一体化飞轮减摇器制造技术

本实用新型专利技术设计了一种船用一体化飞轮减摇器，采用了飞轮加减速力矩进行减摇，其工作点转速为零，不需要抽真空，机械应力较低，控制简单。飞轮的飞轮盘与驱动电机的转子合二为一，极大地简化了飞轮的机械结构，并且增加了飞轮减摇力矩的输出；减摇力矩作用时间可以持续控制，减摇周期可以任意调节；不需要起动时间，可以瞬时起动进行减摇控制；由于飞轮的工作转速较低，因此对船舶的行驶、转向影响非常轻微；加减速时间控制灵活，可以适应较长周期的横摇；响应速度非常快，减摇效果较好；减摇过程中，能量在飞轮和超级电容之间流动，并相互转换，所需外部能量极低；轴承仅需要承受飞轮盘的重量，不需要承受径向减摇恢复力矩，因此轴承载荷极小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一体化飞轮减摇器，属于船舶控制

技术介绍
船舶的摇荡对船舶的舒适性、安全性以及航线的经济性都有较大的影响。通常船舶最容易发生的是横摇，而且横摇的摇摆幅度最大，对船上人员的影响也最为严重，目前陀螺进动减摇装置广泛应用在小型船舶系统当中。陀螺减摇器工作时，首先要通过驱动电机将陀螺转子加速到极高转速，通常为了减小阻力需要在陀螺中抽真空。然后通过液压或者电动驱动系统，驱动陀螺转子轴线绕船只横轴线前后转动，从而产生横向的陀螺力矩，用以消除船体的横摇。由于陀螺本身重量较大，既要驱动陀螺转子高速旋转，又要驱动陀螺本体绕横轴线转动，因此需要耗费大量能量，而且机械结构也非常复杂，可靠性和维护性均比较低，也增加了系统的体积和重量，同时控制系统也相对比较复杂。为了得到较大的陀螺力矩首先要有较高的陀螺转速，这需要陀螺减摇器的起动时间非常长才能使陀螺加速到规定的转速，而且需要消耗较大的能量，这些能量无法回收。陀螺减摇器首先需要转子工作在高转速下才能获得较大的进动力矩，因此对轴承要求较高，系统极为复杂；另外所有减摇力矩均作用在轴承的垂直方向上，传统滚动轴承和滑动轴承难以承受转子高转速下极高的径向载荷，轴承磨损严重，设备功耗很大。当陀螺转速一定时，保持额定转速，这样要增加陀螺减摇力矩必须增加进动角速度，然而陀螺轴进动的角度范围有限，要增加进动角速度，就会减少进动时间，这个时间必须大于波浪引起横摇的周期，如果横摇周期较长，就要降低进动角速度，因此减摇效果就会受到限制。当船舶转向时，陀螺减摇器会产生纵摇力矩引起纵摇，这是不希望出现的效果，不仅让船上人员赶到不适，还会引起额外的行驶阻力。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术所存在的问题，提出了一种船用一体化飞轮减摇器。采用了飞轮加减速力矩进行减摇，其工作点转速为零，不需要抽真空，机械应力较低，而且结构简单、体积小、重量轻、控制简单。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术提出一种一体化飞轮减摇器，其特征在于，包括船体、飞轮、姿态传感器、安装支架、控制器、超级电容、整流器、交流电源；所述控制器连接转飞轮和姿态传感器，并与超级电容所在的直流母线相连接，交流电源经过整流器连接到超级电容所在的直流母线；所述姿态传感器安装于船体上，飞轮轴与船体轴线平行并穿过船体的重心，系统其它部分安装于船体的舱内。本专利技术提出的一体化飞轮减摇器，其特征在于，所述飞轮采用一体化的开关磁阻电机，开关磁阻电机包括安装盘定子、定子绕组、转子、转子轴、外壳、轴承、端盖、转子位置传感器；所述定子的齿上仅有集中式绕组，转子仅有凸极结构，没有任何绕组和永磁体等结构，定子齿数与转子齿数均为偶数，且相差2N，N为正整数，飞轮中的飞轮盘与开关磁阻电机的转子合为一体。本专利技术提出的一体化飞轮减摇器，其特征在于，所述控制器包括功率开关、续流二极管、控制板、电流传感器、电压传感器；所述功率开关与续流二极管组成三相不对称半桥向一体化的开关磁阻电机飞轮供电，定子绕组串联在三相不对称半桥之中，三相不对称半桥的直流侧与超级电容连接，电压传感器检测直流侧电压，电流传感器检测飞轮侧电流，所检测到的电压和电流信号传递给控制板，控制板输出PWM控制信号分别给功率开关，同时控制板与姿态传感器相连接，实时监测船体的姿态，并通过飞轮进行减摇控制。本专利技术提出的一体化飞轮减摇器，其特征在于，根据工况不同，一体化飞轮减摇器工作过程具体包括4个模态，实现步骤如下：步骤A：飞轮逆时针加速，控制器从超级电容吸收电能控制飞轮逆时针加速，同时产生顺时针减摇恢复力矩，此为模态1；步骤B：飞轮逆时针减速，控制器控制飞轮进入发电状态，并将电能存入超级电容，这时飞轮逆时针减速，同时产生逆时针减摇恢复力矩，此为模态2；步骤C：飞轮顺时针加速，控制器从超级电容吸收电能控制飞轮顺时针加速，同时产生逆时针减摇恢复力矩，此为模态3；步骤D：飞轮顺时针减速，控制器控制飞轮进入发电状态，并将电能存入超级电容，这时飞轮顺时针减速，同时飞轮产生顺时针减摇恢复力矩，此为模态4；步骤E：控制板检测转子位置传感器计算出转子的转速和转向，再通过姿态传感器检测出船体的横摇状态，根据控制策略重复以上4个控制模态。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点和效果：本专利技术的一个效果在于，采用了飞轮加减速力矩进行减摇，其工作点转速为零，不需要抽真空，机械应力较低，而且结构简单、体积小、重量轻。本专利技术的一个效果在于，飞轮的飞轮盘与驱动电机的转子合二为一，极大地简化了飞轮的机械结构，并且增加的飞轮减摇力矩的输出。本专利技术的一个效果在于，减摇力矩作用时间可以持续控制，因此减摇周期可以任意调节。本专利技术的一个效果在于，飞轮的工作点转速设为零，因此不需要起动时间，可以瞬时起动进行减摇控制。本专利技术的一个效果在于，由于飞轮的工作转速较低，因此对船舶的行驶、转向影响非常轻微。本专利技术的一个效果在于，由于减摇力矩是通过飞轮加减速控制得到的，因此加减速时间控制灵活，可以适应较长周期的横摇。本专利技术的一个效果在于，飞轮减摇力矩是通过飞轮加减速得到的，响应速度非常快，因此减摇效果较好。本专利技术的一个效果在于，减摇过程中，能量在飞轮和超级电容之间流动，并相互转换，所需外部能量极低。本专利技术的一个效果在于，轴承仅需要承受飞轮盘的重量，不需要承受径向减摇恢复力矩，因此轴承载荷极小。附图说明图1是本专利技术中一体化飞轮减摇器安装示意图；图2是本专利技术中一体化飞轮减摇器安装后视图；图3是本专利技术中一体化飞轮减摇器控制系统原理图；图4是本专利技术中一体化飞轮减摇器飞轮结构示意图；图5是本专利技术中一体化飞轮减摇器的开关磁阻电机截面图；图6是本专利技术中一体化飞轮减摇器的开关磁阻电机三维图；图7是传统陀螺减摇器中陀螺结构的截面示意图；图8是本专利技术中一体化飞轮减摇器的控制器原理图；图9是本专利技术中一体化飞轮减摇器系统波形图。附图中，各标号所代表的部件：1、船体2、飞轮3、姿态传感器4、安装支架5、吃水线6、中垂线7、控制器8、超级电容9、整流器10、交流电源201、安装盘202、定子203、定子绕组204、转子205、转子轴206、外壳207、轴承208、端盖209、转子位置传感器210、陀螺驱动电机211、陀螺盘701、功率开关702、续流二极管703、控制板704、电流传感器705、电压传感器具体实施方式实施例：所述一体化飞轮减摇器，其特征在于，包括船体1、飞轮2、姿态传感器(3)、安装支架4、控制器7、超级电容8、整流器9、交流电源10，如图1、图2所示。飞轮2的轴与船体1轴线平行并穿过船体1的重心，也就是说飞轮2的轴与吃水线5中垂线6垂直，并经过船体1的重心，系统其它部分安装于船体1的舱内，当然也可以安装在其他位置，但是减摇效果会受到影响。所述控制器7连接转飞轮2和姿态传感器6，并与超级电容8所在的直流母线相连接，交流电源10经过整流器9连接到超级电容8所在的直流母线，如图3所示。所述姿态传感器3安装于船体1上，如图1所示。姿态传感器3由角加速度传感器、加速度计、和电子罗盘组成，共设置三组传感器，分别与船体1的三个轴线平行。传感器的数据经过采样传输给控制器7并进行数字信号处理后用于控制策略中。所述一体化飞轮减摇器，其特征在于，所述飞轮2采用一体化的开关磁阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一体化飞轮减摇器，其特征在于，包括船体(1)、飞轮(2)、姿态传感器(3)、安装支架(4)、控制器(7)、超级电容(8)、整流器(9)、交流电源(10)；所述控制器(7)连接转飞轮(2)和姿态传感器(6)，并与超级电容(8)所在的直流母线相连接，交流电源(10)经过整流器(9)连接到超级电容(8)所在的直流母线；所述姿态传感器(3)安装于船体(1)上，飞轮(2)轴与船体(1)轴线平行并穿过船体(1)的重心，系统其它部分安装于船体(1)的舱内。

【技术特征摘要】
1.一体化飞轮减摇器，其特征在于，包括船体(1)、飞轮(2)、姿态传感器(3)、安装支架(4)、控制器(7)、超级电容(8)、整流器(9)、交流电源(10)；所述控制器(7)连接转飞轮(2)和姿态传感器(6)，并与超级电容(8)所在的直流母线相连接，交流电源(10)经过整流器(9)连接到超级电容(8)所在的直流母线；所述姿态传感器(3)安装于船体(1)上，飞轮(2)轴与船体(1)轴线平行并穿过船体(1)的重心，系统其它部分安装于船体(1)的舱内。2.如权利要求1所述的一体化飞轮减摇器，其特征在于，所述飞轮(2)采用一体化的开关磁阻电机，包括安装盘(201)、定子(202)、定子绕组(203)、转子(204)、转子轴(205)、外壳(206)、轴承(207)、端盖(208)、转子位置传感器(209)；所述定子(202)的齿上仅有集中式绕组，转子(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：冬雷，
申请(专利权)人：北京动力京工科技有限公司，冬雷，
类型：新型
国别省市：北京;11