CN115803255A - 用于船舶滚动稳定的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在运动、抛锚或零速度下使船舶翻滚稳定和/或用于影响船舶航向的设备，包括其上设置有导向翼的翼支承轴，其中为了改变导向翼在水中的实际攻角，翼支承轴可由电机驱动单元驱动，并且驱动单元通过基座设置在船体上。根据本发明，电机驱动单元配置有同步电动机，该电动机使用减速偏心变速器驱动翼支承轴。该设备由此显著降低了安装空间需求，只引起轻微的运行噪声，并且也是最佳的电子调节。

Description

用于船舶滚动稳定的设备

技术领域

本发明涉及用于运动中、抛锚时或零航速时船舶(wat ercraft)的翻滚稳定和/或用于影响船舶航向的设备，包括设置导向翼的翼支承轴。其中，翼支承轴可由用于改变导向翼在水中的实际攻角的电机驱动单元驱动，使用基座将该驱动单元设置在船体上。

背景技术

用于客船、更大的游艇、浮筒等的翼稳定器从现有技术中已知的变化范围很广。本文通常使用四边形翼的形状。对于四边形翼类型，寻求布置尽可能接近前翼边缘的翼轴用于优化水动力有效翼表面用于在船舶的抛锚或零航速时的翻滚稳定。

船舶的自动抗翻滚稳定系统从EP 2 172 394 B9可知。先前已知的用于船舶在抛锚时的翻滚运动稳定的系统，尤其包括可以绕轴旋转的稳定翼，该稳定翼横向连接到船舶船体的纵向延伸部分。稳定翼具有水动力轮廓，在操作中被相对于船体的运动水流冲击以产生水动力升力。此外，该系统包括执行器组件，该执行器组件配置为影响稳定翼围绕所述轴的旋转，其中执行器组件可通过调节系统以依赖于船舶翻滚信号的方式调节。为此目的调节系统包括用于产生翻滚信号的传感器装置。为了调节稳定翼的角位置，调节系统与编码器连接。该调节系统还包括微处理器调节单元，其配置为处理由传感器装置提供的翻滚信号。控制单元用于控制电动机。执行器组件包括通过行星齿轮减速变速器连接到稳定翼的电动机，其中，减速变速器的输入轴与电动机的输出轴相连，减速变速器的输出轴与支撑稳定翼的轴相连，其中编码器与电动机连接。

发明内容

本发明的目标是指定用于以最佳的可调节性降低安装空间需求和降低运行噪声的船舶的翻滚稳定和/或影响的航向。

通过与同步电动机形成的电机驱动单元，该同步电动机使用减速偏心变速器驱动翼支承轴来实现上述目标。由于电机驱动单元，空间紧凑、有成本效益和低噪声的设备是可实现用于高效的船舶的翻滚稳定。与传统的电动液压驱动相比，该设备不需要复杂的管道，因此减少了安装和维护工作。该设备可在少量油的情况下操作，并且没有出现产生扭矩的横向力。此外，该电机驱动设备可以出色的方式电子调节。设备的基座连接到船体，需要较低的制造精度，其中不再特别地需要定位螺栓。通常需要水冷替代风冷。由于同步电动机的水冷，与风冷相比实现了更低的噪声水平和更紧凑的设计。

偏心变速器优选地包括两个齿轮，其周向彼此优选偏移180°。因此，最小的噪声排放和高扭矩传输能力同时产生了最佳的平稳运行性能。此外，几乎完全没有间隙的偏心变速器可以通过齿轮相对于彼此的轻微周向旋转来实现。

在一种技术上有利的设计中，同步电动机的转子轴至少部分地配置为集成联轴器的空心轴。从而给出了非常节省空间的设计。该连接也使得设备的装配没有问题以及集成到船舶的船体中成为可能，并简化了维护。

同步电动机的转子轴优选地与锁定设备相关联。因此，该设备当例如不使用或处于休息状态时可以机械地保持在规定的位置。

在进一步有利的设计情况下，同步电动机由控制和/或调节设备控制的电力电子设备控制。同步电动机的综合转速和转矩调节由此是可能的，例如，以四象限运行。为了确保最佳的可调节性，同步电动机优选地配置为永久励磁同步电机或所谓的无刷直流电动机(“无刷DC电动机”)。

在有利的改进情况下，同步电动机包括至少一个电动机传感器，该电动机传感器包括用于确定转子位置角的转子位置传感器和用于确定转子轴的旋转数的旋转速度传感器。从而进一步优化同步电动机的调节。

优选地，使用与其相关联的旋转角度传感器可直接检测翼支承轴的实际攻角，其中旋转角度传感器配置为用于检测翼支承轴的至少一个完整旋转。翼支承轴相对于进水的攻角由此可高精度地直接检测到并且与同步电动机的转子位置无关。因此可以识别同步电动机的转子轴和翼支承轴之间可能的周向偏移或轻微扭转。

在一种改进中，转子位置传感器和/或旋转角度传感器优选地分别体现为绝对传感器。与增量转子位置传感器和增量旋转角度传感器相比，例如在电源故障或较长运行时间之后，到指定的位置的传感器的校准由此是不必要的。此外，可以避免累积可能的测量不精确。

使用控制和/或调节设备，基于转子位置角可优选地计算导向翼的目标攻角。在已知偏心变速器的减速比的情况下，独立于旋转角度传感器的导向翼的位置检测由此是可能的。

在计算的目标攻角与使用旋转角度传感器测量的实际攻角之间偏差过大的情况下，在控制和/或调节设备和/或调节设备的帮助下可优选地触发动作，特别是警告信号、再校准或类似的动作。导向翼的位置调节的精度可以由此进一步优化并在使用寿命期间保持。

在一个技术上有利的设计情况下，同步电动机的转子轴、偏心变速器的输入轴、偏心变速器的输出轴和翼支承轴基本上彼此对齐地延伸。由此导致最佳机械效率和同时最佳平稳运行性能。

在该设备的一项技术改进中，提供该设备设置在船舶的船体上以便可以方向舵的方式实现船舶的航向影响。由此给出了该设备的额外功能。例如，至少一个设备可以设置在船舶的尾部区域，其中包括导向翼的翼支承轴以舵或方向舵的方式定向，方向舵基本上垂直于船体的纵向轴线同时朝向重力的方向或朝向水面。在用作翼稳定器的情况下，该设备或导向翼基本上与水面平行或与水面有微小的角度相反地放置在船体上。随着作为翼稳定器使用，至少两个设备成对设置并且相对于船舶船体的纵向轴线或船舶船体的右舷和左舷彼此对称设置。相反，方向舵可以用至少一个设备来实现。而且在使用该设备作为舵或方向舵以影响船舶的航向的情况下，可以就船舶的船体在水中的翻滚运动达到一定的稳定效果。

附图说明

下面参照示意图更详细地解释本发明的优选示例性实施例。

图1显示了示例性地配置为船舶的翼稳定器的设备的框图，

图2显示了图1的翼稳定器从上面斜向的立体图，

图3显示了图2的翼稳定器的局部纵向截面，以及

图4显示了翼稳定器的电机驱动单元的放大立体图。

具体实施方式

图1显示了示例性地配置为船舶的翼稳定器的设备的框图。用于船舶(在本文未示出)在水中处于运动中、抛锚时或零航速时的翻滚稳定和/或用于影响船舶航向的设备100在本文仅示例性地实施为翼稳定器102。此外，还可以将该设备100放置在船舶的船体上，这样也可以影响船舶的航向，因此该设备承担传统方向舵的功能。附图中没有描述这种配置。

该设备100或翼稳定器102尤其包括可枢转的翼支承轴110，在其上附接导向翼112或稳定翼，用于船舶的翻滚运动的优先阻尼。翼支承轴110的方向基本上平行于船舶(优选配置为轮船，本文也未显示)的船体的纵向轴线，其中，在翼稳定器102的静止状态或不活动状态下，导向翼112基本上平行于水面延伸(参见图2；附图标记222)。为了改变导向翼112的实际攻角α，使用电机驱动单元120，使得翼支承轴110相应地可枢转。

电机驱动单元120尤其包括同步电动机126，该同步电动机126使用高度减速方式运行的偏心变速器(eccent ri c t ransmi ssi on)130来旋转驱动翼支承轴110。偏心变速器130优选地包括两个彼此周向偏移180°的齿轮132、134，从而保证了广泛的自由性。使用传统渐开线齿操作的偏心变速器130的详细结构设计对于活跃在电机驱动技术领域的专家来说是足够熟悉的，因此在这一点上为了描述的简洁和简明，可以省略对偏心变速器130的详细解释。同步电动机126还包括转子轴136，该转子轴136通过运行时不可释放的联轴器138连接到偏心变速器130的输入轴140，以便转子轴136和输入轴140一起旋转。偏心变速器130通过缓慢旋转的输出轴142驱动包括导向翼112的翼支承轴110，使其实际攻角α在0°到360°(包括360°)的范围内可枢转。转子轴136进一步与锁定设备146相关联，使用该锁定设备转子轴136可临时锁定，因此，例如，当翼稳定器102不活动时，导向翼112可固定或保持在合适的枢轴位置，以尽可能低的流动阻力阻碍周围的水。同步电动机126的转子轴136优选地至少部分地实施为空心轴150，联轴器138以节省空间的方式集成到其中。为此目的，空心轴150至少部分地同轴地环绕同步电动机126的转子轴136。因此，电机驱动单元120的轴向安装空间需求可显著降低。

同步电动机126的转子轴136、偏心变速器130的输入轴140、偏心变速器130的输出轴142和翼支承轴110的方向基本上是相互对齐的，导致高的能量效率与小的安装空间需求。

同步电动机126由电力电子设备160控制，电力电子设备160由船舶或轮船的电气系统162供电。电气系统162在本文只示例性实施为带有中性导体的三相、三相网络。未描述可能的保护导体。电力电子设备160由大功率的数字电子控制和/或调节设备166综合控制或驱动。例如，使用位置传感器170，就可在所有三个空间方向上完全捕捉到船舶或轮船的空间位置以及运动或旋转速率。因此，轮船的船体的所有翻滚、俯仰和偏航运动都是可测量的。出于简化的原因，位置传感器170可以作为翻滚传感器172体现，这样至少可以由控制和/或调节设备160捕获船舶的船体的翻滚运动。

同步电动机126还包括连接到转子轴136的电动机传感器176，电动机传感器176包括至少一个转子位置传感器178和至少一个旋转速度传感器180。借助转子位置传感器178，可确定同步电动机126的转子位置角φ，从而同步电动机126的定子或转子绕组以交错的方式相应地可控或可通电。此外，旋转速度传感器180允许转子轴136执行的旋转数n的至少一次记录。此外，通过使用旋转角度传感器186的控制和/或调节设备166，可高精度地直接检测到翼支承轴110的当前实际攻角α，从而检测到水中导向翼112的当前实际攻角α，即与同步电动机126的转子位置无关。在翼支承轴110上的旋转角度传感器186优选地配置为记录翼支承轴110的至少一个完整旋转。由此可直接从控制和/或调节设备166高精度地捕捉翼支承轴110相对于流入的水的当前实际攻角α，且与同步电动机的转子位置无关。同步电动机126的转子轴136和翼支承轴110之间可能的周向偏移或轻微扭转可通过使用电力电子设备160(其由控制和/或调节设备166控制)的同步电动机126的合适控制来检测和补偿，这导致了轮船的最佳翻滚稳定。

转子位置传感器178和旋转角度传感器186都被优选地实施为所谓的高精度绝对传感器，因此尤其不必进行由于累积的测量不精确或电源故障之后的再校准。

控制和/或调节设备166还配置为基于测量到的转子位置角φ来确定用于轮船最佳翻滚稳定的导向翼112的目标攻角β，以使用由电力电子设备160控制的同步电动机126，通过所插入的偏心变速器100使导向翼112的翼支承轴110可以相应地旋转。这个调节过程优选地同时考虑由位置传感器170提供的关于轮船在水中的空间位置的测量值。在计算的目标攻角β与使用旋转传感器186的旋转角测量的实际攻角α之间的偏差过大的情况下，控制和/或调节设备110进一步配置为由控制和/或调节装置设备166例如以警告信号、翼稳定器102的再校准或类似的形式额外触发动作192。

控制和/或调节设备166进一步用于尽可能有效地减弱至少周期性的翻滚运动，以及在理想的情况下，还基于传感器提供的测量信号或测量值通过在电力电子设备160的帮助下适当控制同步电动机126而尽可能有效地减弱轮船在水中的所有俯仰和偏航运动。为此目的，在优选的数字电子控制和/或调节设备内部实现相应的调节算法。

图2显示了图1的翼稳定器从上面斜向观察的立体图。翼稳定器102使用基座200附接到轮船206的船体204的船体蒙皮202内部。本文提到的轮船206仅示例性作为任意包括船体的船舶208的例子，其中可以使用本发明的翼稳定器102。导向翼112附接到通过船体蒙皮202引导的翼支承轴110上。翼支承轴110的纵向中心轴210基本上垂直于轮船206的船体204的纵向轴线216延伸。使用电机驱动单元120、翼支承轴110的实际攻角α，从而导向翼112可以通过控制和/或调节设备而相对于周围的水220枢转，枢转范围优选为0°到360°或±180°且包括各自的区间限制。在图2所示的导向翼112的位置上，仅示例性地，其基本平行于仅用图形表示的水面222延伸并在其下方，也就是说导向翼112的实际攻角α在这里示例性地设置为大约0°的实际攻角α。

翼支承轴110的纵向中心轴210与平行于坐标系224的xy平面的水平面之间的安装角γ原则上可以在0°到90°之间。安装角γ为90°的情况下，翼稳定器102的导向翼112的翼支承轴110的纵向中心轴210垂直于水平面延伸，因此与重力场g的方向平行，其中船体蒙皮202在轮船206或船舶208的底部区域延伸。

如果翼稳定器102设置为安装角γ约90°，例如在船尾区域(船尾)并且通常设置在轮船206或船舶208的螺旋桨后面，则该设备100可以额外作为方向舵来用于影响轮船206的航向。

如果纵向中心轴210以约为0°的安装角γ延伸，即近似平行于水平面或平行于xy平面224(水面222)延伸并且因此也垂直于重力g的方向，则排除了翼稳定器102的方向舵的影响。通常，在轮船206或船舶208的船体204中不能枢转的翼稳定器的安装角γ的值大约为45°。

直角坐标系224示出了所有组件相互之间的空间位置。轮船206的船体204的纵向轴线216近似平行于x轴延伸，翼支承轴110的纵向中心轴210基本平行于y轴或垂直于船体204的纵向轴线216，而坐标系224的z轴平行于重力或平行于近似与水面222垂直的重力作用方向。翻滚运动围绕坐标系224的x轴发生(主要使用控制和/或调节设备100或翼稳定器102对轮船206的船体204的翻滚运动进行阻尼，)，而俯仰运动围绕y轴发生，偏航运动围绕z轴发生。

电机驱动单元120依次尤其包括同步电动机126，电动机包括连接到其下游的偏心变速器130，用于实现高度机械减速。

图3显示了图2的翼稳定器的局部纵向截面。使用基座200将翼稳定器102固定地连接到轮船206或船舶208的船体204的船体蒙皮202。翼支承轴110通过轮船206的船体蒙皮202密封引导，并可通过使用电机驱动单元120而围绕其纵向中心轴210旋转。连接到翼支承轴110的导向翼112未在图3的描述中绘制。本发明的翼稳定器102的电机驱动单元120再次包括同步电动机126，其转子轴136(优选地配置为空心轴150)通过联轴器138连接到偏心变速器130，使转子轴136和偏心变速器130一起旋转。偏心变速器130就其本身而言与翼支承轴110连接，以便它们一起旋转。

作为本发明的部分方面，联轴器138至少部分地在空心轴150内同轴设置，由此沿纵向中心轴210，实现了翼稳定器102所需的轴向安装空间的相当大的减少。机械联轴器138不用于短期开启或释放。相反，联轴器138尤其简化了用于维修目的、维护目的或类似目的的安装和可能需要的翼稳定器102的拆卸。此外，从图3中可以看出同步电动机126的转子轴136、联轴器138、偏心变速器130和翼支承轴110沿纵向中心轴210彼此相互对齐，这导致翼稳定器102高的能量效率。

图4显示了翼稳定器的电机驱动单元的放大立体图。

翼稳定器102通过基座200附接到轮船206的船体204的船体蒙皮202内部。翼支承轴110可通过驱动单元120围绕其纵向中心轴线210旋转并以水密的方式引导通过船体蒙皮202。电机驱动单元120包括同步电动机126、联轴器138和偏心变速器130，偏心变速器包括翼支承轴110和附接到其上的导向翼112。作为旋转角度传感器186的纯视觉示例性实施例，同步电动机126包括针型的机械指示器元件230，以为观察者提供位于轮船206的船体204内部的导向翼112的翼支承轴110的当前实际攻角α的光学可视化。为此目的，指示器元件230以合适的方式机械连接到翼支承轴110。导向翼112包括流线型横截面轮廓232，其包括用于周围水220的流入边234和流出边236。

本文描述的翼稳定器102仅作为用于轮船的翻滚稳定的发明设备的例子，它需要减小的安装空间需求，只引起最小的运行噪声，并具有对围绕轮船206的纵向轴线的不期望的翻滚运动的最佳阻尼的最佳调节性能。

本发明涉及用于在运动、抛锚或零速度下使船舶(208)翻滚稳定和/或影响船舶(208)航向的设备(100)，包括其上设置有导向翼(112)的翼支承轴(110)，其中为了改变导向翼(112)在水(220)中的实际攻角(α)，翼支承轴(110)可由电机驱动单元(120)驱动，并且驱动单元(120)使用基座(200)设置在船体(204)上。根据本发明，电机驱动单元(120)配置有同步电动机(126)，该电动机使用减速偏心变速器(130)驱动翼支承轴(110)。该设备(100)由此显著降低了安装空间需求，只引起轻微的运行噪声，并且也是最佳的电子调节。

附图标记列表

100 设备

102 翼稳定器

110 翼支承轴

112 导向翼

120驱动单元(攻角)

126 同步电动机

130 偏心变速器

132 齿轮

134 齿轮

136转子轴(同步电动机)

138 联轴器

140 输入轴

142 输出轴

146 锁定设备

150 空心轴

160 电力电子设备

162 电气系统

166控制和/或调节设备

170 位置传感器

172 翻滚传感器

176 电动机传感器

178 转子位置传感器

180 旋转速度传感器

186 旋转角度传感器

192 动作

200 基座

202 船体蒙皮

204 船体

206 轮船

208 船舶

210纵向中心轴(翼支承轴)

216纵向轴线(船体)

220 水

222 水面

224 坐标系

230 指示器元件

232 横截面轮廓

234 流入边

236 流出边

g地心引力(重力)

α实际攻角(稳定翼)

β目标攻角(稳定翼)

γ安装角

φ转子位置角

n旋转数

Claims (12)

1.一种设备(100)，用于在运动、抛锚或零速度下使船舶(208)翻滚稳定和/或用于影响船舶(208)航向，包括翼支承轴(110)，所述翼支承轴上设置有导向翼(112)，其中，为了改变所述导向翼(112)在水(220)中的实际攻角(α)，所述翼支承轴(110)可由电机驱动单元(120)驱动，并且所述驱动单元(120)通过基座(200)设置在船体(204)上，其特征在于，所述电机驱动单元(120)配置有同步电动机(126)，所述电动机使用减速偏心变速器(130)驱动所述翼支承轴(110)。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述偏心变速器(130)包括两个齿轮(132、134)，所述两个齿轮彼此周向优选偏移180°设置。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述同步电动机(126)的转子轴(136)至少部分地配置为空心轴(150)，联轴器(138)集成在空心轴中。

4.根据权利要求1、2或3所述的设备(100)，其特征在于，所述同步电动机(126)的所述转子轴(136)与锁定设备(146)相关联。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的设备(100)，其特征在于，所述同步电动机(126)由电力电子设备(160)控制，电力电子设备由控制和/或调节设备(166)控制。

6.根据权利要求5所述的设备(100)，其特征在于，所述同步电动机(126)包括至少一个电动机传感器(176)，所述该电动机传感器包括转子位置传感器(178)和旋转速度传感器(180)，所述转子位置传感器用于确定转子位置角(φ)，所述旋转速度传感器用于确定转子轴(136)的旋转数n。

7.根据权利要求5或6所述的设备(100)，其特征在于，使用与所述翼支承轴(110)相关联的所述旋转角度传感器(186)来直接捕捉所述翼支承轴(110)的实际攻角(α)，其中所述旋转角度传感器(186)配置为用于检测所述翼支承轴(110)的至少一个完整旋转。

8.根据权利要求5、6或7所述的设备(100)，其特征在于，所述转子位置传感器(178)和/或所述旋转角度传感器(186)都优选地实施为绝对传感器。

9.根据权利要求5-8中任意一项所述的设备(100)，其特征在于，可使用所述控制和/或调节设备(166)基于转子位置角(φ)计算所述导向翼(112)的目标攻角(β)。

10.根据权利要求5-9中任意一项所述的设备(100)，其特征在于，在计算的目标攻角(β)与使用所述旋转角度传感器(186)测量的实际攻角(α)之间偏差过大的情况下，在所述控制和/或调节设备(166)的帮助下可触发动作(192)，特别是警告信号、再校准或类似的动作。

11.根据前述权利要求中任意一项所述的设备(100)，其特征在于，所述同步电动机(126)的所述转子轴(136)、所述偏心变速器(130)的输入轴(140)、所述偏心变速器(130)的输出轴(142)，以及所述翼支承轴(110)基本上彼此对齐。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的设备(100)，其特征在于，所述设备(100)设置在所述船舶(208)的所述船体(204)上，使得可以方向舵的方式实现对船舶208的航向的影响。

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