裝配示意圖

圖4為馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子控制框圖；

圖中：1-環(huán)形軌道，2-軌道小車，3-圓柱轉(zhuǎn)子，4-轉(zhuǎn)子電機(jī)，5-轉(zhuǎn)子方位識(shí)別器，6-蓄能正轉(zhuǎn)緩沖輪，7-蓄能反轉(zhuǎn)傳緩沖輪，8-蓄能反向轉(zhuǎn)換傳動(dòng)齒輪副，9-蓄能機(jī)構(gòu)移位滑臺(tái)，10-蓄能機(jī)構(gòu)移位絲杠，11-蓄能機(jī)構(gòu)移位電機(jī)，12-行程開關(guān)，13-緩沖輪加壓彈簧，14-轉(zhuǎn)子第一反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)，15-轉(zhuǎn)子第一減速區(qū)，16-轉(zhuǎn)子第一反轉(zhuǎn)加速區(qū)，17-轉(zhuǎn)子第二反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)，18-轉(zhuǎn)子第二減速區(qū)，19-轉(zhuǎn)子第二反轉(zhuǎn)加速區(qū)，20-風(fēng)向風(fēng)速傳感器，21-總控制器，22-變頻式電機(jī)調(diào)速器，23-電磁剎車器，24-轉(zhuǎn)速傳感器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向?qū)崟r(shí)調(diào)整風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反向轉(zhuǎn)換點(diǎn)的方位，并在轉(zhuǎn)換點(diǎn)的前后設(shè)置轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)換向區(qū)，通過帶有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的緩沖輪的能量存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動(dòng)的部分能量得以存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)后的啟動(dòng)能量，變頻控制電動(dòng)機(jī)充分利用轉(zhuǎn)子經(jīng)過換向區(qū)的時(shí)間段，以轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性為基礎(chǔ)逐漸加大電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率到預(yù)定值，減低轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)階段的能量消耗，從而提高了該類風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清晰地描述，顯然，描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

結(jié)合圖1～4，本發(fā)明一種馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法由環(huán)形軌道1，軌道小車2，圓柱轉(zhuǎn)子3，轉(zhuǎn)子電機(jī)4，轉(zhuǎn)子方位識(shí)別器5(沿環(huán)形軌道對(duì)應(yīng)10°圓心角，均布36個(gè))，蓄能正轉(zhuǎn)緩沖輪6，蓄能反轉(zhuǎn)緩沖輪7，蓄能反向轉(zhuǎn)換傳動(dòng)齒輪副8，蓄能機(jī)構(gòu)移位滑臺(tái)9，蓄能機(jī)構(gòu)移位絲杠10，蓄能機(jī)構(gòu)移位電機(jī)11，行程開關(guān)12(正反方向各一個(gè))，緩沖輪加壓彈簧13(正反方向各一個(gè))，轉(zhuǎn)子第一反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)14，轉(zhuǎn)子第一減速區(qū)15，轉(zhuǎn)子第一反轉(zhuǎn)加速區(qū)16，轉(zhuǎn)子第二反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)17，轉(zhuǎn)子第二減速區(qū)18，轉(zhuǎn)子第二反轉(zhuǎn)加速區(qū)19，風(fēng)向風(fēng)速傳感器20，總控制器21，變頻式電機(jī)調(diào)速器22，電磁剎車器23，轉(zhuǎn)速傳感器24等組成。

其中環(huán)形軌道1，軌道小車2，圓柱轉(zhuǎn)子3，是馬達(dá)拉斯(madaras)轉(zhuǎn)子的馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)的基本組成，其工作原理是：如圖1所示，在繞環(huán)形軌道1上運(yùn)行的軌道小車2的平臺(tái)上，垂直安裝有由外力驅(qū)動(dòng)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓柱轉(zhuǎn)子3，該轉(zhuǎn)子在 圖1所示由左向右的來流風(fēng)力場(chǎng)中將在圓柱轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生垂直轉(zhuǎn)子軸線及風(fēng)向并指向上方的升力和與風(fēng)向相反的阻力，該現(xiàn)象被稱為馬格納斯(magnus)效應(yīng)，升力和阻力的合力驅(qū)動(dòng)小車前行，小車車輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

由于馬格納斯(magnus)效應(yīng)產(chǎn)生的升力方向由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向確定，因此圓柱轉(zhuǎn)子根據(jù)來流風(fēng)向等因素在小車?yán)@環(huán)形軌道運(yùn)行一周的過程中需要兩次變換旋轉(zhuǎn)方向，以獲得持續(xù)驅(qū)動(dòng)小車沿軌道往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。

在該技術(shù)首次出現(xiàn)的20世紀(jì)30年代，由于相關(guān)基礎(chǔ)理論研究欠缺，且受控制手段的限制，只能依靠大量繁復(fù)的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)上述功能，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子換向和運(yùn)行能耗過大，最終因風(fēng)力機(jī)效率不高而被放棄，本發(fā)明實(shí)施例提供一種有效減低能耗的馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法，目的是用現(xiàn)有技術(shù)克服原型機(jī)的缺陷，使其成為一種有使用價(jià)值的垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)。

裝有馬達(dá)拉斯(madaras)轉(zhuǎn)子的馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)的原型機(jī)基本組成是：橢圓形軌道，軌道小車和車載圓柱轉(zhuǎn)子，如圖1所示，本實(shí)施例把橢圓形軌道改為環(huán)形軌道(圖1中，軌道半徑與小車尺寸比例被縮小)，其他基本結(jié)構(gòu)布置不變。

圓柱轉(zhuǎn)子3在軌道小車2上做自傳運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的機(jī)架安裝在小車平臺(tái)上，軌道小車受圓柱轉(zhuǎn)子產(chǎn)生升力的驅(qū)動(dòng)，在鋼軌上做圓周運(yùn)動(dòng)；

在環(huán)形軌道平面把軌道分成36個(gè)方位區(qū)段(每一方位區(qū)段對(duì)應(yīng)的10°圓心角)，并各自設(shè)置方位識(shí)別器5(圓周上均布36個(gè))。各方位識(shí)別器讀取每個(gè)小車在環(huán)形軌道上所處區(qū)域的方位編碼，并把方位編碼信號(hào)傳送給總控制器21，這樣總控制器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車載圓柱轉(zhuǎn)子3所在軌道的實(shí)際區(qū)域位置；

風(fēng)向風(fēng)速傳感器20安裝在能夠判別現(xiàn)場(chǎng)主力風(fēng)向的地方，并盡量不受風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的影響，傳感器分辨率和精度應(yīng)滿足圓柱轉(zhuǎn)子方位判別的需要，并把測(cè)量到的實(shí)時(shí)風(fēng)向風(fēng)速通過數(shù)據(jù)線傳遞給總控制器21；

總控制器21接受傳感器20傳送的實(shí)時(shí)信號(hào)，判斷出圓柱轉(zhuǎn)子的第一反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)14在環(huán)形軌道上的方位，并以此區(qū)間為中心向前開辟出一個(gè)區(qū)段作為圓柱轉(zhuǎn)子第一減速區(qū)15，向后開辟一個(gè)區(qū)段作為圓柱轉(zhuǎn)子第一反轉(zhuǎn)加速區(qū)16，同理確定轉(zhuǎn)子第二反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)17，轉(zhuǎn)子第二減速區(qū)18，轉(zhuǎn)子第二反轉(zhuǎn)加速區(qū)19。

如圖2所示，圓柱轉(zhuǎn)子3的機(jī)架安裝在小車2的平板上，并隨小車一起在環(huán)形軌道上運(yùn)動(dòng)，圓柱由安裝在其機(jī)架上的轉(zhuǎn)子電機(jī)4驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速傳感器24用于測(cè)量圓柱轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速，電磁剎車器23安裝圓柱轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)路線上，總控制器21可通過剎車器對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)施制動(dòng)。

如圖2所示，圓柱轉(zhuǎn)子3由圓柱筒通過輻板與其轉(zhuǎn)軸連接，使圓柱筒端內(nèi)部留有可以安裝蓄能器正轉(zhuǎn)緩沖輪6和反轉(zhuǎn)傳緩沖輪7的空間，為安裝方便，兩個(gè)緩沖輪在圓柱筒軸向可以高低錯(cuò)開安裝，其間通過一對(duì)外嚙合的齒輪副8傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)緩沖輪相互反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖1、2、3所示，包含上述兩個(gè)緩沖輪6、7和齒輪副8的蓄能機(jī)構(gòu)通過緩沖輪加壓彈簧13安裝在蓄能機(jī)構(gòu)移位滑臺(tái)9上，通過蓄能機(jī)構(gòu)移位絲杠10與蓄能機(jī)構(gòu)移位電機(jī)11連接(市場(chǎng)上稱線性模組)，由電機(jī)11通過絲杠10、滑臺(tái)9及彈簧13(圖2、3所示，彈簧與兩個(gè)導(dǎo)向桿平行安裝)帶動(dòng)緩沖輪6和7移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)緩沖輪靠緊圓柱筒內(nèi)壁，并在加壓彈簧13變形到一定程度后，觸動(dòng)行程開關(guān)12動(dòng)作，電機(jī)11反向，滑臺(tái)帶動(dòng)緩沖輪后退，脫離與圓柱筒內(nèi)壁的接觸。

如圖2和圖3所示，要求圓柱筒內(nèi)壁與蓄能裝置緩沖輪6、7接觸的內(nèi)壁部分光滑規(guī)整，兩個(gè)緩沖輪的外緣周上使用具有較大摩擦力和緩沖功能的材料，適當(dāng)提高蓄能機(jī)構(gòu)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)件的質(zhì)量和質(zhì)量分布，以提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高其機(jī)械蓄能量。

如圖2所示，圓柱筒3的轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過連軸器與轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)4輸出軸連接，總控制器21通過控制變頻式電機(jī)調(diào)速器22對(duì)電動(dòng)機(jī)4進(jìn)行正向、反向旋轉(zhuǎn)的變頻驅(qū)動(dòng)控制。

以下結(jié)合圖4所示控制框圖，敘述馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法的控制工作過程：風(fēng)力機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中啟動(dòng)后，總控制器21根據(jù)從風(fēng)向風(fēng)速傳感器20采集到的風(fēng)向風(fēng)速信號(hào)，在環(huán)形軌道上確定兩個(gè)反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)14和17所處方位，并在環(huán)路上設(shè)定兩個(gè)換向減速區(qū)15、18和兩個(gè)反轉(zhuǎn)加速區(qū)16、19的入口和出口方位角；

總控制器21隨即掃描各風(fēng)力機(jī)圓柱轉(zhuǎn)子方位識(shí)別器5(如風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子不止一個(gè))，若轉(zhuǎn)子處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)方位區(qū)間，總控制器21分別向各轉(zhuǎn)子的變頻調(diào)速器22發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，并由低頻逐漸提高變頻信號(hào)，電動(dòng)機(jī)4在變頻調(diào)速器22驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)其圓柱轉(zhuǎn)子緩慢啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)；

轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱轉(zhuǎn)子隨即在來流風(fēng)速下產(chǎn)生馬格納斯(magnus)效應(yīng)，產(chǎn)生的升力將推動(dòng)軌道小車向預(yù)定的環(huán)路方向前進(jìn)；如當(dāng)總控制器21通過方位識(shí)別器5監(jiān)測(cè)到某一個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)入第一換向減速區(qū)后，立刻停止對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，圓柱轉(zhuǎn)子在其慣性的驅(qū)動(dòng)下和轉(zhuǎn)子電機(jī)一起自由轉(zhuǎn)動(dòng)；

總控制器21隨即向蓄能機(jī)構(gòu)移位電機(jī)11發(fā)出正向轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，移位電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)蓄能機(jī)構(gòu)正轉(zhuǎn)緩沖輪6靠向圓柱筒3一側(cè)內(nèi)壁，與圓柱筒內(nèi)壁接觸后，移位電動(dòng)機(jī)11繼續(xù)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，移位滑臺(tái)9壓縮加壓彈簧13緩慢增加緩沖輪6與圓柱筒3內(nèi)壁的接觸壓力，緩沖輪6在圓柱筒3的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并通過傳動(dòng)齒輪副8帶動(dòng)緩沖輪7反向轉(zhuǎn)換；

緩沖輪6的轉(zhuǎn)速逐漸提高，圓柱筒3的轉(zhuǎn)速逐漸降低，最終兩者接觸處的線速度趨 于一致，蓄能機(jī)構(gòu)完成對(duì)轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動(dòng)能量的接收，當(dāng)移位滑臺(tái)9觸碰到行程開關(guān)12后，總控制器21控制移位電機(jī)11反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)緩沖輪6脫離與轉(zhuǎn)子3內(nèi)壁接觸，返回初始位置；

上述圓柱轉(zhuǎn)子的能量被部分轉(zhuǎn)移到蓄能機(jī)構(gòu)后，其轉(zhuǎn)速已大幅下降，小車進(jìn)入反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)14方位角后，總控制器21控制電磁剎車器23對(duì)轉(zhuǎn)子制動(dòng)，隨后及時(shí)撤出剎車信號(hào)，電磁剎車器復(fù)位；

電磁剎車器復(fù)位后，總控制器21控制電機(jī)11反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)蓄能機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)緩沖輪7靠向圓柱筒3的另一側(cè)內(nèi)壁，同前述，電機(jī)11繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，移位滑臺(tái)9反向壓縮加壓彈簧13增加緩沖輪7與圓柱筒3內(nèi)壁的接觸壓力，圓柱筒在緩沖輪7的帶動(dòng)下開始反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并隨著兩者接觸壓力的增加，接觸處的線速度趨于一致，蓄能機(jī)構(gòu)完成對(duì)轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動(dòng)的能量傳遞，當(dāng)移位滑臺(tái)9觸碰到另一側(cè)行程開關(guān)12后，電機(jī)11變向轉(zhuǎn)動(dòng)(正轉(zhuǎn))，帶動(dòng)緩沖輪7脫離與圓柱筒內(nèi)壁接觸，返回到初始位置停止。

總控制器21隨后根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器24測(cè)得轉(zhuǎn)子電機(jī)4的初始反向轉(zhuǎn)速，通過變頻式電機(jī)調(diào)速器22向轉(zhuǎn)子電機(jī)4發(fā)出漸進(jìn)提升的反向驅(qū)動(dòng)頻率，并在其載體小車馳離第一反轉(zhuǎn)加速區(qū)16前把圓柱轉(zhuǎn)子加速到預(yù)定轉(zhuǎn)速，圓柱轉(zhuǎn)子完成本次轉(zhuǎn)向。

同理，當(dāng)軌道小車2進(jìn)入圓柱筒轉(zhuǎn)子第二減速區(qū)18，第二反轉(zhuǎn)切換點(diǎn)17，和第二反轉(zhuǎn)加速區(qū)19后，動(dòng)作過程與前述相似，只是緩沖輪7首先靠向圓柱筒另一側(cè)的內(nèi)壁，其它動(dòng)作過程類推。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種馬格納斯(magnus)效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)控制與實(shí)施方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。