JP5875545B2

JP5875545B2 - 電動舵取機

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Publication number: JP5875545B2
Application number: JP2013043923A
Authority: JP
Inventors: 石崎　達也; 達也石崎; 卓慶山田; ひとみ大坪; 宮崎　拓; 拓宮崎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: JP2014172420A

Description

本発明は、船舶に適用される電動舵取機に関する。

従来、船舶に装備される舵取機は油圧式であるが、例えば下記の特許文献１に開示されているように、舵板を動作させる舵軸の駆動源として、歯車と電動機とを用いた電動式の舵取装置（電動舵取機）が提案されている。

特開２００７−８１８９号公報

ところで、例えば航行中の船舶においては、舵取機の舵板に対して潮流からの力が作用するので、舵軸にトルク変動を生じることがあり、その作用力によって舵軸が回転して舵角が変動する。このような舵角変動に対して、従来の油圧式では、フィードバック制御による舵角保持が行われている。同様に、電動舵取装置においても、電動機を駆動させて舵角を保持する必要があるので、舵角保持には電力を消費することとなる。

また、舵軸に過大なトルクが生じた場合、従来の油圧式ではシリンダ内を満たしている流体（油圧油）によって過大なトルクを吸収できる。しかし、特許文献１に開示されているような電動舵取装置の場合、歯車と電動機による駆動機構には、噛合部を有するため吸収代がほとんどない。従って、特に電動舵取装置の噛合部においては、舵軸と一体に回動する歯車から電動機側の歯車に対して過大トルクの力が直接伝達するので、駆動機構の損傷が懸念される。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電動機の駆動を行うことなく舵角を保持するとともに、過大トルクの吸収を可能にした電動舵取機を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る電動舵取機は、歯車を介して伝達される電動機の駆動力を用いて舵板を取り付けた舵軸を回動させて操舵する電動舵取機であって、前記舵軸を貫通させて舵軸外周面との間に磁性流体を封入する密閉空間を形成する磁性流体封入部と、前記磁性流体封入部内で前記舵軸から半径方向外向きに前記密閉空間へ突出するよう取り付けられた板状の回転子と、前記密閉空間の円周方向を二分割するように前記磁性流体封入部の内壁面から前記舵軸外周面へ向けて突設された分離板と、前記分離板を挟んで前記密閉空間に連通する閉回路の磁性流体循環流路と、前記磁性体循環流路に設けられて流路抵抗を制御する磁性流体流調整部と、を具備してなる舵角保持及び過大トルク吸収機構を備えていることを特徴とするものである。

このような本発明の電動舵取機によれば、舵角保持及び過大トルク吸収機構を備えているので、磁性流体流調整部により磁性流体循環流路の流路抵抗を制御することにより、磁性流体循環流路を流れる磁性流体の流れを変化させることができる。従って、磁性流体循環流路の流路抵抗を増加させると、舵軸と一体に回動する回転子に対して作用する磁性流体の抵抗力が増加し、反対に磁性流体循環流路の流路抵抗を減少させると、回転子に対して作用する磁性流体の抵抗力も減少する。このように、回転子に作用する抵抗力の可変制御が可能になると、磁性流体の抵抗力を増すことで舵軸に作用する過大トルクの吸収が可能になる。

上記の発明において、前記磁性流体調整部は、前記磁性体循環流路の流路断面積を絞るオリフィス部と、前記磁性体循環流路の外周部に設けられた電磁石とを備え、前記電磁石は、前記舵軸の過大トルク検出時に通電されることが好ましく、これにより、オリフィス部により舵角保持に必要な流路抵抗を確保するとともに、電磁石に通電する電流値の制御に応じて磁性流体の粘度を変化させることで流路抵抗の増減が可能となる。従って、舵角を一定に保持する場合には、オリフィス部の流路抵抗により電動機の駆動が不要となり、さらに、電磁石への通電を制御することで過大トルクの吸収が可能となる。
この場合、前記磁性流体調整部を複数設けると、流路流れ方向の長さを増すことができるため、磁性流体が破断しにくくなり、使用可能な減衰力を大きくすることができる。また、通電する電磁石の数を変化させることにより、流路抵抗の増減は、広範囲にわたる段階的な調整が可能となる。

上述した本発明によれば、磁性流体循環流路の流路抵抗を制御することにより、電動機の駆動を行うことなく舵角を保持するとともに、過大トルクの吸収を可能にした電動舵取機を提供するという顕著な効果が得られる。

本発明に係る電動舵取機の一実施形態を示す図で、（ａ）は舵角保持及び過大トルク吸収機構（トルク変動対策部）の構成例を示す水平断面図（図９のＢ−Ｂ断面図）、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。図１に示す磁性流体流調整部の詳細を示す図で、（ａ）は断面構造を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１に示す制御部で実施される電動機の制御例を示すフローチャートである。図３に示すフローチャートにおいて、モータ入力電圧（Ｖ_ｍ）算出及びダンパ入力仮定電圧（Ｉ_{ｐｒｅ＿ｄ}）算出の制御則例を示す数式である。電磁石への通電により磁性流体の粘度が変化することに関する説明図である。オリフィス部の変形例を示す図で、（ａ）は第１変形例、（ｂ）は第２変形例、（ｃ）は第３変形例である。（ａ）は磁性流体循環流路にコイル部を設けた例を示し、（ｂ）はコイル部を２分割して設けた例を示している。電動舵取機を備えた船舶について、船尾部分の概略構成例を示す側面図である。図８に示す電動舵取機の概略構成例を示す図である。

以下、本発明に係る電動舵取機の一実施形態を図面に基づいて説明する。
電動舵取機１０は、例えば図８及び図９に示すように、船舶１の進行方向を所望の方向へ導くための装置として、船尾部分に取り付けられている。この電動舵取機１０は、駆動側歯車１１及び従動側歯車１２を介して伝達される電動機１３の駆動力を用いて、舵板１４を取り付けた舵軸１５を回動（図１（ｂ）の矢印Ｒ参照）させて操舵する装置である。図示の構成例では、複数の電動機１３を備え、各電動機１３の駆動軸に取り付けられた駆動側歯車１１が舵軸１５に取り付けた従動側歯車１２と噛合している。すなわち、電動舵取機１０は、電動機１３を所望の方向へ適宜回動させることにより、舵板１４に必要な舵角を与えることができる。

このような電動舵取機１０に対し、本実施形態では、図１に示すように、舵板１４が潮流から受ける力によって舵軸１５に作用するトルク変動対策として、舵板１４を所望の舵角に保持するとともに、舵板１４に作用する過大なトルクを吸収することを可能にする舵角保持及び過大トルク吸収機構（以下、「トルク変動対策部」と呼ぶ）２０が設けられている。
本実施形態のトルク変動対策部２０は、舵軸１５に設けられ、磁性流体封入部２１と、回転子２２と、分離板２３と、磁性流体循環流路２４と、磁性流体流調整部３０と、を備えている。

磁性流体封入部２１は円筒形状のケーシング部材であり、舵軸１５を貫通させて舵軸外周面１５ａとの間に磁性流体を封入する密閉空間２１ａを形成している。なお、舵軸１５は、磁性流体封入部２１の円筒上面及び円筒下面をシールされた状態で貫通している。
密閉空間２１ａ及び後述する磁性流体循環流路２４に封入される磁性流体（ＭＲ流体）は、例えばマグネタイトやマンガン亜鉛フェライトなどの強磁性微粒子をベース液中に含む流体であり、磁性を帯び、砂鉄のように磁石に吸い寄せられる性質を有している。

回転子２２は、磁性流体封入部２１内で舵軸１５から半径方向外向きに密閉空間２１ａへ突出するよう取り付けられた板状の部材であり、舵軸１５と一体に回動（図１（ａ）の矢印ｒ参照）する。この回転子２２は、その先端が磁性流体封入部２１の内壁面２１ｂとの間に微小な隙間を形成するように設けられている。さらに、回転子２２の軸方向長さ（高さ寸法）は、密閉空間２１ａの略全域をカバーするように設定されている。

分離板２３は、密閉空間２１ａの円周方向を二分割するように、磁性流体封入部２１の内壁面２１ｂから舵軸外周面１５ａへ向けて突設された板状の部材である。この分離板２３は、その先端が舵軸外周面１５ａとの間に微小な隙間を形成するように設けられている。また、分離板２３の軸方向長さは、上述した回転子２２と同様に、密閉空間２１ａの略全域をカバーするように設定されている。なお、分離板２３の円周方向設置位置は、舵板１４が船舶１の直進位置にある場合の回転子２２と回転軸１５を挟んで、反対側の略同一直線上とすることが好ましい。

磁性流体循環流路２４は、分離板２３を挟んで密閉空間２１ａに連通する閉回路の流路である。この磁性体循環流路２４は、後述する磁性流体流調整部３０を除いて、略同一断面形状または略同一断面積の流路となるように形成されている。
また、磁性流体流路２４の両端部は、いずれも密閉空間２１ａに開口し、密閉空間２１ａの軸方向長さと略一致する領域に延在する開口部２４ａ，２４ｂとなる。すなわち、磁性流体流路２４の開口部２４ａ，２４ｂは、舵板１４の操舵限界角度に規定される回転子２２の回動範囲外で、かつ、分離板２３の両側となる領域に開口する。換言すれば、磁性流体流路２４の開口部２４ａ，２４ｂは、回転子２２及び分離板２３により常に周方向が分離された状態となる領域にそれぞれ開口している。

磁性流体流調整部３０は、磁性体循環流路２４の途中に設けられ、磁性体循環流路２４を流れる磁性流体の流路抵抗を制御する機能を有している。なお、磁性流体流路２４の長さは、予想される過大トルクに応じて適宜調整するものとし、同様に、磁性流体流調整部３０の数についても予想される過大トルクに応じて調整する。
本実施形態の磁性流体調整部３０は、例えば図２に示すように、磁性体循環流路２４の流路断面積を絞るオリフィス部３１と、磁性体循環流路２４の外周部に設けられた電磁石３２とを備えている。この電磁石３２は、制御部４０からの制御信号を受けて、舵軸１５の過大トルク検出時に通電されて磁力を発生する。

図２に示す実施形態のオリフィス部３１は、上下方向に細長の開口部３１ａを形成して磁性流体が通過する流路断面積を絞るため、矩形断面の磁性体循環流路２４内へ左右一対の板状部材３１ｂを突出させたものであるが、これに限定されることはない。
図６（ａ）に示す第１変形例のオリフィス部５０では、矩形断面の磁性流体循環流路２４の中心部に流路断面積より小さい板材５１を固定設置することで、磁性流体循環流路２４の流路断面積を絞っている。なお、小さい板材５１の流路方向の長さは、予想される過大トルクに応じて適宜調整する。特に、流路抵抗が増す磁性流体調整部３０で流路断面積を絞った場合、少ない磁力で過大トルクを吸収可能な流路抵抗となるため、例えば磁性流体調整部３０と同じ位置、長さで小さい板材５１を固定設置する。

また、図６（ｂ）に示す第２変形例のオリフィス部６０では、磁性流体循環流路２４の一部に小径チューブ（細管）６１を連結して流路断面積を絞り、図６（ｃ）に示す第３変形例のオリフィス部７０では、磁性流体循環流路２４の一部に二重円管７１を連結して流路断面積を絞っている。なお、オリフィス部６０及び７０ともに、小さい板材５１と同様に、流路方向の長さは予想される過大トルクに応じて適宜調整する。例えば、磁性流体調整部３０と同じ位置、長さとなるようにオリフィス部６０及び７０を設置する。
ただし、過大トルクや舵角保持が必要でない、例えば舵角を大きく変更する場合のような電動舵取機が正常な作動をする場合は、流路抵抗が大きいと舵軸を回転させる電動機の駆動力が多く必要となるため、流路抵抗が小さいほうが望ましい。そのため、磁性流体調整部３０の流路抵抗だけで予想される過大トルクを吸収可能である場合、オリフィス部３０を撤去する構造も考えられる。

電磁石３２は、通電により矩形断面の磁性体循環流路２４を挟んでＳ極及びＮ極の磁場を形成する。すなわち、電磁石３２に通電すれば、磁性体循環流路２４の内部を流れる磁性流体の流れ方向（図中の矢印ｆ参照）と直交する方向に、電磁石３２による磁場が形成される。なお、電磁石３２が発生する磁力は、電流（電圧）のオン・オフ制御や電流値（電圧値）の制御により調整可能である。

図５は、電磁石３２に通電して磁場を形成することにより、磁性体循環流路２４の流路抵抗が増すことを説明する図である。
図５において、上段に示す磁場が形成されていない状況では、磁性流体中の強磁性微粒子Ｐは不規則に分散した状態で流れていく。しかし、磁場が形成された下段の状況では、磁場の影響を受けた強磁性微粒子Ｐが流れ方向と直交する方向（Ｓ／Ｎ極の方向）へ整列する。この結果、磁性流体の粘度が増して大きくなるので、磁性体循環流路２４の流路抵抗、すなわち、磁性体循環流路２４を流れる磁性流体の圧力損失は増すこととなる。このような磁性流体の粘度上昇は、磁場が強いほど大きくなる。

以下、上述した構成のトルク変動対策部２０を備えた電動舵取機１０について、動作とともに作用効果を説明する。
トルク変動対策部２０は、回転子２２及び分離板２３で常に周方向が二つの空間に分離された状態となる密閉空間２１ａに対し、磁性流体循環流路２４の両端部となる開口部２４ａ，２４ｂを連通させている。このため、磁性流体封入部２１の密閉空間２１ａ内に封入された磁性流体は、回転子２２の回動方向に応じて磁性体循環流路２４を流動することとなる。このような磁性流体の流動は、舵板１４及び舵軸１５とともに同方向へ同速度で回動する回転子２２の回転速度や回動範囲に応じて、流速や流量も変化する。

具体的に説明すると、舵板１４の舵角を一定に保持するような場合は、すなわち舵板１４に対して潮流から作用する力が比較的小さい状況では、回転子２２の回転速度や回動範囲は小さなものとなる。このような状況において、磁性流体循環流路２４を流れる磁性流体は、磁性流体流調整部３０のオリフィス部３２により流路抵抗を受けるので、回転子２２の回動に対して抵抗力が作用する。この抵抗力は、回転子２２の回動を阻止し、舵板１４を一定の舵角に維持する方向のものとなるので、通常は電動機１３や電磁石３２に通電しなくても舵角を一定に保持することが可能となる。

また、舵軸１５に過大なトルクが作用した場合には、例えば適所に設けたひずみゲージの検出値からトルクを算出し、所定値以上の過大トルクに対して磁性流体流調整部３０の流路抵抗を増大させ、過大トルクを吸収する（減衰力を得る）ダンパとしての対応が可能となる。
以下、この過大トルクを吸収する場合について、制御部４０の制御例を図３のフローチャートを参照して説明する。

最初のステップＳ１Ａ及びＳ１Ｂでは、現在の船の進路方向と、予定の進路方向とが入力される。
上述した入力を受けて、次のステップＳ２では、指令舵角（θ_０）を算出し、例えば図４に示す式１及び式２に基づいて、電動機１３に対する入力電圧（Ｖ_ｍ）を算出するとともに、ダンパ入力仮定電圧（Ｉ_{ｐｒｅ＿ｄ}）を算出する。このダンパ入力仮定電圧とは、トルク変動対策部２０の流路抵抗を定める（意味する）値であり、従って、電磁石３２へ通電する電圧となる。

次のステップＳ３では、算出した入力電圧で電動機１３を駆動する。
これと同時に、ステップＳ１１ではひずみゲージにより舵軸１５のひずみを検出する。そして、ステップＳ１２では、ひずみゲージの検出値に基づいて、舵軸１５のトルクを算出する。この場合のトルクは、例えば潮流からの力に起因するものである。

ステップＳ４では、上述したトルクの算出値が所定値より大きいか否かを判断する。この結果、トルクの算出値が所定値以上に大きいＹＥＳの場合には、次のステップＳ５に進んでダンパ入力電圧とダンパ入力最大電圧（Ｉ_{ｍａｘ＿ｄ}）とが等しくなるように制御する。すなわち、電磁石３２への通電を許容できる最大値に設定することで、磁性流体循環流路２４の流路抵抗を最大値まで増加させてダンパ機能を最大とすれば、回転子２２の回動に要するエネルギーも増して過大トルクの吸収が可能となる。
一方、トルクの算出値が所定値未満と小さいＮＯの場合には、次のステップＳ６に進んでダンパ入力電圧とダンパ入力仮定電圧とが等しくなるように制御する。すなわち、過大なトルクの作用がなく正常な運転状況にあるので、電磁石３２への通電をダンパ入力仮定電圧に設定して現状の運転を継続する。

このように、上述した本実施形態のトルク変動対策部２０を備えた電動舵取機１０によれば、磁性流体流調整部３０により磁性流体循環流路２４の流路抵抗を制御することが可能になるので、舵軸１４と一体に回動する回転子２２に対して作用する磁性流体の抵抗力の調整が可能となる。従って、磁性流体循環流路２４の流路抵抗を増減させると、舵軸１４と一体に回動する回転子２２に対して作用する磁性流体の抵抗力も増減する。
磁性流体循環流路２４の流路抵抗を増減させる具体例としては、磁性流体流調整部３０の電磁石３２に対する通電を制御して磁場を変化させ、磁性流体の粘度を変化させることが効果的である。また、磁性流体流調整部３０に設けたオリフィス部３１の流路抵抗により、比較的小さな潮流変化等に対する舵角保持が可能である。

ところで、上述した舵軸１５に作用するトルクは大きいため、これに対応して十分な減衰力を保持することが必要となる。
そこで、流路流れ方向の長さを大きく確保するため、磁性流体調整部３０を複数に分割して磁性流体循環流路２４に設けると、磁性流体の破断を低減できる。また、通電する電磁石３２の数を変化させることにより、磁性流体に作用する流路抵抗の増減についても、広範囲にわたる段階的な調整が可能になる。すなわち、磁性流体循環流路２４に設ける磁性流体調整部３０は、磁性流体を破断しにくくし、使用可能な減衰力を大きくするため、電磁石３２による磁場発生部及びオリフィス部３１について、流路流れ方向の長さを大きく設定することが望ましい。

上述したように、電磁石３２による磁場発生部及びオリフィス部３１について、流れ方向の長さを増すためには、磁性体循環流路２４を長くすることが必要となる。そこで、流れ方向に垂直な一定方向で流路断面にＳ極／Ｎ極の磁場を形成することができるように、例えば図７（ａ）に示すような波形部２４ｃを一部に設ければ、比較的少ないスペースでも磁性体循環流路２４の長さを増すことができる。また、波形部２４ｃについては、例えば図７（ｂ）に示すように、２分割以上の複数に分割することで流路断面積を増せば管内流速の低減が可能になるので、磁性流体の破断をより一層低減することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１船舶
１０電動舵取機
１１駆動側歯車
１２従動側歯車
１３電動機
１４舵板
１５舵軸
１５ａ舵軸外周面
２０舵角保持及び過大トルク吸収機構（トルク変動対策部）
２１磁性流体封入部
２１ａ密閉空間
２２回転子
２３分離板
２４磁性流体循環流路
２４ｃ波形部
３０磁性流体流調整部
３１，５０，６０，７０オリフィス部
３２電磁石
４０制御部

Claims

歯車を介して伝達される電動機の駆動力を用いて舵板を取り付けた舵軸を回動させて操舵する電動舵取機であって、
前記舵軸を貫通させて舵軸外周面との間に磁性流体を封入する密閉空間を形成する磁性流体封入部と、
前記磁性流体封入部内で前記舵軸から半径方向外向きに前記密閉空間へ突出するよう取り付けられた板状の回転子と、
前記密閉空間の円周方向を二分割するように前記磁性流体封入部の内壁面から前記舵軸外周面へ向けて突設された分離板と、
前記分離板を挟んで前記密閉空間に連通する閉回路の磁性流体循環流路と、
前記磁性体循環流路に設けられて流路抵抗を制御する磁性流体流調整部と、
を具備してなる舵角保持及び過大トルク吸収機構を備えていることを特徴とする電動舵取機。
前記磁性流体調整部は、前記磁性体循環流路の流路断面積を絞るオリフィス部と、前記磁性体循環流路の外周部に設けられた電磁石とを備え、
前記電磁石は、前記舵軸の過大トルク検出時に通電されることを特徴とする請求項１に記載の電動舵取機。
前記磁性流体調整部を複数設けたことを特徴とする請求項２に記載の電動舵取機。