馬達智財聯盟 Motor Intellectual Property Alliance

磁性行星齒輪系於可變慣量器與能量回存器之研製

作者	黃政棋、蔡明祺
摘要	由於石油危機，綠能逐漸受到重視。本文提出高效率磁性行星齒輪系為主的可變慣量器與能量回存器，以回存工廠機具加工時耗損的間歇能源。該無油封的非接觸式磁性行星齒輪系具有過負載保護機制。可變慣量器即是一採用三端點行星齒輪系之可控等效慣量機絨裝置，並利用行星齒輪系具兩輸入一輸出應用模式進行實現。本文探討之可變慣量器為具有一外在能量輸入的行星臂端、一個具有前饋控制機制的外環輪端、與一能量調和輸出的太陽輪端，基於慣質器與阻抗控制的設計概念，該可變慣量器之外環驅動馬達可用於控制行星臂端的等效慣量。本研究首先針對行星齒輪系之齒輪對上各接觸點的切線速度關係，採用控制學方塊圖法建立運動關係方塊圖，推導分析其各種可能的應用模式之機構輸入輸出運動關係。由控制學的回授與前饋機制描述機構上的增速與減速功能。並引入靈敏度與特徵方程式分析行星齒輪系各應用模式特點。以行星臂的轉矩為輸入、加速度為輸出，控制方塊圖法亦用以推導可變慣量器的動態模型，可變慣量器動態模型整合馬達動態模型、控制架構與行星齒輪動態模型，並以此模型進行等效慣量推導與電腦模擬。可變慣量器內控制架構主要採用具前饋之偽微分回授控制(PDFF)，相較於比例積分控制器(PI)，其具有低通濾波特性提供剛性控制效果，能得到較佳的速度輸出響應，並補以具低通濾波效用之估測器得到外擾變動的命令輸出補償。本研究藉由實驗進行驗證以描繪行星臂上等效慣量控制範圍，在採行外環低慣量化設計且外環端的操控頻寬量測結果做為應用間歇場合之條件。最終，包含可變慣量器、發電機與電力轉換器的能量回存器以間歇運動輸入能量之狀況進行實驗，由該實臉分析得到磁性行星齒輪系效率約為92%，並可擷取86至95％的外在間歇能量。
關鍵字	行星齒輪系，磁性齒輪，動態模型，阻抗控制，可變慣量