專利名稱：一種陀螺穩定裝置及具有該穩定裝置的船的制作方法
技術領域：
本發明涉及無源穩定系統，更具體地說，涉及一種陀螺穩定裝置及具有該穩定裝置的船。
背景技術：
飛輪儲能系統是一種新型的機電能量轉換與存儲裝置，具有使用壽命長、轉換效率高、適應性強以及無污染等優點，在航空航天、分布式發電、電力調峰、風力發電系統以及電動汽車等領域有著廣泛的應用前景。傳統儲能飛輪電機采用高速永磁電機，為了減小高速產生的各種損耗，采用分布繞組永磁電機，分布繞組永磁電機的繞組端部很大，銅損較大。且傳統儲能飛輪電機采用機械軸承，飛輪高速運行產生的機械損耗較大，而且影響儲能飛輪電機的使用壽命?，F有高性能儲能飛輪電機采用主動磁懸浮軸承，雖然其機械損耗很小，但是其價格很高，而且剛度比較低，阻礙了它的實際應用。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種陀螺穩定裝置及具有穩定裝置的船，其能能夠保持系統穩定，控制同步性好，機械性能較好，成本較低。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是，提供一種陀螺穩定裝置，其特征在于，包括提供陀螺角動量的磁懸浮飛輪電機、用于控制所述磁懸浮飛輪電機轉速的陀螺穩速控制電路以及陀螺角動量軸調整器，所述磁懸浮飛輪電機通過陀螺支撐軸系支撐在所述陀螺水平框架上，所述磁懸浮飛輪電機的回轉軸軸線方向通過陀螺角動量軸調整器來調離
iF. ο根據本發明的陀螺穩定裝置，所述陀螺水平框架上還設有用于測量出陀螺水平框架軸線與地球鉛垂偏差角的角度傳感器。根據本發明的陀螺穩定裝置，所述陀螺角動量軸調整器包括與所述磁懸浮飛輪電機可選擇連接的曲柄連桿、以及與所述曲軸連桿聯接的上、下電動液壓泵。根據本發明的陀螺穩定裝置，所述磁懸浮飛輪電機包括中心軸；定子，固定于所述中心軸；飛輪轉子，通過回轉軸可旋轉支撐于所述中心軸，所述回轉軸包括與所述中心軸精密配合的軸向磁懸浮軸承以及徑向滾珠軸承，所述滾珠軸承外圈通過彈性套圈與所述回轉軸的軸系彈性配合，形成彈性支撐。根據本發明的陀螺穩定裝置，所述定子的定子沖片端部安裝有三個空間相差120 度電角度的開關霍爾元件。根據本發明的陀螺穩定裝置，所述彈性套圈的截面厚度為0. 5毫米至5毫米。根據本發明的陀螺穩定裝置，所述彈性套圈通過在所述回轉軸的軸承室灌注彈性
3膠形成。根據本發明的陀螺穩定裝置，所述磁懸浮儲能飛輪電機還包括真空密封外殼，所述真空密封外殼與所述中心軸連接。根據本發明的陀螺穩定裝置，磁懸浮儲能飛輪電機包括4個永磁磁極，由28塊相間貼裝在所述飛輪轉子內壁的磁鋼構成，每個磁極包括7塊同極相間貼裝的磁鋼；所述定子包括18個定子槽。根據本發明的陀螺穩定裝置，所述定子的三相繞組的繞線方式為
A 相一0—6— 回一—回一 14一； B 相一回一 9 一回一 8— 回一 18 —
相一@一12 —回一 11 一0—3 — 17 —2，其中表示 1 槽進，一6 表示 6槽出。本發明還提供一種船，包括船體以及設于所述船體上的陀螺穩定裝置，包括提供陀螺角動量的磁懸浮飛輪電機、用于控制所述磁懸浮飛輪電機轉速的陀螺穩速控制電路以及陀螺角動量軸調整器，所述磁懸浮飛輪電機通過陀螺支撐軸系支撐在所述陀螺水平框架上，所述磁懸浮飛輪電機的回轉軸軸線方向通過陀螺角動量軸調整器來調整。本發明的陀螺穩定裝置通過陀螺角動量調整器以及磁懸浮儲能飛輪電機來保持系統穩定，同時磁懸浮儲能飛輪電機的飛輪轉子通過回轉軸可旋轉支撐于中心軸，回轉軸包括同軸設置的軸向磁懸浮軸承以及徑向滾珠軸承，軸向磁懸浮軸承能在軸向上支撐飛輪轉子，可以抵消飛輪轉子的自重，達到軸向卸載的目的，提高了電機的效率；同時滾珠軸承外圈通過彈性套圈與回轉軸的軸系彈性配合，形成彈性支撐，從而保證飛輪轉子的旋轉軸不發生徑向偏移而降低電機效率，使磁懸浮儲能飛輪電機平衡穩定的轉動，保證了陀螺穩定裝置的穩定性；徑向滾珠軸承與回轉軸的軸系彈性配合能夠使滾珠軸承不承受較大壓力而導致磨損，具有較好的機械性能，延長了飛輪電機的使用壽命，同時彈性套圈的實現方式簡單，成本較低。從而，陀螺穩定裝置裝設到其他高速運行的設備(如游艇或汽車)上，能夠保證系統穩定，控制同步性好。借此，本發明能夠保持系統穩定，控制同步性好，機械性能較好，成本較低。優選的是，本發明磁懸浮儲能飛輪電機采用集中繞組，繞組端部小，銅損減小 20%，電機定子槽口尺寸與磁鋼間隙最優匹配，使電機的定位力矩最小化。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明圖1是本發明陀螺穩定裝置的結構原理圖；圖2是本發明陀螺穩定裝置中磁懸浮儲能飛輪電機與陀螺水平框架相配合的橫截面示意圖；圖3是本發明選實施例中軸向磁懸浮軸承的結構原理圖；圖4是本發明實施例中P = 4，S = 18外轉子儲能飛輪電機的剖面結構原理圖；圖5是本發明應用于船體且船體左傾時的控制原理示意圖；圖6是本發明應用于船體且船體右傾時的控制原理示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。如圖1和圖2所示，本發明一種陀螺穩定裝置200，其包括提供陀螺角動量的磁懸浮飛輪電機100、陀螺穩速控制電路以及陀螺角動量軸調整器210，磁懸浮飛輪電機100通過陀螺支撐軸系201支撐在陀螺水平框架202上，磁懸浮飛輪電機100的回轉軸(即陀螺角動量軸)軸線方向通過陀螺角動量軸調整器210來調整。磁懸浮儲能飛輪電機100由穩速控制電路來穩定其轉速，從而獲得設計規定的角動量。陀螺穩定控制電路根據裝在陀螺水平框架上的角度傳感器，測量出陀螺水平框架軸線202與地球鉛垂偏差角θ，并向陀螺角動量軸調整器210發出改變陀螺角動量軸線的指令，陀螺角動量軸調整器210通過調整使陀螺角動量軸線與地球鉛垂線重合。陀螺角動量軸調整器210包括與磁懸浮飛輪電機可選100擇連接的曲柄連桿211、與曲軸連桿211聯接的上、下電動液壓泵212、213。陀螺穩定裝置200通過上、下兩個電動液壓泵212、213分別驅動陀螺角動量軸向兩個相反的方向調整轉角，使陀螺角動量軸線與地球鉛垂線重合。如圖2所示，磁懸浮飛輪電機100包括真空密封外殼7、連接固定于真空密封外殼7內的中心軸8、固定于中心軸8的定子9以及飛輪轉子10。磁懸浮飛輪電機100的飛輪轉子10通過回轉軸11可旋轉支撐于中心軸8，回轉軸 11包括與中心軸8精密配合的軸向磁懸浮軸承4以及徑向滾珠軸承5，滾珠軸承5外圈通過彈性套圈與回轉軸11的軸系彈性配合，形成彈性支撐。彈性套圈的截面厚度為0. 5毫米至5毫米，由于徑向滾珠軸承5與回轉軸11的軸承室之間的間距較小，若先將彈性套圈成型后再將其安裝到徑向滾珠軸承5并裝入回轉軸11的軸承室，將會導致安裝困難，因此優選采用通過回轉軸U的軸承室直接灌注彈性膠形成彈性套圈。定子9的定子沖片12 (定子沖片見圖6)端部安裝有三個空間相差120°電角度的開關霍爾元件，開關霍爾元件的敏感方向朝向飛輪轉子10永磁體形成的氣隙磁場，以傳感氣隙磁場的變化。本發明的陀螺穩定裝置200通過上、下兩個電動液壓泵212、213分別驅動陀螺角動量軸向兩個相反的方向調整轉角，使陀螺角動量軸線與地球鉛垂線重合。同時磁懸浮儲能飛輪電機100的飛輪轉子10通過回轉軸4可旋轉支撐于中心軸，可以抵消飛輪轉子10 的自重，達到軸向卸載的目的，提高了電機的效率；同時滾珠軸承5外圈通過彈性套圈與回轉軸11的軸系彈性配合，形成彈性支撐，從而保證飛輪轉子10的旋轉軸不發生徑向偏移而降低電機效率，使磁懸浮儲能飛輪電機100平衡穩定的轉動，同時徑向滾珠軸承5與回轉軸 11的軸系彈性配合能夠使滾珠軸承5不承受較大壓力而導致磨損，具有較好的機械性能， 延長了飛輪電機的使用壽命，同時彈性套圈的實現方式簡單，成本較低。從而，陀螺穩定裝置裝設到其他高速運行的設備(如游艇或汽車)上，能夠保證系統穩定，控制同步性好。借此，本發明能夠保持系統穩定，控制同步性好，機械性能較好，成本較低，同時能夠提高了飛輪電機的效率，延長飛輪電機的使用壽命。優選的是，真空密封外殼7將整個磁懸浮儲能飛輪電機100密封起來，通過一個單向真空抽氣口和真空抽氣泵，可以對真空密封外殼(7)內進行真空抽氣，保持真空度在 IOPa以下。如圖2和圖4所示，飛輪轉子10包括貼裝在飛輪轉子10內壁的磁鋼2以及飛輪 1。定子9包括定子沖片12、定子槽13以及纏繞在定子9上的繞組。磁懸浮儲能飛輪電機100包括4個永磁磁極，由28塊相間貼裝在飛輪轉子10內壁的磁鋼2構成，每個磁極包括7塊同極相間貼裝的磁鋼2。飛輪電機100的定子9包括 18個定子槽13。定子槽13的槽口尺寸與相鄰磁鋼2的間距的比例為1. 4 1. 6，該比例為定子槽13的槽口尺寸與相鄰磁鋼2的間距最優匹配，能使電機的定位力矩最小化，定位力矩(DETENT TORQUE)是指電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。定子9的三相繞組的繞線方式為·Λ相15—回—14
一；B 相一一§一8—回一18 — 0—17— ； C 相一@一12—@一11一@一 3 —
—2’其中—0表示1槽進，―6表示6槽出，其他定子槽同理。同時，本發明采用集中繞組方式，繞組端部小，銅損減小20%，如圖3所示，磁懸浮軸承4包括內定子41和外轉子42，且內定子41以及外轉子 42分別包括至少兩個軸向沖磁的環形磁鋼圈，內定子41的環形磁鋼圈與外轉子42的環形磁鋼圈的軸向高度相同，且內定子41的環形磁鋼圈位于外轉子42的環形磁鋼圈內部。在發明的實施例中，內定子41及外轉子42均包括5個環形磁鋼圈，內定子41的5個環形磁鋼圈上表面的極性排列次序為NSNSN，外轉子42的5個環形磁鋼圈上表面的極性排列次序為SNSNS ；也可設置為，內定子41的5個環形磁鋼圈上表面的極性排列次序為SNSNSJhR 子42的5個環形磁鋼圈上表面的極性排列次序為NSNSN。優選的是內定子41與外轉子42之間的物理氣隙43為0. 2毫米至5毫米，物理氣隙大小與飛輪電機100的大小相關。內定子41的環形磁鋼圈之間設有0. 2毫米至1毫米的非導磁隔墊44，外轉子42的環形磁鋼圈之間設有0. 2毫米至1毫米的非導磁隔墊44。由于上下兩個環形磁鋼圈的相鄰表面的極性相同，使上下兩個相鄰磁鋼圈產生排斥，為便于將上下相鄰的環形磁感圈連接在一起，在上下相鄰環形磁鋼圈之間設置非導磁隔墊44。優選的是，飛輪轉子10外徑為0280至0180,飛輪轉子10的飛輪ι的材料為碳鋼， 飛輪1的轉速士 16000rpm。由于飛輪1的轉速過高將會由于離心力較大使碳鋼斷裂，因此若飛輪1需要達到更大的轉速，需選用剛性更好的材料，如飛輪1的材料選為玻璃纖維或碳纖維，飛輪1的外徑0320 ~ 0180,可以使飛輪轉子10的最高轉速達到士20000rpm或士60000rpm。如圖5和圖6所示，當本發明的陀螺穩定裝置200應用于船體上時，其控制船體穩定原理如下當船發生左傾時，陀螺水平框架202左傾，陀螺水平框架軸線與鉛垂線間產生偏差角+ θ，并被角度傳感器測得，如圖5Α所示；陀螺穩定控制電路發出指令，通過陀螺角動量軸調整器210的上電動液壓泵212驅動陀螺角動量軸(也即飛輪回轉軸)向左運動，調整轉角為+ θ，如圖5Β所示；在陀螺角動量作用下，陀螺水平框架軸線連同船體，將向-θ 方向運動，直至軸線陀螺角動量軸線與地球鉛垂線重合，如圖5C所示，此時船體也將恢復水平。整個控制過程中陀螺穩定控制電路發出指令將跟蹤θ角的變化，并使θ角趨于為
6零。當船發生右傾時，陀螺水平框架202右傾，陀螺水平框架軸線與鉛垂線間產生偏差角-θ，并被角度傳感器測得，如圖6Α所示；陀螺穩定控制電路發出指令，通過陀螺角動量軸調整器210的下電動液壓泵213驅動陀螺角動量軸(也即飛輪回轉軸)向右運動，調整轉角為-θ，如圖6Β所示；在陀螺角動量作用下，陀螺水平框架軸線連同船體，將向+ θ 方向恢復運動，直至軸線陀螺角動量軸線與地球鉛垂線重合，如圖6C所示，此時船體也將恢復水平。整個控制過程中陀螺穩定控制電路發出指令將跟蹤θ角的變化，并使θ角趨于為零。本發明還提供一種船，包括船體以及設于所述船體上的陀螺穩定裝置，包括提供陀螺角動量的磁懸浮飛輪電機、用于控制所述磁懸浮飛輪電機轉速的陀螺穩速控制電路以及陀螺角動量軸調整器，所述磁懸浮飛輪電機通過陀螺支撐軸系支撐在所述陀螺水平框架上，所述磁懸浮飛輪電機的回轉軸軸線方向通過陀螺角動量軸調整器來調整。陀螺穩定裝置的具體結構已在前文做詳細描述，故在此不再贅述。綜上所述，本發明的陀螺穩定裝置通過陀螺角動量調整器以及磁懸浮儲能飛輪電機來保持系統穩定，同時磁懸浮儲能飛輪電機的飛輪轉子通過回轉軸可旋轉支撐于中心軸，回轉軸包括同軸設置的軸向磁懸浮軸承以及徑向滾珠軸承，軸向磁懸浮軸承能在軸向上支撐飛輪轉子，可以抵消飛輪轉子的自重，達到軸向卸載的目的，提高了電機的效率；同時滾珠軸承外圈通過彈性套圈與回轉軸的軸系彈性配合，形成彈性支撐，從而保證飛輪轉子的旋轉軸不發生徑向偏移而降低電機效率，使磁懸浮儲能飛輪電機平衡穩定的轉動，保證了陀螺穩定裝置的穩定性；徑向滾珠軸承與回轉軸的軸系彈性配合能夠使滾珠軸承不承受較大壓力而導致磨損，具有較好的機械性能，延長了飛輪電機的使用壽命，同時彈性套圈的實現方式簡單，成本較低。從而，陀螺穩定裝置裝設到其他高速運行的設備(如游艇或汽車)上，能夠保證系統穩定，控制同步性好。借此，本發明能夠保持系統穩定，控制同步性好，機械性能較好，成本較低。以上實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據此實施，并不能限制本發明的保護范圍。凡跟本發明權利要求范圍所做的均等變化與修飾，均應屬于本發明權利要求的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種陀螺穩定裝置，其特征在于，包括提供陀螺角動量的磁懸浮飛輪電機、用于控制所述磁懸浮飛輪電機轉速的陀螺穩速控制電路以及陀螺角動量軸調整器，所述磁懸浮飛輪電機通過陀螺支撐軸系支撐在所述陀螺水平框架上，所述磁懸浮飛輪電機的回轉軸軸線方向通過陀螺角動量軸調整器來調整。
2.根據權利要求1所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述陀螺水平框架上還設有用于測量出陀螺水平框架軸線與地球鉛垂偏差角的角度傳感器。
3.根據權利要求1所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述陀螺角動量軸調整器包括與所述磁懸浮飛輪電機可選擇連接的曲柄連桿、以及與所述曲軸連桿聯接的上、下電動液壓泵。
4.根據權利要求1至3任一項所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述磁懸浮飛輪電機包括中心軸；定子，固定于所述中心軸；飛輪轉子，通過回轉軸可旋轉支撐于所述中心軸，所述回轉軸包括與所述中心軸精密配合的軸向磁懸浮軸承以及徑向滾珠軸承，所述滾珠軸承外圈通過彈性套圈與所述回轉軸的軸系彈性配合，形成彈性支撐。
5.根據權利要求4所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述定子的定子沖片端部安裝有三個空間相差120度電角度的開關霍爾元件。
6.根據權利要求4所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述彈性套圈的截面厚度為0.5 毫米至5毫米。
7.根據權利要求4所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述彈性套圈通過在所述回轉軸的軸承室灌注彈性膠形成。
8.根據權利要求4所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述磁懸浮儲能飛輪電機還包括真空密封外殼，所述真空密封外殼與所述中心軸連接。
9.根據權利要求4任一項所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，磁懸浮儲能飛輪電機包括4個永磁磁極，由觀塊相間貼裝在所述飛輪轉子內壁的磁鋼構成，每個磁極包括7塊同極相間貼裝的磁鋼；所述定子包括18個定子槽。
10.根據權利要求4所述的陀螺穩定裝置，其特征在于，所述定子的三相繞組的繞線方式為A 相一@一6 — g— 回一15—回一 14一； B 相一@一9一固一 8— 回一 18 — 17— ;C相一 12—回一 11—回一 3— 17 —2，其中一幻表示1槽進，一6表示6槽出。
11.一種船，包括船體以及設于所述船體上的陀螺穩定裝置，其特征在于，包括提供陀螺角動量的磁懸浮飛輪電機、用于控制所述磁懸浮飛輪電機轉速的陀螺穩速控制電路以及陀螺角動量軸調整器，所述磁懸浮飛輪電機通過陀螺支撐軸系支撐在所述陀螺水平框架上，所述磁懸浮飛輪電機的回轉軸軸線方向通過陀螺角動量軸調整器來調整。
全文摘要
本發明涉及一種穩定裝置，尤其涉及一種陀螺穩定裝置及具有該穩定裝置的船，包括提供陀螺角動量的磁懸浮飛輪電機、用于控制磁懸浮飛輪電機轉速的陀螺穩速控制電路以及陀螺角動量軸調整器，磁懸浮飛輪電機通過陀螺支撐軸系支撐在陀螺水平框架上，磁懸浮飛輪電機的回轉軸軸線方向通過陀螺角動量軸調整器來調整。本發明可裝設到其他高速運行的設備(如游艇或汽車)上，通過陀螺角動量調整器以及磁懸浮儲能飛輪電機來保持系統穩定，控制同步性好。
文檔編號H02K7/04GK102510164SQ20111039107
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月30日 優先權日2011年11月30日
發明者漆亞梅 申請人:深圳市配天電機技術有限公司