一种双飞轮减摇器及其减摇实现方法与流程

本发明涉及一种双飞轮减摇器，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，目前减摇技术大部分是针对船舶横摇而开发的，其主要减摇方式有舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍、舵减摇、陀螺进动。

舭龙骨是沿船长方向安装在船的舭部，用以增加横摇的阻尼。除非舭龙骨的尺寸相对增加，否则减摇效果很差。

减摇水舱有主动式和被动式之分，主动式由于需要短时内提供很大动力所以没有得到广泛应用。被动式水舱需要占用船体内部比较大的空间(约5％-6％)来储存足够的水才能起到效果，因此在较小的船上很少应用。同时由于是被动减摇，因此很难根据实际海况进行控制和调整减摇效果。

减摇鳍是目前应用最广泛效果最好的减摇装置，通常传感器检测船体姿态，通过执行机构控制减摇鳍的攻角和升力来达到减摇目的。但是减摇鳍结构复杂，成本较高，只能在航行时使用，一旦出现故障会增加船只的行驶阻力。

舵减摇的主要工作原理是当航行时，根据船体姿态，舵的角度在设定角度的正负两个方向进行摆动，由于船体是大惯性系统，舵角在设定角度正负两个方向快速摆动不会影响到航向，但是舵的快速摆动可以产生减摇恢复力矩，从而起到减摇效果，由于其减摇效果取决于航速，在低速时效果不够理想。

陀螺减摇器很好地解决了船舶低速甚至零速时的减摇效果。陀螺减摇器有一个高速转子，驱动机构控制转子低速进动时，可以获得较大的力矩来抑制船体的横摇。但是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，而且需要抽真空以便减小高速旋转的陀螺的阻力，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，使其难以与减摇鳍竞争；陀螺减摇器的减摇力矩大小与转子轴受控进动速度大小有关，由于进动控制结构比较复杂，进动角度受限一般不超过90°，所以如果需要较大减摇力矩，那么其减摇力矩输出时间就会较小，而这个时间必须大于波浪引起横摇的周期，因此，如果船体横摇周期较长，就要降低进动角速度，导致无法得到有效控制；陀螺减摇器在船体正常转向或者横摇作用时，会产生纵摇力矩现象，而船体的纵摇会使人员不舒服，并且会增加行驶阻力；由于陀螺工作在极高转速下，因此系统起动和加速时间较长，耗能较大。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种体积小、机构简单、零速时减摇效果好的双飞轮减摇器。

本发明的采取的技术方案为：本发明的一种双飞轮减摇器，包括船体、正转飞轮、反转飞轮、飞轮支架、正转飞轮变换器、反转飞轮变换器、超级电容、船舶电源，正转飞轮与反转飞轮安装在飞轮支架上，飞轮支架固定在船体上。

本发明的双飞轮减摇器中，正转飞轮变换器和反转飞轮变换器均为能量可以双向流动的变换器，分别与正转飞轮和反转飞轮连接，并同时与超级电容连接，超级电容的正负两端连接到船舶电源上，船舶电源是一个能量可以双向流动的交直流变换器。

所述正转飞轮和反转飞轮的飞轮转子轴线平行，且与船体艏向轴线平行；所述正转飞轮和反转飞轮的飞轮转子的工作点转速相同或者相近，旋转方向相反；

所述正转飞轮和反转飞轮有三种安装方式：

第一种，正转飞轮和反转飞轮沿船体艏向轴线前后串联排列，正转飞轮和反转飞轮的飞轮转子轴线通过船体中垂线与船体吃水线的交点与船体艏向轴线平行。

第二种，飞轮和反转飞轮在船体吃水线的上下对称并联排列，正转飞轮和反转飞轮的飞轮转子轴线与船体中垂线正交，并与船体艏向轴线平行。

第三种，正转飞轮和反转飞轮在船体中垂线的左右对称并联排列，正转飞轮和反转飞轮的飞轮转子轴线与船体吃水线正交，并与船体艏向轴线平行。

所述的一种双飞轮减摇器，其特征在于，所述正转飞轮和反转飞轮结构相同，旋转方向相反，均包括安装盘，外壳，飞轮轴，轴承，起动/发电机，飞轮盘，端盖；所述起动/发电机的转子与飞轮盘同轴安装，并通过飞轮轴和轴承安装在外壳上，起动/发电机的定子安装在外壳上。

所述一种双飞轮减摇器的船只减摇实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

A：利用各自内部的起动/发电机将正转飞轮和反转飞轮的飞轮盘按照正转和反转不同方向逐渐加速到工作点转速；

B：当船体的横摇方向与正转飞轮的转向一致时，通过正转飞轮内部的起动/发电机将其飞轮盘加速，与此同时，通过反转飞轮内部的起动/发电机将其飞轮盘减速，正转飞轮和反转飞轮所产生的力矩会减小船体的横摇幅度；

C：当船体的横摇方向与反转飞轮的转向一致时，通过反转飞轮内部的起动/发电机将其飞轮盘加速，与此同时，通过正转飞轮内部的起动/发电机将其飞轮盘减速，正转飞轮和反转飞轮所产生的力矩会减小船体的横摇幅度；

D：根据船体的横摇方向重复B和C的控制达到船体减摇的目的；

E：如果将正转飞轮和反转飞轮的转速工作点同时降低，多余的机械能可以通过正转飞轮变换器和反转飞轮变换器转换为电能存入超级电容中，再由船舶电源逆变成交流电向船舶负载进行供电。

在重复控制正转飞轮和反转飞轮的过程中，两个飞轮盘的转速在工作点转速上下变化，变化范围相同。

本发明可以通过自动控制系统实现上述功能。

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，体积小，安装方便，仅有两个转向相反的飞轮，没有额外的运动部件，结构极为简单、可靠性和可维护性均比较高。

本发明的一个效果在于，可以在船舶低速下或者零速下起到较好的减摇效果。

本发明的一个效果在于，可以运行在较低工作转速，而陀螺减摇器需要工作在较高的工作转速，因此本发明不需要高速轴承，也不需要抽真空，起动时间较短。

本发明的一个效果在于，可以利用飞轮作为储能单元使用，如果调高正转飞轮和反转飞轮的工作转速则吸收能量并储存在飞轮中，如果调低正转飞轮和反转飞轮的工作转速则释放能量并转换为电能输出。

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。

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，双飞轮转向相反，转速较低，当船体转向时产生的进动力矩相互抵消，因此不会产生陀螺减摇器所引起的纵摇力矩。

本发明的一个效果在于，双飞轮减摇器在减摇工作过程中，能量会在正转飞轮和反转飞轮间通过超级电容进行交换，所需外部提供的能量很小，因此非常节能。

附图说明

图1是本发明中双飞轮减摇器系统整体示意图；

图2是本发明中串联安装双飞轮减摇器后视图；

图3是本发明中串联安装双飞轮减摇器顶视图；

图4是本发明中飞轮减摇器外形图；

图5是本发明中飞轮减摇器剖视图；

图6是本发明中上下并联安装双飞轮减摇器后视图；

图7是本发明中左右并联安装双飞轮减摇器后视图；

图8是本发明中左右并联安装双飞轮减摇器减摇工作原理示意图；

图9是本发明中双飞轮减摇器控制系统示意图；

图10是本发明中双飞轮减摇器控制系统输出波形示意图。

附图中，各标号所代表的部件：1、船体 2、正转飞轮 3、反转飞轮 4、飞轮支架 5、船体吃水线 6、船体艏向轴线 7、船体中垂线 8、正转飞轮变换器 9、反转飞轮变换器 10、超级电容 11、船舶电源 201、安装盘 202、外壳203、飞轮轴 204、轴承 205、起动/发电机 206、飞轮盘 207、端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

如图1所示为本发明的双飞轮减摇器系统整体示意图，该装置包括船体1、正转飞轮2、反转飞轮3、飞轮支架4，正转飞轮2和反转飞轮3安装在船舱中。

所述正转飞轮2和反转飞轮3的旋转方向相反，旋转工作点速度相同，在减摇控制过程中两个飞轮转速围绕工作点的变化转速差幅度也相同。

图2所示为本发明的串联安装双飞轮减摇器后视图，图3是本发明中串联双飞轮减摇器顶视图，所述正转飞轮2和反转飞轮3沿船体艏向轴线6前后串联排列，正转飞轮2和反转飞轮3的飞轮转子轴线通过船体中垂线7与船体吃水线5的交点，并与船体艏向轴线6平行。这样的安装形式使两个飞轮的轴线穿过船体1的重心，当一个飞轮加速时另外一个飞轮减速，飞轮力矩直接通过外壳202和安装盘201作用到船体1上起到减摇效果，而不需要其他进动轴的控制与驱动系统，见图4-5。

图5是本发明中飞轮减摇器剖视图，所述正转飞轮2和反转飞轮3结构相同，飞轮旋转方向相反，均包括安装盘201，外壳202，飞轮轴203，轴承204起动/发电机205，飞轮盘206，端盖207。起动/发电机205的转子，飞轮盘206同轴安装，并通过飞轮轴203和轴承204安装在外壳202上，起动/发电机205的定子安装在外壳202上。

所述起动/发电机205的类型可以是直流电机、交流电机、永磁电机、开关磁阻电机等，其工作方式是：

当一个飞轮加速时其中的起动/发电机205作为电动机工作，吸收电能转化为机械能，使飞轮转速增加；与此同时，另外一个飞轮减速，其中的起动/发电机205作为发电机机工作，将飞轮中存储的机械能转换为电能输出。当飞轮加速时，飞轮外壳202受到与飞轮盘206转动方向相反的力矩，当飞轮减速时，飞轮外壳202受到与飞轮盘206转动方向相同的力矩。

正转飞轮2加速时反转飞轮3减速，反之亦然，因此两个飞轮转速变化时产生的力矩相互叠加，作用在船体1上，起到减摇效果。

双飞轮减摇器的另外一个实施方式就是上下并联安装，如图6所示，所述正转飞轮2和反转飞轮3在船体吃水线5的上下对称并联排列，正转飞轮2和反转飞轮3的飞轮转子轴线与船体中垂线7正交，并与船体艏向轴线6平行。

双飞轮减摇器的另外一个实施方式就是左右并联安装，如图7所示，所述正转飞轮2和反转飞轮3在船体中垂线7的左右对称并联排列，正转飞轮2和反转飞轮3的飞轮转子轴线与船体吃水线5正交，并与船体艏向轴线6平行。

图8是本发明中左右并联安装双飞轮减摇器减摇工作原理示意图，首先将正转飞轮2和反转飞轮3利用其内部的起动/发电机205将各自的飞轮盘206按照正转和反转不同方向逐渐加速到工作点转速。如图8所示，当船体1逆时针横摇时，横摇方向与正转飞轮2的转向一致，当传感器检测到船体横摇运动的趋势时，正转飞轮2通过其内部的起动/发电机205将其飞轮盘206加速，与此同时，反转飞轮3通过其内部的起动/发电机205将其飞轮盘206减速，正转飞轮2和反转飞轮3所产生的力矩的方向均为顺时针方向，因此会减小船体1的横摇的幅度。

反之，当船体1的横摇方向与反转飞轮3的转向一致时，反转飞轮3通过其内部的起动/发电机205将其飞轮盘206加速，与此同时，正转飞轮2通过其内部的起动/发电机205将其飞轮盘20)减速，正转飞轮2和反转飞轮3所产生的力矩会减小船体1的横摇幅度。

根据船体1的横摇方向重复上述控制达到船体1减摇的目的。

在重复控制正转飞轮2和反转飞轮3的过程中，两个飞轮的飞轮盘206转速在工作点转速上下变化，变化范围相同。因此，可以利用飞轮作为储能单元使用，如果调高正转飞轮2和反转飞轮3的工作点转速则吸收能量，并以机械能的形式储存在飞轮盘206中。如果调低正转飞轮2和反转飞轮3的工作点转速则储存在飞轮盘206中的机械能释放，并转换为电能输出。

正转飞轮2和反转飞轮3双飞轮转向相反，转速较低，当船体1转向时两者产生的进动力矩相互抵消，因此不会产生陀螺进动所引起的纵摇力矩，这个特点对船舶的正常行驶和工作是非常有益的。传统的陀螺减摇器当船舶转向时，由于陀螺进动影响，会产生纵摇，因此会增加船舶行驶阻力。

图9是本发明中双飞轮减摇器控制系统示意图，所述一种双飞轮减摇器，还包括正转飞轮变换器8，反转飞轮变换器9，超级电容10，船舶电源11，正转飞轮变换器8和反转飞轮变换器9均为能量可以双向流动的变换器，分别与正转飞轮2和反转飞轮3连接，并同时与超级电容10连接，超级电容10的正负两端连接到船舶电源11上，船舶电源11是一个能量可以双向流动的交直流变换器。系统工作时，正转飞轮变换器8和反转飞轮变换器9通过超级电容10从船舶电源11获取能量，对正转飞轮2和反转飞轮3分别加速。当正转飞轮2和反转飞轮3转速到达设定的工作点时，储存了一定的机械能，系统转入减摇工作模式，传感器检测到船体1的姿态，根据船体1的姿态变化，周期性的对正转飞轮2和反转飞轮3分别进行加减速控制，输出波形如图10，飞轮输出减摇力矩与船体1的横摇角速度相位差180°。正转飞轮2和反转飞轮3是分别加减速控制的，当正转飞轮2加速时，正转飞轮变换器8从超级电容10吸收电能，与此同时反转飞轮3减速，反转飞轮变换器9输出电能存入超级电容10中，由于正转飞轮2和反转飞轮3加减速大小相等，因此超级电容10中的电能仅仅对系统损耗进行补充，耗能极低。系统所损耗的电能可以从船舶电源11获取。

由于船舶电源11是一个能量可以双向流动的交直流变换器，当船舶需要应急供电时，将正转飞轮2和反转飞轮3的转速工作点同时降低，多余的机械能可以通过正转飞轮变换器8和反转飞轮变换器9转换为电能存入超级电容10中，再由船舶电源11逆变成交流电向船舶负载进行供电。

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。