JP5058861B2

JP5058861B2 - 船舶推進機の旋回制御装置

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Publication number: JP5058861B2
Application number: JP2008078428A
Authority: JP
Inventors: 正識古寺; 芳樹南家; 浩一白石
Original assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Current assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: JP2009227235A; EP2107000B1; EP2107000A3; EP2107000A2; ES2435915T3

Description

本発明は、Ｚ型推進装置、Ｌ型推進装置やポッド推進装置のような推進機能と舵機能を備えたアジマススラスター等と総称される船舶推進機に係り、特に当該船舶推進機を旋回制御するための操舵システムである旋回制御装置に関するものである。

Ｚ型推進装置やポッド推進装置等のアジマススラスターによる旋回では、従来は一般的に油圧旋回装置が使われていた。図９は、このような油圧旋回装置の一例であり、操作ハンドル１００での操作による指令がコントロールボックス１０１で電気信号に変換され、この電気信号によってサーボ弁１０２が作動して油圧ポンプ１０３（可変吐出量ポンプ）を作動させる。サーボ弁１０２は油圧ポンプ１０３の吐出量と方向を変える機能を有する。油圧ポンプ１０３と油圧モータ１０４の間に循環回路が構成され、油タンク１０５とサクションフィルター１０６によりドレンなどで戻った油の補給経路が構成される。油圧ポンプ１０３が作動すれば油圧モータ１０４が駆動され、船舶推進機１１０が旋回する。船舶推進機１１０の旋回筒には追従発信器１０７が設けられており、船舶推進機１１０の旋回角度を検出して旋回位置検出情報としてコントロールボックス１０１に出力する。

このように、従来の油圧旋回装置は、油圧ポンプ１０３やサーボ弁１０２、サクションフィルター１０６、油タンク１０５等の油圧機器の間が配管で接続された複雑な構成であり、オイル漏れによる汚損等もあり、不具合が生じる度に、修理や、オイルを充填してエアを取り除く等のメンテナンス作業が必要となるため、機器の安定的な運用に支障をきたしていた。

そこで、最近では機器の簡素化、配管レスやオイル漏れによる汚損防止のため、下記特許文献１及び２に示すように、電気式の旋回装置が提案されている。

特許文献１に開示された電気式の旋回装置は、モータの出力軸にピニオンギアを設け、舵軸に設けた歯車に該ピニオンギアを係合させ、モータをインバータ制御により旋回させることで舵軸を旋回させる構造である。また、特許文献２に開示された電気式の旋回装置は、操舵コーンに固定子、回転子を一体に組み込み、電力の供給により操舵コーンを旋回させる構造である。

特許文献３に開示された旋回装置は油圧で駆動される構造であり、油圧を供給する油圧ポンプを駆動するために電気モータが使用されている。この電気モータの電源は船内電源を使用しており、船内電源が故障等で不足した場合に最低限の舵機能を確保するため、プロペラを駆動する主機の駆動軸で発電機を運転して旋回に必要な最低限の電源を得ることができる。
特開2007-8189 号公報特開2004−131061号公報実開平06−71399 号公報

特許文献１に記載された電気式の旋回装置によれば、モータをインバータ制御して舵軸を旋回させる基本構造は開示されているが、精密な旋回位置制御や、トルク制御等による舵の位置保持の方法は記載されておらず、さらに船橋側だけでなく推進機側でも操作できるようにしたい、あるいは旋回用のモータが故障した場合のバックアップをどうするのかといった船舶に搭載する場合に実際に解決が要求される課題について解答を与えるものではなく、現実に使用するシステムとしては技術的に不十分であり、到底実機に使用できるレベルの内容でない。また、特許文献２に記載された電気式の旋回装置によれば、モータ故障時には、モータは旋回部と−体化しているので、取替えやメンテナンスにおいて不便である他、またこの装置においても上に記載した特許文献１に記載の発明と同様の問題がある。

さらに、上述したような電気式の旋回装置を導入するには、旋回用の電気モータに必要な電力を供給しなければならず、その分だけ電源容量がアップするのでコスト（イニシャルコスト及びランニングコスト）がかかる。最近脚光を浴びている電気推進船の場合には、十分な発電ユニットを装備しているので、電気旋回システムに必要な例えば数十ｋＷ程度の電源を確保することは可能であるが、電気推進船以外の一般的な船舶では、船内負荷がまかなえる必要最小限の負荷容量の発電設備しか用意できないため、電気旋回システムを採用するために必要な電源確保が困難であり、実際には電気旋回システムを搭載できない場合が多かった。

特許文献３に記載された装置は、そもそも油圧式の旋回装置であってオイルレスではなく、油圧機器が有する前述した問題点は解消されていない。また油圧モータを駆動する電気モータの電源は主として船内電源であって、プロペラを駆動する主機の駆動軸で運転する発電機を備えてはいるが、これは、船内電源が故障等で不足した場合に最低限の舵機能を確保するため、旋回に必要な最低限の油圧を発生させる程度のものでしかない。

本発明は以上の課題を解決するものであり、アジマススラスターを旋回制御するための電気式の旋回制御装置において、精密な旋回位置制御やトルク制御等による舵の位置保持を実現するとともに、船内負荷がまかなえる必要最小限の負荷容量の発電設備しか持たない一般的な船舶（電気推進船以外の船）であっても、過大なコスト（イニシャルコスト及びランニングコスト）を要することなく、通常の運転時において旋回に必要な電力をすべて主機で発電して利用できるようにすることを目的としている。

さらに、設定以上のトルクが外部から加わった場合にも安全であり、船橋側と推進機側の両方において操作可能であり、発電機や主機が故障した場合に船舶推進機を舵として使用することができ、さらに旋回用のモータ等が故障した場合のバックアップも万全であるために現実に使用するシステムとしての完成度が高い電気式の旋回制御装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された船舶推進機の旋回制御装置は、
主機により駆動される駆動軸に連動連結されたプロペラを備え、旋回軸を中心として回動自在となるように船舶に設けられた船舶推進機を所望の旋回位置に設定する旋回制御装置であって、
設定しようとしている船舶推進機の旋回位置を示す旋回位置設定情報を入力するための操作手段と、
前記操作手段から入力された旋回位置設定情報に基づいて、船舶推進機が旋回する方向と角度に関する旋回指令信号を出力する制御手段と、
前記制御手段からの旋回指令信号に応じて、所定の速度指令信号を出力するサーボアンプと、
前記駆動軸に駆動されて前記サーボアンプに与える電力を発生する発電機と、
旋回軸を中心として船舶推進機に設けられた旋回輪に係合しており、前記サーボアンプからの速度指令信号を受けて所定の速度で駆動されることにより船舶推進機を旋回させるサーボモータと、
船舶推進機の旋回位置を検出して旋回位置検出情報として出力する追従発信器と、
を具備し、
前記制御手段は、前記追従発信器からの旋回位置検出情報と、前記操作手段から入力された旋回位置設定情報とを比較演算し、その偏差が０の場合には、前記サーボアンプが前記サーボモータに速度０を示す速度指令信号を与えるような旋回指令信号を前記サーボアンプに与えるように構成され、
前記発電機は、アイドル回転数で回転する前記駆動軸によって前記サーボアンプが必要とする最低電圧を発電できるように構成された船舶推進機の旋回制御装置において、
前記サーボモータは、船舶推進機に加わる外部ポテンシャルに対して逆向きの保持トルクを発生させて船舶推進機の位置を保持するとともに、予め設定されたトルクリミットを越える外部ポテンシャルが加わった場合には船舶推進機が外部ポテンシャルの方向に旋回するのを許容するトルク制御機能を有していることを特徴としている。

請求項２に記載された船舶推進機の旋回制御装置は、請求項１記載の船舶推進機の旋回制御装置において、
船舶の船橋に前記操作手段が設けられており、
船舶の舵機室に第２の操作手段と、前記第２の操作手段から入力された旋回位置設定情報に基づいて、船舶推進機が旋回する方向と角度に関する旋回指令信号を前記サーボアンプに出力する第２の制御手段とが設けられ、
前記操作手段及び前記制御手段と、前記第２の操作手段及び前記第２の制御手段を、前記サーボモータを制御するための手段として択一的に切り換える切換手段と、
を具備することを特徴としている。

請求項３に記載された船舶推進機の旋回制御装置は、請求項１又は２に記載の船舶推進機の旋回制御装置において、
前記発電機が発電できない場合に前記サーボアンプに電力を供給するための非常用電源を前記サーボアンプに接続したことを特徴としている。

請求項４に記載された船舶推進機の旋回制御装置は、請求項１乃至３に記載の船舶推進機の旋回制御装置において、
前記サーボアンプと前記サーボモータの組が２組以上設けられ、通常時には各組共に、共通の前記操作手段と前記制御手段と前記追従発信器とによって制御され、いずれかの組に支障が生じた場合には、支障が生じた組の前記サーボアンプをＯＦＦとし、支障が生じていない組のみを前記操作手段と前記制御手段と前記追従発信器とによって制御することを特徴としている。

本発明に係る船舶推進機の旋回制御装置によれば、次のような効果が得られる。
１）旋回方式を油圧旋回方式から発電機を備えたサーボモータによる電気旋回方式とすることで、旋回式の船舶推進機（アジマススラスター）の精密な旋回位置制御や保持トルク制御等が可能で油圧旋回方式の旋回性能と同等の旋回性能があり、またトルクリミット設定等の機能によって油圧式と同等の保護機能もある。このように油圧旋回式と同等以上の性能でオイルレスにしたことより、油圧配管や弁、タンク等からの油漏れがなくなってメンテナンス性が向上し、且つ、配管、安全弁、タンク等が省略できてコンパクトな旋回システムとすることができる。

更には、船舶推進機を旋回させるための電力を主機駆動の発電機で発電できるので、船内の発電設備の容量アップをする必要がなく、過大なコスト（イニシャルコスト及びランニングコスト）を要することなく、電気による船舶推進機の旋回（電気旋回）が可能となる。また、船内の発電設備の容量アップをする必要がないことから、船内発電機の据付スペースは従来のままで電気旋回を実現できる。その他、主機が運転されている限り、電気旋回を行える。さらにまた、主機駆動の発電機によって電気旋回システムの電源がまかなえるので、船内電源がブラックアウトとなった場合でも支障なく電気旋回が行なえる。

２）操作手段から旋回位置設定情報を入力すれば、制御手段を介してサーボアンプに与えられた指令に適合した旋回が始まり、追従発信器からの情報との偏差が０となるまで旋回を続行すれば、指示通りの旋回を行うことができ、このような精密な旋回位置制御が複雑なシステムとすることなく、簡易なシステムで可能となる。

また、発電機の誘起電圧は、アイドル回転数から定格回転数の間で変動する主機の駆動軸の回転数に追従して変動するが、アイドル回転数で発電機が発生する電圧をサーボアンプが旋回のために必要とする最低電圧とし、定格回転数で発電機が発生する電圧に対してサーボアンプが絶縁耐力を有するものとすれば、主機の回転数が変動しても、これによっって発電した電力で問題なく船舶推進機の旋回を行なうことができ、主機の回転数を一定にして発電機に伝達する特殊な機能を備えたクラッチ等の装置が不要なため、複雑なシステムを採用することなく簡易な構成でコストを抑えた発電機付きの電気旋回システムを実現できる。

３）サーボモータは、船舶推進機に外部ポテンシャルが加わっても、その外部ポテンシャルがある一定の値未満の場合は、逆向きの保持トルクを発生させることにより船舶推進機の位置を保持することができる。すなわち、旋回保持状態において、外部ポテンシャルが加わって旋回されようとすると速度偏差が生じるので、外部ポテンシャルとは逆向きのトルクを発生させて速度０の状態を保持する制御を行うことができる。このように、トルク制御で旋回位置を保持できるので、そのために摩擦ブレーキや磁気ブレーキ等の制動手段を設ける必要がなく安価でコンパクトな構成となる。
また、予め設定された一定のトルクリミットを越える外部ポテンシャルが加わった場合には、船舶推進機は外部ポテンシャルの方向に旋回できるので、装置の破損を避けることができる。

４）システムには、コントロールの主導を船橋（遠隔側）と舵機室（機側）のいずれにするかを切り換える切換スイッチがあり、遠隔側の系統に支障があっても、機側に切り替えることで操作が可能となり、信頼性が向上する。

５）サーボアンプ及びサーボモータの系統を多重化（二重化だけでなく、三重化以上の複数化の系統とすることも可能である。）することで、いずれかの系統に支障があっても、支障側のサーボアンプの電原をＯＦＦにし、支障がない系統を操作すれば運転の続行が可能なので操作の信頼性が向上する。

６）船舶推進機とサーボモータが構成要件として別体であり、一体構成されていないので、旋回軸を中心として船舶推進機に設けられた旋回輪と、サーボモータの駆動軸との結合をスプライン結合や摩擦継手等で行うことができ、支障のあったサーボモータの取替えも簡易に行え、メンテナンスがしやすい。

本発明の実施形態を図１〜図８を参照して説明する。図１は本発明の各実施形態に共通するサーボ制御機構の基本構成を示す説明図であり、図２は第１実施形態の全体構成図、図３は第１実施形態における駆動軸と発電機の連結部付近の拡大断面図、図４は第１実施形態における駆動軸と発電機の連結部付近の拡大斜視図、図５は第１実施形態の制御における旋回指令角度と旋回指令電圧との関係を示す図である。
図６は第２実施形態の全体構成図、図７は第３実施形態の全体構成図、図８は第４実施形態の全体構成図である。

１．各実施形態に共通するサーボ制御機構について（図１）
図１に示すACサーボ機構は、指示された命令通りに動作して対象機器を命令どおりに動作させるように構成された制御機構であって、船舶の操縦者からの指示を受けて船舶推進機（例えばＺ型推進装置）が旋回する方向及び角度に関する旋回指令信号を出す制御手段としてのコントローラ（推進器制御基板）１と、コントローラ１の指令通りの方向及び角度で所定の速度指令信号を出力するACサーボアンプ２と、ACサーボアンプ２の指示を受けて船舶推進機を旋回させるACサーボモータ３とを有している。なおACサーボモータ３は、自身の状態を検出するために、その内部に位置検出用のエンコーダを内蔵している（又はレゾルバを用いても良い）。

従って、コントローラ１の指示を受けたACサーボアンプ２が所定の速度に比例したAC周波数の速度指令信号を出力すれば（すなわち当該周波数の電力供給を行えば）、ACサーボモータ３はそのAC周波数の速度指令信号に応じて回転する。ACサーボモータ３は、内蔵したエンコーダ（又はレゾルバ）により、随時その状態を検出し、ACサーボアンプ２に速度、電流についてのフィードバック情報を出力している。すなわち、ACサーボモータ３は自身の動作状態を常に確認し、ACサーボアンプ２からの指令との間にずれが出ないようにフィードバックしている。

本例によるACサーボモータ３による船舶推進機の旋回では、図１には示さない操作手段としての操作ハンドルで操作者が旋回の方向と角度を入力すると、この情報がコントローラ１に与えられ、さらにACサーボアンプ２に与えられる。ACサーボアンプ２は、予め定められた所定の速度に応じた速度指令信号をACサーボモータ３に出力して駆動し、旋回の方向と角度で示された指定の位置まで旋回させる。

このように、本例のサーボ機構では、コントローラ１からの指令により船舶推進機をある位置からある位置まで旋回させるため、ACサーボアンプ２によってACサーボモータ３の旋回速度を制御しており、船舶推進機が所定の位置までくると旋回速度が０となり、ACサーボモータ３は保持状態となる。より具体的には、後述する追従発信器で船舶推進機の旋回位置を検出しており、その旋回位置検出情報と、操作者が指示した旋回位置設定情報とがコントローラ１で比較演算され、両情報の偏差が０になって船舶推進機が指定の旋回位置に来た場合に、ACサーボモータ３に指示する速度を０として船舶推進機を目的の旋回位置に停止させる。

このように、本例のACサーボアンプ２は速度制御であり、船舶推進機の保持時の速度指令は０なので、ACサーボモータ３の状態も速度０となるように制御する。つまり、保持状態において、船舶推進機が外部ポテンシャルで廻されようとすると速度偏差がでるのでACサーボモータ３には逆向きのトルクを発生させて速度０を保持しようとする制御を行う。

なお、速度制御における速度指令はモータ回転数（ｒｐｍ）で与えており、前述した速度指令信号に相当する予め定められた所定の速度とは一定の速度であり、例えばその船舶推進機が旋回角度１８０°を１０秒で旋回するといった仕様であれば、それを満足するような回転数として定められる。従って、この速度指令を示す回転速度は使用者が必要とする仕様に応じて任意に設定しうるものである。

また、本例のACサーボ機構にはトルクリミットの設定があって、これは油圧旋回装置で言う安全弁に相当し、何らかの異常等があって設定されるトルクリミット（電流リミット）以上の外部ポテンシャル（トルク）がACサーボモータ３に加わった時には、ACサーボモータ３は外部ポテンシャルの方向に旋回される。そのような保護機能を設けることで装置自体を守ることができる。

２．第１実施形態（図２〜図５）
図２は、図１を参照して説明したACサーボ機構を有する第１実施形態のシステム図であり、まずこの図を参照して本例の全体構造を説明する。
本例の船舶推進機４（ポッド）は、プロペラ５を有するポッド６とスラット７（舵）が一体とされた構成であり、スラット７の上端に固定された逆円錐台形の旋回筒８が、船舶の底部に設けられた台床９に対し、略垂直な旋回軸を中心として回動自在に取り付けられている。旋回筒８の上部開口の内周面には旋回輪１０が全周にわたって形成されている。また旋回筒８の近傍上方には、ACサーボモータ３が駆動軸を下向きにして船舶の本体に固定されている。ACサーボモータ３の駆動軸には減速機１１が取り付けられ、減速機１１の出力軸にはピニオン１２が取り付けられている。このピニオン１２が旋回筒８の旋回輪１０にかみ合っており、ACサーボモータ３を駆動すれば、旋回筒８が回動し、これによって船舶推進機４を水中で旋回させて所望の旋回位置に設定することができる。なお、ACサーボモータ３と減速機１１の連結（軸）はスプライン結合や摩擦継手等の結合構造とすれば、ACサーボモータ３と減速機１１との取付、取外しを容易に行うことができる。

このACサーボモータ３には、図１を参照して説明した通り、ACサーボアンプ２が接続されている。さらにＡＣサーボアンプ２には回生抵抗器１３が接続されており、旋回停止の際のバックパワーを回生抵抗器１３で熱に変えて放熱させることができる（つまり回生ブレーキとして機能する。）。

ACサーボアンプ２の出力速度よりもACサーボモータ３の実速度のほうが大きくなると、ACサーボモータ３は発電機となってACサーボアンプ２へエネルギーを返そうとする。この状態を回生といい、エネルギーを吸収することによってACサーボモータ３に制動力が発生するので、これを回生ブレーキと呼ぶ。エネルギー吸収の方法としては、大きく次のように分けることができる。

１．抵抗消費方式：回生エネルギーを熱によって消費する方式で、イニシャルコストが安く、小容量モータに適する。
２．電源回生方式：回生エネルギーを電源に返還する方式で、大きな制動能力が期待できる。省エネ効果もあるため、大容量モータに適する。
なお、本例では抵抗消費方式を採用したが、採用するACサーボモータ３の容量によっては電源回生方式でもよい。

次に、本例の旋回制御装置の電源装置について説明する。この電源装置は、通常の運転時において、旋回制御装置による旋回に必要な電力をすべて主機で発電して利用できるようにしたものである。

図２乃至図３に示すように、台床９の上には、図示しない主機に連動する駆動軸３０が略水平に配置されている。この駆動軸３０は、台床９の上に設置されたギアケース３１の入力部３２に軸芯を一致させて連結されており、さらにこの入力部３２はギアケース３１内でクラッチ３３を介して入力軸３４に軸芯を一致させて連結されている。また、図３に示すように、船舶推進機４のプロペラ５を駆動するための垂直軸３５が、台床９を貫通して配置されており、その上端はギアケース３１内に挿入されて回動可能に支持されている。そしてギアケース３１内では、入力軸３４及び垂直軸３５にそれぞれ設けられたベベルギア３６，３７が噛み合っており、主機により駆動された駆動軸３０の回転が、ギアケース３１内で垂直軸３５に伝達されてプロペラ５を回転させるように構成されている。

図２乃至図３に示すように、さらに、台床９の上には発電機４０が設置されている。図３に示すように、発電機４０の軸にはギア４１が設けられ、ギアケース３１内にある入力部３２に設けられたギア４２に噛み合っている。従って、主機が駆動して駆動軸３０が回動している間は、発電機４０が駆動されて駆動軸３０の回転数に見合った電圧を発生することができる。なお、主機（又は主機に連結された駆動軸３０）に連動する入力部３２と、発電機４０の軸の動力伝達は、図３のようにギアでなくてもよく、例えば図４に示すようにプーリ４３，４４とベルト４５を使用しても良いし、また図示しないがスプロケットとチェンを用いてもよい。

図２に示すように、発電機４０は、ＮＦＢ、電磁接触器、ノイズフィルタ２０を介してACサーボアンプ２に接続されており、発電機４０で生成した電力がACサーボアンプ２に供給されるようになっている。

主機に連動する駆動軸３０は、アイドル回転から定格回転までの回転数の範囲内で駆動されるが、発電機４０の誘起電圧は駆動軸３０の回転数に応じて変動する。本例では、主機に連動する駆動軸３０のアイドル回転数は４００ｒｐｍ、定格回転数は１０００ｒｐｍとしており、アイドル回転数の４００ｒｐｍにおいて、発電機４０は誘起電圧としてACサーボアンプ２によるACサーボモータ３の駆動制御に必要な最低電圧を発生することができる。また定格回転数の１０００ｒｐｍでは、発電機４０が発生する誘起電圧はアイドル回転時よりも大きくなるが、ACサーボアンプ２は、定格回転数における発電機４０の誘起電圧に耐える絶縁耐圧を有する構造とされている。

より具体的には、本例において、４００ｒｐｍのアイドル回転数における発電機４０の誘起電圧は１９０Ｖ、１０００ｒｐｍの定格回転数における発電機４０の誘起電圧は４８０Ｖとされており、発電機４０で発生した電力はACサーボアンプ２で一旦直流に変換され、さらに直流から交流に変換されてACサーボモータ３に与えられて船舶推進機４を旋回させる。従って、ACサーボアンプ２は、定格回転数で発電機４０が発生する４８０Ｖの電圧に耐えうる絶縁耐圧を備えればよい。

このように、本例のシステムによれば、主機が駆動されている通常の運転時であれば、船舶推進機を旋回させるのに必要な電力をすべてこの発電機４０で発電することができる。従って、船内負荷がまかなえる必要最小限の負荷容量の発電設備しか持たない一般的な船舶（電気推進船以外の船）であっても、過大なコスト（イニシャルコスト及びランニングコスト）を要することなく、この電気式の旋回制御装置を装備することが可能である。

次に、図２に示すように、船舶推進機４の旋回筒８には、図１を参照して先に説明した追従発信器１４が設けられている。追従発信器１４は、その入力軸に設けられたピニオン１５が旋回筒８の旋回輪１０に設けられた歯にかみ合っており、旋回輪１０の回転によって船舶推進機４の旋回角度を検出し、旋回位置検出情報としてコントローラ１（推進機制御基板）に出力することができる。

図２に示すように、図示しない船舶の船橋には、船舶推進機４を船橋側から遠隔に操作する第１の操作手段として、操作ハンドル１６が設けられている。この操作ハンドル１６は、操作者が操作することにより、設定しようとしている船舶推進機４の旋回位置を示す旋回位置設定情報を入力することができる。具体的には、船舶推進機４の旋回方向及び旋回角度を入力することができる。

前記操作ハンドル１６からの旋回位置設定情報は、図１を参照して先に説明したように、第１の制御手段であるコントローラ１に入力される。コントローラ１はＤＣ２４Ｖである駆動電源２２に接続されている。

図示しない船舶の舵機室には、図２に示すように船舶推進機４を機側から操作する第２の操作手段である手動旋回ボタン１７と、これに接続された第２の制御手段である制御基板１８とが設けられている。手動旋回ボタン１７と制御基板１８の機能は、前述した操作ハンドル１６とコントローラ１の機能と略同一である。なお、舵機室は船舶推進機４が設置された船舶の底部にあって前記ACサーボモータ３や追従発信器１４が設置されているスペースである。なお、追従発信器１４には表示部が設けられており、旋回筒８の旋回角度を表示することができるので、舵機室にいる操作者は追従発信器１４の表示部で旋回角度を見ながら手動旋回ボタン１８を操作することができる。

図２に示すように、ACサーボアンプ２の上位系統には、船橋側のコントローラ１と機側の制御基板１８が、切換手段である共通の切換スイッチ１９を介して接続されており、この切換スイッチ１９によって船橋側操作（遠隔）と機側操作（手動）の切換が可能である。切換スイッチ１９により船橋が選択されれば、船舶推進機４から遠方にある船橋では操作ハンドル１６による操作を行うことができ、切換スイッチ１９により舵機室が選択されれば、舵機室側では手動旋回ボタン１７による操作によって手動による船舶推進機４の旋回操作が可能である。なお、手動の場合は、船舶推進機４の旋回位置は、機側にある追従発信器１４の表示部を確認しながら行う。

なお一例ではあるが、舵機室内に盤を配置し、その盤内にACサーボアンプ２及び切換スイッチ１９、制御基板１８、手動旋回ボタン１７等を装備すれば、舵機室内で機側としての操作を行うことができ、構成上もコンパクトになる。

次に、以上の構成における作用を説明する。
旋回操作において、操作ハンドル１６から船舶推進機４の旋回位置を示す旋回位置設定情報を入力する。コントローラ１（推進器制御基板）は、操作ハンドル１６から入力された旋回位置設定情報に基づいて、船舶推進機４が旋回する方向と角度に関する旋回指令信号を出力する。すなわち、操作ハンドル１６の操作により、任意の旋回方向及び旋回角度まで旋回するように指令を出すことができる。

コントローラ１からの旋回指令信号に応じて、ACサーボアンプ２が所定の速度指令信号をACサーボモータ３に出力すると、ACサーボモータ３はサーボアンプ２からの速度指令信号を受けて所定の速度で駆動され、これによって旋回輪１０が回転し、旋回筒８、ストラット７（舵）及びポッド６が旋回する。

ポッド６（Ｚ型推進装置）には位置情報検出用の追従発信器１４が配置されており、その出力軸に設けられたピニオン１５は旋回輪１０の歯車と噛合って回転し、旋回角度を検出し、その検出出力はコントローラ１（推進器制御基板）と接続されている。

ACサーボモータ３の回転によって旋回輪１０が回転すると、追従発信器１４は、その出力軸が回転して船舶推進機４の旋回位置を示す旋回位置検出情報をコントローラ１に出力する。そして、コントローラ１では、操作ハンドル１６からの旋回位置設定情報と、追従発信器１４からの旋回位置検出情報との偏差が０となるように演算を行い、その結果をACサーボアンプ２に出力してACサーボモータ３の駆動を制御する。

図５は、このような制御を行うためにコントローラ１内の位置決め回路が備えている制御データの一例を、旋回指令角度（横軸）と旋回指令電圧（縦軸）との関係を示すグラフとして示すものであり、この例では右方向の角度が＋の電圧に対応し、左方向の角度が−の電圧に対応している。コントローラ１は前述したように旋回位置設定情報と旋回位置検出情報との偏差が０となるように図５のデータに従ってACサーボアンプ２に信号を出力する。例えば、右に補正するときは＋の旋回指令電圧を与え、左に補正するときは−の旋回指令電圧を与える。

既に説明のとおり、ACサーボモータ３とACサーボアンプ２では速度制御となっており、旋回停止時はACサーボアンプ２からの速度指令は０となっている。

舵７を含む船舶推進機４が船外の流場のポテンシャルを受け、外力により廻される力が発生すると、それをブロックするためにACサーボモータ３が保持トルクを発生し、旋回位置を保持する（停止時、ACサーボアンプ２は速度を０にしようと制御する）。

なお、予め設定されたトルクリミット以上の外部ポテンシャル（トルク）が加わった時には、トルクリミットの保護機能によって船舶推進機４は外部ポテンシャルの方向に旋回されるので装置を破損から守ることがてきる。

また、ACサーボモータ３には電磁ブレーキが内蔵されており、着岸時のパーキングブレーキとして使用する。

ACサーボアンプ２の上位系統については、前述したように切換スイッチ１９が配置されているので、必要に応じて切換スイッチ１９を操作することにより、船舶推進機４の操作を船橋側（遠隔）で行うか、機側（手動）で行うか、任意に選択することができる。船舶推進機４から遠方である船橋では操作ハンドル１６による操作を行い、船舶推進機４に近い舵機室機では手動旋回ボタン１７による手動操作となる。

本例の旋回制御装置によれば、船舶推進機を旋回させるための電力を主機駆動の発電機４０で発電できるので、船内の発電設備の容量アップをする必要がなく、過大なコスト（イニシャルコスト及びランニングコスト）を要せずして、電気による船舶推進機の旋回（電気旋回）が可能となる。また、船内の発電設備の容量アップをする必要がないことから、船内発電機の据付スペースは従来のままで電気旋回を実現できる。その他、主機が運転されている限り、船内電源がブラックアウトとなった場合でも支障なく電気旋回が行なえる。

３．第２実施形態（図６）
図６は、図１を参照して説明したACサーボ機構を有する第２実施形態のシステム図である。本例は、第１実施形態において、ACサーボアンプ２にＮＦＢ、電磁接触器、ノイズフィルタ２０を介して非常用電源５０を設けたことを特徴とするものである。本例の非常用電源５０は、ＡＣ２００Ｖ、６０Ｈｚである。その他の部分については第１実施形態と略同様の構成であるので、同様の部分については第１実施形態の説明を援用して詳細な説明は省略する。

本例の非常用電源５０は、発電機４０を含めた発電システムに故障が生じた場合、また主機が停止した状態において船舶推進機を舵として使用する場合等に使用する。電源は、船内電圧２００Ｖの電力を使用する。本例によれば、電源が２重化されるので、信頼性が高められる。

４．第３実施形態（図７）
図７は、図１を参照して説明したACサーボ機構を有する第３実施形態のシステム図である。本例は、第１実施形態においてACサーボアンプ２、ACサーボモータ３を２系統（２組）設けたことを特徴とするものであり、その他の部分については第１実施形態と略同様の構成であるので、同様の部分については第１実施形態の説明を適宜援用して詳細な説明は省略する。

本例によれば、前記ACサーボアンプ２と前記ACサーボモータ３の組が２組設けられ、両組ともに切換スイッチ１９を介して船橋側のコントローラ１と機側の制御基板１８に接続されている。通常時には両組共に、船橋側（追従発信器１４を用いた制御）又は舵機側（手動）のいずれか一方の制御系によって制御され、いずれか一方の組に支障が生じた場合には、支障が生じた組のACサーボアンプ２の電源スイッチ２５をＯＦＦとし、他方の組のみを船橋側（追従発信器１４を用いた制御）又は舵機側（手動）によって制御する。電源スイッチ２５をＯＦＦとした側は制御が停止し、ACサーボモータ３の軸は遊転状態となる。

ACサーボモータ３の使用の方法として、非常用対応時には、１台で１００％船速による旋回が満足できる状態で行えるようにモータ容量を選定してもよいし、2 台であれば１００％航行は十分満足するが、１台が故障した場合、残りの１台では最低限の航行ができる程度であるようにモータ容量を選定するものとしてもよい。いずれを選択するかは、仕様、設計、コストによって選ぶことができる。

このような構成によれば、片方のACサーボアンプ２、ACサーボモータ３に支障があって停止しても、残りのACサーボアンプ２、ACサーボモータ３によって旋回制御が可能となるので、操作の信頼性が向上する。

この場合でも、切換スイッチ１９により船橋側操作（追従発信器１４を用いた制御）と機側操作（手動）の切換が可能であり、遠隔、舵機室側のいずれにおいても旋回操作が可能であり、またトルクリミットの保護機能によって装置自体も守られる。なお、ACサーボアンプ２、ACサーボモータ３の系統は二重化だけでなく、３重以上の複数の系統を設けるものとしてもよい。

５．第４実施形態（図８）
図８は、図１を参照して説明したACサーボ機構を有する第３実施形態のシステム図である。本例は、第１実施形態においてACサーボアンプ２、ACサーボモータ３を２系統（２組）設けるとともに、各ACサーボアンプ２に共通のＮＦＢ、電磁接触器、ノイズフィルタ２０を介して共通の非常用電源５０を設けたことを特徴とするものであり、その他の部分については第１実施形態と略同様の構成であるので、同様の部分については第１実施形態の説明を適宜援用して詳細な説明は省略する。
本例によれば、サーボシステムを２系統とし、非常用電源も設けたので、信頼性はさらに一層高くなるほか、第１乃至第３実施形態の前述した各効果を相乗した効果を得ることができる。

図１は本発明の各実施形態に共通するサーボ制御機構の基本構成を示す説明図である。図２は第１実施形態の全体構成図である。図３は第１実施形態における駆動軸と発電機の連結部付近の拡大断面図である。図４は第１実施形態における駆動軸と発電機の連結部付近の拡大斜視図である。図５は第１実施形態の制御における旋回指令角度と旋回指令電圧との関係を示す図である。図６は第２実施形態の全体構成図である。図７は第３実施形態の全体構成図である。図８は第４実施形態の全体構成図である。従来のアジマススラスターにおいて一般的に使用されていた油圧旋回装置の構成図である。

符号の説明

１第１の制御手段としてのコントローラ
２ＡＣサーボアンプ
３ＡＣサーボモータ
４船舶推進機
１４追従発信器
１６第１の操作手段としての操作ハンドル
１７第２の操作手段としての手動旋回ボタン
１８第２の制御手段としての制御基板
１９切換手段としての切換スイッチ
４０発電機
５０非常用電源

Claims

主機により駆動される駆動軸に連動連結されたプロペラを備え、旋回軸を中心として回動自在となるように船舶に設けられた船舶推進機を所望の旋回位置に設定する旋回制御装置であって、
設定しようとしている船舶推進機の旋回位置を示す旋回位置設定情報を入力するための操作手段と、
前記操作手段から入力された旋回位置設定情報に基づいて、船舶推進機が旋回する方向と角度に関する旋回指令信号を出力する制御手段と、
前記制御手段からの旋回指令信号に応じて、所定の速度指令信号を出力するサーボアンプと、
前記駆動軸に駆動されて前記サーボアンプに与える電力を発生する発電機と、
旋回軸を中心として船舶推進機に設けられた旋回輪に係合しており、前記サーボアンプからの速度指令信号を受けて所定の速度で駆動されることにより船舶推進機を旋回させるサーボモータと、
船舶推進機の旋回位置を検出して旋回位置検出情報として出力する追従発信器と、
を具備し、
前記制御手段は、前記追従発信器からの旋回位置検出情報と、前記操作手段から入力された旋回位置設定情報とを比較演算し、その偏差が０の場合には、前記サーボアンプが前記サーボモータに速度０を示す速度指令信号を与えるような旋回指令信号を前記サーボアンプに与えるように構成され、
前記発電機は、アイドル回転数で回転する前記駆動軸によって前記サーボアンプが必要とする最低電圧を発電できるように構成されている船舶推進機の旋回制御装置において、
前記サーボモータは、船舶推進機に加わる外部ポテンシャルに対して逆向きの保持トルクを発生させて船舶推進機の位置を保持するとともに、予め設定されたトルクリミットを越える外部ポテンシャルが加わった場合には船舶推進機が外部ポテンシャルの方向に旋回するのを許容するトルク制御機能を有していることを特徴とする船舶推進機の旋回制御装置。
船舶の船橋に前記操作手段が設けられており、
船舶の舵機室に第２の操作手段と、前記第２の操作手段から入力された旋回位置設定情報に基づいて、船舶推進機が旋回する方向と角度に関する旋回指令信号を前記サーボアンプに出力する第２の制御手段とが設けられ、
前記操作手段及び前記制御手段と、前記第２の操作手段及び前記第２の制御手段を、前記サーボモータを制御するための手段として択一的に切り換える切換手段と、
を具備することを特徴とする請求項１記載の船舶推進機の旋回制御装置。
前記発電機が発電できない場合に前記サーボアンプに電力を供給するための非常用電源を前記サーボアンプに接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶推進機の旋回制御装置。
前記サーボアンプと前記サーボモータの組が２組以上設けられ、通常時には各組共に、共通の前記操作手段と前記制御手段と前記追従発信器とによって制御され、いずれかの組に支障が生じた場合には、支障が生じた組の前記サーボアンプをＯＦＦとし、支障が生じていない組のみを前記操作手段と前記制御手段と前記追従発信器とによって制御する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船舶推進機の旋回制御装置。