JP2011020579A - 舶用推進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費がよく、補機関の部品が消耗しにくく、前後両プロペラの負荷調整が容易なハイブリッド型二重反転システムの舶用推進装置を提供する。
【解決手段】主機関９で駆動される第１のプロペラ４と、電動モータ１５で駆動される第２のプロペラ６を対向配置して二重反転プロペラを構成し、複数組の発電機２１及び補機関２０が電動モータ１５に電力を供給する。指令したトルクで電動モータを駆動するトルク制御をインバータ２３で行う。インバータに与える駆動指令信号にリミッタ２６で一定のトルクリミットを与え、電動モータの電力と船内電力の合計である総電力量が発電機１台分の電力を越えないようにし、１台の補機関だけを最適負荷状態で駆動して燃費向上等の目的を達成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、船体に取り付けられて主機関で駆動される第１のプロペラと、船体外に旋回自在に取り付けられて前記第１のプロペラと二重反転システムを構成し、電動モータで駆動される第２のプロペラとを備えた舶用推進装置（タンデム型かつハイブリッド型の二重反転システム）に係り、特に第２のプロペラを駆動する電動モータの制御に関するものである。

最近では、船舶の推進効率を向上させるために、二重反転システムが電気推進船等に使用されている。図８（ａ）に示すように、シングルプロペラはプロペラ１００の後方に回転流と軸方向流の両方が生じるが、推進に寄与するのは軸方向流だけであり、同図中に矢印Ａで示す回転流のエネルギーは推進に寄与していない。

しかし、図８（ｂ）に示すように、二重反転プロペラは、前方プロペラ２０１と後方プロペラ２０２の回転方向が逆であり、前方プロペラ２０１の回転流のエネルギーを後方プロペラ２０２で回収して軸方向流に整流し、回転流によるエネルギー損失を無くして後方には軸方向流Ｂのみを残し、推進効率を向上させることができる。

図９は、このような二重反転プロペラによる推進効率の向上を図った舶用推進装置の一例を示している。この舶用推進装置５０は、ハイブリッド型二重反転システムとして知られているものであり、船体２の船尾３に主機関９で駆動される前方プロペラ４を設け、船体２の外側において、前方プロペラ４の後方には、電動モータ１５で駆動される後方プロペラ６を備えたポッド推進装置５をタンデム配置したものである。

図９に示すように、前方プロペラ４は、船体２の内部にある主機関９（エンジン）に減速機８及び駆動軸７を介して連結されている。また、ポッド推進装置５は、船体２の船尾３の底部に設けられた台床１０に垂直軸を中心として旋回自在に取り付けられたストラット１１と、ストラット１１に取り付けられたポッド１２と、ポッド１２の前端部に取り付けられて前方プロペラ４に対向して配置される後方プロペラ６を有しており、この後方プロペラ６と前記前方プロペラ４が二重反転プロペラを構成している。そして船体２の船尾３の内部にはポッド推進装置５用の電動モータ１５が配置され、駆動軸１６及び台床１０の上のギアボックス１７を介して、さらにストラット１１及びポッド１２の内部にある図示しない伝動機構を介して、後方プロペラ６を駆動できるように構成されている。なお、ポッド推進装置５は図示しない油圧モータによって垂直軸を中心として旋回することができる。

図９に示すように、この舶用推進装置５０は、複数の発電機２１と、複数の発電機２１をそれぞれ駆動する複数の補機関２０を船内に有している。これら発電機２１が発生した電力は、配電盤２２を介してインバータ５１に送られ、インバータ５１の制御により電動モータ１５を駆動するとともに、配電盤２２を介して船内設備にも供給される。複数の補機関２０のうち、何台の補機関２０が駆動されるかは、電動モータ１５が消費する電力と、船内設備が消費する船内電力の合計である総電力量によって決まるものとされ、１台の補機関２０によって駆動される発電機２１の１台あたりの許容限界よりも総電力量が大きくなると、２台目以降の補機関２０が順次始動され、必要とされる総電力量に見合った発電が行なわれる。

この舶用推進装置５０では、後方プロペラ６を駆動する電動モータ１５は前述したようにインバータ５１が制御しており、この制御においては、前方プロペラ４との負荷バランスを考慮しながら電動モータ１５の回転数を設定し、後方プロペラ６の速度制御を行なう回転数制御の手法が用いられている。

なお、電動モータの制御手法については、前記舶用推進装置５０で用いられている回転数制御の他、トルク制御も知られている。例えば、下記特許文献１には、急停止時の機械に対する衝撃を緩和する等、負荷の要求する加減速特性に適応した運転を行なうことを目的とする電動モータのトルク制御が開示されている。また下記特許文献２には、旋回時やキャビテーション時等に消費電力が過剰に増大したり、モータやバッテリーが損傷することを回避すること等を目的として行なう電気推進船における電動モータのトルク制御技術が開示されている。

特開昭５２−２２７１３号公報 特開平８−２５８７９３号公報

ハイブリッド型二重反転システムである図９に示した従来の舶用推進装置５０によれば、二重反転効果により推進効率が向上するとともに、主機関９と電動モータ１５の２種類の推進手段を有していることから、一方のシステムが故障した場合でも他方のシステムによって通常航行が可能であるという利点はあるが、電動モータ１５をインバータ５１によって回転数制御しているため、次のような問題があった。

荒天時、波の影響によってプロペラが水中に対して出入りを繰り返すレーシング現象が生じると、急激な負荷変動によって後方プロペラ６の回転に変動が生じる。例えば、後方プロペラ６が水中から出ると負荷が低下するために回転が上昇し、後方プロペラ６が水中に入ると負荷が増大するために回転が低下する。このように負荷変動が激しい場合には、発電用の補機関２０がこの負荷変動に応答してしまい、燃料噴射装置において燃料噴射量を制御する燃料ラックが急激に移動する現象（ハンチング）を起こしたり、また燃料ラックが小さな移動範囲内で細かく動作する現象（ジグル）を起こし、その結果、燃料ラック及びその関連部品を早期に摩耗させてしまうことがある。

また、ハイブリッド型二重反転システムの舶用推進装置では、推進効率を向上させるために、前方プロペラ４と後方プロペラ６の負荷バランスをとる必要がある。例えば、船速をある一定の値にしようとした場合において、前方プロペラ４と後方プロペラ６の負荷バランスをとるためには、両プロペラ４，６の出力比が同じになるように調整する作業を行なうが、そのためには両プロペラ４，６をそれぞれ制御する２つの速度レバーの調整が必要であり、一方のプロペラの出力比を変えれば他方のプロペラの出力比が影響を受けて変化してしまうため、その調整作業は容易ではない。前方プロペラ４の出力比が後方プロペラ６の出力比に比べて大きいと、後述するように電動モータ１５が回生状態に陥る場合があり、逆に後方プロペラ６の出力比が前方プロペラ４の出力比に比べて大きいと、後方プロペラ６にキャビテーションが発生する恐れがある。

また、例えば減速時、前方プロペラ４と後方プロペラ６の出力を下げると、電動モータ１５で駆動されている後方プロペラ６はインバータ５１によって回転数が低下するように制御されるが、船舶の速度は直ぐには低下せず、慣性で航行しようとする。このため、電動モータ１５は、水流を受けた後方プロペラ６によって回される状態となり、指令された回転数を上回って回転すると電動モータ１５が発電機として働く回生挙動に陥り、電動モータ１５から発電機２１に向けて電流が逆流する状態となってしまう。また、前述したように、前方プロペラ４の出力比が後方プロペラ６の出力比に比べて大きすぎる場合にも回生が起こってしまう場合がある。このような場合、その船舶に蓄電システムが完備されていれば問題はないが、そうでない場合には、回生状態時には抵抗器でエネルギを放熱する必要がある。しかし、抵抗器にも許容量があり、これを越えると不具合が発生してしまうことは避けられず、操船者はこのような不都合の発生を避けるために操船乃至負荷バランスの調整作業に注意力を傾注する必要があり、作業として大変煩雑であった。

次に、ハイブリッド型二重反転システムである図９に示した従来の舶用推進装置５０によれば、複数の補機関２０と発電機２１が電気需要を満たしているが、前述した通り、電動モータ１５が消費する電力と船内電力の合計である総電力量が増大すれば、駆動される補機関２０と発電機２１の数を必要に応じて順次増やしていく構成となっており、駆動される補機関２０と発電機２１の数には特に制限が設けられているわけではない。しかしながら、本件発明者等の知見によれば、従来のハイブリッド型二重反転システムにおける補機関と発電機の駆動手法によれば、次のような問題が生じていると考えられる。

図１０は、ハイブリッド型二重反転システムである従来の舶用推進装置５０において、電動モータ１５が消費する電力と船内電力の合計である総電力量と、その時に作動している補機関２０及びその作動中の負荷を模式的に表示したものである。補機関２０及び発電機２１は、図９では４台ずつあるが、図１０中では発電補機１、２と表示したように２台を例示している。また、図１０中、白抜き矢印の左側にある左図は発電機１台の発電量で総電力量を賄える場合であり、同右側の右図は総電力量が発電機１台の発電量を越えた場合を示している。

従来は、総電力量が増大した場合には、駆動される補機関２０と発電機２１の数が必要に応じて順次増大していく構成であった。このため、図１０の左図の状態から右図の状態に移行する場合、すなわち総電力量が発電機２１の１台当りの許容限界以内であった状態から、総電力量が発電機２１の１台当りの許容限界を越えた場合には、１台目の補機関２０（発電補機１）に加えて２台目の補機関２０（発電補機２）が起動してしまう。この状態は、発電機２１の１台当りの許容限界を少し越えた程度の総電力量を、２台の発電補機２０がそれぞれ半分以下の負荷で負担するという効率の悪い状態である。このように低負荷で２台もの補機関２０を運転すると燃費が悪化するのはもちろん、補機関２０の燃焼室内にカーボンが付着したり、排気弁の吹き抜けが発生する等、補機関２０自体の損耗・損傷をもたらしてしまう。

また、電動モータ１５が消費する電力と船内電力の合計である総電力量が、例えば１台の発電機２１の許容発電量付近で変動した場合、２台目の発電機２１及び補機関２０が発動と停止を繰り返してしまう。このような運転状態の場合も、燃費が悪化し、発電機２１及び補機関２０自体を損耗・損傷してしまう。

また、ハイブリッド型二重反転システムである従来の舶用推進装置５０では、前方プロペラ４を主機関９で駆動し、後方プロペラ６を有するポッド推進装置５は専ら舵として使用する操船方法をとる場合がある。そして、このような場合には、後方プロペラ６を駆動する電動モータ１５には一定の低いトルクをかけるものとされている。これは、このような操船方法において後方プロペラ６の電動モータ１５に全くトルクをかけないとすると、後方プロペラ６は船舶が進む方向に合わせて回転することとなるが、水流から受ける負荷は必ずしも一定とはならないため、後方プロペラ６の駆動機構のギアががたつくチャタリングと呼ばれる現象が発生してしまうからである。そこで、前方プロペラ４で遊転する後方プロペラ６に対して電動モータ１５で一定のトルクを加え、進行方向に対応して回転するように制御する必要が生じるのである。

ところが、このようにポッド推進装置５を舵として使用する場合には、後方プロペラ６の電動モータ１５には上述したチャタリング防止のために一定の低トルクをかける以外には電力消費がないので、この電力を供給する１台の発電機２１を駆動する補機関２０の負荷は低く、燃費が悪いという問題があった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決することを目的としており、ハイブリッド型二重反転システムにおいて、燃費が良く、補機関の部品が消耗しにくく、さらに前方プロペラと後方プロペラの負荷調整が容易である舶用推進装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された舶用推進装置は、
船体の船尾に設けられた第１のプロペラと、
船体に設けられて前記第１のプロペラを駆動する主機関と、
船体の船尾の外側で前記第１のプロペラに対向して配置されることにより前記第１のプロペラと二重反転プロペラを構成するとともに、鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられた第２のプロペラと、
船体に設けられて前記第２のプロペラを駆動する電動モータと、
船体に設けられて前記電動モータに電力を供給する複数の発電機及び複数の前記発電機をそれぞれ駆動する複数の補機関と、
を有する舶用推進装置において、
指令したトルクで前記電動モータを駆動するトルク制御をインバータによって行うことを特徴としている。

請求項２に記載された舶用推進装置は、請求項１記載の舶用推進装置において、
前記トルク制御において、前記インバータに与える駆動指令信号に一定のトルクリミットを与えることにより、前記電動モータの電力と船内の電力の合計である総電力量が所定の許容限界を越えないように制御することを特徴としている。

請求項３に記載された舶用推進装置は、請求項２に記載の舶用推進装置において、
前記駆動指令信号に与えられる前記トルクリミットが、前記総電力量における前記電動モータの電力の割合又は船内の電力の割合で規定されるとともに、前記割合が複数段階に設定されており、船内の電力の需要に応じて前記割合を選択することにより前記トルクリミットを任意に設定できるようにしたことを特徴としている。

請求項４に記載された舶用推進装置は、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の舶用推進装置において、
前記インバータは、指令した回転数で前記電動モータを駆動する回転数制御を行なう機能を有しており、前記インバータによる前記電動モータの制御モードを前記トルク制御と前記回転数制御の何れかに設定できるように構成したことを特徴としている。

請求項１に記載された舶用推進装置によれば、主機関で駆動する前方のプロペラと、電動モータで駆動する後方のプロペラで二重反転システムを構成し、前記電動モータと船内設備に対する電力供給を複数の発電機及び補機関により行なう舶用推進装置において、前記電動モータの駆動をインバータのトルク制御により行なうので、航行状況によって電動モータの回転数が上昇しても回生が起きることはなく、また電動モータの回転数が低下し、さらに電動モータが逆転して回生が起きるような航行状況は殆ど発生し得ない。従って、蓄電システムが装備されていない船舶であっても操船者は回生の発生を心配する必要がなく、前方のプロペラと後方のプロペラの負荷バランスを推進効率が高くなるように設定できる範囲が広くなるので調整作業が楽になる。すなわち、後方のプロペラを駆動する電動モータのトルクを一定に設定しておけば前方のプロペラの出力を一度調整するだけで適切な操船を行なうことができ、前記負荷バランスの調整を頻繁に行なう必要もない。また、トルク制御によれば、荒天時のレーシング現象により急激な負荷変動があっても後方プロペラの負荷が大きく変動することはなく、燃料噴射装置の燃料ラックはハンチングやジグルを起こしにくく、これによって部品の摩耗が早まるということもない。

請求項２に記載された舶用推進装置によれば、請求項１記載の舶用推進装置による効果に加え、さらに前記トルク制御において、前記インバータに与える駆動指令信号に一定のトルクリミットを与えることにより、前記電動モータの電力と船内の電力の合計である総電力量が所定の許容限界を越えないように制御できる。従って、例えば発電機１台当りの許容限界を所定の許容限界とすれば、１台の発電機で発電可能な電力の範囲内に総電力量を制限し、１台の補機関だけを燃費が良く、低損耗の最適負荷状態で駆動して燃費を向上させ、低負荷領域での駆動による補機関の損耗を避けることができる。また後方のプロペラを有するポッド推進装置を専ら舵として使用する操船方法をとる場合において、後方のプロペラの駆動系にチャタリングが発生するのを防止するため、後方のプロペラに一定の低いトルクをかける場合には、この電力消費をまかなう１台の発電機を燃費が良く、低損耗の最適負荷状態で駆動し、主機関により駆動される前方のプロペラの出力を抑えれば、全体として燃費改善の効果が得られる。

請求項３に記載された舶用推進装置によれば、請求項２に記載の舶用推進装置による効果に加え、前記駆動指令信号に与えられる前記トルクリミットを、例えば総電力量における船内の電力の割合に応じて複数段階に設定することができる。例えば船内の電力の需要を、１台の発電機で発電可能な電力（許容限界）の３０％のように比較的少なく設定したり、同６０％のように比較的多く設定することができ、これを実際の船内の電力の需要に応じて選択することができる。仮に船内の電力の需要が３０％程度であった場合、この段階のトルクリミットに設定すれば、１台の発電機で発電可能な電力（許容限界）のうち船内電力に概ね３０％が消費され、残りの概ね７０％が電動モータの電力に消費され、１台の補機関を最適負荷状態において燃費の良い状態で駆動できる。また、船内の電力の需要が６０％程度となった場合、トルクリミットをこの段階に設定すれば、１台の発電機で発電可能な電力（許容限界）のうち船内電力に概ね６０％が消費され、残りの概ね３０％が電動モータの電力に消費され、３０％の場合と同様に１台の補機関を最適負荷状態において燃費の良い状態で駆動できる。船内電力の消費が増大して電動モータの出力が低下した分は、主機関の負荷を高めて前方のプロペラによる推力を増大すればよい。この場合にも全体として燃費改善の効果が得られる。

請求項４に記載された舶用推進装置によれば、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の舶用推進装置による効果に加え、前記インバータによる電動モータの制御モードを、トルク制御と回転数制御の何れかに切り替えて設定できるとう効果がある。これによって、応答性が特に要求される入出港時のような操船状況の場合には、電動モータの制御モードをトルク制御から回転数制御に切り替えて目的を達成することができる。すなわち、トルク制御は、インバータが目標値のトルクに適合したトルク指令信号を電動モータに与えてトルクの制御を行なうものであり、回転数制御のようにセンサで検出した実際の回転数をインバータにフィードバックして目標値の回転数を達成するという追従性の良好な制御手法とは異なり、やや応答性が低いという特徴があるため、応答性を必要とする入出港時のような操船時には、モード切り替えスイッチでインバータによる電動モータの制御モードを回転数制御に切り替えて対応することができる。

本発明の第１実施形態である舶用推進装置の模式的構造図である。 第１実施形態の舶用推進装置において警報盤に設けられたリミッタの回路図である。 第１実施形態の舶用推進装置において警報盤に設けられたリミッタの機能及びリミット値を選択した場合の作用を説明するために、速度制御レバーの操作量を示すハンドルノッチ（０〜１０）と、これに対応してインバータが出力するトルク指令信号の関係を示すとともに、リミッタによりトルク指令信号に境界値が加えられる状況を示すグラフである。 ハイブリッド型二重反転システムである舶用推進装置の船内電力需要が１台の発電機の許容限界の約３０％である場合において、電動モータが消費する電力及び船内電力の合計である総電力量と、その時に作動している補機関及びその作動中の負荷を模式的に表示した図であって、トルクリミット制御をしない従来例を示す左図と、トルクリミット制御を行なう第１実施形態の舶用推進装置を示す右図を対比して示す図である。 ハイブリッド型二重反転システムである舶用推進装置の船内電力需要が１台の発電機の許容限界の約６０％である場合において、電動モータが消費する電力及び船内電力の合計である総電力量と、その時に作動している補機関及びその作動中の負荷を模式的に表示した図であって、トルクリミット制御をしない従来例を示す左図と、トルクリミット制御を行なう第１実施形態の舶用推進装置を示す右図を対比して示す図である。 第１実施形態の舶用推進装置において、電動モータが消費する電力及び船内電力の合計である総電力量と、その時に作動している補機関及びその作動中の負荷を模式的に表示した図であって、船内電力需要が１台の発電機の許容限界の約３０％又は約６０％である場合と、リミットフリーの場合（リミットをかけない場合）を示す右図を対比して示す図である。 ハイブリッド型二重反転システムである舶用推進装置において、前方のプロペラが主体となって後方のプロペラを舵として使用する場合に、電動モータが消費する電力及び船内電力の合計である総電力量と、その時に作動している補機関及びその作動中の負荷を模式的に表示した図であって、トルクリミット制御をしない従来例を示す左図と、トルクリミット制御を行なう第１実施形態の舶用推進装置を示す右図を対比して示す図である。 （ａ）はシングルプロペラの回転流による推進のエネルギーを図示する斜視図であり、（ｂ）は二重反転プロペラによる推進のエネルギーを図示する斜視図である。 ハイブリッド型二重反転システムである従来の舶用推進装置の模式的構造図である。 ハイブリッド型二重反転システムである従来の舶用推進装置において、電動モータが消費する電力と船内電力の合計である総電力量と、その時に作動している補機関及びその作動中の負荷を模式的に表示した図であって、発電機１台当りの許容限界内で運転している場合を示す左図と、発電機１台当りの許容限界を越えて運転している場合を示す右図とを対比して示す図である。

図１に示す本実施形態の舶用推進装置１は、船体２の船尾３に前方の第１のプロペラ４を配置し、この第１のプロペラ４の後方に、第２のプロペラ６を有するポッド推進装置５をタンデム配置し、前記第１及び第２の２つのプロペラ４，６で二重反転プロペラを構成するハイブリッド型の二重反転システムのアジマススラスターである。

図１に示すように、前方のプロペラである第１のプロペラ４は、船体２の内部にある駆動軸７に取り付けられており、この駆動軸７は減速機８を介して主機関９（ディーゼルエンジン）に連結されている。

図１に示すように、ポッド推進装置５は、船体２の船尾３の底部に設けられた台床１０に垂直軸を中心に旋回自在となるように取り付けられている。まずポッド推進装置５は、船尾３の下方の空間において、第１のプロペラ４の後方に配置された略板状のストラット１１を有している。このストラット１１は、台床１０に対して垂直軸を中心に旋回自在となるように取り付けられており、図示しない油圧モータで旋回駆動されて任意の方向に設定することができる。さらに、ポッド推進装置５は、前記ストラット１１の略中央部に取り付けられた筐体であるポッド１２と、ポッド１２の前端部に取り付けられて前方の第１のプロペラ４に対向して配置された後方の第２のプロペラ６を有している。そして船体２の船尾３の内部には、ポッド推進装置５を駆動するための電動モータ１５が配置されている。この電動モータ１５は、駆動軸１６及び台床１０の上のギアボックス１７を介して、さらにストラット１１及びポッド１２の内部にある図示しない伝動機構を介して、第２のプロペラ６に連結されており、第２のプロペラ６を第１のプロペラ４と反対方向に駆動することができる。

図１に示すように、前記ポッド推進装置５を駆動する電動モータ１５は、補機関２０によって駆動される発電機２１から電力の供給を受ける。本例の補機関２０は主機関と同様にディーゼルエンジンである。本例では補機関２０と発電機２１は組で設置されており、特に各組の補機関２０の出力と発電機２１の発電容量は同一とされ、設置組数は図示のように合計４組であるが、補機関２０の出力と発電機２１の発電容量は各組間で必ずしも同一である必要はなく、また補機関２０と発電機２１の設置すべき組数も４組に限るものではなく、複数組、すなわち２組以上であればよい。これら補機関２０と発電機２１の出力等及び設置組数、そして駆動される組数を電力需要に応じて増大させていく場合の駆動順序等の各要目は、電動モータ１５の消費電力及び船内の電力需要等に応じて任意に定めることができる。特に、駆動される補機関２０と発電機２１の組数を電力需要に応じて増やしていく場合の駆動順序を適宜変更することとすれば、全組の補機関２０及び発電機２１が均等に使用され、特定組の補機関２０と発電機２１に過重な負担が加わって損耗が進行することが避けられる。

図１に示すように、各発電機２１からの電力は、配電盤を介して船内電源として船内の各設備に供給される。配電盤２２は、船内で消費される電力と電動モータ１５の電力の合計である総電力量に応じて各補機関２０を自動的に起動・停止させる機能を備えており、補機関２０及び発電機２１の運転台数を調整している。

図１に示すインバータ２３は電動モータ１５の制御手段であり、回転数制御又はトルク制御の何れかの制御モードを選択して電動モータ１５を制御し、補機関２０が駆動した発電機２１からの電力を選択された制御モードで電動モータ１５に供給することができる。このインバータ２３による制御は、船舶の機関室に設置された警報盤２４と、ブリッジの操舵室に設置された速度制御用のレバー２５により行なう。なお、レバー２５は操舵室だけでなく、ウイングにも設けることができる。

図１に示すように、レバー２５から出力された駆動指令信号は警報盤２４のリミッタ２６に入力される。本例では、インバータ２３による電動モータ１５の制御にトルク制御を採用した上で、レバー２５からの駆動指令信号にリミッタ２６がトルクリミットを設けるトルクリミット制御が行なわれるようになっている。

リミッタ２６によるトルクリミット制御とは、インバータ２３による電動モータ１５のトルク制御において、レバー２５からインバータ２３に与えられる駆動指令信号に一定のトルクリミット（限界値）をかけることにより、電動モータ１５の電力と船内の電力の合計である総電力量が所定の許容限界を越えないように制御することを意味する。ここで、所定の許容限界としては、１台の発電機２１で発電が可能な電力量の許容限界を設定した。すなわち、操縦時に電動モータ１５をトルク制御している場合には、レバー２５の操作量を増大させても、レバー２５から出力される駆動指令信号は、限界を越えたある一定値以降は電流値が増大せず、この駆動指令信号を受けたインバータ２３が電動モータ１５に与えるトルク指令信号にも制限が加わり、１台の発電機２１で発電される電力量を総電力量が越えない範囲で、トルク制御が行なわれることとなる。

図２は、レバー２５とインバータ２３の間に配置されたリミッタ２６の構成を示すものであり、図１中に示した警報盤２４のリミッタ２６以外の構成は、図２では省略してある。リミッタ２６は、レバー２５から送られる駆動指令信号に異なるトルクリミットを与えるために、異なるリミット値に設定されたリミッター１及び２とそれらを選択するスイッチ２８ａ，２８ｂと、駆動指令信号にトルクリミットを与えずにそのままインバータ２３に送るトルク１００％の段のスイッチ２８ｃとが、択一的にＯＮとなるように並列に接続された制御手段である。それぞれのリミッターの設定値は可変抵抗器等の調節器２７ａ及び２７ｂで自由に設定できる。
なお、上記リミッタ２６は、トルクリミット制御を行なうべく所望のトルクリミットを設定するためのハード構成の一例を示すものであるが、同等の機能をマイクロコントローラとソフトウェアによって実現することもできる。

リミッタ２６の１段と２段における各トルクリミットは、前記総電力量における船内の電力の割合に対応して規定されている。推進に使用される電動モータ１５で使用される電力以外の船内電力の消費量を、需要が相対的に少ないときと相対的に多いときに分けて試算し、又は実験により求める。その結果に基づき、船内電力の消費量が少ないときには、１台の発電機２１で発電可能な電力量の約３０％を船内電力として使用できるようにするため、その残りとなる７０％以下の電力を電動モータ１５で使用できるように、１段のトルクリミットを設定した。

図３は、ハンドルのノッチ数による操作量（横軸、ハンドルノッチ）と、インバータ２３から電動モータ１５に送られるトルク指令信号（縦軸）との関係を示す図であり、同図（ａ）に示す１段の場合には、レバー２５の操作によりトルク指令信号は増大するが、１台の発電機２１による電力量の約７０％以下に相当するラインで飽和している。従って、この時には船内電力としては１台の発電機２１で発電可能な電力量の約３０％を船内電力として使用できることとなる。この時には、補機関２０は１台しか駆動していない。

同様に、船内電力の消費量が多いときには、１台の発電機２１で発電可能な電力量の約６０％を船内電力として使用できるようにするため、その残りとなる４０％以下の電力を電動モータ１５で使用できるように、２段のトルクリミットを設定した。

図３（ｂ）に示す２段の場合には、レバー２５の操作によりトルク指令信号は増大するが、同図（ａ）の場合よりも早期に、１台の発電機２１による電力量の約４０％以下に相当するラインで飽和する。従って、この時には船内電力としては１台の発電機２１で発電可能な電力量の約６０％を船内電力として使用できることとなる。この時にも、補機関２０は１台しか駆動していない。

なお、１００％の段は、トルクリミットを加えない場合であり、レバー２５からの駆動指令信号はそのままリミッタ２６を通過してインバータ２３に直接加わるので、インバータ２３が電動モータ１５に与えるトルク指令信号はレバー２５の操作に従って特に制限なく増大する。

図３（ｃ）に示すように、１００％の段の場合には、レバー２５の操作量に比例してトルク指令信号が増大していく。その結果、電動モータ１５の電力とその他の船内電力の合計である総電力量が増大すれば、配電盤２２による制御により、駆動される補機関２０及び発電機２１の組数は必要に応じて増大していくこととなる。

トルク制御において行なわれるリミッタ２６のトルクリミット制御について、図４及び図５を参照してさらに詳細に説明する。
図４は、電動モータ１５のトルク制御において、船内電力需要が約３０％と相対的に少ない場合における総電力量と各補機関２０（発電補機１、２）の負荷状態を示す図であり、白抜き矢印の左側にある左図がリミット制限をしない場合、同右図が本例でリミッタ２６の１段を選択した場合である。

左図のリミット制限をしない場合において、総電力が１台の発電機２１の発電容量（許容限界）を越えてしまうと、２台目の発電機２１を駆動するために、補機関２０は２台目が始動してしまう。すなわち、１台の発電機２１による発電量を少し越える程度の電力需要でありながら、これを賄うために２台の補機関２０（発電補機１、２）をそれぞれ半分以下の低い負荷率で駆動させていることとなり、燃費が悪く、各補機関２０も損耗が大きい。

図４の右図に示すように、左図と略同様の条件下、本例においてリミッタ２６の１段を選択した場合には、総電力は１台の発電機２１の発電容量（許容限界）を越えないように制限されるので、２台目の補機関２０が始動することはなく、１台の発電機２１による発電量を越えない程度の電力需要を、１台の補機関２０（発電補機１）を８０％程度の高い負荷率で駆動させて賄っていることとなり、燃費が良く、各補機関２０の損耗は小さい。

図５は、電動モータ１５のトルク制御において、船内電力需要が約６０％と相対的に多い場合における総電力量と各補機関２０（発電補機１、２）の負荷状態を示す図であり、左図がリミット制限をしない場合、右図が本例でリミッタ２６の２段を選択した場合である。

左図のリミット制限をしない場合では、総電力が１台の発電機２１の発電容量（許容限界）を大きく越えており、２台目の発電機２１を駆動するために、２台の補機関２０が駆動されている。すなわち、１台の発電機２１による発電量の１．５倍程度の電力需要でありながら、これを賄うために２台の補機関２０（発電補機１、２）をそれぞれ半分程度の低い負荷率で駆動させていることとなり、燃費が悪く、各補機関２０も損耗が大きい。

図５の右図に示すように、左図と略同様の条件下、本例においてリミッタ２６の２段を選択した場合には、総電力は１台の発電機２１の発電容量（許容限界）を越えないように制限されるので、２台目の補機関２０が始動することはなく、１台の発電機２１による発電量を越えない程度の電力需要を、１台の補機関２０（発電補機１）を８０％程度の高い負荷率で駆動させて賄っていることとなり、燃費が良く、各補機関２０の損耗は小さい。

このように、本例のトルク制御におけるトルクリミット制御の手法によれば、船内電力の消費状況を配電盤２２等のメータで確認して、これに対応したリミットの段をリミッタ２６で選択し、インバータ２３によって電動モータ１５のトルク制御を行なっているので、補機関２０は常に燃費が良くかつ低損耗の最適負荷状態で運転され、補機関２０の保全と燃費向上が可能となる。なお、燃費が良くかつ低損耗の最適負荷状態は、機関の構造や規模等によっても異なるが、一般には負荷率が６０％から９０％の範囲と考えられる。

一方、後方の第２のプロペラ６を駆動する電動モータ１５にトルクリミットを加えることにより、船速の低下が懸念されるが、本例のタンデム型かつハイブリッド型の二重反転システムによれば、高い推進効率が得られる前後のプロペラ４，６の負荷バランスの調整範囲が広いため、通常航行時には前方の第１のプロペラ４を駆動する主機関９の出力を必要に応じて増大させることが可能であり、後方の第２のプロペラ６のトルクが低下した場合であっても主機関９の出力を増大することによって高い推進効率のままで所望の船速を得ることができる。このように、本例の舶用推進装置によれば、主機関９の出力を増大させたとしても、電動モータ１５によるトルク制限を行なって補機関２０を最適負荷状態で運転した方が、全体としての燃費は良くなる。

しかしながら、航行状況等により船速が不足し、電動モータ１５の高い出力が必要となる場合には、燃費よりも操船優先とし、リミッタ２６の１００％トルクの段（スイッチ２８ｃ）を選択することもできる。図６は、電動モータ１５のトルク制御において、総電力量と各補機関２０（発電補機１、２）の負荷状態を示す図であり、左図がリミット１段又は２段による制御中の状態を示す図、右図がリミッタ２６の１００％段（すなわち、リミット制限しない場合）による制御中の状態を示す図である。

図６左図に示すリミッタ２６の１段又は２段の場合では、総電力が制限されて、１台の発電機２１の発電容量（許容限界）を下回っており、１台の発電機２１を駆動するために、１台の補機関２０（発電補機１）のみが最適負荷状態で駆動されている。従って燃費が良く、補機関２０の損耗は少ない。また、この状態で船速の低下が懸念される場合には、上述したように、主機関９の出力を増大すれば、良好な燃費のままで十分な船速を得ることが可能である。

図６右図に示すリミッタ２６の１００％段（リミットフリー）の場合では、電動モータ１５の消費電力に制限がないため、総電力は１台の発電機２１の発電容量（許容限界）を越えており、２台の発電機２１を駆動するために、２台の補機関２０（発電補機１、２）が負荷率５０％程度の低負荷状態で駆動されている。このような制御状態をとれば、燃費はリミッタ２６の１段や２段の制御を行なう場合に比べて悪化するが、電動モータ１５による出力も増大させることができるので、全体として十分な船速を得ることが可能である。

また、本例の舶用推進装置では、推進力は、主機関９で駆動する前方の第１のプロペラ４によって得るものとし、電動モータ１５で後方の第２のプロペラ６を駆動するポッド推進装置５は専ら舵として使用するような操船方法をとる場合がある。前述したように、このような場合には、後方の第２のプロペラ６を駆動する電動モータ１５には一定の低いトルクをかけておき、水流から受ける負荷等によって後方の第２のプロペラ６の駆動機構にチャタリングが発生するのを防止している。ところが、これも前述したように、このような駆動手法では、後方の第２のプロペラ６の電動モータ１５にはチャタリング防止のための一定の低トルク以外に電力消費がないので、この電力を供給する１台の発電機２１を駆動する補機関２０の負荷が低く、燃費が悪いという問題があった。
具体的には、前方の第１のプロペラで推進力を得、後方の第２のプロペラを有するポッド推進装置は専ら舵として使用するような操船方法をとる場合としては、例えば漁船の操船において魚群を探索する場合がある。このような場合には、船長は漁労長から指示された魚群を追跡することに集中しているため、主機関と電動モータの出力制御を同時に行うといった微妙な操作に集中することができず、そのために後方の第２のプロペラは前述したチャタリング防止の意味も含めて例えば１５％程度の低いトルクをかけているのであるが、本例のようにリミッタ２６の１段を選択して３０％程度の低負荷状態のトルクリミットをかけておけば、従来と同様に船長は主機関のみの制御調整だけで操船しても従来より良好な燃費が達成できる。
また、前方の第１のプロペラで推進力を得、後方の第２のプロペラを有するポッド推進装置は専ら舵として使用するような操船方法をとるその他の具体例としては、例えば海が荒れている状況で操舵に集中している場合が考えられる。このような場合にも、漁船における魚群探索の場合と同様、主機関と電動モータの出力制御を同時に行うといった微妙な操作に集中することはできないため、後方の第２のプロペラは前述したチャタリング防止の意味も含めて例えば１５％程度の低いトルクをかけているが、本例のようにリミッタ２６の１段を選択して３０％程度の低負荷状態のトルクリミットをかけておけば、従来と同様に船長は主機関のみの制御調整だけに集中して操船しても従来より良好な燃費が達成できる。いずれの場合においても、低負荷であればキャビテーションの心配もない。
そこで、本例の舶用推進装置１において、前方の第１のプロペラ４を主機関９で駆動し、電動モータ１５のポッド推進装置５を専ら舵として使用するような操船方法をとる場合には、電動モータ１５のトルク制御において前記リミッタ２６を１段乃至２段に設定し、後方の第２のプロペラ６に加わるトルクをトルクリミット最大まで引き上げ、これによって発電機２１を駆動する補機関２０を最適負荷状態で運転することが燃費向上のために好ましい。

図７は、電動モータ１５のトルク制御において、船内電力需要が約３０％と相対的に少なく、またポッド推進装置５を専ら舵として使用する場合における総電力量と各補機関２０（発電補機１、２）の負荷状態を示す図であり、左図がリミット制限をしない場合、右図が本例でリミッタ２６の１段乃至２段を選択した場合である。

図７の左図のリミット制限をしない場合には、電動モータ１５の消費電力が低いために総電力も１台の発電機２１の発電容量（許容限界）の半分以下であり、補機関２０は１台目が５０％程度の低負荷領域で駆動されている。このため、燃費が低く、各補機関２０も損耗が大きい。

図７の右図に示すように、本例においてリミット制限をした場合には、電動モータ１５の消費電力は高めに設定されるため、総電力は１台の発電機２１の発電容量（許容限界）に近いレベルにまで増大し、このため駆動されている補機関２０は１台目だけであり、８０％程度の最適負荷状態で駆動されている。このため、燃費が良く、各補機関２０の損耗は小さくて済む。

このように、前方の第１のプロペラ４を主機関９で駆動し、電動モータ１５のポッド推進装置５を専ら舵として使用する操船方法において、図７の右図に示すようにリミット制限をすると、後方の第２のプロペラ６にかかるトルクが、リミット制限をしない場合の一定の低トルク制御時よりも大きくなるため、船速が増加してしまうが、前方の第１のプロペラ４を駆動する主機関９の出力を低下させることで船速の制御は可能である。また、全体としての燃費が悪化することもない。

本例においては、図１に示すインバータ２３は、前述したトルク制御だけでなく、電動モータ１５を回転数制御することもできる。回転数制御とは、レバー２５からの駆動指令信号を受けたインバータ２３が、これに対応した回転数指令信号を電動モータ１５に与えることにより、指令した回転数で電動モータ１５をフィードバック制御で駆動する制御手法である。

そして、図１に示すように、リミッタ２６が設けられている警報盤２４には、制御状態切替スイッチ３０が設けられている。この制御状態切替スイッチ３０を切り替えれば、切り替えた制御モードに対応した制御状態指令信号がインバータ２３に入力され、インバータ２３は指定された制御モードに移行し、インバータ２３の制御モードをトルク制御と回転数制御の何れかに任意に設定することができる。

この制御状態切替スイッチ３０は、レバー２５から出力される駆動指令信号に対して並列に接続されたトルク接点と回転接点を択一的に閉じる機能を有している。
制御状態切替スイッチ３０をトルク制御に設定すると、図１に示すトルク接点と回転接点のうち、トルク接点のみが閉じられた状態となり、レバー２５からの駆動指令信号は閉じられたトルク接点を経てリミッタ２６に入力され、リミッタ２６で選択された段のトルクリミットを加えられてインバータ２３に送られてトルク制御に使用される。

制御状態切替スイッチ３０を回転数制御に設定すると、図１に示すトルク接点と回転接点のうち、回転接点のみが閉じられた状態となり、レバー２５からの駆動指令信号は閉じられた回転接点を経て、トルクリミットを加えられることなく、そのままインバータ２３に与えられて回転数制御に供される。

また、以上説明した実施形態では、総電力量が所定の許容限界を越えないように制御しており、その所定の許容限界としては、１台の発電機２１で発電が可能な電力量の許容限界を設定した。しかしながら、当該所定の許容限界は、必ずしも１台の発電機２１の電力量にする必要はなく、例えば２台の発電機２１の合計した電力量を当該所定の許容限界とし、３台目以降の補機関２０の始動を抑制するようなリミット制御を行なってもよい。

また、以上説明した実施形態では、リミッタ２６によるトルク制御は１段と２段の２段階であったが、３段以上の任意の複数段でトルクリミットを設定することもできるし、またボリューム等の調整手段を用いてトルクリミットを無段階に調整できるようにしてもよい。
また、以上説明した実施形態では、リミッタ２６の１段と２段における各トルクリミットは、総電力量における船内の電力の割合に対応して規定されていたが、総電力量における電動モータの電力の割合に対応して規定することもできる。例えば、電動モータで消費される電力が多いと見込まれるときには、１台の発電機２１で発電可能な電力量の約７０％を電動モータで使用できるようにトルクリミットを設定し、電動モータで消費される電力が少ないと見込まれるときには、１台の発電機２１で発電可能な電力量の約３０％を電動モータで使用で

以上説明したように、本例の舶用推進装置１によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、タンデム型かつハイブリッド型の二重反転システムの舶用推進装置において、後方のプロペラ６を駆動する電動モータ１５をインバータ２３のトルク制御により行なうので、回生が起きず、操船者の負担が軽減される。また前方のプロペラ４と後方のプロペラ６の負荷バランスを推進効率が高くなるように設定できる範囲が広くなるので調整作業が楽になり、操船中に頻繁に再調整する必要がない。また、トルク制御によれば、航行状況により急激な負荷変動があっても後方のプロペラ６の負荷が大きく変動することがなく、燃料噴射装置の燃料ラックはハンチングやジグルを起こしにくく、部品は摩耗しにくくなる。

また、前記トルク制御において、インバータ２３に与える駆動指令信号に一定のトルクリミットを与える制御を行なっているので、１台の発電機２１で発電可能な電力の範囲内に総電力量を制限し、１台の補機関２０だけを最適負荷状態で駆動して燃費を向上させ、低負荷領域での駆動による補機関２０の損耗を避けることができる。

また、後方のプロペラ６を有するポッド推進装置５を専ら舵として使用する操船方法をとる場合において、後方のプロペラ６の駆動系にチャタリングが発生するのを防止するため、後方のプロペラ６に一定の低いトルクをかける場合には、この電力消費をまかなう１台の発電機２１を燃費の良い最適負荷状態で駆動し、主機関９により駆動される前方のプロペラ４の出力を抑えれば、チャタリング防止の目的が達成されるとともに、全体として燃費改善の効果も得られる。

また、リミッタ２６において駆動指令信号に与えるトルクリミットを、総電力量における船内の電力の割合に応じて複数段階に設定したので、実際の船内の電力の需要に応じてトルクリミットを選択できる。いずれの段階を選択したとしても、１台の補機関２０を最適負荷状態において燃費が良い状態で駆動でき、燃費改善の効果が得られる。なお、船内電力の消費が増大して電動モータ１５の出力が低下した分は、主機関９の負荷を高めて前方のプロペラ４による推力を増大すればよいが、この場合にも全体として燃費改善の効果が得られる。

また、インバータ２３による電動モータ１５の制御モードを、トルク制御と回転数制御の何れかに任意に切り替えることができるので、応答性が特に要求される操船状況の場合には、電動モータ１５の制御モードをトルク制御から回転数制御に切り替えて目的を達成することができる。

１…舶用推進装置
２…船体
３…船尾
４…第１のプロペラ（前方プロペラ）
５…ポッド推進装置
６…第２のプロペラ（後方プロペラ）
９…主機関
１５…電動モータ
２０…補機関
２１…発電機
２３…インバータ
２４…警報盤
２６…リミッタ
３０…制御状態切替スイッチ

Claims (4)

1. 船体の船尾に設けられた第１のプロペラと、
   船体に設けられて前記第１のプロペラを駆動する主機関と、
   船体の船尾の外側で前記第１のプロペラに対向して配置されることにより前記第１のプロペラと二重反転プロペラを構成するとともに、鉛直方向に平行な旋回軸を中心として旋回自在となるよう船体に取り付けられた第２のプロペラと、
   船体に設けられて前記第２のプロペラを駆動する電動モータと、
   船体に設けられて前記電動モータに電力を供給する複数の発電機及び複数の前記発電機をそれぞれ駆動する複数の補機関と、
   を有する舶用推進装置において、
   指令したトルクで前記電動モータを駆動するトルク制御をインバータによって行うことを特徴とする舶用推進装置。
2. 前記トルク制御において、前記インバータに与える駆動指令信号に一定のトルクリミットを与えることにより、前記電動モータの電力と船内の電力の合計である総電力量が所定の許容限界を越えないように制御することを特徴とする請求項１記載の舶用推進装置。
3. 前記駆動指令信号に与えられる前記トルクリミットが、前記総電力量における前記電動モータの電力の割合又は船内の電力の割合で規定されるとともに、前記割合が複数段階に設定されており、船内の電力の需要に応じて前記割合を選択することにより前記トルクリミットを任意に設定できるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の舶用推進装置。
4. 前記インバータは、指令した回転数で前記電動モータを駆動する回転数制御を行なう機能を有しており、前記インバータによる前記電動モータの制御モードを前記トルク制御と前記回転数制御の何れかに設定できるように構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の舶用推進装置。

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