专利名称：一种陀螺稳定装置及具有该稳定装置的船的制作方法
技术领域：
本发明涉及无源稳定系统，更具体地说，涉及一种陀螺稳定装置及具有该稳定装置的船。
背景技术：
飞轮储能系统是一种新型的机电能量转换与存储装置，具有使用寿命长、转换效率高、适应性强以及无污染等优点，在航空航天、分布式发电、电力调峰、风力发电系统以及电动汽车等领域有着广泛的应用前景。传统储能飞轮电机采用高速永磁电机，为了减小高速产生的各种损耗，采用分布绕组永磁电机，分布绕组永磁电机的绕组端部很大，铜损较大。且传统储能飞轮电机采用机械轴承，飞轮高速运行产生的机械损耗较大，而且影响储能飞轮电机的使用寿命。现有高性能储能飞轮电机采用主动磁悬浮轴承，虽然其机械损耗很小，但是其价格很高，而且刚度比较低，阻碍了它的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种陀螺稳定装置及具有稳定装置的船，其能能够保持系统稳定，控制同步性好，机械性能较好，成本较低。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种陀螺稳定装置，其特征在于，包括提供陀螺角动量的磁悬浮飞轮电机、用于控制所述磁悬浮飞轮电机转速的陀螺稳速控制电路以及陀螺角动量轴调整器，所述磁悬浮飞轮电机通过陀螺支撑轴系支撑在所述陀螺水平框架上，所述磁悬浮飞轮电机的回转轴轴线方向通过陀螺角动量轴调整器来调離
iF. ο根据本发明的陀螺稳定装置，所述陀螺水平框架上还设有用于测量出陀螺水平框架轴线与地球铅垂偏差角的角度传感器。根据本发明的陀螺稳定装置，所述陀螺角动量轴调整器包括与所述磁悬浮飞轮电机可选择连接的曲柄连杆、以及与所述曲轴连杆联接的上、下电动液压泵。根据本发明的陀螺稳定装置，所述磁悬浮飞轮电机包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；飞轮转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。根据本发明的陀螺稳定装置，所述定子的定子冲片端部安装有三个空间相差120 度电角度的开关霍尔元件。根据本发明的陀螺稳定装置，所述弹性套圈的截面厚度为0. 5毫米至5毫米。根据本发明的陀螺稳定装置，所述弹性套圈通过在所述回转轴的轴承室灌注弹性
3胶形成。根据本发明的陀螺稳定装置，所述磁悬浮储能飞轮电机还包括真空密封外壳，所述真空密封外壳与所述中心轴连接。根据本发明的陀螺稳定装置，磁悬浮储能飞轮电机包括4个永磁磁极，由28块相间贴装在所述飞轮转子内壁的磁钢构成，每个磁极包括7块同极相间贴装的磁钢；所述定子包括18个定子槽。根据本发明的陀螺稳定装置，所述定子的三相绕组的绕线方式为
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 槽进，一6 表示 6槽出。本发明还提供一种船，包括船体以及设于所述船体上的陀螺稳定装置，包括提供陀螺角动量的磁悬浮飞轮电机、用于控制所述磁悬浮飞轮电机转速的陀螺稳速控制电路以及陀螺角动量轴调整器，所述磁悬浮飞轮电机通过陀螺支撑轴系支撑在所述陀螺水平框架上，所述磁悬浮飞轮电机的回转轴轴线方向通过陀螺角动量轴调整器来调整。本发明的陀螺稳定装置通过陀螺角动量调整器以及磁悬浮储能飞轮电机来保持系统稳定，同时磁悬浮储能飞轮电机的飞轮转子通过回转轴可旋转支撑于中心轴，回转轴包括同轴设置的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，轴向磁悬浮轴承能在轴向上支撑飞轮转子，可以抵消飞轮转子的自重，达到轴向卸载的目的，提高了电机的效率；同时滚珠轴承外圈通过弹性套圈与回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑，从而保证飞轮转子的旋转轴不发生径向偏移而降低电机效率，使磁悬浮储能飞轮电机平衡稳定的转动，保证了陀螺稳定装置的稳定性；径向滚珠轴承与回转轴的轴系弹性配合能够使滚珠轴承不承受较大压力而导致磨损，具有较好的机械性能，延长了飞轮电机的使用寿命，同时弹性套圈的实现方式简单，成本较低。从而，陀螺稳定装置装设到其他高速运行的设备(如游艇或汽车)上，能够保证系统稳定，控制同步性好。借此，本发明能够保持系统稳定，控制同步性好，机械性能较好，成本较低。优选的是，本发明磁悬浮储能飞轮电机采用集中绕组，绕组端部小，铜损减小 20%，电机定子槽口尺寸与磁钢间隙最优匹配，使电机的定位力矩最小化。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明图1是本发明陀螺稳定装置的结构原理图；图2是本发明陀螺稳定装置中磁悬浮储能飞轮电机与陀螺水平框架相配合的横截面示意图；图3是本发明选实施例中轴向磁悬浮轴承的结构原理图；图4是本发明实施例中P = 4，S = 18外转子储能飞轮电机的剖面结构原理图；图5是本发明应用于船体且船体左倾时的控制原理示意图；图6是本发明应用于船体且船体右倾时的控制原理示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1和图2所示，本发明一种陀螺稳定装置200，其包括提供陀螺角动量的磁悬浮飞轮电机100、陀螺稳速控制电路以及陀螺角动量轴调整器210，磁悬浮飞轮电机100通过陀螺支撑轴系201支撑在陀螺水平框架202上，磁悬浮飞轮电机100的回转轴(即陀螺角动量轴)轴线方向通过陀螺角动量轴调整器210来调整。磁悬浮储能飞轮电机100由稳速控制电路来稳定其转速，从而获得设计规定的角动量。陀螺稳定控制电路根据装在陀螺水平框架上的角度传感器，测量出陀螺水平框架轴线202与地球铅垂偏差角θ，并向陀螺角动量轴调整器210发出改变陀螺角动量轴线的指令，陀螺角动量轴调整器210通过调整使陀螺角动量轴线与地球铅垂线重合。陀螺角动量轴调整器210包括与磁悬浮飞轮电机可选100择连接的曲柄连杆211、与曲轴连杆211联接的上、下电动液压泵212、213。陀螺稳定装置200通过上、下两个电动液压泵212、213分别驱动陀螺角动量轴向两个相反的方向调整转角，使陀螺角动量轴线与地球铅垂线重合。如图2所示，磁悬浮飞轮电机100包括真空密封外壳7、连接固定于真空密封外壳7内的中心轴8、固定于中心轴8的定子9以及飞轮转子10。磁悬浮飞轮电机100的飞轮转子10通过回转轴11可旋转支撑于中心轴8，回转轴 11包括与中心轴8精密配合的轴向磁悬浮轴承4以及径向滚珠轴承5，滚珠轴承5外圈通过弹性套圈与回转轴11的轴系弹性配合，形成弹性支撑。弹性套圈的截面厚度为0. 5毫米至5毫米，由于径向滚珠轴承5与回转轴11的轴承室之间的间距较小，若先将弹性套圈成型后再将其安装到径向滚珠轴承5并装入回转轴11的轴承室，将会导致安装困难，因此优选采用通过回转轴U的轴承室直接灌注弹性胶形成弹性套圈。定子9的定子冲片12 (定子冲片见图6)端部安装有三个空间相差120°电角度的开关霍尔元件，开关霍尔元件的敏感方向朝向飞轮转子10永磁体形成的气隙磁场，以传感气隙磁场的变化。本发明的陀螺稳定装置200通过上、下两个电动液压泵212、213分别驱动陀螺角动量轴向两个相反的方向调整转角，使陀螺角动量轴线与地球铅垂线重合。同时磁悬浮储能飞轮电机100的飞轮转子10通过回转轴4可旋转支撑于中心轴，可以抵消飞轮转子10 的自重，达到轴向卸载的目的，提高了电机的效率；同时滚珠轴承5外圈通过弹性套圈与回转轴11的轴系弹性配合，形成弹性支撑，从而保证飞轮转子10的旋转轴不发生径向偏移而降低电机效率，使磁悬浮储能飞轮电机100平衡稳定的转动，同时径向滚珠轴承5与回转轴 11的轴系弹性配合能够使滚珠轴承5不承受较大压力而导致磨损，具有较好的机械性能， 延长了飞轮电机的使用寿命，同时弹性套圈的实现方式简单，成本较低。从而，陀螺稳定装置装设到其他高速运行的设备(如游艇或汽车)上，能够保证系统稳定，控制同步性好。借此，本发明能够保持系统稳定，控制同步性好，机械性能较好，成本较低，同时能够提高了飞轮电机的效率，延长飞轮电机的使用寿命。优选的是，真空密封外壳7将整个磁悬浮储能飞轮电机100密封起来，通过一个单向真空抽气口和真空抽气泵，可以对真空密封外壳(7)内进行真空抽气，保持真空度在 IOPa以下。如图2和图4所示，飞轮转子10包括贴装在飞轮转子10内壁的磁钢2以及飞轮 1。定子9包括定子冲片12、定子槽13以及缠绕在定子9上的绕组。磁悬浮储能飞轮电机100包括4个永磁磁极，由28块相间贴装在飞轮转子10内壁的磁钢2构成，每个磁极包括7块同极相间贴装的磁钢2。飞轮电机100的定子9包括 18个定子槽13。定子槽13的槽口尺寸与相邻磁钢2的间距的比例为1. 4 1. 6，该比例为定子槽13的槽口尺寸与相邻磁钢2的间距最优匹配，能使电机的定位力矩最小化，定位力矩(DETENT TORQUE)是指电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。定子9的三相绕组的绕线方式为·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槽进，―6表示6槽出，其他定子槽同理。同时，本发明采用集中绕组方式，绕组端部小，铜损减小20%，如图3所示，磁悬浮轴承4包括内定子41和外转子42，且内定子41以及外转子 42分别包括至少两个轴向冲磁的环形磁钢圈，内定子41的环形磁钢圈与外转子42的环形磁钢圈的轴向高度相同，且内定子41的环形磁钢圈位于外转子42的环形磁钢圈内部。在发明的实施例中，内定子41及外转子42均包括5个环形磁钢圈，内定子41的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN，外转子42的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNS ；也可设置为，内定子41的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为SNSNSJhR 子42的5个环形磁钢圈上表面的极性排列次序为NSNSN。优选的是内定子41与外转子42之间的物理气隙43为0. 2毫米至5毫米，物理气隙大小与飞轮电机100的大小相关。内定子41的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫44，外转子42的环形磁钢圈之间设有0. 2毫米至1毫米的非导磁隔垫44。由于上下两个环形磁钢圈的相邻表面的极性相同，使上下两个相邻磁钢圈产生排斥，为便于将上下相邻的环形磁感圈连接在一起，在上下相邻环形磁钢圈之间设置非导磁隔垫44。优选的是，飞轮转子10外径为0280至0180,飞轮转子10的飞轮ι的材料为碳钢， 飞轮1的转速士 16000rpm。由于飞轮1的转速过高将会由于离心力较大使碳钢断裂，因此若飞轮1需要达到更大的转速，需选用刚性更好的材料，如飞轮1的材料选为玻璃纤维或碳纤维，飞轮1的外径0320 ~ 0180,可以使飞轮转子10的最高转速达到士20000rpm或士60000rpm。如图5和图6所示，当本发明的陀螺稳定装置200应用于船体上时，其控制船体稳定原理如下当船发生左倾时，陀螺水平框架202左倾，陀螺水平框架轴线与铅垂线间产生偏差角+ θ，并被角度传感器测得，如图5Α所示；陀螺稳定控制电路发出指令，通过陀螺角动量轴调整器210的上电动液压泵212驱动陀螺角动量轴(也即飞轮回转轴)向左运动，调整转角为+ θ，如图5Β所示；在陀螺角动量作用下，陀螺水平框架轴线连同船体，将向-θ 方向运动，直至轴线陀螺角动量轴线与地球铅垂线重合，如图5C所示，此时船体也将恢复水平。整个控制过程中陀螺稳定控制电路发出指令将跟踪θ角的变化，并使θ角趋于为
6零。当船发生右倾时，陀螺水平框架202右倾，陀螺水平框架轴线与铅垂线间产生偏差角-θ，并被角度传感器测得，如图6Α所示；陀螺稳定控制电路发出指令，通过陀螺角动量轴调整器210的下电动液压泵213驱动陀螺角动量轴(也即飞轮回转轴)向右运动，调整转角为-θ，如图6Β所示；在陀螺角动量作用下，陀螺水平框架轴线连同船体，将向+ θ 方向恢复运动，直至轴线陀螺角动量轴线与地球铅垂线重合，如图6C所示，此时船体也将恢复水平。整个控制过程中陀螺稳定控制电路发出指令将跟踪θ角的变化，并使θ角趋于为零。本发明还提供一种船，包括船体以及设于所述船体上的陀螺稳定装置，包括提供陀螺角动量的磁悬浮飞轮电机、用于控制所述磁悬浮飞轮电机转速的陀螺稳速控制电路以及陀螺角动量轴调整器，所述磁悬浮飞轮电机通过陀螺支撑轴系支撑在所述陀螺水平框架上，所述磁悬浮飞轮电机的回转轴轴线方向通过陀螺角动量轴调整器来调整。陀螺稳定装置的具体结构已在前文做详细描述，故在此不再赘述。综上所述，本发明的陀螺稳定装置通过陀螺角动量调整器以及磁悬浮储能飞轮电机来保持系统稳定，同时磁悬浮储能飞轮电机的飞轮转子通过回转轴可旋转支撑于中心轴，回转轴包括同轴设置的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，轴向磁悬浮轴承能在轴向上支撑飞轮转子，可以抵消飞轮转子的自重，达到轴向卸载的目的，提高了电机的效率；同时滚珠轴承外圈通过弹性套圈与回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑，从而保证飞轮转子的旋转轴不发生径向偏移而降低电机效率，使磁悬浮储能飞轮电机平衡稳定的转动，保证了陀螺稳定装置的稳定性；径向滚珠轴承与回转轴的轴系弹性配合能够使滚珠轴承不承受较大压力而导致磨损，具有较好的机械性能，延长了飞轮电机的使用寿命，同时弹性套圈的实现方式简单，成本较低。从而，陀螺稳定装置装设到其他高速运行的设备(如游艇或汽车)上，能够保证系统稳定，控制同步性好。借此，本发明能够保持系统稳定，控制同步性好，机械性能较好，成本较低。以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
权利要求
1.一种陀螺稳定装置，其特征在于，包括提供陀螺角动量的磁悬浮飞轮电机、用于控制所述磁悬浮飞轮电机转速的陀螺稳速控制电路以及陀螺角动量轴调整器，所述磁悬浮飞轮电机通过陀螺支撑轴系支撑在所述陀螺水平框架上，所述磁悬浮飞轮电机的回转轴轴线方向通过陀螺角动量轴调整器来调整。
2.根据权利要求1所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述陀螺水平框架上还设有用于测量出陀螺水平框架轴线与地球铅垂偏差角的角度传感器。
3.根据权利要求1所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述陀螺角动量轴调整器包括与所述磁悬浮飞轮电机可选择连接的曲柄连杆、以及与所述曲轴连杆联接的上、下电动液压泵。
4.根据权利要求1至3任一项所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述磁悬浮飞轮电机包括中心轴；定子，固定于所述中心轴；飞轮转子，通过回转轴可旋转支撑于所述中心轴，所述回转轴包括与所述中心轴精密配合的轴向磁悬浮轴承以及径向滚珠轴承，所述滚珠轴承外圈通过弹性套圈与所述回转轴的轴系弹性配合，形成弹性支撑。
5.根据权利要求4所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述定子的定子冲片端部安装有三个空间相差120度电角度的开关霍尔元件。
6.根据权利要求4所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述弹性套圈的截面厚度为0.5 毫米至5毫米。
7.根据权利要求4所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述弹性套圈通过在所述回转轴的轴承室灌注弹性胶形成。
8.根据权利要求4所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述磁悬浮储能飞轮电机还包括真空密封外壳，所述真空密封外壳与所述中心轴连接。
9.根据权利要求4任一项所述的陀螺稳定装置，其特征在于，磁悬浮储能飞轮电机包括4个永磁磁极，由观块相间贴装在所述飞轮转子内壁的磁钢构成，每个磁极包括7块同极相间贴装的磁钢；所述定子包括18个定子槽。
10.根据权利要求4所述的陀螺稳定装置，其特征在于，所述定子的三相绕组的绕线方式为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槽进，一6表示6槽出。
11.一种船，包括船体以及设于所述船体上的陀螺稳定装置，其特征在于，包括提供陀螺角动量的磁悬浮飞轮电机、用于控制所述磁悬浮飞轮电机转速的陀螺稳速控制电路以及陀螺角动量轴调整器，所述磁悬浮飞轮电机通过陀螺支撑轴系支撑在所述陀螺水平框架上，所述磁悬浮飞轮电机的回转轴轴线方向通过陀螺角动量轴调整器来调整。
全文摘要
本发明涉及一种稳定装置，尤其涉及一种陀螺稳定装置及具有该稳定装置的船，包括提供陀螺角动量的磁悬浮飞轮电机、用于控制磁悬浮飞轮电机转速的陀螺稳速控制电路以及陀螺角动量轴调整器，磁悬浮飞轮电机通过陀螺支撑轴系支撑在陀螺水平框架上，磁悬浮飞轮电机的回转轴轴线方向通过陀螺角动量轴调整器来调整。本发明可装设到其他高速运行的设备(如游艇或汽车)上，通过陀螺角动量调整器以及磁悬浮储能飞轮电机来保持系统稳定，控制同步性好。
文档编号H02K7/04GK102510164SQ20111039107
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者漆亚梅 申请人:深圳市配天电机技术有限公司