JP2014080175A - 船舶用電気推進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータや可変ピッチプロペラなどを使用することなく、エネルギー効率が高くコンパクトな船舶用電気推進装置を提供する。
【解決手段】電気推進装置１０は、ディーゼルエンジン３３と、これの回転速度を第１設定速度から第２設定速度までの間で制御する機関制御盤３５と、発電機３７と、電動機３９と、電動機３９の回転速度を第１減速ギヤＲ１又は第２減速ギヤＲ２のいずれかに切換可能な減速機４１と、減速機４１の出力軸に連結された固定ピッチプロペラ３１とを備える。減速機４１には、その減速比を切り換えるクラッチ機構４４が設けられている。減速機が第１減速ギヤＲ１の状態でエンジン３３の回転速度を第１設定速度から第２設定速度まで変速し、その後、減速機を第２減速ギヤＲ２に切り換えた後に、エンジン３３の回転速度を第１設定速度から第２設定速度まで変速させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機によって発電された電力で電動機を回転させ、その電動機による電気駆動力によって船舶の固定ピッチプロペラを回転させる船舶用電気推進装置に関する。

船舶に備えられたプロペラを駆動させて船舶を推進させる推進装置として、内燃機関の出力軸から回転駆動力を得て上記プロペラを回転させる直結式推進装置と、内燃機関に連結された発電機の電力によって駆動する電動機の回転駆動力を得て上記プロペラを回転させる電気推進装置とが知られている。前者の直結式推進装置は、内燃機関から得られた回転駆動力を減速機を介して上記プロペラに伝達するものである。この直結式推進装置では、船舶の操舵室から送られてくるエンジンテレグラフ信号に応じた船速となるように上記内燃機関のガバナが制御される。これにより、上記内燃機関が上記操舵室から指示された船速に応じた回転速度に変速される。また、後者の電気推進装置では、特許文献１に記載のように、発電機が発電した一定の電圧及びその周波数を制御するインバータを備えており、上記電動機に入力される電圧及びその周波数が操舵室からのエンジンテレグラフ信号に応じた船速となるように上記インバータによって変更される。これにより、上記電動機が上記操舵室から指示された船速に応じた回転速度に変速される。近年、環境負荷の低減、貨物スペースの増加、船内作業量の低減、航行の安全性向上などの利点を有することに加え、エネルギー効率が徐々に改善されつつあることから、上記電気推進装置への関心が高まってきている。

特開２０１０−０８９５５０号公報

ところで、上述した従来の電気推進装置は、固定ピッチプロペラが採用されている。この固定ピッチプロペラを回転させる電動機を可変速制御するために、四象限運転（正転力行、正転制動、逆転力行、逆転制動）が可能なインバータが必要であり、また、高度な高調波抑制対策が必要である。このようなインバータは、市場における流通量が少ないため、汎用品として取り扱われておらず、特別注文に応じてメーカーが随時製造する所謂特注品であり、極めて高価である。そのため、上記インバータを用いて電動機を可変速制御する可変速システムが高価となり、電気推進装置の需要拡大を阻害する大きな要因となっている。また、上記可変速システムは、約４〜６％の変換ロスを伴う。船舶の電気推進装置において約４〜６％のエネルギー損失は極めて大きく、省エネルギーの観点から上記エネルギーが熱として無駄に消費されることは問題である。また、発生した熱量に応じた規模の排熱設備が必要であるため、排熱設備の増強が必要になるという問題もある。

また、従来の電気推進装置として、インバータに代えて可変ピッチプロペラが採用された一定速方式の電気推進装置が公知である。この一定速方式の電気推進装置は、電動機の回転駆動力を変化させずに直接プロペラに伝達する方式が採用されている。上記一定速方式の電気推進装置は、可変ピッチプロペラの翼角（ピッチ角）を変えることにより船速を増減するものであるが、可変ピッチプロペラは固定ピッチプロペラに比べて高価であり、しかも、翼角を動かす変節機構を有するため、メンテナンスの際の作業時間とメンテナンス費用が多大である。しかも、流木などの漂流物との接触によって変節機構が損傷した場合の修理にも多大な作業時間及び修理費用が必要になるという問題もある。また、上記可変ピッチプロペラのプロペラ軸には、上記変節機構を収容するためのプロペラボスが設けられている。プロベラボスは、上記プロペラ軸に比べて大きいため、上記可変ピッチプロペラは、上記固定ピッチプロペラに比べてプロペラの推進効率が低下し、インバータを使用しないとはいえ、エネルギーロスが増加するという問題もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インバータを用いた可変速システムや、可変ピッチプロペラなどを使用することなく、エネルギー効率が高くコンパクトな船舶用電気推進装置を提供することにある。

(1) 本発明は、船舶の固定ピッチプロペラを電気駆動力によって回転させる船舶用電気推進装置として構成されている。この船舶用電気推進装置は、回転速度制御手段と、発電機と、電動機と、減速機と、を具備している。上記回転速度制御手段は、船舶が備える内燃機関の回転速度を予め定められた第１設定速度から第２設定速度の範囲内で制御する。上記発電機は、上記内燃機関の回転駆動力を得て上記第１設定速度から上記第２設定速度までの速度範囲に応じた周波数帯域の交流電力を発電する。上記電動機は、上記発電機が発電した交流電力によって回転駆動する。上記減速機は、出力軸に上記固定ピッチプロペラが連結され、上記電動機の回転速度を少なくとも２つの変速比に基づいて変速する。

これにより、電気推進装置において、変換ロスが増加する可変速システム（インバータを用いて電動機を可変速するシステム）を用いることなく、また、プロペラ効率が低下する可変ピッチプロペラを用いることなく、固定ピッチプロペラを要求される回転速度となるように回転駆動させることができる。つまり、エネルギー効率が高くてコンパクトな電気推進装置を実現することができる。

(2) 上記第１設定速度及び上記第２設定速度は、上記発電機で発電される交流電力の周波数が、上記発電機から上記電動機までの電力供給経路に設けられる電気機器で使用可能な電源周波数の許容範囲内となるように設定されている。

(3) 本発明の船舶用電気推進装置は、上記電動機の極数を予め定められた２以上の設定極数に切り換える極数切換手段を更に備える。

(4) 本発明の船舶用電気推進装置は、上記減速機の変速比を予め定められた第１減速比、又は該第１減速比よりも小さい第２減速比のいずれかに切り換える減速比切換手段を更に備える。この構成において、上記極数切換手段は、予め定められた第１設定極数、又は該第１設定極数よりも極数が少ない第２設定極数のいずれかに切り換えるものである。また、上記回転速度制御手段は、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第１設定極数に切り換えられた第１状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第１設定極数に切り換えられた第２状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第２設定極数に切り換えられた第３状態、及び上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第２設定極数に切り換えられた第４状態それぞれにおいて、上記内燃機関の回転速度を上記第１設定速度から上記第２設定速度の範囲内で制御するものである。

(5) また、本発明の船舶用電気推進装置は、入力された船速信号が示す船速に応じて、上記第１状態乃至上記第４状態となるように上記極数切換手段及び上記減速比切換手段それぞれの切換を制御する切換制御手段を更に備えている。

(6) また、本発明の船舶用電気推進装置は、上記減速機の変速比を予め定められた第１減速比、該第１減速比よりも小さい第２減速比、該第２減速比よりも小さい第３減速比、又は該第３減速比よりも小さい第４減速比のいずれかに切り換える減速比切換手段を更に備える。この構成において、上記回転速度制御手段は、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられた第１状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられた第２状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第３減速比に切り換えられた第３状態、及び上記減速比切換手段によって上記減速機が第４減速比に切り換えられた第４状態それぞれにおいて、上記内燃機関の回転速度を上記第１設定速度から上記第２設定速度の範囲内で制御するものである。

また、本発明の船舶用電気推進装置は、入力された船速信号が示す船速に応じて、上記第１状態乃至上記第４状態となるように上記減速比切換手段の切換を制御する切換制御手段を更に備えている。

(7) 上記減速機は、上記電動機の回転速度を予め定められた第１減速比で減速して上記出力軸に伝達する第１伝達部、及び上記電動機の回転速度を上記第１減速比よりも小さい第２減速比で減速して上記出力軸に伝達する第２伝達部を有する。この場合、本発明の船舶用電気推進装置は、上記第１伝達部及び上記第２伝達部それぞれに連結され、上記減速機の変速比を上記第１減速比又は上記第２減速比のいずれかに切り換えるクラッチ機構からなる減速比切換手段と、上記固定ピッチプロペラが所定回転速度未満の場合に、上記回転速度制御手段によって上記内燃機関の回転速度が上記第１設定速度となるように制御された状態で、上記第１伝達部に連結された上記クラッチ機構における動力伝達力を調整して上記クラッチ機構を滑らせた状態で動力を伝達させることにより上記固定ピッチプロペラの回転速度を制御するプロペラ回転制御手段と、を更に備える。

(8) この場合、上記回転速度制御手段は、上記固定ピッチプロペラが所定回転速度以上の場合に、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられた第１状態、及び上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられた第２状態それぞれにおいて、上記内燃機関の回転速度を上記第１設定速度から上記第２設定速度の範囲内で制御するものである。

本発明によれば、エネルギー効率が高くコンパクトな船舶用電気推進装置を実現することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る電気推進装置１０の概略構成を模式的に示す構成図である。 電気推進装置１０が適用された一実施例である二機二軸の電気推進システム１１の構成を示すシステム構成図である。 電気推進システム１１におけるエンジン出力とエンジン回転数とプロペラ回転数との関係を示すグラフ図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態に係る電気推進装置２０が適用された二機二軸の電気推進システム２１の概略構成を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は電気推進システム２１におけるエンジン出力とエンジン回転数とプロペラ回転数との関係を示すグラフ図である。 （Ａ）は電気推進装置２０及び電気推進システム２１の変形例の概略構成を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は電気推進システム２１におけるエンジン出力とエンジン回転数とプロペラ回転数との関係を示すグラフ図である。 （Ａ）は本発明の第３実施形態に係る電気推進装置８０が適用された二機二軸の電気推進システム８１の概略構成を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は電気推進システム８１におけるエンジン出力とエンジン回転数とプロペラ回転数との関係を示すグラフ図である。 電気推進装置８０に適用されるクラッチ機構８４の構成を模式的に示す模式図である。 電気推進システム８１において行われるプロペラ回転制御の手順の一例を示すフローチャートである。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態は、本発明を具体化した一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態について説明する。本発明の第１実施形態に係る電気推進装置１０（本発明の船舶用電気推進装置の一例）は、船舶の推進機構である固定ピッチプロペラ３１（本発明の固定ピッチプロペラの一例、以下「プロペラ３１」と略称する。）を電駆動力によって回転させて船舶の推進力を発生させるものである。この電気推進装置１０は、図１に示されるように、船舶が備えるディーゼルエンジン３３（本発明の内燃機関の一例、以下「エンジン３３」と略称する。）の回転速度を制御する機関制御盤３５（本発明の回転速度制御手段、切換制御手段の一例）と、発電機３７（本発明の発電機の一例）と、電動機３９（本発明の電動機の一例）と、減速機４１（本発明の減速機の一例）とを備えている。なお、本発明は様々なタイプの船舶に適用可能であり、例えば、コンテナ船やタンカーなどの貨物船、フェリーや客船などの旅客船、タグボートや海洋調査船などのような海上又は海中作業を行う特殊船、漁業に用いられる漁船、潜水船などの船舶に幅広く適用可能である。

エンジン３３は、船舶において発電機３７に回転駆動力を供給する駆動源として使用されるものであり、例えば、機関出力が数百ｋＷ〜数千ｋＷの大型のディーゼルエンジンである。なお、本実施形態では、内燃機関の一例としてエンジン３３を例示するが、これに限られず、エンジン３３に代えてガスエンジンやガスタービンなどのように、回転駆動力を出力可能な内燃機関であれば様々なタイプの内燃機関が適用可能である。

機関制御盤３５は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＳＩＣなどで構成された制御部を有している。機関制御盤３５は、入力された指示信号に応じた回転速度となるように、エンジン３３を制御するものである。具体的には、機関制御盤３５は、エンジン３３に設けられた電子ガバナの燃料ラック位置を変更して、実際の回転速度に応じて燃料噴射ポンプの噴射量を調整することにより、エンジン３３の回転速度を制御する。上記指示信号としては、船舶の操舵室又は機関室に備えられたエンジンテレグラフ等から送られてくるテレグラフ信号（「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」「ＳＬＯＷ」「ＨＡＬＦ」「ＦＵＬＬ」などの船速を示す信号）が考えられる。このテレグラフ信号は、本発明の船速信号に相当する。エンジン３３には、その出力軸の回転速度を検知する速度センサーが設けられており、機関制御盤３５は、速度センサーからのフィードバック信号が示す回転速度に基づいて、エンジン３３の回転速度が上記指示信号に応じた回転速度となるように上記電子ガバナを制御する。上記速度センサーは、例えば発電機３７の発電周波数から速度を検知するものでもよい。本実施形態では、機関制御盤３５は、予め定められた第１設定速度Ｎ１（本発明の第１設定速度に相当）と予め定められた第２設定速度Ｎ２（本発明の第２設定速度に相当）との範囲内でエンジン３３の回転速度を制御する。なお、エンジン３３の回転速度の制御の詳細につては後述する。

また、機関制御盤３５は、減速機４１に設けられたクラッチ機構４４の嵌入及び脱離の制御や、入力されたテレグラフ信号が示す船速に応じてクラッチ機構４４の減速比を切り換える制御を行うものである。なお、クラッチ機構４４の嵌入及び脱離の制御、減速比の切換制御、及びその動作につては後述する。

発電機３７は、エンジン３３から供給された回転駆動力を受けて回転し、その回転速度に応じた周波数の交流電力を発電するものである。発電機３７は、具体的には、８極３相の同期発電機である。発電機３７の入力軸は、エンジン３３の出力軸に図示しないカップリング（軸継ぎ手）によって直接に連結されており、エンジン３３の出力軸の回転駆動力がそのままダイレクトに発電機３７に伝達される。本実施形態では、極数Ｐが８極の発電機３７に対して、エンジン３３の回転速度が６００ｍｉｎ^−１（＝第１設定速度Ｎ１）から９００ｍｉｎ^−１（＝第２設定速度Ｎ２）の範囲内となるように制御される。一般に、軸回転数Ｎと周波数ｆと極数Ｐとの間には、Ｎ＝１２０ｆ／Ｐ（ｍｉｎ^−１）の関係があるため、上記範囲内でエンジン３３の回転速度が制御されることによって、発電機３７は、周波数ｆが４０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力を発電する。なお、発電機３７の極数Ｐやエンジン３３の回転速度は、要求される電圧に応じて決定される要素であり、例えば、６０Ｈｚ以上の周波数の電圧が必要な場合は、上記第１回転速度Ｎ１以上の回転速度でエンジン３３を回転駆動させればよく、また、４０Ｈｚ以下の周波数の電圧が必要な場合は、上記第２回転速度Ｎ２以下の回転速度でエンジン３３を回転駆動させればよい。

電動機３９は、発電機３７が発電した３相交流電力によって回転駆動するものである。具体的には、電動機３９は、６極のかご形の回転子を利用した所謂かご形三相誘導電動機である。電動機３９は、発電機３７が発電した４０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力が入力されると、入力された交流電力の周波数に応じた回転速度で回転駆動する。具体的には、電動機３９の極数Ｐが６極なので、４０Ｈｚの交流電力が入力されると、上述の関係式Ｎ＝１２０ｆ／Ｐ（ｍｉｎ^−１）によると、電動機３９は８００ｍｉｎ^−１で回転駆動する。また、６０Ｈｚの交流電力が入力されると、電動機３９は１２００ｍｉｎ^−１で回転駆動する。つまり、電動機３９は、８００ｍｉｎ^−１から１２００ｍｉｎ^−１の範囲内で回転駆動する。なお、上述の関係式Ｎ＝１２０ｆ／Ｐ（ｍｉｎ^−１）では、スリップ（すべり）が考慮されていないが、実際は、電動機３９のスリップを考慮した回転速度となる。

減速機４１は、電動機３９の出力軸と図示しない伝達ギヤを介して連結されている。この減速機４１は、電動機３９の回転速度を少なくとも２つの変速比に基づいて変速するものである。具体的には、減速機４１は、電動機３９の回転速度に対する減速比Ｔ１が「９」（本発明の第１減速比に相当）に設定された第１減速ギヤＲ１と、電動機３９の回転速度に対する減速比Ｔ２が上記減速比Ｔ１よりも小さい「６」に設定された第２減速ギヤＲ２とを有している。この減速機４１は、後述のクラッチ機構４４によって第１減速ギヤＲ１又は第２減速ギヤＲ２のいずれかに切換可能な構成となっている。なお、第１減速ギヤＲ１が電動機３９に連結されている場合は、第１減速ギヤＲ１の減速比Ｔ１＝９であるため、電動機３９の回転速度が９分の１に減速される。また、第２減速ギヤＲ２が電動機３９に連結されている場合は、第２減速ギヤＲ２の減速比Ｔ２＝６であるため、電動機３９の回転速度が６分の１に減速される。

減速機４１には、本発明の減速比切換手段の一例であるクラッチ機構４４が設けられている。クラッチ機構４４は、減速機４１が備える第１減速ギヤＲ１又は第２減速ギヤＲ２のいずれか一方に電動機３９の上記伝達ギヤを連結するためのクラッチ（不図示）と、このクラッチを動作させるための駆動機構（不図示）とにより構成されている。上記駆動機構としては、油圧、圧縮空気圧、電動アクチュエータなどによって動作するものが考えられる。上記駆動機構が油圧又は圧縮空気で動作する機構の場合は、油圧又は圧縮空気の経路に適宜設けられた電磁弁が外部信号を受けて開閉することにより、油圧又は圧縮空気の圧力によって上記クラッチが動作するようになっている。また、上記駆動機構が電動アクチュエータで動作する機構の場合は、外部信号を受けて動作する上記電動アクチュエータによって上記クラッチが動作するようになっている。上記駆動機構を動作させるための上記外部信号は、本発明の切換制御手段である機関制御盤３５が必要なタイミングで上記駆動機構に出力する。これにより、減速機４１の減速比が切り換えられる。

減速機４１の出力軸には、プロペラ３１が連結されている。プロペラ３１は、プロペラの翼角（ピッチ角）が固定されているものであり、翼角を可変にするための変節機構を備える可変ピッチプロペラに比べて安価であり、プロペラ効率がよく、保守も容易であるというメリットがある。

上述した構成の電気推進装置１０においては、例えば、操舵室からテレグラフ信号として超微速を示す「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」の信号が送られてきたときは、機関制御盤３５は、表１に示される第１段制御を行う。具体的には、機関制御盤３５は、クラッチ機構４４を動作させて第１減速ギヤＲ１と電動機３９とを連結させた状態（つまり減速機４１を第１減速比Ｔ１に切り換えた状態）で、エンジン３３の回転速度を６００ｍｉｎ^−１に制御する。これにより、プロペラ３１の回転速度が「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」に対応する回転速度、つまり、電動機３９の回転速度８００ｍｉｎ^−１が第１減速ギヤＲ１によって９分の１に減速された回転速度８９ｍｉｎ^−１となる。ここで、表１は、電気推進装置１０において、テレグラフ信号、制御状態、エンジン回転数、連結されている減速ギヤ、発電機周波数、電動機回転数、プロペラ回転数それぞれの対応関係を示すものである。

一方、「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」から「ＦＵＬＬ」まで増速させるテレグラフ信号が入力されると、機関制御盤３５は、上記第１段制御において、第１減速ギヤＲ１が電動機３９に連結された状態のままで、エンジン３３の回転速度を６００ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速させる。これにより、プロペラ３１の回転速度が、電動機３９の回転速度１２００ｍｉｎ^−１の９分の１の回転速度１３３ｍｉｎ^−１に増速される。更にプロペラ３１の回転速度を増速するために、機関制御盤３５は、上記第１段制御から表１に示される切換動作に移行する。この切換動作の段階では、機関制御盤３５は、クラッチ機構４４を動作させて第１減速ギヤＲ１と電動機３９とを切り離し、第２減速ギヤＲ２と電動機３９とを連結させる（つまり減速機４１を第２減速比Ｔ２に切り換える）。また、クラッチ機構４４が電動機３９から脱離している間に、機関制御盤３５は、エンジン３３の回転速度を６００ｍｉｎ^−１まで減速する。これにより、エンジン３３の回転速度が６００ｍｉｎ^−１でありながら、プロペラ３１の回転速度を１３３ｍｉｎ^−１にすることができる。

その後、機関制御盤３５は、上記切換動作から表１に示される第２段制御に移行する。この第２段制御では、機関制御盤３５は、第２減速ギヤＲ２が電動機３９に連結された状態のままで、エンジン３３の回転速度を６００ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速させる。これにより、電動機３９の回転速度が８００ｍｉｎ^−１から１２００ｍｉｎ^−１に増速され、プロペラ３１の回転速度が１３３ｍｉｎ^−１から「ＦＵＬＬ」に対応する回転速度、つまり、電動機３９の回転速度１２００ｍｉｎ^−１が第２減速ギヤＲ２によって６分の１に減速された回転速度２００ｍｉｎ^−１となる。なお、プロペラ３１の回転速度を「ＦＵＬＬ」から「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」に減速させる場合は、上述の手順とは逆の手順で回転速度の制御及び減速機４１の切換を行えばよい。

これにより、電気推進装置１０において、変換ロスが増加する大型のインバータを用いなくても、また、プロペラ効率の低下する可変ピッチプロペラを用いなくても、要求される回転速度となるようにプロペラ３１を回転駆動させることができる。その結果、エネルギー効率が高くてコンパクトな電気推進装置１０を実現することができる。

次に、図２及び図３を参照して、電気推進装置１０が適用された本発明の一実施例である電気推進システム１１について説明する。図２に示されるように、電気推進システム１１は、２つのプロペラを回転させて船舶を推進させる所謂二機二軸の推進機構であって、２つの電気推進装置１０（１０Ａ，１０Ｂ）が並列に配置されたものである。エンジン３３としては、定格出力が６００ｋＷのものが採用されている。電気推進装置１０Ａ，１０Ｂは、それぞれのエンジン３３が操舵室からのテレグラフ信号に応じて機関制御盤３５によって同じ回転速度となるように制御される。したがって、それぞれの発電機３７からは、同じ周波数で同じ電圧の交流電力が発電される。そのため、電気推進システム１１においては、各発電機３７の出力側は、共通の電力母線６３によってそれぞれの電動機３９に接続されている。

電力母線６３において、それぞれの発電機３７の出力側には、電路を開閉するためのＡＣＢ（Air Circuit
Breaker：低圧気中遮断器）５３Ａ，５３Ｂが設けられている。また、それぞれの電動機３９の入力側には、ＭＣＣＢ（Molded Case Circuit Breaker）５５Ａ，５５Ｂと、始動器盤５６Ａ，５６Ｂとが直列に設けられている。また、電力母線６３には、ＭＣＣＢ（Molded Case Circuit Breaker）５５Ｃを介して１００ｋＷ程度の小容量のインバータ５７が接続されている。このインバータ５７は、発電機３７で発電された４０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一定の周波数の交流電力に変換して、船内で使用される照明機器や各種電動モータ、パーソナルコンピュータ、オーディオなどの船内負荷機器６７に供給するものであり、船内負荷機器６７を駆動させるための電源としての役割を担う。なお、インバータ５７の出力側の電路には、小型のエンジン６０と小型の発電機６１からなる非常用発電装置で発電された交流電力が供給されるようになっている。

上述したように、電気推進装置１０では、発電機３７で発電される交流電力の周波数は４０Ｈｚから６０Ｈｚである。そのため、電気推進システム１１において、電力母線６３に設けられているＡＣＢ５３、ＭＣＣＢ５５、始動器盤５６などの電気機器は、周波数４０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力でも使用可能なものが採用されている。言い換えると、発電機３７で発電される交流電力の周波数はエンジン３３の回転速度で決定されることから、電気推進システム１１において、エンジン３３の回転速度の制御範囲として設定された第１設定速度Ｎ１及び第２設定速度Ｎ２は、電力母線６３に設けられた上記電気機器で使用可能な電源周波数の許容範囲内となるように設定されている。

図３は、電気推進システム１１におけるエンジン出力（ｋＷ）と、エンジン回転数（ｍｉｎ^−１）と、プロペラ回転数（ｍｉｎ^−１）との関係を示すグラフ図である。縦軸はエンジン出力及びプロペラ回転数であり、横軸はエンジン回転数である。なお、縦軸のエンジン出力は、２機のエンジン３３（定格出力６００ｋＷ）それぞれの出力を合算したものであり、最大出力は１２００ｋＷである。図３中の破線は、２つのプロペラ３１のプロペラ軸に要求される軸馬力（ＤＨＰ：Direct Horse Power）と、軸馬力に対する約１０％の電気ロスと、船内消費電力との合算値を示す必要電力カーブであり、電気推進システム１１が搭載される船舶に必要とされる電力を示している。また、図３中の実線はエンジン出力を示しており、点線はプロペラ回転数を示している。

本実施例の電気推進システム１１が十分な出力によって船舶を推進させるためには、図３のグラフにおいて、エンジン出力（実線参照）が上記必要電力カーブ（破線参照）よりも上側となるように、電気推進システム１１を構成する必要がある。図３から容易に理解できるように、本実施例の電気推進システム１１においては、プロペラ回転数が高回転域７２にあるときは、エンジン出力としておよそ１００ｋＷの余裕を確保している。これに対して、プロペラ回転数が低回転域７１にあるときは、減速機４１が第１減速比Ｔ１であるため、エンジン出力として２００ｋＷから６００ｋＷの余裕が確保されている。したがって、プロペラ回転数が低回転域７１にあるときに急激な増速制御が行われて負荷が急激に増加しても、増速制御の応答性がよく、しかも、エンジン３３の回転速度の低下も生じないため、回転速度の低下を起因とする黒煙の発生を防止することができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る電気推進装置２０、及びこの電気推進装置２０が適用された電気推進システム２１について説明する。ここで、図４（Ａ）は電気推進システム２１の概略構成を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は電気推進システム２１におけるエンジン出力とエンジン回転数とプロペラ回転数との関係を示すグラフ図である。なお、図４（Ａ）では、機関制御盤３５の図示が省略されている。

図４（Ａ）に示されるように、電気推進装置２０が上述の第１実施形態の電気推進装置１０と異なるところは、電動機３９に代えて、極数切換部４７（本発明の極数切換手段の一例）が搭載された電動機４６（本発明の電動機の一例）が設けられている点と、機関制御盤３５によるエンジン３３等に対する制御方式が異なっている点である。また、減速機４１の第１減速ギヤＲ１の減速比Ｔ１が「７．０６」（本発明の第１減速比に相当）に設定されている点も相違する。なお、その他の構成については、上述の第１実施形態の構成と共通するため、ここでは共通する構成に同じ番号の符号を付し示すことによりその構成の詳細な説明を省略する。

電動機４６は、発電機３７が発電した３相交流電力によって回転駆動するものであり、かご形の回転子を利用した所謂かご形三相誘導電動機である。電動機４６は、所謂極変換電動機と称されるものであり、極数Ｐを変更することが可能な従来公知の電動機である。本実施形態では、電動機４６の回転子の極数Ｐは、６極（本発明の第２設定極数に相当）と８極（本発明の第１設定極数に相当）のいずれかに切換可能となっている。極数Ｐの切換は、極数切換部４７によって行われる。極数切換部４７は、電動機４６の極数を６極又は８極のいずれかに切り換えるものであり、具体的には、異なる極数を得るために一つの巻線の接続を切り換える機構や、極数の異なる複数の巻線が設けられている場合にその巻線の接続を切り換える機構などの周知の機構が考えられる。また、巻線の接続部分にスイッチング手段を設けておき、機関制御盤３５からの制御信号によってスイッチング手段を動作させることにより行う機構も考えられる。なお、極数切換部４７は、電動機４６の外部に設けられたものでも、電動機４６の内部に一体となって設けられたものであってもよい。

また、本実施形態では、上述の第１実施形態とは異なり、極数Ｐが８極の発電機３７に対して、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１（＝第１設定速度Ｎ１）から９００ｍｉｎ^−１（＝第２設定速度Ｎ２）の範囲内となるように制御される。上記範囲内でエンジン３３の回転速度が制御されることによって、発電機３７は、周波数ｆが５０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力を発電する。

減速機４１の第１減速ギヤＲ１の減速比Ｔ１＝７．０６であるため、第１減速ギヤＲ１が電動機４６に連結されている場合は、電動機４６の回転速度が約１４．２％に減速される。なお、第２減速ギヤＲ２の減速比Ｔ２＝６に変更はないため、第２減速ギヤＲ２が電動機４６に連結されている場合は、電動機４６の回転速度が６分の１（約１６．７％）に減速される。

図４（Ａ）に示されるように、電気推進装置２０が適用された電気推進システム２１は、２つのプロペラを回転させて船舶を推進させる所謂二機二軸の推進機構であって、２つの電気推進装置２０（２０Ａ，２０Ｂ）が並列に配置されたものである。電気推進システム２１は、上述の電気推進システム１１と同様に、エンジン３３としては、定格出力が６００ｋＷのものが採用されている。また、電気推進装置２０Ａ，２０Ｂは、それぞれのエンジン３３が操舵室からのテレグラフ信号に応じて機関制御盤３５によって同じ回転速度となるように制御される。

図４（Ｂ）及び表２に示されるように、上述した構成の電気推進装置２０においては、例えば、操舵室からテレグラフ信号として超微速を示す「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」の信号が送られてきたときは、機関制御盤３５は、表２に示される第１段制御を行う。具体的には、機関制御盤３５は、クラッチ機構４４を動作させて第１減速ギヤＲ１と電動機４６とを連結させた状態（つまり減速機４１を第１減速比Ｔ１に切り換えた状態）とし、更に、極数切換装置４７を動作させて電動機４６の極数Ｐを８極に切り換えた状態とする。このときの制御状態である第１段制御が本発明の第１状態に相当する。機関制御盤３５は、この第１段制御においてエンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１に制御する。これにより、プロペラ３１の回転速度が「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」に対応する回転速度、つまり、電動機４６の回転速度７５０ｍｉｎ^−１が第１減速ギヤＲ１によって約１４．２％に減速された回転速度１０６ｍｉｎ^−１となる。ここで、表２は、電気推進装置２０において、テレグラフ信号、制御状態、エンジン回転数、連結されている減速ギヤ、発電機周波数、電動機回転数、プロペラ回転数それぞれの対応関係を示すものである。

一方、「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」から「ＦＵＬＬ」まで増速させるテレグラフ信号が入力されると、機関制御盤３５は、上記第１段制御において、第１減速ギヤＲ１が電動機４６に連結された状態のままで、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速させる。これにより、プロペラ３１の回転速度が、電動機４６の回転速度９００ｍｉｎ^−１の約１４．２％の回転速度１２８ｍｉｎ^−１に増速される（図４（Ｂ）参照）。

更にプロペラ３１の回転速度を増速するために、機関制御盤３５は、上記第１段制御から表２に示される切換動作に移行する。この切換動作の段階では、機関制御盤３５は、クラッチ機構４４を動作させて第１減速ギヤＲ１と電動機４６とを切り離し、第２減速ギヤＲ２と電動機４６とを連結させる（つまり減速機４１を第２減速比Ｔ２に切り換える）。また、クラッチ機構４４が電動機４６から脱離している間に、機関制御盤３５は、エンジン３３の回転速度を再び７５０ｍｉｎ^−１まで減速する。これにより、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１でありながら、プロペラ３１の回転速度を１２５ｍｉｎ^−１にすることができる。

その後、機関制御盤３５は、上記切換動作から表２に示される第２段制御に移行する。この第２段制御では、機関制御盤３５は、第２減速ギヤＲ２が電動機４６に連結された状態、且つ、電動機４６の極数Ｐが８極に切り換えた状態のままで、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速させる。ここで、このときの制御状態である第２段制御が本発明の第２状態に相当する。これにより、電動機４６の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１に増速され、プロペラ３１の回転速度が１２５ｍｉｎ^−１から１５０ｍｉｎ^−１となる（図４（Ｂ）参照）。

更にプロペラ３１の回転速度を増速するために、機関制御盤３５は、上記第２段制御から表２に示される切換動作に移行する。この切換動作の段階では、機関制御盤３５は、クラッチ機構４４を動作させて第２減速ギヤＲ２と電動機４６とを切り離し、第１減速ギヤＲ１と電動機４６とを連結させる（つまり減速機４１を第１減速比Ｔ１に切り換える）。また、極数切換装置４７を動作させて電動機４６の極数Ｐを６極に切り換えた状態とする。また、クラッチ機構４４が電動機４６から脱離している間に、機関制御盤３５は、エンジン３３の回転速度を再び７５０ｍｉｎ^−１まで減速する。これにより、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１でありながら、プロペラ３１の回転速度を１４２ｍｉｎ^−１にすることができる。

その後、機関制御盤３５は、上記切換動作から表２に示される第３段制御に移行する。この第３段制御では、機関制御盤３５は、第１減速ギヤＲ１が電動機４６に連結された状態、且つ、電動機４６の極数Ｐが６極に切り換えた状態のままで、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速させる。ここで、このときの制御状態である第３段制御が本発明の第３状態に相当する。これにより、電動機４６の回転速度が１０００ｍｉｎ^−１から１２００ｍｉｎ^−１に増速され、プロペラ３１の回転速度が１４２ｍｉｎ^−１から１７０ｍｉｎ^−１となる（図４（Ｂ）参照）。

更にプロペラ３１の回転速度を増速するために、機関制御盤３５は、上記第３段制御から表２に示される切換動作に移行する。この切換動作の段階では、機関制御盤３５は、クラッチ機構４４を動作させて第１減速ギヤＲ１と電動機４６とを切り離し、第２減速ギヤＲ２と電動機４６とを連結させる（つまり減速機４１を第２減速比Ｔ２に切り換える）。また、クラッチ機構４４が電動機４６から脱離している間に、機関制御盤３５は、エンジン３３の回転速度を再び７５０ｍｉｎ^−１まで減速する。これにより、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１でありながら、プロペラ３１の回転速度を１６７ｍｉｎ^−１にすることができる。

その後、機関制御盤３５は、上記切換動作から表２に示される第４段制御に移行する。この第４段制御では、機関制御盤３５は、第２減速ギヤＲ２が電動機４６に連結された状態、且つ、電動機４６の極数Ｐが６極に切り換えた状態のままで、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速させる。ここで、このときの制御状態である第４段制御が本発明の第４状態に相当する。これにより、電動機４６の回転速度が１０００ｍｉｎ^−１から１２００ｍｉｎ^−１に増速され、プロペラ３１の回転速度が１６７ｍｉｎ^−１から「ＦＵＬＬ」に対応する回転速度、つまり、電動機４６の回転速度１２００ｍｉｎ^−１が第２減速ギヤＲ２によって６分の１に減速された回転速度２００ｍｉｎ^−１となる（図４（Ｂ）参照）。なお、プロペラ３１の回転速度を「ＦＵＬＬ」から「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ」に減速させる場合は、上述の手順とは逆の手順で回転速度の制御及び減速機４１の切換を行えばよい。

これにより、電気推進装置２０において、変換ロスが増加する大型のインバータを用いなくても、また、プロペラ効率の低下する可変ピッチプロペラを用いなくても、要求される回転速度となるようにプロペラ３１を回転駆動させることができる。その結果、エネルギー効率が高くてコンパクトな電気推進装置２０を実現することができる。

また、表２に示されるように、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１までの間でしか制御されないため、発電機３７の周波数の変動は５０Ｈｚから６０Ｈｚとなる。我が国では、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの商用電源が提供されている。したがって、一般に、図２の電力母線６３において使用される遮断器等の電気機器は、５０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力で駆動するように標準設計されているが、４０Ｈｚの交流電力での駆動は保証されていない。したがって、上述のように、電気推進システム２１では、エンジン３３の回転速度の制御範囲として設定された第１設定速度Ｎ１（７５０ｍｉｎ^−１）及び第２設定速度Ｎ２（９００ｍｉｎ^−１）が、電力母線６３に設けられた上記電気機器で使用可能な電源周波数の許容範囲内（５０Ｈｚから６０Ｈｚの範囲内）となるように設定されているので、上記電気機器として、市場における流通量が多くて汎用性が高く、安価なものを適用することができる。

また、上述したように、減速機４１及び電動機４６それぞれにおいて回転速度を変更できる機構が搭載されているため、電気推進装置２０において、減速機４１及び電動機４６の重量バランスや装置規模のバランスが良くなり、船内のレイアウト設計も容易となる。

（第２実施形態の変形例）
なお、上述の第２実施形態では、減速機４１を２つの減速比に切換可能な構成とし、電動機４６を２つの極数に切換可能な構成としたが、例えば、上述の第２実施形態の変形例として、極数切換を行わずに減速機だけで４つの減速比に切換可能な構成としてもよい。具体的には、図５（Ａ）に示されるように、電気推進システム２１において、減速機４１に代えて、４つの減速ギヤＲ１〜Ｒ４を有する減速機４２が用いられ、電動機４６に代えて、極数Ｐが８極に固定された電動機４８が用いられた構成とする。ここで、図５（Ａ）は電気推進システム２１の変形例の概略構成を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は電気推進システム２１におけるエンジン出力とエンジン回転数とプロペラ回転数との関係を示すグラフ図である。

減速機４２は、第１減速ギヤＲ１と、第２減速ギヤＲ２と、第３減速ギヤＲ３と、第４減速ギヤＲ４とを備えている。第１減速ギヤＲ１の減速比Ｔ１は「７．０６」である。第２減速ギヤＲ２の減速比Ｔ２は減速比Ｔ１よりも小さい「６」である。第３減速ギヤＲ３の減速比Ｔ３は減速比Ｔ２よりも小さい「５．２８」である。第４減速ギヤＲ４の減速比Ｔ４は減速比Ｔ３よりも小さい「４．５０」である。減速機４２は、クラッチ機構４４によって、第１減速ギヤＲ１、第２減速ギヤＲ２、第３減速ギヤＲ３、又は第４減速ギヤＲ４のいずれかに切り換えられる。

このような構成においては、図５（Ｂ）及び表３に示されるように、上述の第１段制御から第４段制御へ移行する際に、減速機４２の減速ギヤを第１減速ギヤＲ１から第２減速ギヤＲ２、第３減速ギヤＲ３、第４減速ギヤＲ４に順次切り換えられる。これにより、上記第１段制御では、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速された場合に、プロペラ３１の回転速度が１０６ｍｉｎ^−１から１２８ｍｉｎ^−１に増速する。上記第２段制御では、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速された場合に、プロペラ３１の回転速度が１２５ｍｉｎ^−１から１５０ｍｉｎ^−１に増速する。上記第３段制御では、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速された場合に、プロペラ３１の回転速度が１４２ｍｉｎ^−１から１７０ｍｉｎ^−１に増速する。また、上記第４段制御では、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１まで増速された場合に、プロペラ３１の回転速度が１６７ｍｉｎ^−１から２００ｍｉｎ^−１に増速する。なお、表３は、電気推進装置２０において、テレグラフ信号、制御状態、エンジン回転数、連結されている減速ギヤ、発電機周波数、電動機回転数、プロペラ回転数それぞれの対応関係を示すものである。

このような構成であっても、電気推進装置２０において、変換ロスが増加する大型のインバータを用いなくても、また、プロペラ効率の低下する可変ピッチプロペラを用いなくても、要求される回転速度となるようにプロペラ３１を回転駆動させることができる。その結果、エネルギー効率が高くてコンパクトな電気推進装置２０を実現することができる。

なお、上述の変形例では、減速機４２を４つの減速比に切換可能な構成としたが、例えば、減速機４２を設けずに、電動機を４つの極数に切換可能な構成としても、発電機３７の周波数の変動を５０Ｈｚから６０Ｈｚに抑えることができる。

（第３実施形態）
次に、図６乃至図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る電気推進装置８０、及びこの電気推進装置８０が適用された電気推進システム８１について説明する。ここで、図６（Ａ）は電気推進システム８１の概略構成を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は電気推進システム８１におけるエンジン出力とエンジン回転数とプロペラ回転数との関係を示すグラフ図である。また、図７は、電気推進装置８０に適用されるクラッチ機構８４の構成を模式的に示す模式図である。また、図８は、電気推進システム８１において行われるプロペラ回転制御の手順の一例を示すフローチャートである。なお、図６（Ａ）では、機関制御盤３５の図示が省略されている。

図６（Ａ）に示されるように、電気推進装置８０が上述の第２実施形態の変形例の電気推進装置２０（図５参照）と異なるところは、減速機４２に代えて、減速ギヤＲ１１及び減速ギヤＲ１２を有する減速機８３（本発明の減速機の一例）が設けられている点と、クラッチ機構４４に代えて、クラッチ機構８４（本発明のクラッチ機構、減速比切換手段の一例）が設けられている点と、クラッチ機構８４が備える低速用クラッチ８４Ａに対して後述の第１段制御（クラッチ滑り制御）を行うクラッチ制御ユニット８７（本発明のプロペラ回転制御手段の一例）が設けられている点と、エンジン３３やクラッチ機構８４等に対する制御方式が異なっている点である。なお、その他の構成については、上述の第１実施形態及び上述の第２実施形態の構成と共通するため、ここでは共通する構成に同じ番号の符号を付し示すことによりその構成の詳細な説明を省略する。

図７に示されるように、減速機８３は、電動機４８の回転速度を変速するものであり、電動機４８の出力軸４８Ａと複数のギヤを介して連結されている。この減速機８３は、電動機４８の回転速度をダイレクトに伝達する入力ギヤ９０と、減速後の回転速度をプロペラ３１に伝達する出力ギヤ９１とを有する。また、入力ギヤ９０と出力ギヤ９１との間に、第１減速ギヤＲ１１（本発明の第１伝達部の一例）と第２減速ギヤＲ１２（本発明の第２伝達部の一例）とが並列に設けられている。第１減速ギヤＲ１１は、電動機４８の回転速度を予め定められた第１減速比Ｔ１１で減速して減速機８３の出力軸に設けられた出力ギヤ９１に伝達するものである。また、第２減速ギヤＲ１２は、電動機４８の回転速度を上記第１減速比Ｔ１１よりも小さい第２減速比Ｔ１２で減速して減速機８３の出力軸に設けられた出力ギヤ９１に伝達するものである。このように構成されているため、減速機８３は、電動機４８の回転速度を第１減速比Ｔ１１又は第２減速比Ｔ１２のいずれかに基づいて変速することができる。

本実施形態では、第１減速ギヤＲ１１の減速比Ｔ１１は「５．２８」である。第２減速ギヤＲ１２の減速比Ｔ１２は減速比Ｔ１２よりも小さい「４．５０」である。減速機８３は、後述のクラッチ機構８４によって、第１減速ギヤＲ１１又は第２減速ギヤＲ１２のいずれかに切り換えられる。例えば、第１減速ギヤＲ１１が電動機４８に連結されている場合は、第１減速ギヤＲ１１の減速比Ｔ１１＝５．２８であるため、電動機４８の回転速度が５．２８分の１に減速される。また、第２減速ギヤＲ１２が電動機４８に連結されている場合は、第２減速ギヤＲ１２の減速比Ｔ１２＝４．５０であるため、電動機４８の回転速度が４．５分の１に減速される。

減速機８３には、本発明の減速比切換手段の一例であるクラッチ機構８４が設けられている。クラッチ機構８４は、第１減速ギヤＲ１１及び第２減速ギヤＲ１２それぞれに連結されており、減速機８３の変速比を第１減速比Ｔ１１又は第２減速比Ｔ１２のいずれかに切り換えるものである。具体的には、クラッチ機構８４は、入力ギヤ９０から第１減速ギヤＲ１１を経て出力ギヤ９１に至る伝達経路に設けられた低速用クラッチ８４Ａと、入力ギヤ９０から第２減速ギヤＲ１２を経て出力ギヤ９１に至る伝達経路に設けられた高速用クラッチ８４Ｂとを有する。これらのクラッチ８４Ａ，８４Ｂは、いずれも、船舶を前進させる回転速度を伝達するためのものである。また、クラッチ機構８４は、船舶を後進させる回転速度を伝達するための後進用クラッチ８４Ｃが設けられている。クラッチ８４Ａ，８４Ｂ，８４Ｃとしては、動力の入力側と出力側との間に複数の円板（フリクションディスク）が設けられた多重板クラッチ構造の摩擦クラッチが用いられる。上記複数の円板同士が接触することによって生じる摩擦力によって電動機４８からの動力、つまり電動機４８の回転速度がプロペラ３１側に伝達される。

クラッチ８４Ａ，８４Ｂ，８４Ｃを動作させる駆動機構としては、油圧を制御することによって上記複数の円板同士を接触させたり離間させたりする油圧作動方式が採用されている。低速用クラッチ８４Ａの油圧経路には、比例電磁弁９３が設けられている。比例電磁弁９３は、クラッチ制御ユニット８７から入力された信号値に応じて、作動用オイルが供給される流路の開閉度を無段階に調整するものであり、この比例電磁弁９３が制御されることにより、上記流路から低速用クラッチ８４Ａに供給される作動用オイルの油圧が制御される。高速用クラッチ８４Ｂの油圧経路には電磁切替弁９４が設けられており、後進用クラッチ８４Ｃの油圧経路には電磁切替弁９５が設けられている。電磁切替弁９４，９５は、クラッチ制御ユニット８７から入力された信号によって開状態又は閉状態のいずれかに切り換えられるものであり、これら電磁切替弁９４，９５の開閉が制御されることによって、作動用オイルが供給される流路が開閉される。なお、上記駆動機構に代えて、圧縮空気圧、電動アクチュエータなどによって作動する方式を適用してもよい。

クラッチ制御ユニット８７は、機関制御盤３５に設けられている。クラッチ制御ユニット８７は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＳＩＣなどで構成されている。クラッチ制御ユニット８７は、プロペラ３１が所定回転数未満の場合に、低速用クラッチ８４Ａに対して表４に示される第１段制御（クラッチ滑り制御）を行う。ここで、プロペラ３１の回転数は、プロペラ３１のプロペラ軸の近傍に設けられた速度センサーからの信号に基づいて機関制御盤３５が算出し、そして、その算出結果（回転数）が機関制御盤３５からクラッチ制御ユニット８７に出力されている。なお、クラッチ制御ユニット８７の設置箇所は、機関制御盤３５に限られず、機関制御盤３５から独立して設けられていてもよく、或いは操舵室に設置されていてもよい。

上記第１段制御（クラッチ滑り制御）においては、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１未満の場合に、機関制御盤３５がエンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１（＝第１設定速度Ｎ１）となるように制御する。そして、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１に維持された状態で、クラッチ制御ユニット８７が第１減速ギヤＲ１１に連結された低速用クラッチ８４Ａにおける動力伝達力を調整して、低速用クラッチ８４Ａを滑らせた状態で動力を伝達させる。言い換えると、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１未満の場合に、機関制御盤３５は、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１（＝第１設定速度Ｎ１）を維持するように制御し、一方、クラッチ制御ユニット８７は、プロペラ３１の回転数が操舵室からの船速信号に応じた回転数となるように比例電磁弁９３を制御する。これにより、低速用クラッチ８４Ａによって動力が滑りながら伝達されて、プロペラ３１の回転数が船速信号に応じた回転数に制御される。

本実施形態では、上述したように、機関制御盤３５は、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１未満の場合に、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１に維持するように制御する。また、機関制御盤３５は、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１以上の場合に、極数Ｐが８極の発電機３７に対して、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１（＝第１設定速度Ｎ１）から９００ｍｉｎ^−１（＝第２設定速度Ｎ２）の範囲内となるように制御する。これにより、発電機３７は、周波数ｆが５０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力を発電する。

図６（Ｂ）及び表４に示されるように、上述した構成の電気推進装置８０においては、例えば、操舵室に設けられた操縦ハンドル９６から船速信号として前進を示す前進信号が送られてきたときは、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１未満であることを条件に、機関制御盤３５及びクラッチ制御ユニット８７は、表４に示される第１段制御（クラッチ滑り制御）を行う。具体的には、クラッチ制御ユニット８７は、比例電磁弁９３に対して操縦ハンドル９６からの船速信号に応じた油圧となる信号を出力して、低速用クラッチ８４Ａの動力伝達力を調整する。ここで、上記前進信号は、例えば、操縦ハンドル９６の前進側の操作範囲が前進０〜前進１０の段階に分けられていた場合に、操縦ハンドル９６が前進範囲（前進０〜前進１０の範囲）に位置しているときにクラッチ制御ユニット８７へ出力される信号である。この前進信号は、操縦ハンドル９６に設けられたポテンショメーターから出力される。ここで、表４は、電気推進装置８０において、テレグラフ信号、制御状態、エンジン回転数、連結されている減速ギヤ、発電機周波数、電動機回転数、プロペラ回転数それぞれの対応関係を示すものである。なお、上記第１段制御の詳細については後述する。

また、操縦ハンドル９６から船速信号として中速を示す中速信号が送られてきたときは、機関制御盤３５及びクラッチ制御ユニット８７は、表４に示される第２段制御を行う。具体的には、機関制御盤３５は、クラッチ制御ユニット８７に比例電磁弁９３を全開させて、低速用クラッチ８４Ａを嵌入させ、第１減速ギヤＲ１１の伝達経路を連結させた状態にする。そして、この状態で、エンジン３３の回転速度を７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１の範囲で制御する。ここで、上記中速信号は、操縦ハンドル９６が前進４から前進７までの中速範囲に位置しているときにクラッチ制御ユニット８７へ出力される信号である。このときの制御状態である第２段制御が本発明の第１状態に相当する。なお、上記第２段制御の詳細については後述する。

また、操縦ハンドル９６から船速信号として高速を示す高速信号が送られてきたときは、機関制御盤３５及びクラッチ制御ユニット８７は、表４に示される第３段制御を行う。具体的には、機関制御盤３５は、比例電磁弁９３を全閉にし、代わりに電磁切替弁９４を閉状態から開状態にして高速用クラッチ８４Ｂを嵌入させて、第２減速ギヤＲ１２の伝達経路を連結させた状態にし、この状態で、エンジン３３を７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１の範囲で制御する。ここで、上記高速信号は、操縦ハンドル９６が前進８から前進１０（前進ＦＵＬＬ）までの高速範囲に位置しているときにクラッチ制御ユニット８７へ出力される信号である。このときの制御状態である第３段制御が本発明の第２状態に相当する。なお、上記第３段制御の詳細については後述する。

以下、図８のフローチャートを参照して、機関制御盤３５及びクラッチ制御ユニット８７によって実行されるプロペラ回転制御の手順の一例について説明する。図８におけるＳ１１、Ｓ１２、…は処理手順（ステップ）の番号を表している。説明の便宜上、以下においては、操縦ハンドル９６が中立位置に配置された状態において、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１に制御され、且つ、いずれのクラッチも嵌入されていない待機状態にあるものとし、電気推進装置８０がこの待機状態のときに、操縦ハンドル９６が中立位置から前進側へ移動された場合の手順について説明する。

まず、ステップＳ１１では、機関制御盤３５は、操縦ハンドル９６からの船速信号に基づいて、操縦ハンドル９６が前進側へ移動されたかどうかを判定する。前進側へ移動された操縦ハンドル９６から、前進位置に対応する船速信号が送られてくると、機関制御盤３５は、操縦ハンドル９６が前進側へ移動されたと判定し、次のステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２では、クラッチ滑り制御、つまり、上述の第１段制御（表４参照）が行われる。具体的には、クラッチ制御ユニット８７は、比例電磁弁９３に対して操縦ハンドル９６からの船速信号に応じた油圧となる信号を出力して、低速用クラッチ８４Ａの動力伝達力を調整する。このとき、機関制御盤３５は、エンジン３３の回転数が７５０ｍｉｎ^−１を維持するように制御する。なお、操縦ハンドル９６が前進０から前進１０のどの位置にあっても、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１以上となるまでは、上記第１段制御が実行される。

ここで、操縦ハンドル９６が中立位置に戻された場合は、機関制御盤３５は、前進操作が中断されたと判定して、エンジン３３の回転数を７５０ｍｉｎ^−１に維持したままにして、クラッチ制御ユニット８７に全てのクラッチを脱状態にさせる。つまり、電気推進装置８０を元の待機状態にする。

次のステップＳ１３では、機関制御盤３５は、操縦ハンドル９６からの船速信号に基づいて、操縦ハンドル９６が上記中速範囲以上の位置にあるかどうかを判定する。つまり、操縦ハンドル９６が、前進４〜前進１０の範囲にあるかどうかを判定する。ここで、ハンドル位置が中速範囲未満、つまり、前進０〜前進３までの低速範囲であると判定された場合は、ステップＳ１２に戻って、ステップＳ１２以降の処理が繰り返される。言い換えると、操縦ハンドル９６が上記低速範囲にある場合は、上記第１段制御（クラッチ滑り制御）によってプロペラ３１の回転数が制御される。本実施形態では、表４に示されるように、上記低速範囲に対応して、プロペラ３１の回転数が１０６ｍｉｎ^−１〜１５０ｍｉｎ^−１の範囲となるように上記第１段制御が行われる。

一方、ステップＳ１３において、ハンドル位置が中速範囲以上であると判定されると、機関制御盤３５は、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１以上と判定されるまで上記第１段制御（クラッチ滑り制御）を行う（Ｓ１４のＮＯ側）。また、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１以上と判定された場合に（Ｓ１４のＹＥＳ側）、次のステップＳ１５において上記第２段制御が行われる。

ステップＳ１５では、機関制御盤３５及びクラッチ制御ユニット８７によって上記第２段制御が行われる。具体的には、機関制御盤３５は、クラッチ制御ユニット８７に比例電磁弁９３を全開させて、低速用クラッチ８４Ａを嵌入させ、第１減速ギヤＲ１１の伝達経路を連結させた状態にする。そして、この状態で、７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１の範囲内で、エンジン３３を操縦ハンドル９６に応じた速度に制御する。本実施形態では、プロペラ３１の回転数が１５０ｍｉｎ^−１以上であり、操縦ハンドル９６が上記中速範囲内にある場合は、上記第２段制御によってプロペラ３１の回転数が制御される。これにより、表４に示されるように、プロペラ３１の回転数が前進４に対応する回転数、つまり、電動機４８の回転速度７５０ｍｉｎ^−１が第１減速ギヤＲ１１によって５．２８分の１に減速された回転数１４２ｍｉｎ^−１から、前進７に対応する回転数、つまり、電動機４８の回転速度９００ｍｉｎ^−１が第１減速ギヤＲ１１によって５．２８分の１に減速された回転数１７０ｍｉｎ^−１までの範囲内で制御される。

次のステップＳ１６では、機関制御盤３５は、プロペラ３１の回転数が１７０ｍｉｎ^−１以上であるかどうか判定する。例えば、操縦ハンドル９６が上記中速範囲を通り超して上記高速範囲（前進８〜前進１０）まで移動されていた場合は、上記第１段制御（Ｓ１２）、及び上記第２段制御（Ｓ１５）を経た後に、上記第３段制御が行われる。従って、上記第２段制御におけるプロペラ回転が上限の回転速度１７０ｍｉｎ^−１に到達した場合は、ステップＳ１７において操縦ハンドル９６が上記高速範囲にあると判定されたことを条件に、上記第２段制御から上記第３段制御に移行する。なお、ステップＳ１６においてプロペラ回転が回転速度１７０ｍｉｎ^−１未満であると判定された場合は、ステップＳ１３に戻り、ステップＳ１３以降の処理が繰り返される。また、ステップＳ１７において操縦ハンドル９６が上記高速範囲にないと判定された場合は、ステップＳ１６以降の処理が繰り返される。

ステップＳ１８では、更にプロペラ３１の回転数を増速させるために、機関制御盤３５及びクラッチ制御ユニット８７によって上記第３段制御が行われる。具体的には、まず、機関制御盤３５は、上記第２段制御から表４に示される切換動作に移行する。この切換動作の段階では、機関制御盤３５は、クラッチ制御ユニット８７に比例電磁弁９３を全閉させて、低速用クラッチ８４Ａを脱状態にして、第１減速ギヤＲ１１の伝達経路を切り離す。そして、電磁切替弁９４を閉状態から開状態に切り換えて、高速用クラッチ８４Ｂを嵌入させ、第２減速ギヤＲ１２の伝達経路を連結させた状態にする。そして、この切換動作中に、機関制御盤３５は、エンジン３３の回転速度を９００ｍｉｎ^−１から７５０ｍｉｎ^−１まで減速する。その後、７５０ｍｉｎ^−１から９００ｍｉｎ^−１の範囲内で、エンジン３３を操縦ハンドル９６に応じた速度に制御する。本実施形態では、プロペラ３１の回転数が１７０ｍｉｎ^−１以上であり、操縦ハンドル９６が上記高速範囲内にある場合は、上記第３段制御によってプロペラ３１の回転数が制御される。これにより、表４に示されるように、プロペラ３１の回転数が前進８に対応する回転数、つまり、電動機４８の回転速度７５０ｍｉｎ^−１が第２減速ギヤＲ１２によって４．５０分の１に減速された回転数１６７ｍｉｎ^−１から、前進１０に対応する回転数、つまり、電動機４８の回転速度９００ｍｉｎ^−１が第２減速ギヤＲ１２によって４．５０分の１に減速された回転数２００ｍｉｎ^−１までの範囲内で制御される。

なお、ステップＳ１８以降は、操縦ハンドル９６が中立位置に戻されるまで上述のステップＳ１２〜Ｓ１８までの処理が繰り返し行われ、操縦ハンドル９６に応じた回転数となるようにプロペラ３１の回転数が制御される。また、上述のフローチャートに従った手順で処理が行われることにより、プロペラ３１の回転数の減速も実現可能である。

このように構成された電気推進装置８０であれば、変換ロスが増加する大型のインバータを用いなくても、また、プロペラ効率の低下する可変ピッチプロペラを用いなくても、要求される回転数となるようにプロペラ３１を回転させることができる。また、プロペラ３１を停止状態から回転させる際に、上記クラッチ滑り制御が行われることによって、プロペラ３１の回転数をスムーズに増速させることができる。

１０，２０，８０：電気推進装置
１１，２１，８１：電気推進システム
３１：固定ピッチプロペラ
３３：ディーゼルエンジン
３５：機関制御盤
３７：発電機
３９，４６，４８：電動機
４１，４２，８３：減速機
４４，８４：クラッチ機構
４７：極数切換部
５６：始動器盤

Claims (8)

1. 船舶の固定ピッチプロペラを電気駆動力によって回転させる船舶用電気推進装置であって、
   船舶が備える内燃機関の回転速度を予め定められた第１設定速度から第２設定速度の範囲内で制御する回転速度制御手段と、
   上記内燃機関の回転駆動力を得て上記第１設定速度から上記第２設定速度までの速度範囲に応じた周波数帯域の交流電力を発電する発電機と、
   上記発電機が発電した交流電力によって回転駆動する電動機と、
   出力軸に上記固定ピッチプロペラが連結され、上記電動機の回転速度を少なくとも２つの変速比に基づいて変速する減速機と、を具備する船舶用電気推進装置。
2. 上記第１設定速度及び上記第２設定速度は、上記発電機で発電される交流電力の周波数が、上記発電機から上記電動機までの電力供給経路に設けられる電気機器で使用可能な電源周波数の許容範囲内となるように設定されている請求項１に記載の船舶用電気推進装置。
3. 上記電動機の極数を予め定められた２以上の設定極数に切り換える極数切換手段を更に備える請求項１又は２に記載の船舶用電気推進装置。
4. 上記減速機の変速比を予め定められた第１減速比、又は該第１減速比よりも小さい第２減速比のいずれかに切り換える減速比切換手段を更に備え、
   上記極数切換手段は、予め定められた第１設定極数、又は該第１設定極数よりも極数が少ない第２設定極数のいずれかに切り換えるものであり、
   上記回転速度制御手段は、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第１設定極数に切り換えられた第１状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第１設定極数に切り換えられた第２状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第２設定極数に切り換えられた第３状態、及び上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられ、上記極数切換手段によって上記電動機が上記第２設定極数に切り換えられた第４状態それぞれにおいて、上記内燃機関の回転速度を上記第１設定速度から上記第２設定速度の範囲内で制御するものである請求項３に記載の船舶用電気推進装置。
5. 入力された船速信号が示す船速に応じて、上記第１状態乃至上記第４状態となるように上記極数切換手段及び上記減速比切換手段それぞれの切換を制御する切換制御手段を更に備える請求項４に記載の船舶用電気推進装置。
6. 上記減速機の変速比を予め定められた第１減速比、該第１減速比よりも小さい第２減速比、該第２減速比よりも小さい第３減速比、又は該第３減速比よりも小さい第４減速比のいずれかに切り換える減速比切換手段を更に備え、
   上記回転速度制御手段は、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられた第１状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられた第２状態、上記減速比切換手段によって上記減速機が第３減速比に切り換えられた第３状態、及び上記減速比切換手段によって上記減速機が第４減速比に切り換えられた第４状態それぞれにおいて、上記内燃機関の回転速度を上記第１設定速度から上記第２設定速度の範囲内で制御するものである請求項１又は２に記載の船舶用電気推進装置。
7. 上記減速機は、上記電動機の回転速度を予め定められた第１減速比で減速して上記出力軸に伝達する第１伝達部、及び上記電動機の回転速度を上記第１減速比よりも小さい第２減速比で減速して上記出力軸に伝達する第２伝達部を有し、
   上記第１伝達部及び上記第２伝達部それぞれに連結され、上記減速機の変速比を上記第１減速比又は上記第２減速比のいずれかに切り換えるクラッチ機構からなる減速比切換手段と、
   上記固定ピッチプロペラが所定回転速度未満の場合に、上記回転速度制御手段によって上記内燃機関の回転速度が上記第１設定速度となるように制御された状態で、上記第１伝達部に連結された上記クラッチ機構における動力伝達力を調整して上記クラッチ機構を滑らせた状態で動力を伝達させることにより上記固定ピッチプロペラの回転速度を制御するプロペラ回転制御手段と、を更に備える請求項１又は２に記載の船舶用電気推進装置。
8. 上記回転速度制御手段は、上記固定ピッチプロペラが所定回転速度以上の場合に、上記減速比切換手段によって上記減速機が第１減速比に切り換えられた第１状態、及び上記減速比切換手段によって上記減速機が第２減速比に切り換えられた第２状態それぞれにおいて、上記内燃機関の回転速度を上記第１設定速度から上記第２設定速度の範囲内で制御するものである請求項７に記載の船舶用電気推進装置。