一體化飛輪減搖器及實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計了一種船用一體化飛輪減搖器，采用了飛輪加減速力矩進(jìn)行減搖，其工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速為零，不需要抽真空，機(jī)械應(yīng)力較低，控制簡單。飛輪的飛輪盤與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子合二為一，極大地簡化了飛輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且增加了飛輪減搖力矩的輸出；減搖力矩作用時間可以持續(xù)控制，減搖周期可以任意調(diào)節(jié)；不需要起動時間，可以瞬時起動進(jìn)行減搖控制；由于飛輪的工作轉(zhuǎn)速較低，因此對船舶的行駛、轉(zhuǎn)向影響非常輕微；加減速時間控制靈活，可以適應(yīng)較長周期的橫搖；響應(yīng)速度非?？欤瑴p搖效果較好；減搖過程中，能量在飛輪和超級電容之間流動，并相互轉(zhuǎn)換，所需外部能量極低；軸承僅需要承受飛輪盤的重量，不需要承受徑向減搖恢復(fù)力矩，因此軸承載荷極小。
【專利說明】
一體化飛輪減搖器及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一體化飛輪減搖器，屬于船舶控制技術(shù)領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】[0002 ]船舶的搖蕩對船舶的舒適性、安全性以及航線的經(jīng)濟(jì)性都有較大的影響。通常船舶最容易發(fā)生的是橫搖，而且橫搖的搖擺幅度最大，對船上人員的影響也最為嚴(yán)重，目前陀螺進(jìn)動減搖裝置廣泛應(yīng)用在小型船舶系統(tǒng)當(dāng)中。
[0003]陀螺減搖器工作時，首先要通過驅(qū)動電機(jī)將陀螺轉(zhuǎn)子加速到極高轉(zhuǎn)速，通常為了減小阻力需要在陀螺中抽真空。然后通過液壓或者電動驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動陀螺轉(zhuǎn)子軸線繞船只橫軸線前后轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生橫向的陀螺力矩，用以消除船體的橫搖。
[0004]由于陀螺本身重量較大，既要驅(qū)動陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，又要驅(qū)動陀螺本體繞橫軸線轉(zhuǎn)動，因此需要耗費(fèi)大量能量，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，可靠性和維護(hù)性均比較低，也增加了系統(tǒng)的體積和重量，同時控制系統(tǒng)也相對比較復(fù)雜。
[0005]為了得到較大的陀螺力矩首先要有較高的陀螺轉(zhuǎn)速，這需要陀螺減搖器的起動時間非常長才能使陀螺加速到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，而且需要消耗較大的能量，這些能量無法回收。
[0006]陀螺減搖器首先需要轉(zhuǎn)子工作在高轉(zhuǎn)速下才能獲得較大的進(jìn)動力矩，因此對軸承要求較高，系統(tǒng)極為復(fù)雜;另外所有減搖力矩均作用在軸承的垂直方向上，傳統(tǒng)滾動軸承和滑動軸承難以承受轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速下極高的徑向載荷，軸承磨損嚴(yán)重，設(shè)備功耗很大。
[0007]當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)速一定時，保持額定轉(zhuǎn)速，這樣要增加陀螺減搖力矩必須增加進(jìn)動角速度，然而陀螺軸進(jìn)動的角度范圍有限，要增加進(jìn)動角速度，就會減少進(jìn)動時間，這個時間必須大于波浪引起橫搖的周期，如果橫搖周期較長，就要降低進(jìn)動角速度，因此減搖效果就會受到限制。
[0008]當(dāng)船舶轉(zhuǎn)向時，陀螺減搖器會產(chǎn)生縱搖力矩引起縱搖，這是不希望出現(xiàn)的效果，不僅讓船上人員趕到不適，還會引起額外的行駛阻力。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提出了一種船用一體化飛輪減搖器。采用了飛輪加減速力矩進(jìn)行減搖，其工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速為零，不需要抽真空，機(jī)械應(yīng)力較低，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、控制簡單。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0011]本發(fā)明提出一種一體化飛輪減搖器，其特征在于，包括船體、飛輪、姿態(tài)傳感器、安裝支架、控制器、超級電容、整流器、交流電源；
[0012]所述控制器連接轉(zhuǎn)飛輪和姿態(tài)傳感器，并與超級電容所在的直流母線相連接，交流電源經(jīng)過整流器連接到超級電容所在的直流母線；[〇〇13]所述姿態(tài)傳感器安裝于船體上，飛輪軸與船體軸線平行并穿過船體的重心，系統(tǒng)其它部分安裝于船體的艙內(nèi)。
[0014]本發(fā)明提出的一體化飛輪減搖器，其特征在于，所述飛輪采用一體化的開關(guān)磁阻電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)包括安裝盤定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸、外殼、軸承、端蓋、轉(zhuǎn)子位置傳感器;所述定子的齒上僅有集中式繞組，轉(zhuǎn)子僅有凸極結(jié)構(gòu)，沒有任何繞組和永磁體等結(jié)構(gòu)，定子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)均為偶數(shù)，且相差2N，N為正整數(shù)，飛輪中的飛輪盤與開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子合為一體。
[0015]本發(fā)明提出的一體化飛輪減搖器，其特征在于，所述控制器包括功率開關(guān)、續(xù)流二極管、控制板、電流傳感器、電壓傳感器；
[0016]所述功率開關(guān)與續(xù)流二極管組成三相不對稱半橋向一體化的開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪供電，定子繞組串聯(lián)在三相不對稱半橋之中，三相不對稱半橋的直流側(cè)與超級電容連接，電壓傳感器檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器檢測飛輪側(cè)電流，所檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板，控制板輸出PWM控制信號分別給功率開關(guān)，同時控制板與姿態(tài)傳感器相連接，實(shí)時監(jiān)測船體的姿態(tài)，并通過飛輪進(jìn)行減搖控制。
[0017]本發(fā)明提出的一體化飛輪減搖器，其特征在于，根據(jù)工況不同，一體化飛輪減搖器工作過程具體包括4個模態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0018]步驟A:飛輪逆時針加速，控制器從超級電容吸收電能控制飛輪逆時針加速，同時產(chǎn)生順時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)1;
[0019]步驟B:飛輪逆時針減速，控制器控制飛輪進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，并將電能存入超級電容， 這時飛輪逆時針減速，同時產(chǎn)生逆時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)2;
[0020]步驟C:飛輪順時針加速，控制器從超級電容吸收電能控制飛輪順時針加速，同時產(chǎn)生逆時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)3;[0021 ]步驟D:飛輪順時針減速，控制器控制飛輪進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，并將電能存入超級電容， 這時飛輪順時針減速，同時飛輪產(chǎn)生順時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)4;
[0022]步驟E:控制板檢測轉(zhuǎn)子位置傳感器計算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，再通過姿態(tài)傳感器檢測出船體的橫搖狀態(tài)，根據(jù)控制策略重復(fù)以上4個控制模態(tài)。
[0023]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果:[〇〇24]本發(fā)明的一個效果在于，采用了飛輪加減速力矩進(jìn)行減搖，其工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速為零， 不需要抽真空，機(jī)械應(yīng)力較低，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。
[0025]本發(fā)明的一個效果在于，飛輪的飛輪盤與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子合二為一，極大地簡化了飛輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且增加了飛輪減搖力矩的輸出。
[0026]本發(fā)明的一個效果在于，減搖力矩作用時間可以持續(xù)控制，因此減搖周期可以任意調(diào)節(jié)。
[0027]本發(fā)明的一個效果在于，飛輪的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)為零，因此不需要起動時間，可以瞬時起動進(jìn)行減搖控制。
[0028]本發(fā)明的一個效果在于，由于飛輪的工作轉(zhuǎn)速較低，因此對船舶的行駛、轉(zhuǎn)向影響非常輕微。
[0029]本發(fā)明的一個效果在于，由于減搖力矩是通過飛輪加減速控制得到的，因此加減速時間控制靈活，可以適應(yīng)較長周期的橫搖。
[0030]本發(fā)明的一個效果在于，飛輪減搖力矩是通過飛輪加減速得到的，響應(yīng)速度非?？欤虼藴p搖效果較好。
[0031]本發(fā)明的一個效果在于，減搖過程中，能量在飛輪和超級電容之間流動，并相互轉(zhuǎn)換，所需外部能量極低。
[0032]本發(fā)明的一個效果在于，軸承僅需要承受飛輪盤的重量，不需要承受徑向減搖恢復(fù)力矩，因此軸承載荷極小?！靖綀D說明】
[0033]圖1是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器安裝示意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器安裝后視圖；
[0035]圖3是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器控制系統(tǒng)原理圖；
[0036]圖4是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器飛輪結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖5是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器的開關(guān)磁阻電機(jī)截面圖；[〇〇38]圖6是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器的開關(guān)磁阻電機(jī)三維圖；
[0039]圖7是傳統(tǒng)陀螺減搖器中陀螺結(jié)構(gòu)的截面示意圖；
[0040]圖8是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器的控制器原理圖；[0041 ]圖9是本發(fā)明中一體化飛輪減搖器系統(tǒng)波形圖。
[0042]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件:1、船體2、飛輪3、姿態(tài)傳感器4、安裝支架5、吃水線6、中垂線7、控制器8、超級電容9、整流器10、交流電源201、安裝盤202、定子 203、定子繞組204、轉(zhuǎn)子205、轉(zhuǎn)子軸206、外殼207、軸承208、端蓋209、轉(zhuǎn)子位置傳感器210、陀螺驅(qū)動電機(jī)211、陀螺盤701、功率開關(guān)702、續(xù)流二極管703、控制板704、電流傳感器705、電壓傳感器【具體實(shí)施方式】 [〇〇43] 實(shí)施例:
[0044]所述一體化飛輪減搖器，其特征在于，包括船體1、飛輪2、姿態(tài)傳感器(3)、安裝支架4、控制器7、超級電容8、整流器9、交流電源10,如圖1、圖2所示。飛輪2的軸與船體1軸線平行并穿過船體1的重心，也就是說飛輪2的軸與吃水線5中垂線6垂直，并經(jīng)過船體1的重心， 系統(tǒng)其它部分安裝于船體1的艙內(nèi)，當(dāng)然也可以安裝在其他位置，但是減搖效果會受到影響。
[0045]所述控制器7連接轉(zhuǎn)飛輪2和姿態(tài)傳感器6,并與超級電容8所在的直流母線相連接，交流電源10經(jīng)過整流器9連接到超級電容8所在的直流母線，如圖3所示。
[0046]所述姿態(tài)傳感器3安裝于船體1上，如圖1所示。姿態(tài)傳感器3由角加速度傳感器、加速度計、和電子羅盤組成，共設(shè)置三組傳感器，分別與船體1的三個軸線平行。傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣傳輸給控制器7并進(jìn)行數(shù)字信號處理后用于控制策略中。
[0047]所述一體化飛輪減搖器，其特征在于，所述飛輪2采用一體化的開關(guān)磁阻電機(jī)，由安裝盤201、定子202、定子繞組203、轉(zhuǎn)子204、轉(zhuǎn)子軸205、外殼206、軸承207、端蓋208、轉(zhuǎn)子位置傳感器209組成，如圖4-6所示;所述定子202的齒上僅有集中式繞組，轉(zhuǎn)子204僅有凸極結(jié)構(gòu)，沒有任何繞組和永磁體等結(jié)構(gòu)，定子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)均為偶數(shù)，且相差2N，N為正整數(shù)。
[0048]傳統(tǒng)陀螺減搖器如圖7所示，由陀螺驅(qū)動電機(jī)210和陀螺盤211組成。由于空間所限，陀螺驅(qū)動電機(jī)210功率較小，驅(qū)動陀螺盤211起動需要較長的時間。本發(fā)明中飛輪(2)采用一體化開關(guān)磁阻電機(jī)，其轉(zhuǎn)子204是由鐵芯組成，在鐵芯上設(shè)有凸極，見圖5。因此可以利用轉(zhuǎn)子204作為飛輪盤使用進(jìn)行一體化設(shè)計，這樣結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，而且可以提高飛輪2輸出的減搖力矩。如果采用其他電機(jī)，如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)等，也可以將驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子作為飛輪盤，進(jìn)行一體化設(shè)計，提高系統(tǒng)的性能，降低成本。
[0049]所述一體化飛輪減搖器，其特征在于，所述控制器7由功率開關(guān)701、續(xù)流二極管 702、控制板703、電流傳感器704、電壓傳感器705組成，圖8中6個功率開關(guān)701與6個續(xù)流二極管702組成三相不對稱半橋向一體化的開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪2供電，的定子繞組203串聯(lián)在三相不對稱半橋之中，因此不會出現(xiàn)橋臂短路現(xiàn)象，系統(tǒng)可靠性較高。如果增加不對稱半橋的數(shù)量，可以組成任意相數(shù)的驅(qū)動控制器。三相不對稱半橋的直流側(cè)與超級電容8連接，電壓傳感器705檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器704檢測飛輪側(cè)電流，所檢測到的電壓和電流信號傳遞給控制板70)，控制板703輸出P麗控制信號分別給6個功率開關(guān)701，同時控制板703 與姿態(tài)傳感器3相連接，實(shí)時監(jiān)測船體1的姿態(tài)，并通過飛輪2進(jìn)行減搖控制。由于飛輪2減搖控制時需要進(jìn)行加減速控制，因此需要不斷將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，能量的緩沖是由超級電容8完成的。實(shí)際消耗的能量非常小，需要船上的交流電源10通過整流器9提供。
[0050]所述一體化飛輪減搖器，根據(jù)工況不同，一體化飛輪減搖器工作過程具體包括4個模態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0051]步驟A:飛輪2逆時針加速，控制器7從超級電容8吸收電能控制開關(guān)磁阻電機(jī)逆時針加速，同時飛輪2產(chǎn)生順時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)1;[〇〇52]步驟B:飛輪2逆時針減速，控制器7控制開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，并將電能存入超級電容8,這時開關(guān)磁阻電機(jī)逆時針減速，同時飛輪2產(chǎn)生逆時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)2;[〇〇53]步驟C:飛輪2順時針加速，控制器7從超級電容8吸收電能控制開關(guān)磁阻電機(jī)順時針加速，同時飛輪2產(chǎn)生逆時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)3;[〇〇54]步驟D:飛輪2順時針減速，控制器7控制開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，并將電能存入超級電容8,這時開關(guān)磁阻電機(jī)順時針減速，同時飛輪2產(chǎn)生順時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)4;[〇〇55]步驟E:控制板703檢測轉(zhuǎn)子位置傳感器209計算出轉(zhuǎn)子204的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，再通過姿態(tài)傳感器3檢測出船體1的橫搖狀態(tài)，根據(jù)控制策略重復(fù)以上4個控制模態(tài)。
[0056]系統(tǒng)輸出波形如圖9所示，飛輪輸出減搖力矩與船體1的橫搖角速度相位差180°。
[0057]對所公開的實(shí)施例的上述說明，僅用于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，因此本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和創(chuàng)新點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一體化飛輪減搖器，其特征在于，包括船體(1)、飛輪(2)、姿態(tài)傳感器(3)、安裝支架 (4)、控制器(7)、超級電容(8)、整流器(9)、交流電源(10);所述控制器(7)連接轉(zhuǎn)飛輪(2)和姿態(tài)傳感器(6)，并與超級電容(8)所在的直流母線相 連接，交流電源(10)經(jīng)過整流器(9)連接到超級電容(8)所在的直流母線；所述姿態(tài)傳感器(3)安裝于船體(1)上，飛輪(2)軸與船體(1)軸線平行并穿過船體(1) 的重心，系統(tǒng)其它部分安裝于船體(1)的艙內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的一體化飛輪減搖器，其特征在于，所述飛輪(2)采用一體化的開 關(guān)磁阻電機(jī)，包括安裝盤(201)、定子(202)、定子繞組(203)、轉(zhuǎn)子(204)、轉(zhuǎn)子軸(205)、外殼 (206)、軸承(207)、端蓋(208)、轉(zhuǎn)子位置傳感器(209);所述定子(202)的齒上僅有集中式繞組，轉(zhuǎn)子(204)僅有凸極結(jié)構(gòu)，定子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子齒 數(shù)均為偶數(shù)，且相差2N，N為正整數(shù)，飛輪(2)中的飛輪盤與轉(zhuǎn)子(204)合為一體。3.如權(quán)利要求1所述的一體化飛輪減搖器，其特征在于，所述控制器(7)包括功率開關(guān) (701)、續(xù)流二極管(702)、控制板(703)、電流傳感器(704)、電壓傳感器(705);所述功率開關(guān)(701)與續(xù)流二極管(702)組成三相不對稱半橋向飛輪(2)供電，飛輪(2) 的定子繞組(203)串聯(lián)在三相不對稱半橋之中，三相不對稱半橋的直流側(cè)與超級電容(8)連 接，電壓傳感器(705)檢測直流側(cè)電壓，電流傳感器(704)檢測飛輪側(cè)電流，所檢測到的電壓 和電流信號傳遞給控制板(703)，控制板(703)輸出P麗控制信號分別給功率開關(guān)(701)，同 時控制板(703)與姿態(tài)傳感器(3)相連接，實(shí)時監(jiān)測船體(1)的姿態(tài)，并通過飛輪(2)進(jìn)行減 搖控制。4.一體化飛輪減搖器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，根據(jù)工況不同，一體化飛輪減搖器工作 過程具體包括4個模態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如下:步驟A:飛輪(2)逆時針加速，控制器(7)從超級電容(8)吸收電能控制飛輪(2)逆時針加 速，同時產(chǎn)生順時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)1;步驟B:飛輪(2)逆時針減速，控制器(7)控制飛輪(2)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，并將電能存入超級 電容(8 )，這時飛輪(2)逆時針減速，同時產(chǎn)生逆時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)2;步驟C:飛輪(2)順時針加速，控制器(7)從超級電容(8)吸收電能控制飛輪(2)順時針加 速，同時產(chǎn)生逆時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)3;步驟D:飛輪(2)順時針減速，控制器(7)控制飛輪(2)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，并將電能存入超級 電容(8 )，這時飛輪(2)順時針減速，同時飛輪(2)產(chǎn)生順時針減搖恢復(fù)力矩，此為模態(tài)4;步驟E:控制板(703)檢測轉(zhuǎn)子位置傳感器(209)計算出轉(zhuǎn)子(204)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，再通 過姿態(tài)傳感器(3)檢測出船體(1)的橫搖狀態(tài)，根據(jù)控制策略重復(fù)以上4個控制模態(tài)。
【文檔編號】B63B39/04GK105947139SQ201610466044
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】冬雷
【申請人】北京動力京工科技有限公司, 冬雷