IT201900006895A1

IT201900006895A1 - GYROSCOPIC STABILIZATION SYSTEM FOR BOATS

Info

Publication number: IT201900006895A1
Application number: IT102019000006895A
Authority: IT
Inventors: Rossi Roberto
Original assignee: Verme Massimo; Verme Projects S R L
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-11-16

Description

DESCRIZIONE del trovato avente per titolo: DESCRIPTION of the invention having as title:

"APPARATO GIROSCOPICO DI STABILIZZAZIONE PER IMBARCAZIONI" "GYROSCOPIC SYSTEM OF STABILIZATION FOR BOATS"

CAMPO DI APPLICAZIONE FIELD OF APPLICATION

Il presente trovato si riferisce ad un apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni ed in particolare ad un apparato di riduzione del rollio delle imbarcazioni. The present invention relates to a gyroscopic stabilization apparatus for boats and in particular to an apparatus for reducing the roll of boats.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Come è noto, esistono apparati di riduzione dei moti nave per imbarcazioni che sfruttano l’effetto giroscopico di una massa rotante intorno ad un asse di rotazione ad alta velocità, ed un asse di precessione perpendicolare all’asse di rotazione, in particolare per ridurre il rollio delle imbarcazioni. Questa tipologia di stabilizzatori include un volano, un motore collegato direttamente ad esso per ruotarlo intorno ad un asse perpendicolare all’asse di rollio ad alta velocità, una struttura a forma di cardano che permette il moto di precessione del volano intorno ad un asse perpendicolare sia all’asse di rotazione del volano sia all’asse del moto angolare da ridurre. Il volano e la struttura a forma di cardano sono configurati in modo che una volta installati a bordo sono in grado di ridurre il moto di rollio della imbarcazione. Il dispositivo fino a qui descritto è rappresentato nel brevetto US2005/0274210 A1 e US2007157749 (A1). As is known, there are apparatuses for reducing ship motions for boats that exploit the gyroscopic effect of a mass rotating around an axis of rotation at high speed, and an axis of precession perpendicular to the axis of rotation, in particular to reduce the roll of boats. This type of stabilizer includes a flywheel, an engine connected directly to it to rotate it around an axis perpendicular to the roll axis at high speed, a cardan-shaped structure that allows the precession motion of the flywheel around a perpendicular axis both to the axis of rotation of the flywheel and to the axis of the angular motion to be reduced. The flywheel and cardan-shaped structure are configured so that once installed on board they are able to reduce the boat's rolling motion. The device described up to now is represented in US2005 / 0274210 A1 and US2007157749 (A1).

Questa tipologia di apparati sono ben noti e largamente utilizzati per la riduzione dei moti nave di imbarcazioni per i loro pregi rispetto agli altri sistemi di stabilizzazione basati per esempio sull’utilizzo di pinne. Uno dei vantaggi per esempio è l’assenza di un ingombro esterno alla carena dovuto alla presenza delle pinne. Un altro vantaggio è costituito dal fatto che l’effetto di riduzione di rollio a barca ferma. This type of equipment is well known and widely used for the reduction of ship motions of boats due to their advantages compared to other stabilization systems based for example on the use of fins. One of the advantages, for example, is the absence of an external bulk to the hull due to the presence of the fins. Another advantage is that the roll reduction effect when the boat is stationary.

Lo svantaggio principale di questo tipo di sistema, che ne limita in alcuni casi l’applicazione, risiede nella lentezza all’avviamento. I motori utilizzati per porre in rotazione il volano hanno infatti una caratteristica di coppia pressoché costante con il variare del numero di giri, per cui si dispone della potenza massima solo nella fase finale di accelerazione, a velocità di rotazione prossime a quella nominale di utilizzo, mentre la potenza nella fase iniziale di accelerazione del volano è molto ridotta. Raggiunta la velocità di rotazione nominale di funzionamento del sistema il motore assorbe poca potenza per mantenere in rotazione il volano, dunque è economicamente e tecnicamente incrementare di molto la taglia e la coppia del motore elettrico per la sola fase di avviamento. Nelle configurazioni attuali per portare il volano alla velocità nominale occorre quindi molto tempo. Questo si traduce in tempi di attesa molto lunghi, che possono rendere questo tipo di apparato meno attraente rispetto ad altri sistemi immediatamente pronti ad essere utilizzati. Dal sito di un importante produttore leader sul mercato per la vendita di questi dispositivi https://seakeeper.com si evince che per avviare un modello di piccola taglia sono necessari circa 30 minuti mentre per i modelli più grandi il tempo di avviamento raggiunge i 70 minuti. The main disadvantage of this type of system, which in some cases limits its application, lies in the slow start-up. The motors used to rotate the flywheel have in fact an almost constant torque characteristic with the variation of the number of revolutions, so that the maximum power is available only in the final phase of acceleration, at rotation speeds close to the nominal one of use. while the power in the initial acceleration phase of the flywheel is very low. Once the rated operating speed of the system has been reached, the motor absorbs little power to keep the flywheel in rotation, therefore it is economically and technically to greatly increase the size and torque of the electric motor for the starting phase only. In current configurations it takes a long time to bring the flywheel to rated speed. This translates into very long waiting times, which can make this type of equipment less attractive than other systems that are immediately ready for use. From the site of an important leading manufacturer on the market for the sale of these devices https://seakeeper.com it is clear that to start a small model it takes about 30 minutes while for the larger models the start-up time reaches 70. minutes.

E’ chiaro che specie per l’utilizzo giornaliero di imbarcazioni di piccola taglia tale attesa è uno svantaggio. It is clear that, especially for the daily use of small boats, such waiting is a disadvantage.

Altre limitazioni e svantaggi di soluzioni e tecnologie convenzionali saranno chiare ad una persona esperta del ramo a seguito della lettura della rimanente parte della presente descrizione, con riferimento ai disegni ed alla descrizione delle forme di realizzazione che seguono. La descrizione dello stato della tecnica correlato alla presente descrizione non deve essere considerata un’ammissione che quanto qui descritto sia già noto dallo stato della tecnica anteriore. Other limitations and disadvantages of conventional solutions and technologies will become clear to a person skilled in the art upon reading the remaining part of the present description, with reference to the drawings and to the description of the embodiments which follow. The description of the state of the art related to this description should not be considered an admission that what is described here is already known from the prior art.

Esiste pertanto la necessità di perfezionare un apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni che possa superare almeno uno degli inconvenienti della tecnica nota. There is therefore a need to improve a stabilization gyroscopic apparatus for boats which can overcome at least one of the drawbacks of the known art.

Uno scopo del presente trovato è la realizzazione di un apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni, in particolare di riduzione del rollio delle imbarcazioni, che riduca il tempo di avviamento e quindi di attesa per la messa in servizio. An object of the present invention is to provide a gyroscopic apparatus for stabilizing boats, in particular for reducing the roll of boats, which reduces the starting time and therefore the waiting time for putting into service.

Un ulteriore scopo del presente trovato è la realizzazione di un sistema di regolazione della velocità di rotazione del volano intorno al valore di velocità nominale di funzionamento al fine di ottenere ulteriori accelerazioni o decelerazioni del volano, e quindi un ulteriore incremento delle performance in condizioni particolari di moto nave, per durate limitate o in continuo. A further object of the present invention is to provide a system for regulating the rotation speed of the flywheel around the nominal operating speed value in order to obtain further accelerations or decelerations of the flywheel, and therefore a further increase in performance in particular operating conditions. motor ship, for limited or continuous durations.

Prime preliminari simulazioni numeriche del funzionamento del trovato hanno evidenziato che per un modello equivalente ad un modello di piccola taglia presente sul mercato, equipaggiato con un variatore continuo di velocità avente un rapporto complessivo massimo pari a 5 (ottenibile con variatore toroidale a due stadi), sia possibile ridurre il tempo di avviamento da 30 minuti a meno di 5 minuti. Mentre con un rapporto di riduzione massimo pari a 2,5 (ottenibile con un solo stadio) sia possibile ridurre il tempo di avviamento da 30 minuti a meno di 10 minuti. Initial preliminary numerical simulations of the operation of the invention have shown that for a model equivalent to a small model on the market, equipped with a continuous speed variator having a maximum overall ratio of 5 (obtainable with a two-stage toroidal variator), it is possible to reduce the starting time from 30 minutes to less than 5 minutes. While with a maximum reduction ratio of 2.5 (obtainable with a single stage) it is possible to reduce the starting time from 30 minutes to less than 10 minutes.

Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato. In order to obviate the drawbacks of the known art and to obtain these and further objects and advantages, the Applicant has studied, tested and implemented the present invention.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO EXPOSURE OF THE FOUND

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione indipendente. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell’idea di soluzione principale. The present invention is expressed and characterized in the independent claim. The dependent claims disclose other features of the present invention or variants of the main solution idea.

In accordo con i suddetti scopi, un oggetto del trovato è un apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni, comprendente: un volano, un motore di azionamento del volano, una struttura cardanica tale da permettere un moto di precessione al volano intorno all’asse del cardano, un dispositivo in grado di applicare una coppia all’asse del cardano e modificare il moto di precessione. Il volano e la struttura cardanica sono configurati tra loro in modo che se installati su una barca sono in grado di ridurre il moto di rollio. In accordance with the aforementioned purposes, an object of the invention is a gyroscopic stabilization apparatus for boats, comprising: a flywheel, a flywheel drive motor, a cardan structure such as to allow a precession motion of the flywheel around the axis of the cardan , a device capable of applying torque to the shaft of the cardan and modifying the precession motion. The flywheel and the gimbal structure are configured together so that when installed on a boat they are able to reduce rolling motion.

Secondo un aspetto del trovato, il dispositivo giroscopico è dotato di un variatore continuo di velocità denominato CVT (continuous variable transmission) interposto tra il motore di azionamento del volano ed il volano stesso al fine di aumentare la coppia nelle fasi di avviamento da zero alla velocita nominale. Durante le prime fasi della accelerazione il rapporto di riduzione è massimo, in modo da sfruttare la coppia elevata alla uscita del variatore, nonostante la coppia ridotta del motore elettrico. Man mano che il volano aumenta la velocità di rotazione il rapporto di riduzione diminuisce al fine di non superare la velocità massima al motore elettrico, utilizzandone dunque la potenza massima, per poi tendere all’unità raggiunta la velocità nominale di rotazione del volano. Vantaggiosamente quindi, mediante il presente apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni, è possibile ridurre significativamente i tempi di attesa necessari all’apparato per raggiungere la velocità di rotazione alla quale l’effetto giroscopico risulti efficace ed operativo. Tale variatore continuo di velocità può essere di tipo meccanico oppure idraulico. According to one aspect of the invention, the gyroscopic device is equipped with a continuous speed variator called CVT (continuous variable transmission) interposed between the flywheel drive motor and the flywheel itself in order to increase the torque in the starting phases from zero to speed. nominal. During the first phases of acceleration, the reduction ratio is maximum, in order to exploit the high torque at the variator output, despite the reduced torque of the electric motor. As the flywheel increases the rotation speed, the reduction ratio decreases in order not to exceed the maximum speed of the electric motor, thus using its maximum power, and then tending towards unity once the nominal rotation speed of the flywheel is reached. Advantageously, therefore, by means of the present gyroscopic stabilization apparatus for boats, it is possible to significantly reduce the waiting times necessary for the apparatus to reach the rotation speed at which the gyroscopic effect is effective and operational. This continuous speed variator can be of the mechanical or hydraulic type.

Il variatore meccanico può essere di tipo toroidale costituito da uno o più stadi in serie. In questo tipo di variatori ogni stadio è costituito da un disco di input e da un disco di output. Il disco di output di uno stadio diviene il disco di input del successivo stadio. Tra i dischi sono interposti dei rulli in numero legato alla necessita di coppia e hanno il compito di trasmettere il moto tra i dischi di ingresso e quello di uscita. I rulli hanno la possibilità di modificare il loro angolo di contatto, così il rapporto di riduzione potrà essere variato tra un valore unitario ad un valore massimo dipendente dal numero di stadi posti in serie. Quando i rulli sono perfettamente perpendicolari ai dischi di ingresso e uscita il rapporto di riduzione è pari a uno. Quando i rulli si inclinano il rapporto di riduzione è pari al rapporto tra i raggi del punto di contatto tra rulli e disco di ingresso o uscita. The mechanical variator can be of the toroidal type consisting of one or more stages in series. In this type of drive, each stage consists of an input disk and an output disk. The output disk of one stage becomes the input disk of the next stage. Rollers are interposed between the discs in number linked to the need for torque and have the task of transmitting motion between the input and output discs. The rollers have the possibility to modify their contact angle, so the reduction ratio can be varied between a unitary value and a maximum value depending on the number of stages placed in series. When the rollers are perfectly perpendicular to the input and output discs, the reduction ratio is equal to one. When the rollers are inclined, the reduction ratio is equal to the ratio between the radii of the contact point between the rollers and the input or output disc.

Il trasferimento di energia cinetica vero e proprio è però affidato a un sottilissimo film di liquido di trazione studiato appositamente, e posto in pressione su tutti i punti di contatto ed ha la funzione opposta di quella di un qualsiasi lubrificante, infatti, deve mantenere “incollati” i dischi e i rulli in modo da favorire la trasmissione della maggior quantità possibile di energia cinetica. The actual kinetic energy transfer, however, is entrusted to a very thin film of traction liquid specially designed, and placed under pressure on all the contact points and has the opposite function of that of any lubricant, in fact, it must keep "glued ”Discs and rollers in order to favor the transmission of the greatest possible amount of kinetic energy.

Questi ed altri aspetti, caratteristiche e vantaggi della presente divulgazione saranno meglio compresi con riferimento alla seguente descrizione, alle tavole di disegno e alle annesse rivendicazioni. Le tavole di disegno, che sono integrate e facenti parte della presente descrizione, illustrano alcune forme di realizzazione del presente oggetto e, unitamente alla descrizione, si propongono di descrivere i principi della divulgazione. These and other aspects, features and advantages of the present disclosure will be better understood with reference to the following description, the drawing tables and the attached claims. The drawing tables, which are integrated and forming part of the present description, illustrate some embodiments of the present object and, together with the description, aim to describe the principles of disclosure.

I vari aspetti e caratteristiche descritte nella presente descrizione possono essere applicati individualmente, dove possibile. Questi aspetti individuali, ad esempio aspetti e caratteristiche presenti nella descrizione oppure nelle rivendicazioni dipendenti allegate, possono essere oggetto di domande divisionali. The various aspects and features described in the present disclosure can be applied individually where possible. These individual aspects, for example aspects and characteristics present in the description or in the attached dependent claims, can be the subject of divisional questions.

Si fa notare che qualsiasi aspetto o caratteristica che si trovi essere già nota durante la procedura di brevettazione si intende non essere rivendicata ed essere l’oggetto di un disclaimer. It should be noted that any aspect or characteristic that is found to be already known during the patenting procedure is intended not to be claimed and to be the subject of a disclaimer.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI ILLUSTRATION OF DRAWINGS

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di forme di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui: These and other characteristics of the present invention will become clear from the following description of embodiments, provided by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:

- le fig. 1-3 sono la vista in pianta, laterale e la vista in sezione da poppa, schematiche, di un apparato giroscopico, installato su di una piccola imbarcazione da diporto a carena planante. - figs. 1-3 are the plan, side and sectional view from the stern, schematic, of a gyroscopic apparatus, installed on a small pleasure boat with a planing hull.

- la fig. 4 è una vista in sezione trasversale del presente apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni in condizioni di avviamento: rapporto di trasmissione massimo; - fig. 4 is a cross-sectional view of the present stabilizing gyro apparatus for boats under starting conditions: maximum gear ratio;

- la fig. 5 è una vista in sezione trasversale del presente apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni nella condizione di funzionamento nominale: rapporto di trasmissione pari a 1; - fig. 5 is a cross-sectional view of the present stabilizing gyro apparatus for boats in the nominal operating condition: gear ratio equal to 1;

- la fig. 6 è una vista in sezione trasversale del presente apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni nella condizione in cui le prestazioni sono aumentate in virtù di un rapporto di trasmissione inferiore a uno e quindi un incremento della velocità del volano. - fig. 6 is a cross-sectional view of the present stabilizing gyro apparatus for boats in the condition where performance is increased by virtue of a gear ratio of less than one and hence an increase in flywheel speed.

- la fig.7 è una vista in pianta del presente apparato di stabilizzazione; - la fig. 8 è una vista in sezione longitudinale del presente apparato di stabilizzazione; - Fig. 7 is a plan view of the present stabilization apparatus; - fig. 8 is a longitudinal sectional view of the present stabilization apparatus;

Per facilitare la comprensione, numeri di riferimento identici sono stati utilizzati, ove possibile, per identificare elementi comuni identici nelle figure. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni. To facilitate understanding, identical reference numbers have been used wherever possible to identify identical common elements in the figures. It should be understood that elements and features of one embodiment can be conveniently incorporated into other embodiments without further specification.

DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Si farà ora riferimento nel dettaglio alle varie forme di realizzazione del trovato, delle quali uno o più esempi sono illustrati nelle figure allegate. Ciascun esempio è fornito a titolo di illustrazione del trovato e non è inteso come una limitazione dello stesso. Ad esempio, le caratteristiche illustrate o descritte in quanto facenti parte di una forma di realizzazione potranno essere adottate su, o in associazione con, altre forme di realizzazione per produrre un’ulteriore forma di realizzazione. Resta inteso che il presente trovato sarà comprensivo di tali modifiche e varianti. Reference will now be made in detail to the various embodiments of the invention, of which one or more examples are illustrated in the attached figures. Each example is provided by way of illustration of the invention and is not intended as a limitation thereof. For example, the features illustrated or described as being part of an embodiment may be adopted on, or in association with, other embodiments to produce a further embodiment. It is understood that the present invention will include these modifications and variations.

Prima di descrivere le forme di realizzazione, si chiarisce, inoltre, che la presente descrizione non è limitata nella sua applicazione ai dettagli costruttivi e di disposizione dei componenti come descritti nella seguente descrizione utilizzando le figure allegate. La presente descrizione può prevedere altre forme di realizzazione ed essere realizzata o messa in pratica in altri svariati modi. Inoltre, si chiarisce che la fraseologia e terminologia qui utilizzata è a fini descrittivi e non deve essere considerata come limitante. Before describing the embodiments, it is further clarified that the present description is not limited in its application to the construction and arrangement details of the components as described in the following description using the attached figures. The present disclosure may provide other embodiments and be embodied or practiced in various other ways. Furthermore, it is clarified that the phraseology and terminology used here is for descriptive purposes and should not be considered as limiting.

Con riferimento ai disegni allegati, si vedano ad esempio fig. 1, fig. 2, e fig. 3 dove è mostrata una possibile implementazione dell’apparato giroscopico di stabilizzazione 1 installato su una piccola imbarcazione da diporto 2. With reference to the attached drawings, see for example fig. 1, fig. 2, and fig. 3 where a possible implementation of the stabilization gyroscopic apparatus 1 installed on a small pleasure boat is shown 2.

La barca rappresentata in figura da 1 a 3 ha un asse longitudinale L intorno al quale la barca ruota di un angolo ϕ, tale moto si definisce rollio. L’apparato può essere installato in diverse posizioni a bordo della barca, ma si preferisce installarlo lungo la linea di mezzeria o asse longitudinale. The boat represented in figure 1 to 3 has a longitudinal axis L around which the boat rotates by an angle ϕ, this motion is defined roll. The device can be installed in different positions on board the boat, but it is preferred to install it along the centerline or longitudinal axis.

Il dispositivo giroscopico di stabilizzazione vero e proprio include un volano 3 che ruota intorno all’asse di rotazione verticale. Una struttura di supporto del volano che permetta a questo ultimo di ruotare ad elevata velocità angolare. Sono possibili varie strutture di supporto, ma nell’esempio mostrato, l’assieme che supporta il volano è costituito dal volano, un asse, un motore dei cuscinetti, ed il variatore continuo di velocità a due stadi interposto tra motore e volano. I cuscinetti 4 sono posti alla estremità dell’albero 5 e sono contenuti una flangia 6 montata a sua volta su una carcassa di contenimento 7. The actual gyroscopic stabilization device includes a flywheel 3 which rotates around the axis of vertical rotation. A support structure for the flywheel that allows the flywheel to rotate at high angular speed. Various support structures are possible, but in the example shown, the assembly that supports the flywheel consists of the flywheel, an axis, a bearing motor, and the continuous two-stage speed variator interposed between the motor and flywheel. The bearings 4 are placed at the end of the shaft 5 and contain a flange 6 mounted in turn on a containment casing 7.

Il volano è portato in rotazione ad alta velocità dal motore elettrico 8. Il motore può essere realizzato in diverse forme costruttive. Nell’esempio mostrato, il motore è posto ad una estremità dell’albero di rotazione, ed include uno statore 9 fissato alla carcassa di contenimento ed un rotore 10 coassiale all’albero di rotazione del volano ma non solidale ad esso. Tra statore e albero sono posti dei cuscinetti 11. Varie forme di motori possono essere utilizzate per ruotare il volano. The flywheel is rotated at high speed by the electric motor 8. The motor can be made in different construction forms. In the example shown, the motor is placed at one end of the rotation shaft, and includes a stator 9 fixed to the containment casing and a rotor 10 coaxial to the rotation shaft of the flywheel but not integral with it. There are bearings 11 between the stator and shaft. Various forms of motors can be used to rotate the flywheel.

Tra il motore ed il volano è posto un variatore continuo di velocità denominato CVT (continuous variable transmission) 19 di tipo toroidale, costituito da due stadi di riduzione collegati in serie da loro, ciascuno a sua volta costituito da un disco di ingresso 20, ed un disco di uscita 21. Il disco di uscita del primo stadio 22 costituisce il disco di ingresso del secondo stadio. Tra i dischi sono posti dei rulli 23 in grado di variare la loro inclinazione rispetto ai dischi di ingresso e uscita. Variando l’inclinazione varia il rapporto di riduzione tra dischi di ingresso e usciti, da un valore pari a 1, quando i rulli sono perpendicolari a dischi, ad un valore massimo quando i dischi sono inclinati di un angolo massimo. In questa posizione il rapporto di riduzione è proporzionale al rapporto tra i raggi di contatto dei rulli con i dischi. All’avviamento quando la coppia richiesta per accelerare il volano è elevata, mentre la velocità di rotazione del volano è ancora bassa, i rulli si dispongono in modo da avere il rapporto di riduzione massima, ovvero si dispongono inclinati rispetto alla perpendicolare ai dischi. Man mano che il motore elettrico accelera e raggiunge la sua velocità massima i rulli riducono la loro inclinazione rispetto alla perpendicolare ai dischi, fino a disporsi in posizione perpendicolare ai dischi una volta che il volano ruota alla velocità di rotazione nominale. In questa posizione il rapporto di riduzione è pari a 1. Grazie alla coppia superiore disponibile all’uscita del variatore di velocità continuo nelle prime fasi di avviamento i tempi di messa in servizio si riducono drasticamente. Alla velocità nominale il variatore di velocità si comporta come un giunto con rapporto 1 a 1. Between the engine and the flywheel there is a continuous speed variator called CVT (continuous variable transmission) 19 of the toroidal type, consisting of two reduction stages connected in series by them, each in turn consisting of an input disk 20, and an output disc 21. The output disc of the first stage 22 constitutes the input disc of the second stage. Between the discs there are rollers 23 capable of varying their inclination with respect to the inlet and outlet discs. By varying the inclination, the reduction ratio between inlet and outlet discs varies, from a value of 1, when the rollers are perpendicular to the discs, to a maximum value when the discs are tilted at a maximum angle. In this position the reduction ratio is proportional to the ratio between the contact radii of the rollers with the discs. At start-up when the torque required to accelerate the flywheel is high, while the flywheel rotation speed is still low, the rollers are arranged in such a way as to have the maximum reduction ratio, that is, they are arranged inclined with respect to the perpendicular to the discs. As the electric motor accelerates and reaches its maximum speed, the rollers reduce their inclination with respect to the perpendicular to the discs, until they are positioned perpendicular to the discs once the flywheel rotates at the rated rotation speed. In this position the reduction ratio is equal to 1. Thanks to the higher torque available at the output of the continuous speed variator in the early start-up phases, the commissioning times are drastically reduced. At rated speed, the AC drive behaves like a 1 to 1 ratio coupling.

La variazione di inclinazione dei rulli avviene attraverso un sistema di comando che può essere elettrico, idraulico o meccanico. The variation of the inclination of the rollers takes place through a control system which can be electric, hydraulic or mechanical.

Nel caso di regolatore meccanico può essere collegato direttamente ad un regolatore di Watt che in funzione della velocità angolare, e del peso di una massa rotante, modifica l’inclinazione dei rulli da un valore massimo all’avviamento, ad un valore nullo rispetto alla perpendicolare ai dischi di ingresso e uscita, quando la velocità è quella nominale. I sistemi idraulici ed elettrici necessitano di una retroazione attraverso un sistema di controllo che ha come ingresso il valore di velocità di rotazione rilevato da un opportuno sensore che misura il numero di giri del volano. Il sistema di comando della posizione angolare dei rulli può assumere diverse forme costruttive. In the case of a mechanical regulator, it can be connected directly to a Watt regulator which, depending on the angular velocity and the weight of a rotating mass, changes the inclination of the rollers from a maximum value at start-up to a zero value with respect to the perpendicular. to the input and output discs, when the speed is nominal. The hydraulic and electrical systems require feedback through a control system which has as its input the value of rotation speed detected by a suitable sensor that measures the number of revolutions of the flywheel. The control system for the angular position of the rollers can take different construction forms.

Il variatore continuo di velocità qualora di tipo toroidale come quello rappresentato può avere più o meno stadi rispetto a quello rappresentato. Il variatore continuo di velocità può essere di tipo diverso rispetto a quello toroidale rappresentato, può essere sia di tipo meccanico, che idraulico che elettrico. If the continuous speed variator is of the toroidal type like the one shown, it can have more or fewer stages than the one shown. The continuous speed variator can be of a different type than the toroidal one shown, it can be either mechanical, hydraulic or electric.

I variatori meccanici possono essere: a puleggia, a toroidi, a coni, a rulli radiali, con rotismo epicicloidale. Mechanical variators can be: pulley, toroid, cone, radial roller, with planetary gear.

Il variatore continuo idraulico è costituito da una pompa solidale al disco di ingresso ed un motore solidale al disco di uscita. Variando le cilindrate è possibile incrementare la coppia. The continuous hydraulic variator consists of a pump integral with the input disc and a motor integral with the output disc. By varying the displacements it is possible to increase the torque.

Il variatore continuo di velocità potrebbe essere sostituito da un cambio con un numero discreto di rapporti. The stepless speed variator could be replaced by a gearbox with a fair number of gears.

Nella forma costruttiva rappresentata è presente un cuscinetto aggiuntivo in posizione 24 per centrare il volano alle alte velocità, a causa dell’eccessivo sbalzo, necessario per inserire il variatore continuo all’interno del volano stesso e risparmiare spazio. In the construction form shown there is an additional bearing in position 24 to center the flywheel at high speeds, due to the excessive overhang, necessary to insert the continuous variator inside the flywheel itself and save space.

La carcassa di contenimento 7 circonda il volano. La costruzione meccanica della carcassa può variare da quella mostrata nelle figure. La struttura di supporto del volano ed il motore possono essere dentro o fuori della carcassa di contenimento. La carcassa di contenimento può essere genericamente sferica come mostrato in figura, o avere altre forme. The containment casing 7 surrounds the flywheel. The mechanical construction of the casing can vary from that shown in the figures. The flywheel support structure and the engine can be inside or outside the containment casing. The containment casing can be generically spherical as shown in the figure, or have other shapes.

Il raffreddamento dei cuscinetti potrebbe essere necessario alle elevate velocità del volano. Bearing cooling may be required at high flywheel speeds.

Un sistema di controllo include un sensore di velocità di rotazione la cui misura è utilizzata come riferimento dall’azionamento del motore e al controllo del variatore continuo di velocità. Il controllo attivo della velocità di rotazione tra l’altro evita che possano avvenire un fuorigiri. A parità di massa la geometria del volano deve essere tale da ottenere una inerzia angolare del volano massima, e per questo motivo la maggior parte della massa viene posizionata sulla circonferenza esterna del volano. A control system includes a rotation speed sensor whose measurement is used as a reference by the motor drive and to the control of the continuous speed variator. The active control of the rotation speed, among other things, prevents overspeed. With the same mass, the geometry of the flywheel must be such as to obtain a maximum angular inertia of the flywheel, and for this reason most of the mass is positioned on the external circumference of the flywheel.

Una struttura a forma di cardano supporta la carcassa di contenimento in modo da fare ruotare il volano intorno all’asse del cardano, che è perpendicolare all’asse di rotazione del motore. Nell’esempio mostrato nelle figure l’asse del cardano (di precessione) si estende da destra a sinistra nave, orizzontalmente nel piano trasversale, e l’asse di rotazione del volano è verticale, quando l’angolo di precessione è nullo, in modo che sia anche perpendicolare all’asse longitudinale della barca, ovvero perpendicolare all’asse del rollio. L’asse di rotazione del volano è quindi in grado di ruotare attorno all’asse di precessione inclinandosi verso poppa e verso prora in un piano verticale che passa attraverso l’asse longitudinale della barca. A cardan-shaped structure supports the containment casing so as to rotate the flywheel around the axis of the cardan, which is perpendicular to the axis of rotation of the motor. In the example shown in the figures the axis of the cardan (of precession) extends from right to left ship, horizontally in the transverse plane, and the axis of rotation of the flywheel is vertical, when the precession angle is zero, so which is also perpendicular to the longitudinal axis of the boat, i.e. perpendicular to the roll axis. The axis of rotation of the flywheel is therefore able to rotate around the precession axis by tilting towards the stern and towards the bow in a vertical plane that passes through the longitudinal axis of the boat.

La struttura cardanica include un asse cardanico 12 e 13 che fuoriesce da ciascun lato della carcassa di contenimento (nell’esempio gli assi fuori escono dalla struttura di contenimento ma altre possibili soluzioni sono possibili). Dei cuscinetti 14 supportano l’asse del cardano. Un telaio 15 costituito da due bracci 16 e 17 supporta i cuscinetti del cardano. The cardan structure includes a cardan axis 12 and 13 that protrudes from each side of the containment casing (in the example the external axes come out of the containment structure but other possible solutions are possible). Bearings 14 support the shaft of the cardan. A frame 15 consisting of two arms 16 and 17 supports the bearings of the cardan.

Un dispositivo 18 applica una coppia al volano con direzione uguale a quella dell’asse del cardano. Nell’esempio la coppia è applicata a uno dei due assi connessi con la carcassa di contenimento, e conseguentemente la reazione si scarica sul telaio attraverso uno dei bracci. A device 18 applies a torque to the flywheel with a direction equal to that of the cardan axis. In the example, the torque is applied to one of the two axes connected to the containment casing, and consequently the reaction is discharged onto the frame through one of the arms.

Esistono diverse categorie di dispositivi per applicare la coppia all’asse del cardano: Una prima categoria di dispositivi è rappresentata dai freni passivi, che non richiedono energia esterna. Tipicamente i freni passivi applicano una coppia in modo costante che è proporzionale alla velocità angolare, ma la coppia frenante può essere applicata in modo diverso in funzione del tipo di costruzione dei freni. Un freno passivo può essere uno smorzatore rotante idraulico o un ammortizzatore, ma sono disponibili una grande varietà di meccanismi sia lineari che rotanti che sfruttano principi meccanici o idraulici e che utilizzano le proprietà smorzanti di diversi tipi di materiale, siano essi fluidi idraulici, gas o elastomeri. There are different categories of devices for applying torque to the cardan shaft: A first category of devices is represented by passive brakes, which do not require external energy. Typically passive brakes apply a torque in a constant way that is proportional to the angular velocity, but the braking torque can be applied differently depending on the type of construction of the brakes. A passive brake can be a hydraulic rotary damper or a shock absorber, but there are a wide variety of both linear and rotary mechanisms available that take advantage of mechanical or hydraulic principles and that use the damping properties of different types of material, whether they are hydraulic fluids, gases or elastomers.

Una seconda categoria di dispositivi per applicare al cardano una coppia include dispositivi che attivamente frenano o smorzano la rotazione di precessione intorno all’asse del cardano variando la coppia smorzante o la coppia frenante in funzione di vari parametri, incluso per esempio, uno o più tra accelerazione, velocità e angolo di rollio, e accelerazione, velocità e angolo di precessione. Sensori misurano tali grandezze e producono segnali di ingresso al sistema di controllo che li trasforma in segnali di ingresso al dispositivo che applica la coppia all’asse del cardano. Una grande varietà di dispostivi può essere utilizzata per applicare la coppia all’asse del cardano, incluso per esempio: attuatori idraulici lineari rotativi utilizzati come smorzatori dove la resistenza di un fluido a passare attraverso l’orifizio di una valvola è controllata attivamente; freni meccanici a tamburo o a disco dove la coppia di attrito è controllata attivamente mediante attuatori idraulici o elettrici; freni magnetici o elettromagnetici dove l’intensità di corrente o del campo magnetico è controllato attivamente; oppure freni elettrici come dinamo o generatori dove il carico è controllato attivamente per variare lo smorzante. A second category of devices for applying torque to the cardan includes devices which actively brake or dampen the precession rotation about the axis of the cardan by varying the damping torque or braking torque as a function of various parameters, including for example one or more of acceleration, velocity and roll angle, and acceleration, velocity and precession angle. Sensors measure these quantities and produce input signals to the control system which transforms them into input signals to the device that applies the torque to the cardan shaft. A large variety of devices can be used to apply torque to the shaft of the cardan, including for example: rotary linear hydraulic actuators used as dampers where the resistance of a fluid to pass through the orifice of a valve is actively controlled; mechanical drum or disc brakes where the friction torque is actively controlled by hydraulic or electric actuators; magnetic or electromagnetic brakes where the intensity of the current or the magnetic field is actively controlled; or electric brakes such as dynamos or generators where the load is actively controlled to vary the damping.

Una terza categoria di dispositivi per applicare la coppia all’asse del cardano include dispositivi che attivano la precessione in anticipo al momento naturale dovuto all’effetto combinato della rotazione del volano e del movimento di rollio. Questi dispositivi attivano la precessione con freni attivi o smorzatori come quelli descritti al paragrafo precedente: Una grande varietà di dispositivi possono essere utilizzati come per esempio una coppia di motori e generatori proposti dalla Sperry, oppure attuatori elettrici o idraulici lineari o rotativi. A third category of devices to apply torque to the shaft of the cardan includes devices that activate the precession in advance of the natural moment due to the combined effect of the rotation of the flywheel and the rolling movement. These devices activate the precession with active brakes or dampers such as those described in the previous paragraph: A large variety of devices can be used such as a pair of motors and generators proposed by Sperry, or linear or rotary electric or hydraulic actuators.

Qualunque tipo di sistema utilizzato il dispositivo frenante può essere rigenerativo. L’energia ricavata dal moto di precessione può essere utilizzata per attivare la precessione o ruotare il volano. Whatever type of system used, the braking device can be regenerative. The energy obtained from the precession motion can be used to activate the precession or rotate the flywheel.

È chiaro che all’apparato giroscopico di stabilizzazione per imbarcazioni fin qui descritto possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall’ambito del presente trovato. It is clear that modifications and / or additions of parts can be made to the stabilization gyroscopic apparatus for boats described so far, without thereby departing from the scope of the present invention.

È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz’altro realizzare molte altre forme equivalenti di apparato di stabilizzazione per imbarcazioni, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell’ambito di protezione da esse definito. It is also clear that, although the present invention has been described with reference to some specific examples, a person skilled in the art will certainly be able to realize many other equivalent forms of stabilization apparatus for boats, having the characteristics expressed in the claims and therefore all falling within the scope of protection defined by them.

Nelle rivendicazioni che seguono, i riferimenti tra parentesi hanno il solo scopo di facilitare la lettura e non devono essere considerati come fattori limitativi per quanto attiene all’ambito di protezione sotteso nelle specifiche rivendicazioni. In the following claims, the references in brackets are for the sole purpose of facilitating reading and should not be considered as limiting factors as regards the scope of protection underlying the specific claims.

INDICE INDEX

1 dispositivo giroscopico di stabilizzazione 2 Imbarcazione 1 gyro stabilization device 2 Boat

3 Volano 3 Flywheel

4 Cuscinetti 4 Bearings

5 albero asse di rotazione 5 shaft rotation axis

6 supporto cuscinetti 6 bearing support

7 carcassa di contenimento 7 containment carcass

8 motore elettrico 8 electric motor

9 statore 9 stator

10 rotore 10 rotor

11 cuscinetti 11 bearings

12,13 albero asse di precessione 12.13 shaft precession axis

13, 14 cuscinetti albero asse di precessione 15 telaio 13, 14 shaft bearings precession axis 15 frame

16, 17 bracci di supporto cardano 16, 17 cardan support arms

19 variatore continuo di velocità 19 stepless speed variator

20 disco di ingresso 20 input disc

21 disco di uscita 21 output disk

22 disco intermedio 22 intermediate disc

23 rulli 23 rolls

24 cuscinetto aggiuntivo 24 additional bearing

L direzione longitudinale L longitudinal direction

A direzione trasversale In transverse direction

V direzione verticale V vertical direction

FIGURE FIGURES

Claims

CLAIMS 1. Stabilization gyroscopic apparatus for boats, comprising: a flywheel, an engine that rotates the flywheel around its main axis, a cardan-shaped structure that allows the flywheel to rotate around its precession axis, perpendicular to the rotation axis of the flywheel, a device for applying torque around the precession axis of the flywheel characterized in that said gyroscopic stabilization device is provided with a continuous speed variator interposed kinematically between the engine and the flywheel to make it rotate.

2. Stabilization apparatus according to claim 1 characterized in that the reduction ratio of which varies from a maximum value in the first phases of starting to a minimum value once the flywheel reaches its nominal operating speed, in order to accelerate faster flywheel and reduce waiting times before the device starts working.

3. Stabilization apparatus according to claims 1 and 2 characterized in that the continuous variator can lock and behave like a connecting joint when the device reaches the rated operating speed.

4. Stabilization apparatus according to the preceding claims characterized in that the continuous speed variator is also used to reduce the reduction ratio beyond the nominal value at which it can be locked, and therefore to increase the number of revolutions of the flywheel obtaining an increase in the performance under certain operating conditions.

5. Stabilization apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the speed variator is of the toroidal type with one or more reduction stages.

6. Stabilization apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the continuous speed variator is retro-operated by a Watt regulator which exploits the centrifugal force acting on a rotating mass integral with the flywheel, and as a function of the angular velocity of the flywheel changes the inclination of the rollers.

7. Stabilization apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the feedback of the continuous speed regulator takes place through a control system which has as its input the number of revolutions of the flywheel and as a function of this value controls an electric actuator or which in turn modifies the inclination of the rollers with respect to the inlet and outlet discs, in order to vary the reduction ratio from the maximum value to the minimum value.

8. Stabilization apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the feedback of the continuous speed regulator takes place through a control system which has as input not only the number of revolutions of the flywheel but to all parameters (angle, speed and acceleration) of the motion of roll and precession and in function of these values it controls an electric or hydraulic actuator which in turn modifies the inclination of the rollers with respect to the input and output discs, in order to modify the reduction ratio around of 1 and therefore to optimize the performance of the device in a limited or continuous way over time.

9. Stabilization apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the continuous speed variator can have different types and construction forms with respect to the two-stage toroidal variator.

10. Stabilization apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the continuous speed variator is replaced with a gearbox having a discrete number of reduction ratios.