JP5804312B2 - 船舶用電気推進装置及び船舶 - Google Patents

Description

本発明は、船体の船尾から突出して設けた固定軸の表面に電機子を、船体を推進するプロペラの中心部のボスの内部に回転子を備え、電機子に対して回転子が回転することでプロペラを回転する船舶用電気推進装置及び船舶に関する。

従来の船舶における推進装置として、アウターロータにプロペラを結合した船舶用電気推進装置が提案されている（特許文献１）。
また、他の装置として、アウターロータにプロペラブレードを装着し、固定軸に巻線を設けてプロペラを回転させるものが提案されている（特許文献２）。
また、吊り下げ式推進器（ＰＯＤ推進器）として、シャフトを固定して、アウターロータにプロペラを設けたものが提案されている（特許文献３）。
また、異なる技術分野ではあるが、天井扇において、アウターロータに羽根を設けたものがある（特許文献４）。

特開昭６３−２４７１９７号公報 特開平３−２２７７９７号公報 特表２００２−５３４３１６号公報 特開平１１−３１１１９９号公報

しかし、特許文献１では、モータ部を船舶内に配置するため、ボス内空間を有効利用するものではなく、船内推進関連スペースの削減はできない。
なお、軸受５にはクロスローラ軸受けを使用しており、大きな推力に対応できるものではない。
また、特許文献２では、船舶の推進器に必須であるスラスト軸受けを設けているものの、スラスト軸受けを固定軸の外周に設けているため、船の推進に必要な大きな推力に対応できるものではない。
また、特許文献３においても、推進力発生によって生じる大きな推力に対応できる構成は示されていない。
また、特許文献４では、そもそも、船舶のような大きな推力が発生するものではない。
プロペラの推力はプロペラ翼に発生し、推力は中央のボスに伝わるが、更に船体に伝えることで船の推進力となる。このため、船舶用の推進装置にはボスと船体との間に軸方向の力を伝えるスラスト軸受が必要となる。

本発明は、推進装置自体を小型化できるとともに、船内の推進関連スペースを大幅に削減でき、また、大きな推力にも対応でき、耐久性にも優れた船舶用電気推進装置を提供することを目的とする。

請求項１記載に対応した船舶用電気推進装置においては、船体を推進するプロペラと、プロペラの中心部に設けたボスと、船体の船尾から突出して設けた固定軸と、固定軸の表面に円周方向に臨ませて設けた電機子と、ボスの内部に固定して設けた回転子とを備え、電機子に対して回転子が回転することでプロペラを回転する船舶用電気推進装置であって、固定軸の軸心に垂直な端部端面と拡径部端面を固定軸に形成し、プロペラの推力を受ける第１のスラスト軸受を固定軸の端部端面に、また第１のスラスト軸受よりも大径の第２のスラスト軸受を固定軸の拡径部端面に配置したことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、電機子及び回転子を、プロペラの中心部のボス内に配置することで、推進装置自体を小型化できるとともに、船内の推進関連スペースを大幅に削減できる。また、請求項１に記載の本発明によれば、船尾から突出させる固定軸が、プロペラを回転させる回転軸ではないため、船体からの突出箇所におけるシール部が不要となる。また、請求項１に記載の本発明によれば、電機子が水中に臨み、ボスが回転するため、冷却効果がよい。また、請求項１に記載の本発明によれば、大きな推力を、固定軸の軸心に垂直な端面で受けることで、大型船の推力にも対応でき、耐久性にも優れている。また、請求項１に記載の本発明によれば、第１のスラスト軸受及び第２のスラスト軸受は、それぞれが十分な面積を持っているために、大型船の推力を受けることができる。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の船舶用電気推進装置において、ラジアル軸受を、電機子及び回転子の前後に設けたことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、ラジアル軸受を、電機子及び回転子を挟んで少なくとも２箇所に設けているので、プロペラの重量を前後に設けたラジアル軸受で分担して受けることで軸受荷重を減らせるとともに、プロペラに作用するピッチングやヨーイングに対しても、十分に対応することができる。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の船舶用電気推進装置において、固定軸とボスとの間に形成される間隙と外部とをシールするシール手段をさらに備えたことを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、外部からの異物の侵入を防止することができる。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３に記載の船舶用電気推進装置において、ボスが、船体の後方側にボスキャップ部を有したことを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、ボスキャップ部をボスに設けることで、固定軸の端部を、推力を受ける端面として利用することができ、大きな推力を受けることができる。また、請求項４に記載の本発明によれば、ボスキャップ部の取り外しができることで、組み立て性やメンテナンス性にも優れている。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４に記載の船舶用電気推進装置において、固定軸の内部を、電機子に給電する電力線の配線通路としたことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、船体と推進装置との間は固定軸だけで連結されるため、電力線を保護できるとともに、組み立て性にも優れている。
請求項６記載の本発明は、請求項３から請求項５に記載の船舶用電気推進装置において、流体を、ボスの内部から間隙、第１のスラスト軸受、第２のスラスト軸受、及びラジアル軸受を通過し外部に流出させる流体供給手段をさらに備えたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、流体供給手段によって、潤滑や冷却を行うことができる。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６に記載の船舶用電気推進装置において、電機子の表面を固定軸の表面と略同一径に構成し、電機子の表層又は／及び回転子の表層を非磁性材料で被って電機子の内部又は／及び回転子の内部を密封したことを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、メカニカルシールやオイルシールを用いることなく防水を確実に行うことができる。
請求項８記載に対応した船舶においては、請求項１から請求項７のいずれかに記載の船舶用電気推進装置を搭載したことを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、推進装置自体の小型化によって船内の推進関連スペースを大幅に削減でき、船の有効貨物容積を大きくすることができる。

本発明の船舶用電気推進装置によれば、電機子及び回転子を、プロペラの中心部のボス内に配置することで、推進装置自体を小型化できるとともに、船内の推進関連スペースを大幅に削減できる。また、船尾から突出させる固定軸が、プロペラを回転させる回転軸ではないため、船体からの突出箇所におけるシール部が不要となる。また、電機子が水中に臨み、ボスが回転するため、冷却効果がよい。また、推進力発生によって生じる大きな推力を、固定軸の軸心に垂直な端面で受けることで、大型船の推力にも対応でき、耐久性にも優れている。また、第１のスラスト軸受及び第２のスラスト軸受は、それぞれが十分な面積を持っているために、大型船の推力を受けることができる。
なお、ラジアル軸受を、電機子及び回転子の前後に設けた場合には、プロペラの重量を前後に設けたラジアル軸受で分担して受けることで軸受荷重を減らせるとともに、プロペラに作用するピッチングやヨーイングに対しても、十分に対応することができる。
また、固定軸とボスとの間に形成される間隙と外部とをシールするシール手段をさらに備えた場合には、外部からの異物の侵入を防止することができる。
また、ボスが、船体の後方側にボスキャップ部を有した場合には、固定軸の端部を、推力を受ける端面として利用することができ、大きな推力を受けることができるとともに、ボスキャップ部の取り外しができることで、組み立て性やメンテナンス性にも優れている。
また、固定軸の内部を、電機子に給電する電力線の配線通路とした場合には、船体と推進装置との間は固定軸だけで連結されるため、電力線を保護できるとともに、組み立て性にも優れている。
また、流体を、ボスの内部から間隙、第１のスラスト軸受、第２のスラスト軸受、及びラジアル軸受を通過し外部に流出させる流体供給手段をさらに備えた場合には、流体供給手段によって、潤滑や冷却を行うことができる。
また、電機子の表面を固定軸の表面と略同一径に構成し、電機子の表層又は／及び回転子の表層を非磁性材料で被って電機子の内部又は／及び回転子の内部を密封した場合には、メカニカルシールやオイルシールを用いることなく防水を確実に行うことができる。
本発明の船舶によれば、推進装置自体の小型化によって船内の推進関連スペースを大幅に削減でき、船の有効貨物容積を大きくすることができる。

本発明の実施形態による船舶の概略構成図 同船舶に用いる船舶用電気推進装置の外観を示す概略構成図 同船舶用電気推進装置の内部を示す要部構成図 同船舶用電気推進装置のシール手段を示す要部構成図

以下に、本発明の実施形態による船舶用電気推進装置について説明する。
図１は本発明の実施形態による船舶の概略構成図、図２は同船舶に用いる船舶用電気推進装置の外観を示す概略構成図、図３は同船舶用電気推進装置の内部を示す要部構成図、図４は同船舶用電気推進装置のシール手段を示す要部構成図である。

図１に示すように、船体１の船尾には、船舶用電気推進装置１０が設けられ、船体１内には、船舶用電気推進装置１０に電力を供給する発電機２を備えている。発電機２は発電用ディーゼル原動機に減速ギアを介して接続され、発電機２で得られる電力は配電盤を介してモータ制御盤に供給され船舶用電気推進装置１０を動作させる。また発電機２で得られる電力は配電盤を介して船内電力にも利用される。
図２に示すように、船舶用電気推進装置１０は、船体１を推進するプロペラ１１と、プロペラ１１の中心部に設けたボス１２と、船体１の船尾から突出して設けた固定軸１３とを備えている。また、ボス１２は、船体１の後方側にボスキャップ部１４を有している。

図３に、同船舶用電気推進装置の要部構成を示す。
固定軸１３の表面には、電磁石の電機子１５を円周方向に臨ませて配置している。電機子１５は、コア１５ａに固定子巻線１５ｂを巻いて配設され、磁界用の電力線１７がつながっている。電機子１５に給電する電力線１７は、固定軸１３の内部に形成した配線通路に配設する。このように、電力線１７を固定軸１３の内部に形成した配線通路に配設することで、船体１と船舶用電気推進装置１０との間は固定軸１３だけで連結されるため、電力線１７を保護できるとともに、組み立て性にも優れている。

回転子１８は、永久磁石又は誘導電磁石で構成され、回転させるプロペラ１１のボス１２の内面に装備する。プロペラ１１は、電機子１５の磁界の変動に合わせて回転子１８が回ることにより回転する。
電機子１５及び回転子１８から構成されるモータの設計は、船体１が必要とする推進力、適正なプロペラ１１の直径を基に、通常のプロペラ設計法に基づいて回転数と必要トルクを決定することができる。
なお、モータは、交流モータ、直流モータ、誘導型モータ、同期型モータ等、船舶の用途に合わせて各種の形式のものが選定可能である。

固定軸１３には、軸心に垂直な第１の端面１３ａ、第２の端面１３ｂを形成している。
第１の端面１３ａは、固定軸１３の端部で形成し、ボス１２の後端側に位置する。第２の端面１３ｂは、固定軸１３と同軸で外径を固定軸１３よりも大きくした円柱状の拡径部２２で形成し、ボス１２の前端側に位置する。
第１のスラスト軸受１９ａは、第１の端面１３ａとボスキャップ部１４との間に配置され、第２のスラスト軸受１９ｂは、第２の端面１３ｂとボス１２内面に形成した段差部２０との間に配置される。

第１の端面１３ａは、固定軸１３の端部端面で形成しているため、固定軸１３の外径に合わせた大きさの第１のスラスト軸受１９ａを用いることができる。また、第２の端面１３ｂは、固定軸１３よりも大きな径の端面で形成しているため、第１のスラスト軸受１９ａよりも更に大径の第２のスラスト軸受１９ｂを用いることができる。なお、第１のスラスト軸受１９ａと第２のスラスト軸受１９ｂとは、固定軸１３やボスキャップ部１４の形状に合わせて任意の組み合わせが可能である。
このように、第１のスラスト軸受１９ａ及び第２のスラスト軸受１９ｂは、それぞれが十分な面積を持っているために、数十トンから百トンを越える大型船の推力を受けることができる。第１のスラスト軸受１９ａ及び第２のスラスト軸受１９ｂは、いずれか一方だけを用いてもよい。
なお、第１のスラスト軸受１９ａ及び第２のスラスト軸受１９ｂには、従来船の主機または減速機の内部に装備されているスラスト軸受の技術を適用することができる。

第１のラジアル軸受２１ａは電機子１５及び回転子１８よりも前方に設け、第２のラジアル軸受２１ｂは電機子１５及び回転子１８よりも後方に設けている。
第１のラジアル軸受２１ａと第２のラジアル軸受２１ｂとを用いることで、プロペラ１１の重量を第１のラジアル軸受２１ａと第２のラジアル軸受２１ｂとで受け、軸受荷重を分担することができるので耐久性を増すことができる。
プロペラ１１は船体１の後方に装備されるため、不均一な流れの中で作動する。このため、プロペラ１１は一回転する間にお辞儀をする（ピッチング）方向、および首を振る（ヨーイング）方向に力を受けながら作動する。本実施形態では、円周方向の軸受けとして、電機子１５及び回転子１８を装備した位置よりも前方及び後方に、最低２箇所に第１のラジアル軸受２１ａと第２のラジアル軸受２１ｂとをリング状に装備することで、プロペラ１１に作用するピッチングやヨーイングに対しても、十分に対応することができる。
なお、第１のラジアル軸受２１ａ及び第２のラジアル軸受２１ｂは、従来船の船尾管軸受けに採用されているベアリング技術を適用することができる。

電機子１５の表面は固定軸１３の表面と略同一径に構成し、電機子１５の表層は非磁性材料２３で被っている。電機子１５の内部を、非磁性材料２３によって密封することで、メカニカルシールやオイルシールを用いることなく確実に防水される。ここで非磁性材料２３には、例えばＳＵＳ３０５等のオーステナイト系ステンレス鋼や青銅等を用いることができる。また、回転子１８の表層を非磁性材料で被い、回転子１８の内部を密封することもできる。
非磁性材料２３は、第１のラジアル軸受２１ａと第２のラジアル軸受２１ｂとの間に位置する電機子１５及び固定軸１３の表面に設けている。

ボスキャップ部１４は、ボス１２の端部にねじ込み部１４ａによって取り付けられている。通常のプロペラでは、プロペラ軸にプロペラを固定するナットのカバーであるが、本実施の形態では、ボスキャップ部１４の内面は、第１のスラスト軸受１９ａを受ける面となる。ボスキャップ部１４を取り外すことで、ボス１２と固定軸１３との間の点検が行える。
ボスキャップ部１４は、ねじ込み部１４ａではなく、ボルト止めによって取り付けてもよい。

固定軸１３には、流体を外部に流出させる流体供給手段２４を備えている。流体供給手段２４は、船体１内に設けたポンプ２４１に接続され、ポンプ２４１によって空気や水などの流体が供給される。流体供給手段２４は、固定軸１３の端部端面（第１の端面１３ａ）に流出口２４ａを設けている。流体供給手段２４に供給された流体は、この流出口２４ａから第１の端面１３ａとボスキャップ部１４との間に流出し、第１のスラスト軸受１９ａを通過し、間隙２５ａ、第２のラジアル軸受２１ｂ、隙間２５ｂ、第１のラジアル軸受２１ａ、隙間２５ｃ、第２のスラスト軸受１９ｂ、隙間２５ｄ、及びシール手段２６を順に通過して外部に流出する。

ここで、隙間２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄは、固定軸１３とボス１２との間に形成され、間隙２５ａはボス１２の後方側（ボスキャップ部１４側）で、第１のスラスト軸受１９ａと第２のラジアル軸受２１ｂとの間に形成され、隙間２５ｂは第２のラジアル軸受２１ｂと第１のラジアル軸受２１ａとの間に形成され、隙間２５ｃは、第１のラジアル軸受２１ａと第２のスラスト軸受１９ｂとの間に形成され、隙間２５ｄは、第２のスラスト軸受１９ｂとシール手段２６との間に形成される。
このように、流体供給手段２４によって、固定軸１３とボス１２との間に流体を流すことで、潤滑や冷却を行うことができる。

シール手段２６は、拡径部２２の外周面とボス１２の段差部２０内周面との間に配置して、固定軸１３とボス１２との間に形成される間隙２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄと外部とをシールすることで外部からの異物の侵入を防止する。また、流体供給手段２４による水潤滑や空気潤滑のための流体流出を行う。
なお、シール手段２６の外部には、ボス抜け止め部材２７をボス１２の前方側端部に設けている。

図４に示すように、シール手段２６は、両端にシール材ストッパー２６ａ、２６ｂが配置され、拡径部２２の外周面とボス１２の段差部２０内周面との間に配置している。シール手段２６は、隙間２５ｄから外部に向けた流れは許容するが、外部から隙間２５ｄに向けた流れは阻止する。
本実施の形態によるシール手段２６は、モータを構成する電機子１５を、水中にあるプロペラ１１のボス１２の内部に装備するための防水機能を果たすとともに、従来から船舶で用いられている軸封装置技術の一部である水潤滑あるいは空気潤滑技術により、船内から船外への少量の流れ出しをつけることで、海水の流れ込みを完全に防ぐ機能を果たす。

以上のように本実施の形態によれば、電機子１５及び回転子１８を、プロペラ１１の中心部のボス１２内に配置することで、船舶用電気推進装置１０自体を小型化できるとともに、船内の推進関連スペースを大幅に削減できる。
また、本実施の形態によれば、船尾から突出させる固定軸１３が、プロペラ１１を回転させる回転軸ではないため、船体１からの突出箇所におけるシール部が不要となる。
また、本実施の形態によれば、電機子１５が水中に臨み、表面積の大きいボス１２が回転するため、冷却効果がよい。
また、本実施の形態によれば、固定軸１３の軸心に垂直な第１の端面１３ａ、第２の端面１３ｂを固定軸１３に形成し、プロペラ１１の推力を受ける第１のスラスト軸受１９ａ又は／及び第２のスラスト軸受１９ｂを第１の端面１３ａ、第２の端面１３ｂに配置し、大きな推力を、固定軸１３の軸心に垂直な第１の端面１３ａ、第２の端面１３ｂで受けることで、大型船の推力にも対応でき、耐久性にも優れている。
また、本実施の形態によれば、船舶用電気推進装置１０自体の小型化によって船内の推進関連スペースを大幅に削減でき、船の有効貨物容積を大きくすることができる。

本発明の船舶用電気推進装置は、小型船から大型船まで適用することができる。

１ 船体
２ 発電機
１０ 船舶用電気推進装置
１１ プロペラ
１２ ボス
１３ 固定軸
１４ ボスキャップ部
１５ 電機子
１５a コア
１５ｂ 固定子巻線
１７ 電力線
１８ 回転子
１９ａ 第１のスラスト軸受
１９ｂ 第２のスラスト軸受
２０ 段差部
２１ａ 第１のラジアル軸受
２１ｂ 第２のラジアル軸受
２２ 拡径部
２３ 非磁性材料
２４ 流体供給手段
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 隙間
２６ シール手段

Claims (8)

1. 船体を推進するプロペラと、前記プロペラの中心部に設けたボスと、前記船体の船尾から突出して設けた固定軸と、前記固定軸の表面に円周方向に臨ませて設けた電機子と、前記ボスの内部に固定して設けた回転子とを備え、前記電機子に対して前記回転子が回転することで前記プロペラを回転する船舶用電気推進装置であって、前記固定軸の軸心に垂直な端部端面と拡径部端面を前記固定軸に形成し、前記プロペラの推力を受ける第１のスラスト軸受を前記固定軸の前記端部端面に、また前記第１のスラスト軸受よりも大径の第２のスラスト軸受を前記固定軸の前記拡径部端面に配置したことを特徴とする船舶用電気推進装置。
2. ラジアル軸受を、前記電機子及び前記回転子の前後に設けたことを特徴とする請求項1に記載の船舶用電気推進装置。
3. 前記固定軸と前記ボスとの間に形成される間隙と外部とをシールするシール手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の船舶用電気推進装置。
4. 前記ボスが、前記船体の後方側にボスキャップ部を有したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の船舶用電気推進装置。
5. 前記固定軸の内部を、前記電機子に給電する電力線の配線通路としたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の船舶用電気推進装置。
6. 流体を、前記ボスの内部から前記間隙、前記第１のスラスト軸受、前記第２のスラスト軸受、及び前記ラジアル軸受を通過し前記外部に流出させる流体供給手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の船舶用電気推進装置。
7. 前記電機子の表面を前記固定軸の表面と略同一径に構成し、前記電機子の表層又は／及び前記回転子の表層を非磁性材料で被って前記電機子の内部又は／及び前記回転子の内部を密封したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の船舶用電気推進装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の船舶用電気推進装置を搭載したことを特徴とする船舶。