JP2005186748A - ポッド型プロペラ及びそれを備えた船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】 巨大なブロア及び気体冷却装置が不要であり、より効率的に電動機の冷却をすることができ、従って、電動機のサイズを小さくして推進効率を向上させることができるポッド型プロペラ及びそれを備えた船舶を提供する。
【解決手段】 船底からストラット2を介して取り付けられるポッド3に電動機4を内蔵し、該電動機4の出力軸40に推進用プロペラ5を連結したポッド型プロペラ1において、ストラット2に、ポッド3との接続部分における該ポッド3の外殻表面30がより多く外部に露出するように、凹部20を形成してある。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、船底からストラットを介して取り付けられたポッドに電動機を内蔵し、該電動機の出力軸にプロペラを連結したポッド型プロペラに関し、特に、前記電動機が発生する熱をポッド外部に効率良く除去することができるポッド型プロペラに関する。

船舶においては、船内動力源の一元化、低振動化などを目的として、電気推進方式が注目されている。その中でも、特に、船底に水平面内３６０°旋回自在に配置されたケーシング（ポッド）に駆動電動機を内蔵し、該電動機の出力軸にプロペラを直結した、所謂「ポッド型プロペラ」は、船内の動力シャフトが不要である、舵が不要である、スターンスラスタが不要であるなどの様々な利点を有することから、既に実用化されている。

特許文献１にも開示されているように、ポッド型プロペラは、電動機をポッド内に密封してなることから、電動機が発生する熱の処理の問題がある。この文献に開示された電動機は、ほぼ直接的にポッドで覆われ、ポッドを介した熱伝導により水中に熱を放散するように設計されている。

電動機の除熱は、ポッド型プロペラの設計においてはそのサイズに多大な影響を及ぼすために特に重要な要件である。より高い温度に耐え得る性能を有した電動機を採用する場合には、耐熱温度の増加に対して電動機サイズの増加が著しく、同一ポッド長で比較すれば、ポッド径が大幅に増加し、従って推進効率が著しく低下する。

従って、除熱効率を高め、これによって推進効率を低下させないようにするために、特許文献１には、船体側に気体冷却装置を配設し、船体とポッドとを接続するストラット内部を通じて気体冷媒を圧送し、電動機の出力軸と、その回転子との間に形成した出力軸方向のリブに沿って気体冷媒を通流し、回転子及び固定子から直接的に熱を取り去る構造が開示されている。

ただし、上記特許文献１にも開示されているように、ポッドのストラットに連結される部分（以後、「ストラット接続部」という）は、電動機の回転子を取り巻くように配設された固定子のちょうど外周囲を覆うポッド外殻の一部（上部）を含んでいるため、この部分から外部へ放熱することは困難であった。

この観点から、特許文献１には、ポッドのストラット接続部からストラット内部に亘って気体冷媒の通路を形成し、上記の方法に併せて電動機全体から熱を取り去る構造が開示されている。

しかしながら、上記特許文献１に開示された冷却構造にあっては、気体冷媒による冷却のため、該気体冷媒を圧送するための巨大なブロア及び気体冷却装置が必要となる。
特開2002-362487号公報

本願発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、巨大なブロア及び気体冷却装置が不要であり、より効率的に電動機の冷却をすることができ、従って、電動機のサイズを小さくして推進効率を向上させることができるポッド型プロペラ及びそれを備えた船舶を提供することを目的とする。

本願発明の第１の観点に係るポッド型プロペラは、船底からストラットを介して取り付けられるポッドに電動機を内蔵し、該電動機の出力軸に推進用プロペラを連結したポッド型プロペラにおいて、前記ポッド内部に冷却油を通流させ、前記電動機を冷却することを特徴とする。

また、本願発明の第２の観点に係るポッド型プロペラは、船底からストラットを介して取り付けられるポッドに電動機を内蔵し、該電動機の出力軸に推進用プロペラを連結したポッド型プロペラにおいて、前記ストラットに、前記ポッドとの接続部分における該ポッドの外殻表面がより多く外部に露出するように、凹部を形成してあることを特徴とする。

上記発明の第１の観点によれば、冷却油による冷却のため、巨大なブロア及び気体冷却装置は不要であり、さらには、電動機、ひいてはその出力軸の潤滑も同時にすることができ、防錆効果を高めることができる。油冷却は、主として空気を使用していた従来の気体冷却に対して冷却効果が高く、これによってより耐熱性能の低い電動機を採用することができる。つまり、より小さいサイズの電動機を採用することができるため、同一ポッド長で比較すれば、ポッド径を大幅に小さくすることができるため、推進効率が高まる。

上記冷却油の経路に、電動機の出力軸を回転可能に支持する軸受も含めることにより、上記のような電動機の冷却と同時に、軸受の冷却と潤滑とを達成することができる。従来の構成にあっては、軸受の潤滑システムは、船体側に設けられた潤滑油リザーバ及び送油装置と、ストラット内に配設された潤滑油配管とを備えていたため、本願発明にあっては、ストラット内部の空間自体を潤滑油経路に含めれば、このような潤滑油配管は不要とすることができる。

また、電動機の出力軸に、冷却油の通流を促進するフィンを設けることにより、冷却油の通流を促進することが可能である。

また、上記発明の第２の観点によれば、ポッドのストラットに連結される部分（ストラット接続部）に、該部分のポッド外殻表面がより多く外部に露出するように、ストラットに凹部を形成することにより、ポッド外部の水によりストラット接続部の冷却を効率的に行なうことができる。

上記ストラット接続部は、この部分におけるポッド外殻表面がより多く外部に露出するように構成されていればよいが、ストラット接続部に連続した部分に形成されるストラットの凹部は、前述したように電動機の冷却を主目的とすることから、電動機に隣接する部分であることが望ましい。

上記凹部の具体的な構成の例は、ストラットの一部又は全体に形成された「くびれ」部分である。別の例は、ストラットの一部に形成された貫通凹部である。

この本願発明の第２の観点に係る構成にあっても、上記第１の観点のような油冷却を採用することが可能である。従って、第１の観点のように、冷却油の経路に電動機の出力軸を回転可能に支持する軸受を含めること、及び電動機の出力軸に冷却油の通流を促進するフィンを設けることも、同様に可能である。

本願発明の第２の観点に係るさらなる利点は、上記凹部が、ストラット内部の冷却油の循環経路を構成できることである。つまり、この凹部の形成によってストラットは概して幅方向に寸法が減少されるため、これにより、凹部を仕切りとして、仕切った空間により冷却油の往復経路を形成することが可能である。電動機自体のサイズを小さく抑えるためには、この冷却油のリザーバ及び送油装置などは、船体側に配設されることが望ましいが、このような構成を採用する場合には、ストラット内部にそのための配管を備える必要がある。従って、ストラット内部を冷却油経路の一部とすることで、このような配管を不要とすることができるのである。

以上のような本願発明の第１及び第２の観点においては、可変ピッチプロペラを採用することが可能である。従来、電動機の回転数は、船体側に配置された回転数制御装置により行なっていたが、このような回転数制御装置は、比較的高価であり、サイズも大きいため、小型船舶においては、ポッド型プロペラ自体の採用が実質的に不可能であった。これに対して、可変ピッチプロペラは、比較的安価及び小型の油圧システムでピッチ制御することができて小型船舶にも採用可能であるばかりでなく、すべての航行速度域に亘る電動機負荷を平均化して常時定格電圧による運転を実現し、最大推進トルクを得ることができるなど、利点が多い。

以下、本願発明に係るポッド型プロペラについて添付の図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は、本願発明の実施の形態に係るポッド型プロペラの構成を示す側断面図である。図１に示すように、本実施の形態のポッド型プロペラ1は、船底に設けられたプラットフォーム9に取り付けられたストラット2を備えている。該ストラット2は、下方へ延び、その下端にポッド3が設けられている。該ポッド3は、略水平方向に延び、該方向に沿って電動機4の出力軸40が配設されている。該出力軸40の両端部は、軸受61，62を介してポッド3に軸回りの回転可能に支持されており、その一端（ここでは、軸受61側）は、ポッド3から外部へ突出している。このポッド3から外部へ突出する出力軸40の先端には、可変ピッチプロペラ5が直接的に取り付けられている。

出力軸40の長手方向の中央部には、電動機4の回転子41が出力軸40を取り囲み、該出力軸40と一体回転するように固定され、該回転子41のさらに外側には、電動機4の固定子42が回転子41を取り囲むように設けられている。固定子42は、回転子41とは所定の間隙をもって、ポッド3の外殻30の内面に接して固定されている。なお、本実施の形態においては、固定子42を外殻30に直接的に固定する構成としているが、固定子42からの熱が外殻30に効率良く伝えられる構成であれば、これらの間に適宜の伝熱性部材を介在させてもよい。

プロペラ5が設けられた側とは反対側の出力軸40の端部には、翼角変節油供給装置63が設けられている。該翼角変節油供給装置63は、船体側に配設された変節油供給装置（図示せず）に、ポッド3内部からストラット2内部を通じて延びる圧油配管64を介して接続されており、前記変節油供給装置から変節油の圧送を受けている。翼角変節油供給装置63が設けられた出力軸40は、その全長に亘って中空とされており、内部に、同長の圧油導入管43が出力軸40の内周面とは適宜の隙間をもって挿通されている。

翼角変節油供給装置63は、船体側から与えられる指令に応じて、圧油導入管43内と、該圧油導入管43及び出力軸40の内周面の間の環状空間とに選択的に圧力の大きさを変えて変節油を圧送し、プロペラ5が取り付けられた側の出力軸40の端部であってプロペラ5のハブ51内部に配置された翼角調節機構50を出力軸40方向に作動させ、プロペラ5のブレード52のピッチを調節するようになっている。

ストラット2の上端部は、上側に開いた円錐状をなしており、この部分を上記プラットフォーム9に旋回自在に設けられている。さらに、ストラット2の上端部の内周面にはギヤ歯31が周設されており、このギヤ歯31には、船体側に配設された電動モータ7の出力軸に取り付けられたピニオンギヤ70が歯合している。これにより、電動モータ7を回転させて、ストラット2と共にポッド3を３６０°旋回させることができるようになっている。

ストラット2のプラットフォーム9から下方に延びた部分は、出力軸40方向に扁平な長円形断面を有し、下方に向かって大きな断面を有するように形成され、ポッド3のほぼ全長に亘って延びている。また、ストラット2の中央部には、凹部20が設けられており、該凹部20は、本実施の形態においては、図２（ａ）に図１のIIa-IIa断面図、及び図２（ｂ）に図１のIIb-IIb断面図をそれぞれ示すように、幅方向に貫通するように形成されている。凹部20は、図１に示すように、側面視でほぼ三角形をなし、その底面部分は、電動機4の固定子42を取り囲むポッド3の外殻30の一部からなっている。従って、この構成によれば、電動機4の固定子42を取り囲むポッド3の外殻30部分は、ストラット接続部も含めて全周に亘り完全に水中に露出されるため、周囲の水による電動機4（特に、固定子42）の冷却は、全周に亘って平均化される。

本実施の形態においては、側面視でほぼ三角形をなした凹部20について例示しているが、電動機4の固定子42を取り囲むポッド3の外殻30部分の上部が、ストラット2との接続により閉塞されることなく、より大きな面積の外殻30表面が水中に露出されるように構成されていればよいため、例えば、図４に示すように、電動機4の固定子42を取り囲むポッド3の外殻30部分に隣接するストラット2の部分に、電動機4の出力軸40方向に沿ったスリット状の凹部20aを設けるようにしてもよい。

また、上記のような目的を達成するためには、凹部20は、ストラット2を幅方向に貫通している必要はなく、幅寸法を減少させる、つまり、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように「くぼみ」状の凹部20bを設けることによっても同様の効果を得ることが可能である。なお、この「くぼみ」状の凹部20bは、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように幅方向の両側から窪ませる必要はなく、片側から窪ませるように構成することも可能である。

図１に戻って、本実施の形態に係るポッド型プロペラ1は、その電動機4を冷却油によって浸漬されて冷却される構成となっている。冷却油は、船体側に配設された冷却油供給装置8から圧送され、図１において黒塗り矢符で示すように、ストラット2及びポッド3の内部を全体に亘って循環するように構成されている。なお、冷却油の成分は、後述するようなポッド型プロペラ1の各部の潤滑作用も担うことができるような種類のものである。

ストラット2の内部は、前述したような凹部20により出力軸40方向に２分されており、一方（図１においては反プロペラ5側）を冷却油の往路、他方（プロペラ5側）を復路としてある。勿論、本願発明においては、より多くの数の経路に細分化することも可能である。

上記冷却油の往路は、その上端を冷却油供給装置8の図示しない吐出口に接続されており、その下端は、ポッド3の反プロペラ5側に導かれている。このような構成によりポッド3内に送られる冷却油は、この側の軸受62を潤滑する一方、該軸受62と電動機4との間の出力軸40上の位置に設けられたフィン44により、出力軸40の回転に伴って電動機4側へ送られるようになっている。

図６に図１の一部拡大図を示すように、電動機4の出力軸40の外周面には、複数（本実施の形態においては、図２（ａ）に示すように４つ）のリブ45が放射状に立設されている。該リブ45は、出力軸40方向に沿ってほぼ回転子41の全長に亘って延び、これにより、出力軸40は、これらのリブ45を介して回転子41を支持している。一方、電動機4の回転子41及び固定子42は、図６に示すように、それぞれ、複数の珪素鋼薄板46を積層したブロックと複数のスペーサ47とを出力軸40方向に交互に配設してなる。

これにより、フィン44から送られてくる冷却油は、図６において矢符で示すように、電動機4の出力軸40の外周面をリブ45に沿って軸方向に流れ、出力軸40を冷却すると共に、回転子41を内側から冷却する。また、この際に、リブ45に沿って軸方向に流れる冷却油の一部は、回転子41の薄板積層ブロック間の隙間48aに入り込み、回転子41をブロック間から冷却し、続いてこの冷却油は、回転子41と固定子42との間の環状の隙間48cへも入り込み、回転子41を外側から冷却すると共に、固定子42も内側から冷却する。また、間隙48aを通った冷却油の一部を、固定子42の薄板積層ブロック間の隙間48bにも入り込ませ、固定子42をブロック間から冷却するために、例えば、固定子42の薄板積層ブロックに出力軸40方向に貫通する孔（図示せず）を形成してもよい。

このようにして、電動機4の回転子41と固定子42との間の環状の隙間48cから出力軸40方向へ流れ出る冷却油と、リブ45から流れ出る冷却油とは、図１に黒塗り矢符で示すように、その一部がこの側の軸受61を潤滑する一方、ストラット2の冷却油復路を通って上方へ流れ、ストラット2の上端部から冷却油供給装置8の還流口（図示せず）に戻される。

以上のように、電動機4は、凹部20の外部の水により外側の固定子42から冷却されると共に、主としてリブ45の冷却液により内側の回転子41から冷却されるようになっている。

なお、本実施の形態においては、凹部20とその上部から上方へ延びる仕切板21により、ストラット2内に冷却液の往路と復路とを形成してあるが、前述した図４のようなスリット状の凹部20aを備える構成の場合には、上記の仕切板21の下方に、全体として三角形の凹部20と同形状となるように仕切板延長部22を形成してもよい。さらには、いずれの凹部を備えない構成、又は「くぼみ」状の凹部20b（図３（ａ）及び（ｂ）参照）を備える構成であって、ストラット2の外板が仕切板として作用しない程度に非密着状態にある構成の場合には、図５に示すように、上記の仕切板21を下方に、電動機4まで到達するような仕切板延長部23を形成してもよい。この場合には、ストラット接続部は、外部の水により冷却されないが、内部を流れる冷却液により冷却される。

なお、上述した実施の形態においては、いずれもポッド3の一側にプロペラ5を配した構成であるが、ポッド3の他側にプロペラ5を設けた構成であっても、さらには、両側にプロペラ5を設けた構成であっても本願発明の効果を享受できることは言うまでもない。

以上のように、本願発明に係るポッド型プロペラ及びそれを備えた船舶によれば、巨大なブロア及び気体冷却装置が不要であり、より効率的に電動機の冷却をすることができ、従って、電動機のサイズを小さくして推進効率を向上させることができる等、本願発明は優れた効果を奏する。

本願発明の実施の形態に係るポッド型プロペラの内部構成を示す側断面図である。 図１に示したポッド型プロペラに形成された凹部の構成を示す図であり、（ａ）は図１のIIa-IIa断面図、（ｂ）は図１のIIb-IIb断面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ対応する、凹部の別の実施の形態を示す断面図である。 凹部のさらに別の実施の形態を示すポッド型プロペラの側面図であり、ストラット内部の冷却油経路の往路と復路とを二分する仕切板の構成も示している。 仕切板の別の実施の形態を示すポッド型プロペラの側面図である。 図１に示したポッド型プロペラの電動機に形成された冷却油経路の詳細構成を示す一部拡大図である。

符号の説明

1 ポッド型プロペラ
2 ストラット
3 ポッド
4 電動機
5 可変ピッチプロペラ
7 電動モータ
8 冷却油供給装置
9 プラットフォーム
20，20a，20b 凹部
21 仕切板
22，23 仕切板延長部
30 ポッド外殻
31 ギヤ歯
40 出力軸
41 回転子
42 固定子
43 圧油導入管
44 フィン
45 リブ
46 珪素鋼薄板
47 スペーサ
48a，48b，48c 隙間
50 翼角調節機構
51 ハブ
52 ブレード
61，62 軸受
63 翼角変節油供給装置
64 圧油配管
70 ピニオンギヤ

Claims (13)

1. 船底からストラットを介して取り付けられるポッドに電動機を内蔵し、該電動機の出力軸に推進用プロペラを連結したポッド型プロペラにおいて、
   前記ポッド内部に冷却油を通流させ、前記電動機を冷却することを特徴とするポッド型プロペラ。
2. 前記冷却油の経路は、前記電動機の出力軸を回転可能に支持する軸受を含んでいることを特徴とする請求項１記載のポッド型プロペラ。
3. 前記電動機の出力軸に、前記冷却油の通流を促進するフィンを設けてあることを特徴とする請求項１又は２記載のポッド型プロペラ。
4. 船底からストラットを介して取り付けられるポッドに電動機を内蔵し、該電動機の出力軸に推進用プロペラを連結したポッド型プロペラにおいて、
   前記ストラットに、前記ポッドとの接続部分における該ポッドの外殻表面がより多く外部に露出するように、凹部を形成してあることを特徴とするポッド型プロペラ。
5. 前記凹部は、前記電動機に隣接する部分であることを特徴とする請求項４記載のポッド型プロペラ。
6. 前記凹部は、前記ストラットの一部又は全体をくびれさせて形成してあることを特徴とする請求項４又は５記載のポッド型プロペラ。
7. 前記凹部は、前記ストラットの一部に形成された貫通凹部であることを特徴とする請求項４又は５記載のポッド型プロペラ。
8. 前記ポッド内部に冷却油を通流させ、前記電動機を冷却することを特徴とする請求項４乃至７の何れかに記載のポッド型プロペラ。
9. 前記冷却油の経路は、前記電動機の出力軸を回転可能に支持する軸受を含んでいることを特徴とする請求項８記載のポッド型プロペラ。
10. 前記電動機の出力軸に、前記冷却油の通流を促進するフィンを設けてあることを特徴とする請求項８又は９記載のポッド型プロペラ。
11. 前記凹部により前記ストラット内部を仕切り、仕切った空間により前記冷却油の循環経路を形成してあることを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載のポッド型プロペラ。
12. 前記プロペラは、可変ピッチプロペラであることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載のポッド型プロペラ。
13. 上記請求項１乃至１２の何れかに記載のポッド型プロペラを備えることを特徴とする船舶。
    

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