JP2007504045A - 船用推進システム - Google Patents

Abstract

発電機（１４）の運転のための駆動機（１７）を含み、その発電機がさらに電気推進モータ（１１）に接続され、その電気推進モータがプロペラ（１２）又は同様な推進装置に接続されている、船及び他の可動海洋構造物のための推進システム。システムは、発電機（１４）及び推進モータ（１１）が永久磁石型同期機であることで簡素化することができる。二つの同期機は実質的に同じ基本構造を有し、周波数に関して概ね同一の電圧特性を有し、固定的な電気接続によって互いに直結されている。

Description

本発明は、請求項１の導入部分に示すような、船及び他の可動海洋構造物の推進（推進及びポジショニング）のための推進システムに関する。

背景
特に沖合船舶の場合、ディーゼル発電推進がこれまで一般的であった。この理由の一つは、機械類の設置に融通が利き、積み荷及び工具を望みの場所に配置することができるからである。

船の電気的推進のための発案が数多く存在する。たとえば、ネットワークへの給電のためにいくつかの発電機を並列に接続するやり方が公知である。これは、小さめのユニットを船の空き領域に配置することを可能にするが、初期費用を増す。回転速度の制御を可能にするパワーエレクトロニクスコンバータを介して推進モータがこのネットワークに接続されている。これに代わるやり方は、推進モータとプロペラとの間に機械的ギヤを使用することである。いずれの代替方法も初期費用を増し、出力効率を下げる。さらに、このような設備はメンテナンスを要し、故障の危険を暗示する。

また、大きめの発電機を駆動機に設置することが公知である。これが固定周波数のネットワークに接続されるならば、駆動機は、負荷から独立して、高い回転速度で作動しなければならない。

固定周波数のネットワークによって回転速度を制御するためには、可変振幅及び可変周波数の両方を推進モータに供給することができるパワーエレクトロニクスが必要である。このような設備は良好なトルク制御及び効率的なプロペラ制御を提供するが、投資の増大を意味する。加えて、コンバータにおける損失が実質的になる。ネットワークにおける共振高調波に伴う問題が、発電機及びそのようなネットワークに関して費用増大性の措置を必要とさせる。

さらなる欠点は、特に、高い一定の回転速度で作動しなければならないディーゼル機関の使用に関して、燃料費用の増大である。これが結果的に、その好ましい制御特質にもかかわらず、燃料の経済性に関しては旧来の直接運転ディーゼル機関との比較で劣る、パワーエレクトロニクスを用いる旧来のディーゼル発電推進システムを生じさせた。

ドイツ国特許公開公報１９３２９２９（Siemens、１９７１）から、燃焼機関によって駆動される同期発電機を、２基の同期機関に、一方には直接、他方には電気的調速機を介して接続することが公知である。この解決法は、発電機が１個のモータで作動しなければならない設備には適さない。

ＰＣＴ出願ＷＯ０３／０４７９６３（Siemens、２００３）からは、ガスタービンを発電機に直結するために大規模な制御システムを要するガスタービン駆動同期発電機が公知である。この設備は、発電機とプロペラの推進モータとの相互接続のための簡単な解決法を提供しない。

日本国特許出願６２０７９７６４（横河電機、１９８８）からは、船のプロペラの運転のための発電機モータユニットであって、回転速度を制御するために、発電機とモータとの間に制御回路が接続されているユニットが公知である。これは、追加のユニットを要し、費用を増す。

目的
本発明の主な目的は、投資、所要空間、メンテナンス費、運用費及び使用中の故障の危険性を減らす推進設備を提供することである。同時に、プロペラの回転速度を一定範囲内で変化させ、その回転方向をも変化させる可能性が望まれる。

本発明
本発明を請求項１に示す。本発明は、発電機の運転のための駆動機を含み、その発電機がさらに電気モータに接続され、その電気モータがプロペラ又は同様な推進装置に接続されている。発電機及び推進モータは、実質的に同じ動作特性を有する永久磁石同期機である。これらは、固定的な電気接続によって互いに直結されている。

永久磁石を備えた低速の多極モータを使用することが提案される。このようにして、ギヤ系の必要性を回避することができる。回転速度を制御するために、推進モータは、周波数可変性の発電機に直結されている。発電機周波数の変動は、駆動機、たとえばディーゼル機関の回転速度を変化させることによって達成される。

このようにして、プロペラの回転速度を、パワーエレクトロニクスの使用なしで変化させることができ、ギヤなしで減じることができる。これが投資及び空間の要件を減らす。場合によっては、もっとも重要な利点は、燃料消費における節約であろう。これは特に、速度を落として推進のため交流電力を要しながら航行することが多い船、たとえばトロール船及び他の漁船、補給船ならびにタグボートに当てはまる。

本発明は、発電機よりも多数の極を有する推進モータを使用して、無損失伝達が提供されるようにすることにより、ディーゼル機関の回転速度を落とすことを可能にする。

発電機は同期機であるため、発電機からの電流及び電圧の周波数は、発電機、すなわちディーゼル機関の回転速度によって決まる。モータは発電機と同期的に回転する。これは、機関の回転速度によってプロペラの回転速度を制御することができることを意味する。モータと発電機とで異なる数の極を有することにより、プロペラの回転速度を「電気的ギヤ」によって変化させることができる。

トルクは回転速度の二次関数であるため、出力は回転速度の三次関数である。したがって、プロペラシャフトによって供給される出力は、パワーエレクトロニクスコンバータの使用なしで制御することができる。これは、交流出力を要する船及び作動モードで有利である。これは、漁船、補給船、タグボートなどに当てはまるかもしれない。

従属項及び以下の実施例の記載から本発明のさらなる特徴が理解されよう。

実施例
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。

図１は、プロペラ１２を作動させるための推進モータ１１を示し、プロペラは、モータに直結されているか、おそらくは、挿入された中間シャフトを介してモータに接続されている。推進モータ１１は、発電機１４からの三相接続１３から給電される。この三相接続１３から、電流は周波数コンバータ１６を介して消費ネットワーク１５に分岐している。消費ネットワーク１５は、船における通常の電気消費設備、たとえば補給船又はトロール母船の運行で使用される設備を含むことができる。周波数コンバータ１６は、パワーエレクトロニクスを用いるモータ／発電機のセットであることができる。

発電機１４は、ガスタービン又はディーゼル機関といったあらゆる速度調節可能な燃焼機関であることができる駆動機１７によって動かされる。

発電機１４は、永久磁石を用いる同期機である。発電機は、比較的高い回転速度及び少ない極を有することができる。これは、ダンパ巻線を作る可能性を提供する。このような発電機は、その最適な作動点で、フィールド巻線を用いる同期機よりも高い効率を有する。

このような永久磁石型発電機は、たとえば、６個の極を有することができる。その場合、１０００rpmで５０Hzを発する。

この例では、推進モータ１１は、駆動機１７の回転速度のための減速ギヤ系が達成されるよう、より多数の極、たとえば２４個の極を有するように構築されている。このようなディメンジョニングにより、機関回転は無損失で４：１減速される。発電機１４及び推進モータ１１は、概ね同じ作動特性を有している。

フィールド巻線を用いる同期モータを使用することも可能であるが、これは、効率が低下し、磁化電流、ひいては補助電源を要する。

永久磁石を用いる同期発電機を始動すると、電圧は回転速度とともに上昇する。これは、発電機が負荷を受けていない場合、定格回転速度で電圧が定格電圧を超えることを意味する。

多数の極を有する永久磁石型同期モータは、通常、作動中の発電機に直結することによって始動することはできない。これに対処するため、推進モータ１１には、始動段階で非同期特性を与えるダンパ巻線を設けることができる。これが暗示する低めのトルクがプロペラ推進にとって特にマイナスの効果を及ぼすことはない。出力は回転速度の三乗に比例するため、始動時の所要出力は控えめである。

図２は、推進モータが、始動及び回転方向を制御するために使用される補助コンバータ１８に接続されている代替態様を示す。この場合、駆動機１７は、回転速度を落として、たとえば約半分の速度で動かされ、低下した周波数から同期化が実施される。同期化は、補助コンバータと発電機との並列結合によって起こる。

発電機と推進モータとの相互結合は、定格回転速度で最強になり、低下した駆動機回転速度では同期を逸する傾向が強い。しかし、これは、プロペラ推進の場合には許容しうる問題であろう。

駆動機１７と発電機１４とのシャフト接続では、駆動機の行程、たとえばディーゼル機関のピストン行程を減らす緩衝要素、たとえば、油圧式であってもよいねじれ変動ダンパを挿入することができる。

また、より多くの空間を極間に有するダンパ巻線を発電機１４に適用することが可能である。このようなダンパ巻線は、推進モータ１１に対しても緩衝効果を有する。

永久磁石型ユニット１１及び１４は、ロータシートの表面に取り付けられた永久磁石を有し、比較的大きなエアギャップを有することもできるし、ロータの内側に取り付けられた永久磁石を有し、それによってエアギャップを減らすこともできる。永久磁石を用いる機械の場合、ロータシートを、塊状鋼製のリング形ヨークに換えることもできる。

低いリアクタンスを有する永久磁石型発電機は、負荷の変化に対して特に敏感ではなく、そのため、満足なcosφ及び効率を達成することができる。

発電機の極数とモータの極数との比は、３：１〜１：２０であることができる。前者は、ウォータジェットの作動の場合に適当であるかもしれない。

図３は、船で消費するための電流が、駆動機１７上の別の引き込み点に接続されている発電機１９から収集されるさらなる代替態様を示す。図１の設備の構成と同様に、発電機は、ネットワーク１５のための周波数コンバータ１６を作動させる。

電気相互接続は、接続及び切断のための保護及び接触器を含む。

本発明の実施態様を含む、船の推進のための設備の概要図である。 代替態様を示す図である。 代替態様を示す図である。

Claims (5)

1. 発電機（１４）の運転のための駆動機（１７）を含み、その発電機がさらに電気推進モータ（１１）に接続され、その電気推進モータがプロペラ（１２）又は同様な推進装置に接続されている、船及び他の可動海洋構造物のための推進システムであって、
   発電機（１４）及び推進モータ（１１）が永久磁石型同期機であり、
   二つの同期機が実質的に同じ動作特性を有し、
   これらの同期機が固定的な電気接続によって互いに直結されていることを特徴とする推進システム。
2. 好ましくは発電機（１４）が推進モータ（１１）よりも少ない数の極を有するよう、発電機の極数と推進モータの極数との比が３：１〜１：２０であることを特徴とする、請求項１記載の推進システム。
3. 発電機（１６）から消費ネットワークに安定な周波数を供給する周波数コンバータ（１６）を含むことを特徴とする、請求項１又は２記載の推進システム。
4. 駆動機（１７）によって動かされ、周波数コンバータ（１６）を介して船の消費ネットワーク（１５）に給電する補助発電機（１９）を含むことを特徴とする、請求項１又は２記載の推進システム。
5. 始動及び回転方向の制御に使用される補助コンバータ（１８）を含み、補助コンバータと発電機とが並列結合されているときに、低下した周波数から同期化するため、駆動機（１７）が回転速度を落として、たとえば約半分の回転速度で作動するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の推進システム。

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