JP2015514615A - 船舶用のハイブリッド駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、船舶の内部に配置し、駆動シャフト１１を駆動する第１の駆動モータと、前記駆動シャフトの後方に配置し、変速装置ハウジング１０を有している水面上の変速装置１と、電気式の第２の駆動モータ２とを備えており、前記水面上の変速装置１は、該水面上の変速装置１から分岐する鉛直シャフト１３を駆動し、前記第２の駆動モータ２は、固定子及び回転子を有し、前記第１の駆動モータに加え、又は前記第１の駆動モータに代わって、前記鉛直シャフト１３を駆動することができる船舶用のハイブリッド駆動装置であって、前記第２の駆動モータ２が、中空シャフト２０を備えて具現化され、該モータの前記固定子が、捩り力に対して動かない様に前記水面上の変速装置１の前記変速装置ハウジング１０に接続されている船舶用のハイブリッド駆動装置に関する。

Description

本発明は、船舶の内部に配置し駆動シャフトを駆動する第１の駆動モータと、前記駆動シャフトの後方に配置し変速装置ハウジングを有している水面上の変速装置とを備えており、前記水面上の変速装置が、該水面上の変速装置から分岐した鉛直シャフトを駆動する船舶用の駆動装置であって、前記鉛直シャフトを前記第１の駆動モータに加えて駆動でき、又は前記第１の駆動モータに替えて駆動することができる少なくとも１つの電気式の第２の駆動モータを備えている船舶用のハイブリッド駆動装置に関する。

この一般的な形式のハイブリッド駆動装置は、例えば国際公開第ＷＯ２０１１／０２１７２７号パンフレットにより知られており、プロペラシャフトが船体の外部に配置しており、水面上の変速装置を介在させつつ船舶の内部に配置する第１の駆動モータ及び／又は第２の駆動モータによって鉛直シャフトを介して駆動されるラダープロペラ（ｒｕｄｄｅｒ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ）を駆動するために使用されている。クラッチを介して、通常は内燃機関の形態で具現化される第１の駆動モータ及び第２の駆動シャフトに接続された電気モータを、船舶の操作モードに応じて、第１の駆動モータ、電気式の第２の駆動モータ、又は両方のモータにて動作するように、積極的な係合を伴わずに摩擦によって鉛直シャフトに係合させることができる。

やはりクラッチによって選択的に切り換えることができる第１の駆動モータ及び第２の駆動モータのための２つの駆動シャフトによって動作する類似の装置が、独国特許出願公開第１０ ２００９ ０００ ９９２Ａ１号明細書により知られている。

これらの公知のハイブリッド駆動装置の欠点は、水面上の変速装置に設けられる複数の駆動シャフト及び関連のクラッチが、費用がきわめて高くなるだけでなく、相応の空間も必要とする高度の設計の複雑さを呈し、したがって港内タグボートなどの限られた広さに設ける設置の状況において、この種のハイブリッド駆動装置はあまり使用することができず、船体の特別な設計を必要とし、すなわち一般に、第１の駆動モータとしての内燃機関だけを備えている船舶に、そのようなハイブリッド駆動装置を事後に後付けすることがまったく不可能であり、又は多大な費用を伴わなければ不可能である点にある。

他方で、近年では、特に長時間にわたってスロットルを大きく開けることなく運転される内陸の水路及び港湾（例えば、港内の環境保護区域）において使用される船舶において、そのようなハイブリッド駆動装置がますます求められるようになってきている。例えば、港内タグボートの使用の状況を見ると、所要時間のうちのかなりの割合が低出力であり、このため係留状態の維持を目的とし且つ低出力電気モータのためのディーゼルエンジンを搭載したハイブリッド駆動の構想、より電気モータとを備えるハイブリッド駆動の考え方が、エネルギ効率に優れた資源を節約する方法における稼働が必要とされている。

国際公開第ＷＯ２０１１／０２１７２７号パンフレット 独国特許出願公開第１０ ２００９ ０００ ９９２Ａ１号明細書

したがって、本発明の目的は、冒頭で述べた形式のハイブリッド駆動装置であって、先行技術の欠点を克服し、対応する設置空間の節約が顕著かつ価格が妥当である実施の形態を特徴とするハイブリッド駆動装置を提案することにある。

上述の目的が、本発明によれば、請求項１の特徴によるハイブリッド駆動装置の実施の形態によって達成される。

本発明の好都合な実施の形態及び改良が、従属請求項の主題である。
本発明は、少なくとも１つの電気式の第２の駆動モータを中空シャフトを備えて具現化することを提案し、そのような第２の駆動モータを、本発明の一提案によれば、回転駆動される中空シャフトと固定子として機能するモータハウジングとを備える内側回転子モータとして具現化できる。しかしながら、代案として、固定子として機能する中空シャフトと回転子として機能するハウジングとを備える外側回転子モータとして具現化されるトルクモータを用意することも可能である。

本発明による実施の形態の１つの大きな利点は、第２の駆動モータが追加の噛み合わせを必要とせず、むしろ第１の駆動モータのために設けられる噛み合わせ装置の使用を必要に応じて共有してもよい点にある。

本明細書において、「噛み合わせ」は、船舶を駆動するために駆動モータと鉛直シャフトとの間で変速装置の噛み合わせによって達成される動力の流れを指す。

本発明による第２の駆動モータは、第１の駆動モータのために設けられた噛み合う変速装置部品の使用を共有し、したがって設計の大幅な簡単化を達成する。

いずれにせよ、本発明によれば、第２の駆動モータの固定子（すなわち、実施の形態に応じて、モータハウジング又は中空シャフト）が、ねじりに関して固定された方法で水面上の変速装置の変速装置ハウジングへと接続され、したがって第２の駆動モータのための追加の収容空間及び固定要素をもはや設ける必要がない。したがって、本発明によるハイブリッド駆動装置は、きわめて空間を節約するやり方で具現化でき、すでに存在する主たる駆動装置への後付けが可能である。

特に、本発明の一提案によれば、第２の駆動モータの中空シャフトの内側の利用可能な内部空間が、駆動シャフト又は鉛直シャフトのクラッチ若しくはブレーキ、すなわち第１の駆動モータによって駆動される駆動シャフトを有する従来の設計の水面上の変速装置にいずれにせよ存在する構成部品を、収容するために使用される。したがって、電気式の第２の駆動モータについて考えられる設置場所は、動力の入力端、すなわち水面上の変速装置への駆動シャフトの入り口、この動力入力部とは反対側の端部、又は鉛直シャフトの端部が案内される水面上の変速装置の鉛直の場所である。

中空シャフトと、ねじりに関して固定された状況で水面上の変速装置の変速装置ハウジングへと接続される固定子とを有する第２の駆動モータの設計ゆえに、本発明によるハイブリッド駆動装置は、本質的に追加のシールを必要とせず、水面上の変速装置における追加の噛み合わせ又は追加のシャフトも必要としない。さらに、第２の駆動モータは、追加のクラッチを必要としない。

また、第２の駆動モータは、別途の軸受を必要とせず、むしろ第１の駆動モータ、駆動シャフト、水面上の変速装置、及び鉛直シャフトで構成されるシステムの既存の軸受へと一体化される。これは、第１及び／又は第２の駆動モータが使用されるかどうかにかかわらず動力の流れが水面上の変速装置のただ１つの歯車セットを経由するような本発明による第２の駆動モータの一体化構成のゆえに、もはや不要である第２の駆動モータの歯車セットのためのさらなる調節の必要性も無くなる。さらに、例えば第１又は第２の駆動モータがオフにされるときに同時に空転する噛み合わせ部品が存在しないことで、本発明によるハイブリッド駆動装置の騒音の放射が少なくなり、効率が高くなる。

本発明に従って用いられる電気式の第２の駆動モータは、いわゆるトルクモータなどの永久励磁同期モータであってもよい。

トルクモータは、本質的に公知であり、狭い空間しか必要とせずに所定の速度範囲において大きなトルクを生み出すことを可能にするがゆえに、例えばプラスチック加工産業において用いられる工作機械、押し出し成形機、及びローラ駆動装置において変速装置を必要としない駆動モータとして使用されている。内側回転子モータとして具現化される場合、この種のトルクモータは、コイルを備えており、モータハウジングで構成される固定子と、永久磁石を備えており、中空シャフトで構成される回転子とで構成される。外側回転子モータとして具現化される場合、この種のトルクモータは、コイルを備えており、固定子として機能する中空シャフトと、磁石を備えており、回転子として機能するハウジングとを有する。

本発明の目的において、そのようなモータを、狭い空間しか必要とせず、該当の速度範囲において大きなトルクを生み出すことができ、中空シャフトを備える特定の実施の形態のために水面上の変速装置の既存の実証済みの設計へときわめて容易に一体化できるという理由で、船舶用のハイブリッド駆動装置において使用するための電気式の第２の駆動モータとして構成することも可能であることが発見された。

第１の駆動モータに繋がる駆動シャフトのクラッチが第２の駆動モータの中空シャフトの内側に配置される場合、電気式の第２の駆動モータを、別途のクラッチを必要とせずにハイブリッド駆動装置として一体化でき、したがってさらなる部品の削減が達成され、必要な空間がさらに小さくなる。

又は、第２の駆動モータを、中空シャフトを駆動シャフト上又は鉛直シャフト上に配置させて配置することで、設置場所に関してできる限り最大の柔軟性をもたらすこともできる。

本発明によれば、用語「鉛直シャフト」は、正確に鉛直な向きを有するシャフトに限られると理解されてはならず、鉛直から逸れた方向性を有するシャフトも包含する。

一般に、本発明によるハイブリッド駆動装置は、あらゆる設計に適し、特に船舶の旋回式推進装置（アジマススラスタ）に適する。

本発明では、例えばピークのトルク及び出力を生み出すために、第１の駆動モータと直列に動作し、すなわちいわゆるブースタとして動作する電気式の第２の駆動モータが、第１の駆動モータによる駆動を支援できるだけでなく、第１の駆動モータの相応の切り離しによって、第２の駆動モータによる純粋な電気的動作を使用することも可能である。さらに、本発明の一実施の形態においては、第２の駆動モータが、別の態様において、例えば船舶の電気系統に電気エネルギを供給し、又は後の第２の駆動モータの電気駆動動作に向けて電池を充電するために、発電機として働くことも可能である。

当然ながら、本発明によるハイブリッド駆動装置は、単独の駆動ユニットとして設けることができるだけでなく、対応する船舶の複数のハイブリッド駆動装置とともに設けることも可能である。この種の複数の構成においては、或る１つのハイブリッド駆動装置の電気式の第２の駆動モータを発電機として動作させ、生成される電気エネルギで、第２のハイブリッド駆動装置の第２の駆動モータによる第２のハイブリッド駆動装置の純粋な電気駆動を保証することも可能である。そのような動作の態様においては、駆動が本発明による２つのハイブリッド駆動装置によってもたらされるという事実にもかかわらず、燃料消費及び排出物の大幅な削減を達成することができる。

本発明による第２の駆動モータは、低温始動装置として機能することもでき、切り離されたシャフト部分を係合を生じさせるべきシャフトの速度に同期した速度へと加速させることで、より小さいクラッチの使用を可能にでき、又はスリップクラッチに替えてシフトクラッチを使用することさえ可能にできる。

本発明によるハイブリッド駆動装置は、水面上の変速装置の種々の設計を備えることができる。本明細書において、「水面上の変速装置」は、一般に、アジマススラスタの変速装置であって、船又は船舶の内部に配置する変速装置であると理解される。

そのようなアジマススラスタの一例は、ラダープロペラである。これに関し、本発明によるハイブリッド駆動装置を、いわゆるＺ字形の駆動装置、すなわちラダープロペラ全体で２つのベベルギア段を備えている駆動装置の形態、又はいわゆるＬ字形の駆動装置、すなわちラダープロペラ全体でただ１つのベベルギア段を備えている駆動装置の形態で具現化することができる。

本発明によるハイブリッド駆動装置の他の実施の形態及び詳細を、図面に示される典型的な実施の形態と併せて、以下でさらに詳しく説明する。

本発明によるハイブリッド駆動装置の水面上の変速装置の概略図である。 本発明によるハイブリッド駆動装置の水面上の変速装置の別の実施の形態の概略図である。 本発明によるトルクモータの正面図を示している。

図１が、ハイブリッド駆動装置の水面上の変速装置を概略的に示しており、水面上の変速装置１が、Ｌ字形の駆動部として具現化された変速装置ハウジング１０の内部を基本的に水平方向に延びる駆動シャフト１１を備え、ベベルギアを備える角度駆動部１２を介して、水面上の変速装置１のハウジング１０から突き出す鉛直方向を向いた鉛直シャフト１３を駆動する。図に示されている構成部品は、通常は船舶（図示されていない）の内部に収容される。

詳細には示さないが、鉛直シャフト１３は、例えば独国実用新案第２０ ２００９ ００９ ０３１Ａ１号に示されているように、船舶の外部に配置され、より正確には船体の直下に配置される伝統的な設計のラダープロペラへと延びている。

詳細には示さないが、駆動シャフト１１は、例えば内燃機関の形態にて具現化されてやはり船舶の内部に収容される第１の駆動モータ（ここでは図示されていない）の出力及びトルクＭによって駆動される。

駆動シャフト１１をクラッチ１４によって接続及び切り離すことができ、したがってクラッチ１４の切り換えの状態に応じて、第１の駆動モータを、積極的な係合を伴わない摩擦による係合によって鉛直シャフト１３に接続でき、又はこのシャフトから切り離すことができる。

ここで、第１の駆動モータに加えて設けられる電気式の第２の駆動モータを備え、きわめて空間を節約する設計を持つハイブリッド駆動装置を生み出すために、トルクモータ（その基本的な構成部品が、図３に示される）が、電気式の第２の駆動モータ２として使用され、回転駆動される中空シャフト２０を内側に収容する固定子として機能するモータハウジング２１を有している。したがって、回転駆動される中空シャフト２０の内側に内部チャンバ２２がもたらされ、したがって駆動シャフト１１が内部チャンバ２２を貫いて延びるとき、トルクモータを例えば駆動シャフト１１上に適切に配置し、駆動シャフト１１へと接続することができる。

当然ながら、トルクモータの代わりに、中空シャフト２０を備える他の電気式の第２の駆動モータ２も、使用可能である。

特に好都合な実施の形態においては、内側回転子モータとして具現化されるそのような電気式の第２の駆動モータ２が、自身のモータハウジング２１によって、例えばねじで固定されるなど、回転に関して固定された状況で、水面上の変速装置１の変速装置ハウジング１０へと接続され、水面上の変速装置１において駆動シャフト１１及び／又は鉛直シャフト１３の支持及び／又は動作に必要とされるクラッチ１４又はブレーキ１５などのさらなる内部部品が備えられる場所に配置される。

図１における参照番号２．１は、回転駆動される中空シャフト２０の内部チャンバ２２が駆動シャフト１１の上述のクラッチ１４を収容し、すなわち第２の駆動モータがいずれに設けられても設置場所においてクラッチ１４を取り囲む、即ち内包するが、捩り力に対して動かないようにクラッチの一部分（例えば、クラッチハウジング又は動力入力シャフト）へと接続される電気式の第２の駆動モータ２の設置場所を示している。

これは、例えば第１の駆動モータだけしか有していない船舶の既存の駆動装置への後付けも可能にする電気式の第２の駆動モータ２のきわめて空間を節約する設置を実現可能にする。さらに、駆動シャフト１１のためのクラッチ１４が内部チャンバ２２の内側に配置するこの構成においては、本発明に従って設けられる電気式の第２の駆動モータ２が、別途のクラッチを必要とせず、むしろ既存のクラッチ１４の動作状態に応じて、第１の駆動モータに加え、又は第１の駆動モータに代わって、駆動シャフト１１の回転駆動を生み出すことができ、したがって電気式の第２の駆動モータによって第１の駆動モータの駆動の出力を増やすことができ、すなわちいわゆるブースタ動作を可能にでき、また大きな推進力を必要としない場合の特別のエネルギの節約及び排出量を低下させ即ち少なくする主要な役割を持たせることを可能とする。

又は、第２の駆動モータ２を、駆動シャフト１１のためのブレーキ１５が通常設けられる水面上の変速装置１の変速装置ハウジング１０の他端に配置する参照番号２．２で示される設置場所に設けることも可能である。この配置においても、第２の駆動モータ２の中空シャフト２０の内側の内部チャンバ２２が、そこに設けられるブレーキ１５及び／又はピボット軸受を取り囲む。

図１による典型的な実施の形態の変形例において、図２が、駆動シャフト１１が変速装置ハウジング１０へと角度駆動部１２に達するまで案内されるにとどまり、他端において変速装置ハウジング１０から突き出すことはない水面上の変速装置１の実施の形態を示している。また代わりに、図２によるこの典型的な実施の形態においては、鉛直シャフト１３が、変速装置ハウジング１０の上部領域において変速装置ハウジング１０から突き出し、この配置においてブレーキ１５又はピボット軸受（ここでは図示されていない）によって支持される。

すでに図１に示し、図１に関連して説明した駆動シャフト１１のクラッチ１４の領域における電気式の第２の駆動モータ２の設置場所２．１に加えて、図２に示した典型的な実施の形態においては、この第２の駆動モータ２を、参照番号２．３で示される設置場所に設け、すなわち変速装置ハウジング１０に取り付けられたブレーキ１５を取り囲むことも可能であり、したがって、ここでもやはり、必要とされる空間がきわめて少なくて済む。

回転子として機能する回転駆動される中空シャフト２０及び固定子として機能するモータハウジング２１を備える内側回転子モータとしての第２の駆動モータ２の上述の設計の代案として、回転子としてのモータハウジング２１を使用し、固定子として機能する中空シャフト２０を変速装置ハウジング１０へと接続することも可能である。この場合、第２の駆動モータ２は、外側回転子モータとして具現化される。

上述の実施の形態はいずれも、第２の駆動モータが水面上の変速装置における追加の噛み合わせを必要とせずに機能し、むしろ主たる駆動の噛み合わせの使用をいわば共有し、第１の駆動モータの動作にも使用される駆動の構成部品だけを使用するという特徴を有する。この理由で、第２の駆動モータは、別途の軸受も必要としない。

すでに述べたように、電気式の第２の駆動モータ２のための上述の設置場所２．１、２．２、２．３は、船舶のハイブリッド駆動装置のための水面上の変速装置の新規な設計に適するだけでなく、第１の駆動モータだけを備える既存の水面上の変速装置に、きわめて低い設計の複雑さの程度にて、きわめて少量の追加の設置空間しか必要としないやり方で後付けを行って、ハイブリッド駆動装置へと変換することも可能にし、したがって例えば水面上の変速装置のために利用することができる船体の内部の空間が限られている港内タグボートへの後付けを可能にする。

港内タグボートは、一般に、利用可能な総出力の６０〜７０％でしか動作していないため、通常は内燃機関の形態で具現化される第１の駆動部を、まれにしか必要とされない最大出力を追加で設けられる電気式の第２の駆動部によって生み出すことができることで、相応に小さい寸法にて具現化することができる。また、特別な環境区域において純粋に電気的な態様で動作することも可能である。

上述の発明は、さらなる潜在的な最適化も提供する。すなわち、クラッチを接続するときに、設けられた電気式の第２の駆動部によって、例えば駆動シャフトをクラッチ１４の接続前に変速速度へと加速させることができ、したがって技術的により単純かつより安価な変速クラッチを、これまでに使用されているスリップクラッチの替わりに使用することが可能になる。

また、電気式の第２の駆動モータ２を、船舶の電気系統への給電又は設けられた電池の充電のために、発電機として使用されるさらなる動作の態様にて動作させることも可能である。

船舶が、２つ以上のこのようなハイブリッド駆動装置、例えば、各々がこのようなハイブリッド駆動装置によって動作する２つのラダープロペラを備える場合、１つの第１の駆動モータだけが稼働し、この第１の駆動モータに組み合わせられた電気式の第２の駆動モータが発電機の態様で電力を生み出し、この電力で第２のラダープロペラの電気式の第２の駆動モータが駆動される電気的な結合の可能性が存在する。

このようなハイブリッド駆動装置のすでに説明した水面上の変速装置は、駆動シャフト１１を１つだけ備えればよいため、そのような水面上の変速装置は、同時にアイドリングするベベルギアを有さず、またそれに応じて荷重のない設定も有さず、したがって既存の駆動装置への後付けが可能且つきわめて容易である。設けられる電気式の第２のモータは、第１の駆動モータでの動作中にも機能する同じ歯車構成要素に常に係合している。これによって達成される設計の単純化の程度は大きく、複雑さを大幅に軽減し、コストを大幅に低減する。

Claims (9)

1. 船舶の内部に配置し、駆動シャフト（１１）を駆動する第１の駆動モータと、
   前記駆動シャフトの後方に配置し、変速装置ハウジング（１０）を有している水面上の変速装置（１）と、
   少なくとも１つの電気式の第２の駆動モータ（２）と
   を備えており、
   前記水面上の変速装置（１）は、該水面上の変速装置（１）から分岐する鉛直シャフト（１３）を駆動し、前記第２の駆動モータ（２）は、固定子及び回転子を有し、前記第１の駆動モータに加え、又は前記第１の駆動モータに替えて、前記鉛直シャフト（１３）を駆動することができる船舶用のハイブリッド駆動装置であって、
   前記少なくとも１つの電気式の第２の駆動モータ（２）が、中空シャフト（２０）を備えて具現化され、前記固定子が、捩り力に対して動かない様に前記水面上の変速装置（１）の前記変速装置ハウジング（１０）に接続されていることを特徴とするハイブリッド駆動装置。
2. 前記第２の駆動モータ（２）が、回転駆動される中空シャフト（２０）と、固定子として機能するモータハウジング（２１）とを備える内側回転子モータとして具現化されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動装置。
3. 前記第２の駆動モータ（２）が、回転子として機能する回転駆動されるモータハウジング（２１）と、固定子として機能する中空シャフト（２０）とを備える外側回転子モータとして具現化されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動装置。
4. 前記第２の駆動モータ（２）が、永久励磁同期モータとして具現化されていることを特徴とする請求項１〜３の一項に記載のハイブリッド駆動装置。
5. 前記第２の駆動モータ（２）が、トルクモータとして具現化されていることを特徴とする請求項１〜４の一項に記載のハイブリッド駆動装置。
6. 前記第２の駆動モータ（２）の前記中空シャフト（２０）の内側が、前記駆動シャフト（１１）又は鉛直シャフト（１３）のクラッチ（１４）又はブレーキ（１５）を収容することを特徴とする請求項１〜５の一項に記載のハイブリッド駆動装置。
7. 前記第２の駆動モータ（２）が、該第２の駆動モータ（２）の前記中空シャフト（２０）を前記駆動シャフト（１１）又は鉛直シャフト（１３）上に配置させて配置されることを特徴とする請求項１〜６の一項に記載のハイブリッド駆動装置。
8. 或る１つの動作の態様において、前記第２の駆動モータ（２）を発電機として動作させることができることを特徴とする請求項１〜７の一項に記載のハイブリッド駆動装置。
9. 前記第２の駆動モータ（２）が、別途の軸受を有さないことを特徴とする請求項１〜８の一項に記載のハイブリッド駆動装置。

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