WO2021042650A1 - 非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法 - Google Patents

非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法 Download PDF

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Abstract

一种非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法，包括非线性力矩输入单元(1)、力矩耦合单元(2、4)、机械储能单元(3)、线性力矩输出单元(5)四部分，在非线性力矩与线性力矩之间，建立力矩耦合与储能机构，在实现非线性力矩与线性力矩的耦合过程中，通过机械储能单元(3)的作用保持线性能量的稳定输出，非线性力矩与线性力矩耦合与机械储能同步进行，提高非线性能量的有效利用率，可将自然界的风力、海浪、潮汐等非线性能量经过机械耦合成为可控的线性能量，不产生二次污染，可用于自然界风能，波浪能、潮汐能等可持续绿色能源的开发应用。

Description

非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法 技术领域
本发明属于一种非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法，特别涉及将自然界间歇性的、波动的、随机的非线性能量的力矩耦合为连续的、稳定的、可控的线性能量的力矩输出，并且在耦合过程中进行能量储存的方法及装置。
背景技术
目前，公知的自然界的能量，例如风能、海浪能、潮汐能等大多数是间歇性的、波动的、随机性的非线性能量，无法直接利用，需要将能量是以旋转力矩的形式进行收集、以势能的形式进行存储后，再转换成连续的、稳定的、可控的线性能量进行利用，例如筑坝蓄水、超级电容、化学蓄电池、液流储能电池等，但受到投资巨大，使用成本高，转化效率低等条件的制约。
小型风力发电机是将风能通过叶轮、变速机构、发电机转变为电能，储存到蓄电池，再通过直流/交流逆变器调制成50Hz工频电源供给终端用户，其弊端是化学蓄电池不仅成本高、寿命短，而且在生产、使用及回收处理过程中产生二次污染。
大中型风力发电机主要有两种形式，其一，风机叶轮是定桨距失速调节型，属于恒速机型，一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值，继而使风电机组并网后定子磁场旋转频率等于电网频率，转子、叶轮的变化范围小，捕获风能的效率低。其二，风机叶轮是变速变距型，一般采用双馈电机或者永磁同步电机，通过调速器和变桨距控制相结合的方法使叶轮转速可以跟随风速的改变在较宽的范围内变化，保持最佳叶尖速比运行，从而使能量捕获效率最大。发电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。相比之下，变速型风力发电机更具优势，但提高控制系统的复杂性和制造成本。
波浪能发电过程中，需要将收集到的间歇性机械能，通过储能设施转化为压力能或重力势能，起到缓冲、存储作用，再用于发电或海水淡化等，储能设施投资高，施工难度大，能量利用率低。
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种将非线性能力矩进行耦合、机械能储存，并转化为线性力矩输出，即将间歇性的、波动的、随机性的非线性能量进行机械耦合、存储后，转化成连续的、稳定的、可控的线性能量，以提高对自然界非线性能量的利用率。
发明内容
本发明提出一种非线性力矩与线性力矩传递与耦合的方法，包括非线性力矩输入，力矩耦合，机械能储存，线性力矩输出四个单元组成，即将非线性能量通过机械装置收集，以力矩的形式作为输入，将所需的线性力矩作为线性能量输出，在非线性力矩与线性力矩之间构建耦合单元和储能单元，即在实现非线性力矩与线性力矩的耦合过程中，通过储能单元实现能量输出的连续性、稳定性、可控性的目的。
本发明的具体实施过程中，力矩耦合和储能单元采用行星齿轮传动机构，在行星齿轮架固定连接同轴旋转的恒力轮，恒力轮上施加设定的恒力，恒力轮和设定的恒力构成恒力矩作用 于行星架及行星齿轮，恒力轮与行星架固定连接为一个整体，绕同一中心轴旋转，非线性力矩、线性力矩以及恒力轮对行星架形成的恒力矩，三者相互作用、耦合，其中，非线性力矩、线性力矩的方向相同，恒力轮力矩与非线性力矩、线性力矩的方向相反，且恒力轮对行星架形成的恒力矩与线性力矩之比是大于零的设定值，具体实施中，所采用的行星轮传动机构的行星齿轮有圆柱齿轮、圆锥齿轮两种形式，上述的恒力轮上施加的设定恒力，可以是重力、弹力、电磁力、流体压力等。
力矩耦合单元中采用的行星齿轮传动机构，行星架与恒力轮固定连接，绕同一转轴旋转，行星轮机构的另外两个元件：齿圈轮和太阳，任选其一作为非线性力矩输入，另一个元件作为线性力矩的输出；在具体实施中，可以将力矩耦合、机械能储存进行多极串联使用，即第一级耦合输出与第二级耦合输入连接，以增强力矩耦合后线性力矩输出的稳定性和精度。
本发明与现有的机械传动技术比较，本发明所使用的行星齿轮机构不仅是力矩传递机构，而且是非线性能量与线性能量的机械耦合单元与机械储能单元。
本发明与现有的离合器不同，现有的离合器，例如电磁离合器、液力耦合器、摩擦离合器等只能同步传递扭矩，或改变速度或方向，不具备能量存储，本发明在耦合力矩的同时兼顾能量存储。
本发明与现有的化学蓄电池比较，本发明不涉及电化学原理，是一种机械结构。
本发明与现有的变压器、电子耦合器比较，本发明不涉及电磁转换，是一种机械结构。
本发明与现有的超级电容比较，本发明涉及宏观机械力学，不涉及微观电子学。
本发明的有益效果是：以机械结构，不可控的非线性能量的力矩耦合为可控的线性能量的力矩输出，提高非线性能量利用率，同时消除由化学蓄电池作为能量存储带来的化学污染、寿命短的弊端，消除双馈电机的无功损耗和复杂的控制系统，提高自然能量的开发利用率，具有成本低，寿命长，运行稳定的特性。
附图说明
下面结合附图和三个实施例，做进一步说明：
附图1是本发明的原理示意图；
附图2是本发明的具体实施例1的结构图；
附图3是本发明的具体实施例1的右视图；
附图4是本发明的具体实施例2的结构图；
附图5是本发明的具体实施例2的右视图；
附图6是本发明的具体实施例3的结构图；
附图1中，在非线性力矩输入(1)和线性力矩输出(5)之间，设置力矩耦合(2)、(4)及储能单元(3)，非线性能量的力矩通过力矩耦合器左侧(2)输入、传递及耦合，再经过力矩耦合器右侧(4)输出线性力矩，在耦合器左侧(2)与耦合器右侧(4)之间设置储能单元(3)，通过机械齿轮啮合，依次将耦合器左侧(2)、储能单元(3)、耦合器右侧(4)构成力矩传动链，其中的储能单元是由恒力轮和外加的一个恒力组成，形成恒力矩(6)，非线性力矩(1)、储能单元(3)、恒力矩(6)及线性力矩(5)在同一轴线上进行力矩传递、耦合， 非线性力矩(1)与线性力矩(5)的力矩方向相同，恒力矩(6)与非线性力矩(1)、线性力矩(5)的方向相反，恒力(6)可以是重力、弹力、电磁力、流体压力等外力，储能单元(3)具有提供恒力矩和机械储能的双重功能。
附图1中，当本发明的机构工作时，非线性力矩(1)瞬时值、恒力矩(6)、线性力矩(5)三者间有以下三种瞬时工况：
其一，当非线性力矩(1)瞬时值与线性力矩(5)之和等于恒力矩(6)时，储能单元(3)处于相对平衡状态；
其二，当非线性力矩(1)瞬时值与线性力矩(5)之和大于恒力矩(6)时，多余的力矩能通过增加储能单元(3)的势能进行吸收，以维持线性力矩(5)输出的恒定值；
其三，当非线性力矩(1)瞬时值与线性力矩(5)之和小于恒定力矩(6)时，存储在储能单元(3)上的势能释放给线性力矩(5)，以维持线性力矩(5)输出的恒定值；
附图2是本发明具体实施例1，主体结构中采用行星齿轮机构，其中的行星齿轮是圆柱齿轮，非线性力矩(2)通过齿轮(1)传递给组合齿轮(3)，组合齿轮(3)的齿圈部分与行星齿轮(4)啮合，行星齿轮(4)安装于行星架(7)，行星架(7)另一侧固定连接恒力轮(5)，在恒力轮(5)圆周上的凹槽内缠绕柔性绳索(6)，绳索末端施加一个恒力与恒力轮共同构成恒力矩作用于行星架(7)及行星齿轮(4)；行星齿轮(4)与太阳轮(11)啮合，太阳轮(11)轴的另一端固定连接齿轮(8)，齿轮(8)与齿轮(9)啮合，齿轮(9)通过轴(10)将线性力矩输出，非线性力矩(2)与线性力矩(10)的输入、输出形式可以互换，非线性力矩旋转轴(2)的轴线、组合齿(3)旋转轴线、行星轮(4)自转轴线、行星轮架(7)及恒力轮(5)公转轴线、太阳轮(11)旋转轴线、线性力矩(10)旋转轴线在立体空间内呈相互平行关系。
附图3是具体实施例1的右视图，图3中恒力轮(5)的凹槽内缠绕柔性绳索(6)。
附图4是本发明具体实施例2，区别于具体实施例1的不同之处是：行星齿轮是圆锥形齿轮，附图4中，非线性力矩通过传动轴(1)及齿轮(2)，与组合齿轮(3)的圆柱齿轮啮合，组合齿轮(3)的圆锥齿轮与圆锥形行星齿轮(4)啮合，圆锥形行星齿轮安装于与主轴(11)垂直的旋转轴(7)，若干个垂直旋转轴(7)的外侧固定连接恒力轮(5)，共同构成圆锥形行星齿轮(4)的行星齿轮架，恒力轮(5)、若干个垂直轴(7)、圆锥形行星齿轮(4)形成一个整体，围绕主轴(11)公转，其中，圆锥形行星齿轮(4)还可以围绕垂直轴(7)自转，恒力轮(5)的凹槽内缠绕柔性绳索，绳索末端施加一个恒力构成恒力矩，锥形行星齿轮(4)与组合齿轮(8)的圆锥齿轮啮合，再通过共轴的组合齿轮(8)与齿轮(9)啮合，由传动轴(10)输出线性力矩。
附图5是具体实事例2的右视图，附图5中，恒力轮(5)的凹槽内缠绕柔性绳索(6)。
附图6是具体实施例3，将力矩耦合单元、机械能储存单元进行多极串联，即第一级耦合输出与第二级耦合输入连接，以增强力矩耦合效果，提高线性力矩输出的稳定性和精度。

Claims (8)

  1. 一种非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法，包括非线性力矩输入、力矩耦合、机械能储存、线性力矩输出组成，力矩耦合中采用的行星齿轮传动机构，其特征在于：在行星齿轮架同轴固定连接恒力轮，恒力轮上施加设定的恒力，恒力轮与设定的恒力共同构成的恒力矩作用于行星架及行星齿轮；
  2. 根据权利要求1所述的恒力轮，其特征在于恒定力矩轮与行星架固定连接为一个整体，通过轴承定位安装，绕同一中心轴旋转；
  3. 根据权利要求1所述的非线性力矩输入、线性力矩输出，其特征在于非线性力矩、线性力矩的方向相同，恒力轮的恒力矩与非线性力矩、线性力矩的方向相反；
  4. 根据权利要求1所述的非线性力矩、线性力矩以及恒力轮对行星架形成的恒力矩，三者相互作用、耦合，且恒力轮对行星架形成的恒力矩与线性力矩之比是大于零的设定值；
  5. 根据权利要求1所述的行星轮传动机构，其特征在于具体实施过程中，行星齿轮有圆柱齿轮、圆锥齿轮两种形式；
  6. 根据权利要求1所述的恒力轮上施加设定的恒力，包括：重力、弹力、电磁力、流体压力；
  7. 一种非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法，力矩耦合中采用的行星齿轮传动机构，其特征在于行星架与恒力轮同轴固定连接，行星齿轮机构的另外两个元件——齿圈轮和太阳，任选其一作为非线性力矩输入，另一个元件作为线性力矩的输出；
  8. 一种非线性力矩与线性力矩的机械耦合方法，力矩耦合中采用的行星齿轮传动机构，其特征在于具体实施中可以将力矩耦合、机械能储存进行多极串联使用，即第一级耦合输出与第二级耦合输入连接。
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