本發(fā)明涉及一種雙飛輪減搖器，屬于船舶控制技術領域。

背景技術：

船舶的搖蕩對船舶的舒適性、安全性以及航線的經(jīng)濟性都有較大的影響。通常船舶最容易發(fā)生的是橫搖，而且橫搖的搖擺幅度最大，對船上人員的影響也最為嚴重，目前減搖技術大部分是針對船舶橫搖而開發(fā)的，其主要減搖方式有舭龍骨、減搖水艙、減搖鰭、舵減搖、陀螺進動。

舭龍骨是沿船長方向安裝在船的舭部，用以增加橫搖的阻尼。除非舭龍骨的尺寸相對增加，否則減搖效果很差。

減搖水艙有主動式和被動式之分，主動式由于需要短時內(nèi)提供很大動力所以沒有得到廣泛應用。被動式水艙需要占用船體內(nèi)部比較大的空間(約5％-6％)來儲存足夠的水才能起到效果，因此在較小的船上很少應用。同時由于是被動減搖，因此很難根據(jù)實際海況進行控制和調(diào)整減搖效果。

減搖鰭是目前應用最廣泛效果最好的減搖裝置，通常傳感器檢測船體姿態(tài)，通過執(zhí)行機構(gòu)控制減搖鰭的攻角和升力來達到減搖目的。但是減搖鰭結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，只能在航行時使用，一旦出現(xiàn)故障會增加船只的行駛阻力。

舵減搖的主要工作原理是當航行時，根據(jù)船體姿態(tài)，舵的角度在設定角度的正負兩個方向進行擺動，由于船體是大慣性系統(tǒng)，舵角在設定角度正負兩個方向快速擺動不會影響到航向，但是舵的快速擺動可以產(chǎn)生減搖恢復力矩，從而起到減搖效果，由于其減搖效果取決于航速，在低速時效果不夠理想。

陀螺減搖器很好地解決了船舶低速甚至零速時的減搖效果。陀螺減搖器有一個高速轉(zhuǎn)子，驅(qū)動機構(gòu)控制轉(zhuǎn)子低速進動時，可以獲得較大的力矩來抑制船體的橫搖。但是陀螺減搖器首先需要轉(zhuǎn)子工作在高轉(zhuǎn)速下才能獲得較大的進動力矩，因此對軸承要求較高，而且需要抽真空以便減小高速旋轉(zhuǎn)的陀螺的阻力，系統(tǒng)極為復雜；另外所有減搖力矩均作用在軸承的垂直方向上，傳統(tǒng)滾動軸承和滑動軸承難以承受轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速下極高的徑向載荷，軸承磨損嚴重，設備功耗很大，使其難以與減搖鰭競爭；陀螺減搖器的減搖力矩大小與轉(zhuǎn)子軸受控進動速度大小有關，由于進動控制結(jié)構(gòu)比較復雜，進動角度受限一般不超過90°，所以如果需要較大減搖力矩，那么其減搖力矩輸出時間就會較小，而這個時間必須大于波浪引起橫搖的周期，因此，如果船體橫搖周期較長，就要降低進動角速度，導致無法得到有效控制；陀螺減搖器在船體正常轉(zhuǎn)向或者橫搖作用時，會產(chǎn)生縱搖力矩現(xiàn)象，而船體的縱搖會使人員不舒服，并且會增加行駛阻力；由于陀螺工作在極高轉(zhuǎn)速下，因此系統(tǒng)起動和加速時間較長，耗能較大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，提出了一種體積小、機構(gòu)簡單、零速時減搖效果好的雙飛輪減搖器。

本發(fā)明的采取的技術方案為：本發(fā)明的一種雙飛輪減搖器，包括船體、正轉(zhuǎn)飛輪、反轉(zhuǎn)飛輪、飛輪支架、正轉(zhuǎn)飛輪變換器、反轉(zhuǎn)飛輪變換器、超級電容、船舶電源，正轉(zhuǎn)飛輪與反轉(zhuǎn)飛輪安裝在飛輪支架上，飛輪支架固定在船體上。

本發(fā)明的雙飛輪減搖器中，正轉(zhuǎn)飛輪變換器和反轉(zhuǎn)飛輪變換器均為能量可以雙向流動的變換器，分別與正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪連接，并同時與超級電容連接，超級電容的正負兩端連接到船舶電源上，船舶電源是一個能量可以雙向流動的交直流變換器。

所述正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的飛輪轉(zhuǎn)子軸線平行，且與船體艏向軸線平行；所述正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的飛輪轉(zhuǎn)子的工作點轉(zhuǎn)速相同或者相近，旋轉(zhuǎn)方向相反；

所述正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪有三種安裝方式：

第一種，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪沿船體艏向軸線前后串聯(lián)排列，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的飛輪轉(zhuǎn)子軸線通過船體中垂線與船體吃水線的交點與船體艏向軸線平行。

第二種，飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪在船體吃水線的上下對稱并聯(lián)排列，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的飛輪轉(zhuǎn)子軸線與船體中垂線正交，并與船體艏向軸線平行。

第三種，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪在船體中垂線的左右對稱并聯(lián)排列，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的飛輪轉(zhuǎn)子軸線與船體吃水線正交，并與船體艏向軸線平行。

所述的一種雙飛輪減搖器，其特征在于，所述正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪結(jié)構(gòu)相同，旋轉(zhuǎn)方向相反，均包括安裝盤，外殼，飛輪軸，軸承，起動/發(fā)電機，飛輪盤，端蓋；所述起動/發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與飛輪盤同軸安裝，并通過飛輪軸和軸承安裝在外殼上，起動/發(fā)電機的定子安裝在外殼上。

所述一種雙飛輪減搖器的船只減搖實現(xiàn)方法，其特征在于，所述實現(xiàn)方法包括以下步驟：

A：利用各自內(nèi)部的起動/發(fā)電機將正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的飛輪盤按照正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)不同方向逐漸加速到工作點轉(zhuǎn)速；

B：當船體的橫搖方向與正轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)向一致時，通過正轉(zhuǎn)飛輪內(nèi)部的起動/發(fā)電機將其飛輪盤加速，與此同時，通過反轉(zhuǎn)飛輪內(nèi)部的起動/發(fā)電機將其飛輪盤減速，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪所產(chǎn)生的力矩會減小船體的橫搖幅度；

C：當船體的橫搖方向與反轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)向一致時，通過反轉(zhuǎn)飛輪內(nèi)部的起動/發(fā)電機將其飛輪盤加速，與此同時，通過正轉(zhuǎn)飛輪內(nèi)部的起動/發(fā)電機將其飛輪盤減速，正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪所產(chǎn)生的力矩會減小船體的橫搖幅度；

D：根據(jù)船體的橫搖方向重復B和C的控制達到船體減搖的目的；

E：如果將正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)速工作點同時降低，多余的機械能可以通過正轉(zhuǎn)飛輪變換器和反轉(zhuǎn)飛輪變換器轉(zhuǎn)換為電能存入超級電容中，再由船舶電源逆變成交流電向船舶負載進行供電。

在重復控制正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的過程中，兩個飛輪盤的轉(zhuǎn)速在工作點轉(zhuǎn)速上下變化，變化范圍相同。

本發(fā)明可以通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)上述功能。

由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點和效果：

本發(fā)明的一個效果在于，體積小，安裝方便，僅有兩個轉(zhuǎn)向相反的飛輪，沒有額外的運動部件，結(jié)構(gòu)極為簡單、可靠性和可維護性均比較高。

本發(fā)明的一個效果在于，可以在船舶低速下或者零速下起到較好的減搖效果。

本發(fā)明的一個效果在于，可以運行在較低工作轉(zhuǎn)速，而陀螺減搖器需要工作在較高的工作轉(zhuǎn)速，因此本發(fā)明不需要高速軸承，也不需要抽真空，起動時間較短。

本發(fā)明的一個效果在于，可以利用飛輪作為儲能單元使用，如果調(diào)高正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的工作轉(zhuǎn)速則吸收能量并儲存在飛輪中，如果調(diào)低正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪的工作轉(zhuǎn)速則釋放能量并轉(zhuǎn)換為電能輸出。

本發(fā)明的一個效果在于，軸承僅需要承受飛輪盤的重量，不需要承受徑向減搖恢復力矩，因此軸承載荷極小。

本發(fā)明的一個效果在于，減搖力矩作用時間可以持續(xù)控制，因此減搖周期可以任意調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的一個效果在于，雙飛輪轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速較低，當船體轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的進動力矩相互抵消，因此不會產(chǎn)生陀螺減搖器所引起的縱搖力矩。

本發(fā)明的一個效果在于，雙飛輪減搖器在減搖工作過程中，能量會在正轉(zhuǎn)飛輪和反轉(zhuǎn)飛輪間通過超級電容進行交換，所需外部提供的能量很小，因此非常節(jié)能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中雙飛輪減搖器系統(tǒng)整體示意圖；

圖2是本發(fā)明中串聯(lián)安裝雙飛輪減搖器后視圖；

圖3是本發(fā)明中串聯(lián)安裝雙飛輪減搖器頂視圖；

圖4是本發(fā)明中飛輪減搖器外形圖；

圖5是本發(fā)明中飛輪減搖器剖視圖；

圖6是本發(fā)明中上下并聯(lián)安裝雙飛輪減搖器后視圖；

圖7是本發(fā)明中左右并聯(lián)安裝雙飛輪減搖器后視圖；

圖8是本發(fā)明中左右并聯(lián)安裝雙飛輪減搖器減搖工作原理示意圖；

圖9是本發(fā)明中雙飛輪減搖器控制系統(tǒng)示意圖；

圖10是本發(fā)明中雙飛輪減搖器控制系統(tǒng)輸出波形示意圖。

附圖中，各標號所代表的部件：1、船體 2、正轉(zhuǎn)飛輪 3、反轉(zhuǎn)飛輪 4、飛輪支架 5、船體吃水線 6、船體艏向軸線 7、船體中垂線 8、正轉(zhuǎn)飛輪變換器 9、反轉(zhuǎn)飛輪變換器 10、超級電容 11、船舶電源 201、安裝盤 202、外殼203、飛輪軸 204、軸承 205、起動/發(fā)電機 206、飛輪盤 207、端蓋。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的介紹。

如圖1所示為本發(fā)明的雙飛輪減搖器系統(tǒng)整體示意圖，該裝置包括船體1、正轉(zhuǎn)飛輪2、反轉(zhuǎn)飛輪3、飛輪支架4，正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3安裝在船艙中。

所述正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的旋轉(zhuǎn)方向相反，旋轉(zhuǎn)工作點速度相同，在減搖控制過程中兩個飛輪轉(zhuǎn)速圍繞工作點的變化轉(zhuǎn)速差幅度也相同。

圖2所示為本發(fā)明的串聯(lián)安裝雙飛輪減搖器后視圖，圖3是本發(fā)明中串聯(lián)雙飛輪減搖器頂視圖，所述正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3沿船體艏向軸線6前后串聯(lián)排列，正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的飛輪轉(zhuǎn)子軸線通過船體中垂線7與船體吃水線5的交點，并與船體艏向軸線6平行。這樣的安裝形式使兩個飛輪的軸線穿過船體1的重心，當一個飛輪加速時另外一個飛輪減速，飛輪力矩直接通過外殼202和安裝盤201作用到船體1上起到減搖效果，而不需要其他進動軸的控制與驅(qū)動系統(tǒng)，見圖4-5。

圖5是本發(fā)明中飛輪減搖器剖視圖，所述正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3結(jié)構(gòu)相同，飛輪旋轉(zhuǎn)方向相反，均包括安裝盤201，外殼202，飛輪軸203，軸承204起動/發(fā)電機205，飛輪盤206，端蓋207。起動/發(fā)電機205的轉(zhuǎn)子，飛輪盤206同軸安裝，并通過飛輪軸203和軸承204安裝在外殼202上，起動/發(fā)電機205的定子安裝在外殼202上。

所述起動/發(fā)電機205的類型可以是直流電機、交流電機、永磁電機、開關磁阻電機等，其工作方式是：

當一個飛輪加速時其中的起動/發(fā)電機205作為電動機工作，吸收電能轉(zhuǎn)化為機械能，使飛輪轉(zhuǎn)速增加；與此同時，另外一個飛輪減速，其中的起動/發(fā)電機205作為發(fā)電機機工作，將飛輪中存儲的機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。當飛輪加速時，飛輪外殼202受到與飛輪盤206轉(zhuǎn)動方向相反的力矩，當飛輪減速時，飛輪外殼202受到與飛輪盤206轉(zhuǎn)動方向相同的力矩。

正轉(zhuǎn)飛輪2加速時反轉(zhuǎn)飛輪3減速，反之亦然，因此兩個飛輪轉(zhuǎn)速變化時產(chǎn)生的力矩相互疊加，作用在船體1上，起到減搖效果。

雙飛輪減搖器的另外一個實施方式就是上下并聯(lián)安裝，如圖6所示，所述正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3在船體吃水線5的上下對稱并聯(lián)排列，正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的飛輪轉(zhuǎn)子軸線與船體中垂線7正交，并與船體艏向軸線6平行。

雙飛輪減搖器的另外一個實施方式就是左右并聯(lián)安裝，如圖7所示，所述正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3在船體中垂線7的左右對稱并聯(lián)排列，正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的飛輪轉(zhuǎn)子軸線與船體吃水線5正交，并與船體艏向軸線6平行。

圖8是本發(fā)明中左右并聯(lián)安裝雙飛輪減搖器減搖工作原理示意圖，首先將正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3利用其內(nèi)部的起動/發(fā)電機205將各自的飛輪盤206按照正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)不同方向逐漸加速到工作點轉(zhuǎn)速。如圖8所示，當船體1逆時針橫搖時，橫搖方向與正轉(zhuǎn)飛輪2的轉(zhuǎn)向一致，當傳感器檢測到船體橫搖運動的趨勢時，正轉(zhuǎn)飛輪2通過其內(nèi)部的起動/發(fā)電機205將其飛輪盤206加速，與此同時，反轉(zhuǎn)飛輪3通過其內(nèi)部的起動/發(fā)電機205將其飛輪盤206減速，正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3所產(chǎn)生的力矩的方向均為順時針方向，因此會減小船體1的橫搖的幅度。

反之，當船體1的橫搖方向與反轉(zhuǎn)飛輪3的轉(zhuǎn)向一致時，反轉(zhuǎn)飛輪3通過其內(nèi)部的起動/發(fā)電機205將其飛輪盤206加速，與此同時，正轉(zhuǎn)飛輪2通過其內(nèi)部的起動/發(fā)電機205將其飛輪盤20)減速，正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3所產(chǎn)生的力矩會減小船體1的橫搖幅度。

根據(jù)船體1的橫搖方向重復上述控制達到船體1減搖的目的。

在重復控制正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的過程中，兩個飛輪的飛輪盤206轉(zhuǎn)速在工作點轉(zhuǎn)速上下變化，變化范圍相同。因此，可以利用飛輪作為儲能單元使用，如果調(diào)高正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的工作點轉(zhuǎn)速則吸收能量，并以機械能的形式儲存在飛輪盤206中。如果調(diào)低正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的工作點轉(zhuǎn)速則儲存在飛輪盤206中的機械能釋放，并轉(zhuǎn)換為電能輸出。

正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3雙飛輪轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速較低，當船體1轉(zhuǎn)向時兩者產(chǎn)生的進動力矩相互抵消，因此不會產(chǎn)生陀螺進動所引起的縱搖力矩，這個特點對船舶的正常行駛和工作是非常有益的。傳統(tǒng)的陀螺減搖器當船舶轉(zhuǎn)向時，由于陀螺進動影響，會產(chǎn)生縱搖，因此會增加船舶行駛阻力。

圖9是本發(fā)明中雙飛輪減搖器控制系統(tǒng)示意圖，所述一種雙飛輪減搖器，還包括正轉(zhuǎn)飛輪變換器8，反轉(zhuǎn)飛輪變換器9，超級電容10，船舶電源11，正轉(zhuǎn)飛輪變換器8和反轉(zhuǎn)飛輪變換器9均為能量可以雙向流動的變換器，分別與正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3連接，并同時與超級電容10連接，超級電容10的正負兩端連接到船舶電源11上，船舶電源11是一個能量可以雙向流動的交直流變換器。系統(tǒng)工作時，正轉(zhuǎn)飛輪變換器8和反轉(zhuǎn)飛輪變換器9通過超級電容10從船舶電源11獲取能量，對正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3分別加速。當正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3轉(zhuǎn)速到達設定的工作點時，儲存了一定的機械能，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入減搖工作模式，傳感器檢測到船體1的姿態(tài)，根據(jù)船體1的姿態(tài)變化，周期性的對正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3分別進行加減速控制，輸出波形如圖10，飛輪輸出減搖力矩與船體1的橫搖角速度相位差180°。正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3是分別加減速控制的，當正轉(zhuǎn)飛輪2加速時，正轉(zhuǎn)飛輪變換器8從超級電容10吸收電能，與此同時反轉(zhuǎn)飛輪3減速，反轉(zhuǎn)飛輪變換器9輸出電能存入超級電容10中，由于正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3加減速大小相等，因此超級電容10中的電能僅僅對系統(tǒng)損耗進行補充，耗能極低。系統(tǒng)所損耗的電能可以從船舶電源11獲取。

由于船舶電源11是一個能量可以雙向流動的交直流變換器，當船舶需要應急供電時，將正轉(zhuǎn)飛輪2和反轉(zhuǎn)飛輪3的轉(zhuǎn)速工作點同時降低，多余的機械能可以通過正轉(zhuǎn)飛輪變換器8和反轉(zhuǎn)飛輪變換器9轉(zhuǎn)換為電能存入超級電容10中，再由船舶電源11逆變成交流電向船舶負載進行供電。

對所公開的實施例的上述說明，僅用于本領域?qū)I(yè)技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其他實施例中實現(xiàn)，因此本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和創(chuàng)新點相一致的最寬的范圍。