CN105947139A - 一体化飞轮减摇器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一体化飞轮减摇器及实现方法

技术领域

本发明涉及一体化飞轮减摇器，属于船舶控制技术领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的目的是这样实现的：

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，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。

本发明的一个效果在于，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，并且增加了飞轮减摇力矩的输出。

本发明的一个效果在于，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。

本发明的一个效果在于，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。

本发明的一个效果在于，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。

本发明的一个效果在于，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。

本发明的一个效果在于，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。

本发明的一个效果在于，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。

本发明的一个效果在于，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是本发明中一体化飞轮减摇器安装示意图；

图2是本发明中一体化飞轮减摇器安装后视图；

图3是本发明中一体化飞轮减摇器控制系统原理图；

图4是本发明中一体化飞轮减摇器飞轮结构示意图；

图5是本发明中一体化飞轮减摇器的开关磁阻电机截面图；

图6是本发明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是本发明中一体化飞轮减摇器的控制器原理图；

图9是本发明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电机，由安装盘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组成，如图4-6所示；所述定子202的齿上仅有集中式绕组，转子204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。

传统陀螺减摇器如图7所示，由陀螺驱动电机210和陀螺盘211组成。由于空间所限，陀螺驱动电机210功率较小，驱动陀螺盘211起动需要较长的时间。本发明中飞轮(2)采用一体化开关磁阻电机，其转子204是由铁芯组成，在铁芯上设有凸极，见图5。因此可以利用转子204作为飞轮盘使用进行一体化设计，这样结构紧凑、简单，而且可以提高飞轮2输出的减摇力矩。如果采用其他电机，如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机等，也可以将驱动电机的转子作为飞轮盘，进行一体化设计，提高系统的性能，降低成本。

所述一体化飞轮减摇器，其特征在于，所述控制器7由功率开关701、续流二极管702、控制板703、电流传感器704、电压传感器705组成，图8中6个功率开关701与6个续流二极管702组成三相不对称半桥向一体化的开关磁阻电机飞轮2供电，的定子绕组203串联在三相不对称半桥之中，因此不会出现桥臂短路现象，系统可靠性较高。如果增加不对称半桥的数量，可以组成任意相数的驱动控制器。三相不对称半桥的直流侧与超级电容8连接，电压传感器705检测直流侧电压，电流传感器704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70)，控制板703输出PWM控制信号分别给6个功率开关701，同时控制板703与姿态传感器3相连接，实时监测船体1的姿态，并通过飞轮2 进行减摇控制。由于飞轮2减摇控制时需要进行加减速控制，因此需要不断将机械能转换为电能，再由电能转换为机械能，能量的缓冲是由超级电容8完成的。实际消耗的能量非常小，需要船上的交流电源10通过整流器9提供。

所述一体化飞轮减摇器，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2逆时针加速，控制器7从超级电容8吸收电能控制开关磁阻电机逆时针加速，同时飞轮2产生顺时针减摇恢复力矩，此为模态1；

步骤B：飞轮2逆时针减速，控制器7控制开关磁阻电机进入发电状态，并将电能存入超级电容8，这时开关磁阻电机逆时针减速，同时飞轮2产生逆时针减摇恢复力矩，此为模态2；

步骤C：飞轮2顺时针加速，控制器7从超级电容8吸收电能控制开关磁阻电机顺时针加速，同时飞轮2产生逆时针减摇恢复力矩，此为模态3；

步骤D：飞轮2顺时针减速，控制器7控制开关磁阻电机进入发电状态，并将电能存入超级电容8，这时开关磁阻电机顺时针减速，同时飞轮2产生顺时针减摇恢复力矩，此为模态4；

步骤E：控制板703检测转子位置传感器209计算出转子204的转速和转向，再通过姿态传感器3检测出船体1的横摇状态，根据控制策略重复以上4个控制模态。

系统输出波形如图9所示，飞轮输出减摇力矩与船体1的横摇角速度相位差180°。

对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

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(204)仅有凸极结构，定子齿数与转子齿数均为偶数，且相差2N，N为正整数，飞轮(2)中的飞轮盘与转子(204)合为一体。

3.如权利要求1所述的一体化飞轮减摇器，其特征在于，所述控制器(7)包括功率开关(701)、续流二极管(702)、控制板(703)、电流传感器(704)、电压传感器(705)；

所述功率开关(701)与续流二极管(702)组成三相不对称半桥向飞轮(2)供电，飞轮(2)的定子绕组(203)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(8)连接，电压传感器(705)检测直流侧电压，电流传感器(704)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(703)，控制板(703)输出PWM控制信号分别给功率开关(701)，同时控制板(703)与姿态传感器(3)相连接，实时监测船体(1)的姿态，并通过飞轮(2)进行减摇控制。

4.一体化飞轮减摇器的实现方法，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(2)逆时针加速，控制器(7)从超级电容(8)吸收电能控制飞轮(2)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(2)逆时针减速，控制器(7)控制飞轮(2)进入发电状态，并将电能存入超级电容(8)，这时飞轮(2)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(2)顺时针加速，控制器(7)从超级电容(8)吸收电能控制飞轮(2)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(2)顺时针减速，控制器(7)控制飞轮(2)进入发电状态，并将电能存入超级电容(8)，这时飞轮(2)顺时针减速，同时飞轮(2)产生顺时针减摇恢复力矩，此为模态4；

步骤E：控制板(703)检测转子位置传感器(209)计算出转子(204)的转速和转向，再通过姿态传感器(3)检测出船体(1)的横摇状态，根据控制策略重复以上4个控制模态。