陀螺船横摇稳定器的制作方法

相关申请

本申请要求2018年5月31日提交的美国临时专利申请序号62/678,422和2018年11月16日提交的美国临时专利申请序号62/768,356的优先权，上述专利申请的公开内容通过引用整体地结合于本文中。

本公开总体上涉及用于减小船的侧向横摇运动的船横摇稳定器，并且更具体而言，涉及用于基于陀螺效应来减小船的横摇的受控力矩陀螺。

背景技术：

船的侧向横摇运动可能会对船上的乘客和船员造成安全问题，以及对不习惯于船的横摇运动的乘客造成不适。当前存在多种技术来减小船的侧向横摇运动。当前使用的一种技术是主动鳍稳定。稳定鳍在吃水线下方附接到船的船体，并产生升力，以减小由于风或浪引起的船的横摇。在主动鳍稳定的情况下，感测船的运动，并且基于船的运动来控制鳍的角度，以产生力来抵消横摇。鳍稳定最常用在大船上，并且当船在行进中时有效。鳍稳定技术不常在较小的船中使用，并且在船静止时通常无效。稳定鳍也会增加船体的阻力，并且易受损伤。

陀螺船稳定是基于陀螺效应的用于横摇抑制的另一种技术。控制力矩陀螺（cmg）被安装在船中，并产生可用于抵消船的横摇运动的扭矩。该cmg包括以高速旋转的飞轮。控制器感测船的姿态，并使用飞轮中存储的能量来“校正”船的姿态，这是通过对船体施加抵消船的横摇运动的扭矩。cmg不仅当船在行进中时工作，而且当船静止时也工作。cmg也不像稳定鳍那么贵，不会增加船体的阻力，并且不会暴露于损伤的风险。

尽管cmg越来越流行，特别是对于较小的渔船和游艇，但是该技术也具有一些局限性。用于抵消船的横摇运动的能量来自飞轮以高速率的旋转。因此，热会在支撑飞轮的轴承中积累，并且可导致轴承故障，由于飞轮中存储的能量，这对船造成极大的危险。为了获得高旋转速率，飞轮通常被包含在真空封壳中，这使得散热成为问题。

现有cmg的另一个问题在于使飞轮“起转（spinup）”、即获得其期望的操作速度要花费大量的时间。在当前市场上的某些cmg中，在cmg准备就绪之前可能需要长达70分钟。长的“起转”期意味着cmg无法用于持续时间短的旅行，这包括大多数的划船场合。飞轮“消转（spindown）”也需要很长时间，通常需要大约几个小时。在飞轮消转时，它会继续发出呜呜的噪声，在船已到达其在水上的目的地或者在划船一天后返回到船坞之后，这可能会破坏乘员的享受。

技术实现要素：

本公开涉及一种用于船的陀螺横摇稳定器。该陀螺横摇稳定器包括：封壳，其安装到常平架并构造成维持低于环境压力（below-ambientpressure）；飞轮组件，其包括飞轮和飞轮轴；一个或多个轴承，其用于将飞轮组件可旋转地安装在封壳内；马达，其用于使飞轮旋转；以及轴承冷却系统，其用于冷却支撑飞轮的轴承。在一个实施例中，该轴承冷却系统包括散热器，该散热器被设置在飞轮轴的端部内形成的腔内。热从飞轮轴传递到该散热器，并且随后通过固体和/或液体传导来传递到热交换器。在另一个实施例中，通过将液体冷却剂输送到飞轮轴的端部中的锥形腔中来实现冷却。该腔被成形为使得离心力使该液体冷却剂流向该轴的开口端，在那里该液体冷却剂被流体收集系统收集。

本公开的一个方面包括操作cmg的方法，该cmg构造成当作用于船的横摇稳定器。该cmg在封壳中包括飞轮组件，该封壳安装在常平架中，以用于绕常平架轴线旋转，并且维持在低于环境压力下，以提供用于横摇稳定的反扭矩。该飞轮组件包括飞轮和飞轮轴。在一个实施例中，该方法包括：使飞轮组件旋转；将支撑飞轮组件的轴承所产生的热通过飞轮轴传递到传热构件，该传热构件延伸到飞轮轴的一端中的腔中；以及将热借助固体传导通过该传热构件传递到封壳的外部。

在另一个实施例中，该方法包括：使飞轮组件旋转；使液体冷却剂循环通过形成在飞轮轴的一端中的腔；以及将支撑飞轮组件的轴承所产生的热通过飞轮轴传递到该液体冷却剂。

本公开的另一个方面包括一种用于船的陀螺横摇稳定器。在一个实施例中，该陀螺船横摇稳定器包括：封壳，其安装到常平架，以用于绕常平架轴线旋转，并构造成维持低于环境压力；飞轮组件，其包括飞轮和飞轮轴；一个或多个轴承，其用于将飞轮组件可旋转地安装在封壳内；马达，其用于使飞轮组件旋转；在飞轮轴的端部中形成的端部开口的腔；以及传热构件，其延伸到该腔中，以用于将热从飞轮轴传递到封壳的外部。

在另一个实施例中，该陀螺船横摇稳定器包括：封壳，其安装到常平架，以用于绕常平架轴线旋转，并构造成维持低于环境压力；飞轮组件，其包括飞轮和飞轮轴；一个或多个轴承，其用于将飞轮组件可旋转地安装在封壳内；马达，其用于使飞轮组件旋转；在飞轮轴的端部中形成的端部开口的腔；冷却剂输送系统，其用于将液体冷却剂输送到该腔；以及收集系统，其与飞轮轴的该端部相邻设置，以用于收集输送到飞轮轴的腔的液体冷却剂。

附图说明

图1a和图1b图示了配备有如本文所述的cmg的船。

图2是构造为根据第一实施例的船横摇稳定器的cmg的正视图。

图3是根据第一实施例的cmg的封壳的剖面图。

图4是图示了根据第一实施例的轴承冷却系统的局部剖面图。

图5图示了用于cmg的冷却回路。

图6图示了用于该cmg的扭矩控制系统。

图7是图示了根据第二实施例的轴承冷却系统的局部剖面图。

图8是图示了根据第三实施例的轴承冷却系统的局部剖面图。

图9是图示了根据第四实施例的轴承冷却系统的局部剖面图。

图10是图示了根据第五实施例的轴承冷却系统的局部剖面图。

图11是图示了根据第六实施例的轴承冷却系统的局部剖面图。

图12是图示了根据第七实施例的轴承冷却系统的局部剖面图。

具体实施方式

现在参考附图，图1a和图1b图示了安装在船5中以用于横摇稳定的cmg10。描述了cmg10的多个实施例。为方便起见，在以下对实施例的描述中使用相似的附图标记来表示每个实施例中的相似元件。

现在参考图2和图3，cmg10的主要功能元件包括：单轴常平架20；封壳30，其安装到常平架20，以用于绕常平架轴线g旋转；飞轮组件40，其通过轴承50安装在该封壳内；马达60，其使飞轮组件40旋转；以及扭矩控制系统70（图5），其控制飞轮组件40的进动，使得飞轮组件40的能量被传递到船5的船体，以抵消横摇运动。每个实施例还包括轴承冷却系统100，以冷却飞轮轴承46。轴承冷却系统100的各种设计在图4和图7-12中示出。

常平架20包括支撑框架22，其被构造成牢固地安装在船5中。优选地，常平架20沿船5的纵向轴线l安装，其中常平架轴线g横向于该纵向轴线l延伸。照常规，常平架20被安装在船5的船体中，但是也可被安装在任何位置处。常平架20的支撑框架22包括基座24和两个隔开的支撑件26。轴承28被安装在每个支撑件26上，以用于将封壳30可旋转地安装到支撑件26。为此目的，封壳30包括两个常平架轴32，它们从封壳30的直径相对的侧面突出。常平架轴32被可旋转地轴颈设置在常平架轴承28中，以允许封壳30和飞轮组件40绕常平架轴线g沿前方向和后方向旋转或进动。

封壳30的基本元件在本文所述的各个实施例中是相同的，但在某些细节上有所不同，这取决于轴承冷却系统100的设计。封壳30在形式上是大致球形的，并且包括两个主壳体部段34和两个盖板36。这两个主壳体部段34沿将球形封壳30平分的平面连结。盖板36沿更靠近球形封壳30的“极”的相应平面连结主壳体部段34。封壳30中的所有接头均被密封，来维持封壳30内的低于环境压力，以减小飞轮组件40上的气动阻力。尽管封壳30的构造在本文所述的实施例中大致相同，但是壳体部段34和盖板35的细节如下面更充分描述的有所变化，这取决于所使用的轴承冷却系统的设计。

参考图3，飞轮组件40包括飞轮42和飞轮轴44，其被安装成用于在常平架20的封壳30内旋转，使得飞轮组件40的旋转轴线f垂直于常平架轴线g。因此，当船5水平时，飞轮轴44的轴线将沿竖直方向，即垂直于船的甲板。飞轮42和轴44可形成为单件，或者可包括两个分开的部件。在一个示例性实施例中，直径和飞轮42为大约20.5英寸，并且飞轮组件40具有大约614磅的总重量。飞轮组件40具有大约32,273lbin²的转动惯量。当以9000rpm的速率旋转时，飞轮组件40的角动量为大约211,225lbmft²/s。

飞轮组件40由封壳30内的上部轴承组件和下部轴承组件支撑。每个轴承组件都包括安装在轴承座58内的轴承50。每个轴承50包括：内座圈52，其接触飞轮轴44并与飞轮轴44一起旋转；外座圈54，其被安装在轴承座58内；以及滚珠56，其设置在内座圈52和外座圈54之间。轴承座58被固定到封壳的内部。密封件（未示出）被设置在轴承50的顶部和底部上，以在轴承50中容纳润滑剂。

马达60使飞轮组件40以高速率（例如，9000rpm）旋转。马达60包括连接到飞轮轴44的转子62以及通过任何合适的安装系统固定到封壳30的定子64。尽管马达60被示出为安装在封壳30内，但是也可将马达60安装在封壳30的外部上。在一个实施例中，马达60以230伏的单相交流电操作，并且能够以大约32,273lbin²的转动惯量加速飞轮组件，对于大约5rpm/s的平均加速度，优选为在大约30分钟或更短的时间内，并且对于大约7.75rpm/s的平均加速度，更优选为在大约20分钟或更短的时间内，并且对于大约15rpm/s（或1.57rad/s2）的平均加速度，甚至更优选为在大约10分钟或更短的时间内，使飞轮从静止加速至9000rpm的旋转速度。

图5中所示的扭矩控制系统70控制飞轮组件40绕常平架轴线g的进动速率。由波浪作用引起的船5的横摇运动可通过横摇角和横摇率来表征。横摇运动使飞轮42绕常平架轴线g进动。传感器74、76相应地测量横摇角和横摇率，它们被供给到控制器72。控制器102产生控制信号，以控制主动制动系统或控制飞轮组件40的进动速率的其他扭矩施加装置78。通过控制进动速率，飞轮组件40产生与横摇运动相反的扭矩。该扭矩通过常平架20传递到船5，以阻尼船5的横摇。2019年4月3日提交的题为“brakingsystemforgyroscopicboatrollstabilizer”的美国临时申请62/828845中描述了主动制动系统78的示例，其通过引用整体地结合于本文中。

当飞轮组件40以高速旋转时，轴承50和马达60将产生大量的热，这可能导致危险的轴承故障。常规的空气和液体冷却技术不适用于轴承50或包含在真空环境内的其他发热部件。本文公开的轴承冷却系统100的各种实施例允许冷却轴承50和包含在封壳内的其他发热部件，而油或液体冷却剂不与轴承50或其他发热部件直接接触，所述直接接触这将导致高摩擦损失。通常，热通过固体和/或液体传导传递到散热器，该散热器通过油、乙二醇或其他液体冷却剂来冷却。与空气冷却或气态对流和传导相比，油或液体冷却使得能够消散更多热。现有cmg中依赖于气态对流和传导对可消散的热量施加了严格的限制，这是因为封壳30的内部通常被维持在低于环境压力下。现有技术的cmg10中的有限的传热能力对所使用的电动马达的尺寸施加了严格的限制，这又限制了接合和使用cmg10的时间。因为常规cmg中的电动马达比一般尺寸小，以避免发热，所以常规cmg需要大量时间来将飞轮组件40加速到提供期望的反扭矩和横摇稳定的速度。如本文所述，提供对轴承50的更高效的冷却使得能够使用更大且更强大的马达60以及飞轮组件40的更快的加速，使得可在显著更短的时间段内获得使用cmg10的益处。

图6是用于使液体冷却剂循环的冷却回路80的示意图。流体储存器82包含液体冷却剂，其通过流体泵84在“闭合”回路中循环。流体储存器82可包括热交换器83，以冷却流体储存器82中的液体冷却剂。在收集由轴承50消散的热之后，液体冷却剂通过热交换器86，在那里，其吸收并带走由轴承50产生的热，如下文更全面地描述的。在一些实施例中，热从飞轮轴44传递到散热器，并且随后，通过固体和液体传导传递到热交换器86。在其他实施例中，热从飞轮轴44传递到液体冷却剂，该液体冷却剂通过飞轮轴44中的腔46循环。在该实施例中，到液体冷却剂的热传递发生在飞轮轴44的腔46内，因此不需要热交换器86。在一些实施例中，设置了清除回路88以收集渗入到封壳30的内部中的液体冷却剂，并使该液体冷却剂返回到流体储存器82。

图4图示了轴承冷却系统100的一个实施例，其使用散热器来消散由轴承50和/或马达60产生的热。飞轮轴44的上部被固定在轴承50内，该轴承50又被固定在封壳30内。每个轴承50都包括外座圈54、滚珠56和内座圈52，该内座圈52接合飞轮轴44并与之一起旋转。飞轮轴44在其每个端部处包括腔46。飞轮轴44的每个端部中的腔46在一端处开口，并包括侧壁和底壁。

如下文中所述，在腔46中悬挂有用作散热器的传热构件102。该传热构件102不直接接合腔46的侧壁或底壁。相反，传热构件102的外表面与腔46的侧壁和底壁隔开。在一个实施例中，传热构件102与腔46的壁之间的间隔为大约0.062''。各种材料可用于本文论述的传热构件102。优选地，由于其相对高的热导率，所以使用铜、铝或其合金。

在传热构件102与腔46的壁之间的间隙中包含传热介质。作为一个示例，该传热介质包括适于封壳30中的低压环境的低蒸气流体。低蒸气流体是诸如油之类的液体，其与水相比具有较低的沸点，并且适于在真空环境中使用。例如，设计用于真空环境的航空航天润滑剂，例如全氟聚醚（pfpe）润滑剂，可被用作热交换介质。该低蒸气流体使得能够通过液体传导和液体对流将热从飞轮轴44传递至传热构件102。迷宫式密封件110围绕传热构件102延伸并且有效地密封腔46，使得传热介质被保持在腔46内。迷宫式密封件110优选地被固定到传热构件102，这意味着飞轮轴44围绕迷宫式密封件110旋转。

如图4中所见，传热构件102从腔46突出，穿过形成封壳30的一部分的盖板36中的开口，并进入到热交换器86中。位于盖板36中的对应槽中的密封件108维持封壳30内的真空。热交换器86被安装到盖板36的外表面。热交换器86包括壳体106和限制在壳体106内的热交换板104。传热构件102通过紧固件103固定到热交换板104，使得传热构件102有效地悬挂在形成于飞轮轴44中的腔46中。更具体而言，热交换板104在其底表面中包括凹部，该凹部接收传热构件102的端部。传热构件102的端部与热交换板104之间的表面接触有助于热通过固体传导从传热构件102高效传递到热交换板104。

例如乙二醇冷却剂之类的液体冷却剂循环通过热交换器86，以从热交换板104吸收并带走热，如图5中所示。热交换板104的上表面可设置有流体通道和/或散热片，以增加热交换板104的表面积，并有助于从热交换板104到液体冷却剂的热传递。

当封壳30绕常平架轴线g旋转时，由于cmg的扭矩产生的高侧向载荷，在轴承组件50的内座圈和外座圈中产生热。外座圈54具有穿过封壳30的连续的导热路径，该路径允许与外座圈54相关联的热被排放到大气中。内座圈52需要穿过封壳30的多个部分的散热路径。在该实施例中，来自轴承组件50的内座圈52的热通过固体传导传递到飞轮轴44。然后，该热通过液体传导从飞轮轴44传递到传热构件102，并借助固体传导通过传热构件102传递到热交换板104，该热交换板104持续地将热排入到周围的液态冷却剂中。在一些实施例中，热交换器86可采用空气或气体冷却而不是液体冷却。

图7图示了也使用散热器的替代性轴承冷却系统100。图7中的该轴承冷却系统100与图4中所示的设计相似。主要区别在于传热构件102、迷宫式密封件110和热交换板104的形状。在该实施例中，传热构件102包括增加暴露于传热介质的表面积的通道。与先前的实施例对比，热交换板104具有光滑的顶表面，而没有槽或叶片。然而，传热路径基本上相同。也就是说，与内座圈52相关联的热通过固体传导传递到飞轮轴44。如上面的设计一样，形成在飞轮轴44中的腔46被构造成容纳低蒸气流体，使得热通过液体传导从飞轮轴44通过低蒸气流体传递到传热构件102的下部。其后，传热构件102中的热通过固体传导传递到热交换板104。液态冷却剂循环到热交换器86中，通过热交换器86并离开热交换器86。在这样做时，液体冷却剂接触热交换板104，并且与热交换板104相关联的热被传递到循环的液体冷却剂。

图8是使用散热器的用于陀螺船稳定装置的轴承冷却系统100的另一替代性设计。该设计在概念上与先前的设计相似，但是在若干方面有所不同。首先，存在两个传热构件102a和102b。传热构件102a被插入到飞轮轴44中的腔46中，并且与飞轮轴44一起旋转。腔46的壁与传热构件102a之间的紧密表面接触（contract）有助于通过固体传导从飞轮轴44到传热构件102a的热传递。传热构件102b穿过盖板36中的开口并且与第一传热构件102a轴向对准。传热构件102b的一端连接到热交换板104。如下文中所述，在传热构件102a和102b的邻接端部之间维持小的间隙。传导低蒸气油脂的轻膜被施加于传热构件102a和102b的邻接端部之间的界面，以防止磨损并有助于从传热构件102a到传热构件102b的热传递。通过迷宫式密封件114来防止油脂逸出。在从轴承组件50的内座圈52散热的过程中，热从内部传热构件102a通过油脂薄膜传递到外部传热构件102b。

预加载的弹簧112被置于热交换板104和封壳30的盖板36之间。其原因在于，封壳30中的真空趋于向内牵拉外部传热构件102b。因此，弹簧112被用于平衡真空力并在传热构件102a和102b之间维持期望的间隔。

该设计中的传热路径与两个先前实施例基本上相同。与轴承组件50的内座圈52相关联的热通过固体传导从内座圈52传递到飞轮轴44，并且从飞轮轴44传递到第一传热构件102a。第一传热构件102a中的热借助传导通过油脂薄膜传递到第二传热构件102b，并且通过固体传导从传热构件102b传递到热交换板104。在热交换器86中循环的液态冷却剂吸收并带走热交换板104中的热。

图9-14图示了轴承冷却系统100的实施例，其中热被传递到液体冷却剂，该液体冷却剂在飞轮轴44的端部中的腔46中循环。在这种情况下，到液体冷却剂的热传递发生在飞轮轴44中的腔46内。下面的论述将主要集中在传热中涉及的元件上。除了下面指出的以外，常平架20、封壳30、飞轮40、轴承组件50和马达60（未示出）的基本设计与先前所述的基本上相同。因此，下面的描述将不会重述这些元件的所有细节。在图9和图10中所示的实施例中，飞轮轴44的端部包括专门形成的腔46，液体冷却剂被输送或注入到该腔46中。每个腔46都沿飞轮轴44的纵向轴线延伸，使得腔46的底端或封闭端与轴承50相邻。当腔46朝向飞轮轴44的端部延伸时，该腔46向外呈锥形。供给管85将液体冷却剂输送到腔46的底端。当轴44以高速旋转时，腔46的形状使液体冷却剂沿腔46的侧壁流向飞轮轴44的端部。连接到流体储存器82的输入侧的收集歧管90与腔46的开口端相邻设置，以收集从飞轮轴44中的腔46的开口端流出的液体冷却剂并使之再循环。迷宫式密封件在飞轮轴44的端部与收集歧管90之间提供非接触式密封。

收集歧管90包括大致圆形的歧管，该歧管在其底壁中具有开口92，以及沿歧管90的侧壁的一个或多个流体出口93，油或液体冷却剂通过该流体出口93再循环。供给管85穿过歧管90的顶壁中的开口96，该开口96通过o型环密封件98密封。另外，弹性偏转器护罩95被附接到供给管85，以使流体远离收集歧管90的顶壁中的开口96偏转。在歧管90的底壁的内侧上的开口92的周界周围形成圆形突起94。如下面更详细地解释的，该圆形突起94形成迷宫式密封件的一部分，以防止油渗入到封壳30的内部中。

在图9中所示的实施例中，钟形的衬套120被插入到飞轮轴44的每个腔46中。衬套120包括展开的端部122，其径向向外延伸并且在收集歧管90的底部中的开口92周围的圆形突起94上方延伸，而在展开的端部122和圆形突起94之间具有处于1/128英寸至1/32英寸的范围内的间隙，以形成迷宫式密封件。该间隙的尺寸以及衬套120随着飞轮轴44的旋转防止流体迁移到封壳30的内部中。在液体冷却剂泄漏通过该迷宫式密封件的情况下，其可通过清除回路88收集并返回。

图10图示了用于形成迷宫式密封件的替代性系统。在该实施例中，在流体腔46的与飞轮轴44的开口端相邻的侧壁中形成肩部48。图10中最佳地示出的环形密封构件124被插入到腔46的开口端中。密封构件124的内表面朝向飞轮轴44的旋转轴线向内凸出。当液体冷却剂流向腔46的开口端时，流体遇到该凸出部，该凸出部将流体流引向飞轮轴44的旋转轴线并降低流体的流率。结果，液体冷却剂保持与飞轮轴44接触更长的时间段，并且吸收更多热量。密封构件124的外端部包括指状元件126，该指状元件126在收集歧管90中的开口周围的圆形突起92上方延伸，而在该指状元件126和圆形突起94之间具有处于1/128英寸至1/32英寸的范围内的间隙，以形成迷宫式密封件。如在先前的实施例中一样，该间隙的尺寸和密封构件124的旋转防止液体冷却剂迁移到封壳30的内部中。

图11和图12示出了与图9和图10中的实施例类似的实施例，其具有附加的流控制特征，以控制来自轴44的端部中的腔46的液体冷却剂流。通常，这些流控制特征是减慢油或液体冷却剂的流动的设计，以提供足够的时间以供热交换，即用于将热从轴44传递到油或液体冷却剂。在图11中所示的实施例中，一系列固体盘130被附接到供给管85，并且朝向衬套120径向向外延伸。油或液体冷却剂的流动被限于盘130的外边缘或周缘与衬套120之间的小间隙。在图12中所示的实施例中，诸如金属泡沫之类的多孔材料132被放置在飞轮轴44中的腔46中，而沿中心向下具有用于供给管85的孔。经由供给管85输送的油或液体冷却剂通过多孔金属泡沫或其他多孔材料132向回流出，该多孔金属泡沫或其他多孔材料132将热传递到该油或液体冷却剂。也可使用其他类似的技术来减慢油或液体冷却剂的流动，以为传热提供时间。

在另一个实施例中，轴承冷却系统100包括传导金属帽（未示出），其被附接到飞轮轴44的与飞轮轴承50的内座圈52接触的端部。在一个实施例中，该金属帽还包括细长的传导元件，其延伸到飞轮轴44中的类似形成的槽中，以将热从飞轮轴44传导至该金属帽。液体冷却剂被喷涂到该金属帽上。飞轮轴44的旋转使液体冷却剂向外流动，在那里其被流体收集系统收集。迷宫式密封件在该金属帽和流体收集系统之间提供非接触式密封，以减小作用在飞轮轴44上的摩擦力。

与当前技术相比，如本文所述的轴承冷却系统100允许大得多的散热，其使得能够使用更大的马达60并实现更低的操作温度，即使在更大的马达60的情况下。该更大的马达和更低的操作温度使得能够实现飞轮组件40的快速的起转和消转，并且接合时间要短得多。

在使用中，常平架20通常在起转期间、即在飞轮组件40加速时被锁定，以防止飞轮42进动，直到实现预定的旋转速度。在常规cmg中，常平架20通常被锁定，直到飞轮组件40达到最大旋转速度的75-80%或更高。锁定常平架20对于防止在飞轮组件40被加速时的摩擦损失是必要的。如果常规cmg中的常平架20过早被解锁，则摩擦损失将阻止较小的马达使飞轮组件40加速，或者将大大减小飞轮组件40的加速度，从而导致长得多的起转期。

用于保持在真空环境中的cmg10的轴承冷却中的当前现有技术使用交织散热片，并且主要依赖于交织散热片之间的气态传导来散热。例如，参见美国专利号7546782和8117930。依赖气态传导作为热传递的主要方式严重限制了可消散的热量，这是因为气态传导不如液体或固体传导那么高效。交织散热片的传热能力也受交织散热片的表面积限制。较小的表面积意味着较低的传热能力。当cmg10的封壳30尺寸缩小时，交织散热片可用的空间较小。这些因素严重限制了cmg10的热预算（heatbudget）。

cmg10中存在两个主热源：封壳30内的马达60所产生的热以及轴承摩擦所产生的热。为了防止轴承故障，需要大比例的热预算来消散来自轴承50的热。在考虑了轴承冷却之后，热预算的剩余部分决定了可在封壳30内使用的马达60的尺寸。因此，使用交织散热片来散热的常规cmg10在马达60的尺寸上受到限制。如果马达60过大使得超过了交织散热片的传热能力，则对马达尺寸的限制会导致cmg10中的飞轮42的不良加速曲线，这又意味着在cmg10可使用之前的长等待期。乘船者通常将期望在开始航行后尽快使用cmg10。如先前所述，cmg10通常在飞轮组件40处于竖直位置的情况下被锁定，直到飞轮42达到最小操作速度（通常为其正常操作速度的大约75%至80%）。当前市场上的cmg10可能需要30分钟或更长的时间来达到飞轮42可接合的最小操作速度，而许多乘船旅行，特别是在较小的船上，为30分钟或更短。这意味着在达到接合（解锁飞轮组件40的）时间之前的等待期长于许多乘船旅行。

常规cmg10中的马达60的尺寸为可接合（即，解锁）cmg10的最小操作速度设置了下限。当飞轮组件40被加速时，cmg10通常被锁定以防止进动。cmg100可被锁定，以通过主动制动系统78来防止封壳30旋转。当cmg10被解锁时，飞轮42的进动将在轴承50上施加大的侧向载荷。马达60必须克服来自轴承50的侧向载荷的轴承摩擦，这将大大降低已经很慢的加速率。较低的加速率意味着达到正常操作速度的时间可能为大约数小时而不是数十分钟，这对于一般的乘船者将是不可接受的。在某些情况下，该摩擦载荷可能过大以致马达60无法克服，使得飞轮组件40的进一步加速变得不可能，并且无法达到正常操作速度。

另一个考虑是，当飞轮组件40被加速时，提供给马达60的功率处于其最大值，而当飞轮组件40达到其正常操作速度时，该功率减小。因此，当马达60在加速时其产生更多热。马达60所产生的附加的热也限制了接合时间，这是因为来自马达60的附加的热可能超过轴承冷却系统的设计极限。

如本文所述的轴承冷却系统100使得能够实现更高效的热传递，这使得能够实现大得多的热传递能力和大大增加的热预算。增加的热预算意味着可使用产生更多热的更大且更强大的马达60，而不用担心轴承故障。与常规cmg10相比，利用更大且更强大的马达60，cmg10能够实现飞轮组件40的更大的加速度和短得多的接合时间。除了更高的加速率，在假定相同的最小操作速度的情况下这自然会导致更短的接合时间，更大的马达60还使得飞轮组件40能够以更低的操作速度接合，这进一步缩短了接合时间，因为更大的马达60能够克服来自轴承50的装载的附加摩擦。例如，额定为10,000到15,000瓦的马达60可能在大约几分钟内达到接合时间的速率。

作为一个示例，具有等于大约32,273lbin²的转动惯量的上述飞轮组件40可在大约30分钟或更短的时间内从静止加速到9000rpm，这相当于大约5rpm/s或更高的平均加速度，并且优选地在大约20分钟或更少的时间内实现上述加速，这相当于大约7.5rpm/s或更高的平均加速度，并且甚至更优选地在大约10分钟或更少的时间内实现上述加速，这相当于大约15rpm/s或更高的平均加速度。另外，如本文所述的cmg10的接合时间要短得多，这是因为马达60足够强大，以克服常平架20被解锁时的摩擦损失。例如，在具有等于大约32,273lbin²的转动惯量的飞轮组件40中，接合时间（假定为操作速度的75%）小于大约20分钟，并且更优选为小于大约10分钟，并且甚至更优选为小于5分钟。快速的起转和更短的接合时间使得即使对于短途旅行的时间也能有益地使用cmg10，这些短途旅行构成了大多数的划船旅行。因此，快速的起转使得cmg10能够用在多得多的划船场合。

类似地，与当前技术相比，消转为大约数分钟而不是数小时。具有依赖于气态传导和对流的交错散热片的冷却系统在高温（例如，400℉）下操作，并且散热相对慢。在这样的系统中，如果飞轮过快停止，则热可能会使部件翘曲，这进而可能使轴承寿命缩短至数月或数天，而不是数年。如本文所述的冷却系统使得cmg10能够在较低的温度（例如，200℉）下操作，并且在除热方面极为高效。因此，消转时间从3-5小时减少到只有几分钟。此降低的运行温度以及快速的冷却期防止了极好地平衡的旋转部件翘曲，并且因此，消转时间大大缩短。短的消转时间消除了来自旋转的飞轮的烦人的嗡嗡声和振动，并且允许在划船一天返回后享受平静与安宁。

通常，具有相对小的飞轮的cmg10与具有较大的飞轮的cmg10相比以更高的旋转速度操作。较小的cmg10通常包括重量为700磅或以下的飞轮，其以9000rpm或更高的转速旋转并且具有小于40,000lbin²的转动惯量。较小的cmg10通常包括重量为700磅或以下的飞轮42，其以9000rpm或更高的转速旋转并且具有小于40,000lbin²的转动惯量。较大的cmg10通常包括重量大于700磅的飞轮42，其以小于9000rpm的转速旋转，具有大于40,000lbin²的转动惯量。

下面的表1示出了八个不同的cmg100的起转时间和接合时间，其中，对于较小的cmg10，加速率为5rpm/s，并且对于较大的cmg10，加速率为2.5rpm/s。接合时间假定为处于飞轮组件40达到其正常操作速度的75%的点。

下面的表2示出了八个不同的cmg100的起转时间和接合时间，其中，对于较小的cmg10，加速率为10rpm/s，并且对于较大的cmg10，加速率为5rpm/s。接合时间假定为处于飞轮组件40达到其正常操作速度的75%的点。

下面的表3示出了八个不同的cmg100的起转时间和接合时间，其中，对于较小的cmg10，加速率为5rpm/s，并且对于较大的cmg10，加速率为7.5rpm/s。接合时间假定为处于飞轮组件40达到其正常操作速度的75%的点。

下面的表4示出了八个不同的cmg100的起转时间和接合时间，其中，对于较小的cmg10，加速率为2.5rpm/s，并且对于较大的cmg10，加速率为5rpm/s。接合时间假定为处于飞轮组件40达到其正常操作速度的75%的点。

在表1-4中所示的示例中，假定当飞轮组件40达到其正常操作速度的75%时，cmg10被接合，即被解锁。本公开的优点之一在于，可使用较大的马达60，当cmg10被解锁时，该马达60能够克服轴承50中的摩擦损失。因此，通过在飞轮组件达到其正常操作速度的50%或甚至其正常操作速度的25%时解锁cmg10，可甚至更多地缩短接合时间。

表5–8示出了在如下情况下的接合时间，即：其中，cmg10在正常操作速度的50%处被解锁。

表9–12示出了在如下情况下的接合时间，即：其中，cmg10在正常操作速度的50%处被解锁。

如本文所述的轴承冷却系统100使得能够实现飞轮组件40的更快的加速率，这转化成更短的接合cmg10的时间。更短的接合时间又将使得能够有益地使用cmg10，即使在短持续时间的旅行中也是如此。对于较小的单元，轴承冷却系统100有效地使得具有小于40,000lbin²的转动惯量的飞轮组件40能够以5rpm/s或更高的速率加速。对于较小的单元，可实现大于30rpm/s的加速率。对于较大的单元，所述轴承冷却系统有效地使得具有大于40,000lbin²的转动惯量的飞轮组件40能够以2.5rpm/s或更高的速率加速。对于较大的单元，可实现大于15rpm/s的加速率。所述轴承冷却系统还使得能够实现快速的消转时间，使得在飞轮组件40慢下来时，其发出的噪声不会干扰船的安静享受。