JP6284558B2 - 船舶用電気推進装置、船舶用電気推進装置に用いられる推進力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動力を可変ピッチプロペラに供給して船舶を推進させる船舶用電気推進装置、及び前記船舶用電気推進装置に適用される推進力制御装置に関する。

船舶に備えられたプロペラを回転駆動させて船舶を推進させる推進装置として、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前記プロペラを回転させる船舶用電気推進装置が知られている。例えば、特許文献１には、前記電動機の出力軸に可変ピッチプロペラ（controllable pitch propeller：ＣＰＰ。以下、ＣＰＰと略称する。）が連結されており、ＣＰＰのピッチ（翼角）を調整することにより、船舶の推進力を増減する電気推進装置が開示されている。

船舶の主機関として用いられるディーゼルエンジンなどの内燃機関は、船舶の所謂舶用特性を考慮して、その定格出力などの仕様が決定される。一般に、縦軸を主機関の機関出力とし、横軸を船舶の船速としたときに、機関出力と船速との関係は３乗曲線で表される。この３乗曲線は前記舶用特性を示す曲線（以下、舶用特性曲線と称する場合がある。）として広く知られている。つまり、前記舶用特性とは、主機関の機関出力が船舶の船速の３乗に比例する関係をいう。なお、基準ピッチでのプロペラ回転数と船速とが概ね比例する関係にあることから、前記舶用特性曲線は、縦軸を主機関の機関出力、横軸をプロペラ回転数（又は主機関の回転数）とした３乗曲線で表される場合がある。

ここで、船舶の推進装置としてＣＰＰを用いた場合の前記ＣＰＰの各ピッチ毎の舶用特性曲線の一例を図５に示す。図５では、縦軸を主機関の機関出力、横軸をプロペラ回転数としている。また、図５には、ＣＰＰの取り得るピッチαｋ（ｋ＝１，２，・・・，１１）それぞれの舶用特性曲線を実線で示している。一般に、船舶は、実際の航海中に遭遇する種々の海象において効率よく運航することが望まれる。また、船舶は寿命が長く、経年劣化などの影響を受けて船体や主機関の性能が低下すると舶用特性も変化するが、船舶は、その舶用特性が変化した場合でも、その長い寿命中において総合的に効率よく運航できることが望まれる。図５の例では、船舶が航海中に常用する運航条件において最も燃費効率のよい条件（例えば、基準ピッチがαａ、機関出力がＰａ、プロペラ回転数がＮａ）を満たすポイントＴ１をＣＰＰのプロペラ設計点とし、このプロペラ設計点Ｔ１を通る舶用特性曲線Ｌ１を点線で示している。一般に、前記プロペラ設計点Ｔ１における機関出力Ｐａやプロペラ回転数Ｎａを考慮して、燃費効率のよい船速を得られるように、ＣＰＰの基準ピッチαａや直径、翼型などが設計される。

従来、ＣＰＰを用いた電気推進装置によって船舶の船速を制御する方法として、自動に船速を制御する自動船速制御装置（Automatic Speed Control：ＡＳＣ）が知られている。自動船速制御装置は、海象が変化するなどして実際の船速が目標速度に対して変化した場合に、プロペラ回転数（主機関の回転数）又はＣＰＰのピッチのいずれか一方、或いはプロペラ回転数及びピッチの両方を制御して、目標速度を保持するように制御する。図６は、図５に等船速曲線Ｖｋ（ｋ＝１，２，・・・）を重ねた図である。例えば、実際の船速が通常航行時の目標速度Ｖ２よりも低い船速Ｖｓに低下した場合、プロペラ回転数を一定にしてピッチを変化させて船速を制御する場合は、図６において矢印Ｄ１に示すように船速が増大する。一方、ピッチを一定にしてプロペラ回転数を制御する場合は、図６の矢印Ｄ２に示すように、舶用特性曲線に沿って船速が増大する。

特開２００７−１３１０８１号公報

ところで、図６に示される等船速曲線Ｖｋは、所定の船速となる機関出力とプロペラ回転数とのポイントを結んだ曲線であり、すり鉢状の曲線を描く。図６に示されるように、各等船速曲線において最も底の部分は燃費効率が最良であり、機関出力が最小となる点である。図６では、プロペラ設計点Ｔ１を通る舶用特性曲線Ｌ１は、等船速曲線Ｖｋの各底部を結んだ曲線と概ね一致していることが分かる。図６に示されるように、例えばプロペラ回転数を一定（例えばＮａ）に維持してピッチを変更する制御が行われる場合、プロペラ回転数Ｎａにおいては、等船速曲線Ｖｋは、船速が低いほど右肩上がりの傾向を示し、船速が大きいほど右肩下がりの傾向を示す。しかしながら、従来の自動船速制御装置は、船速の異なる等船速曲線の特性に応じて船速制御を行うものではないため、取り得る制御手法によっては、船速制御時に燃料消費量の極端な増大を伴うおそれがある。一般に、機関出力は船速の３乗に比例することから、船速の増加分に対して３倍の機関出力の増加を要する場合は、燃料消費量も船速の増加分に対して略３倍となり、燃費効率が著しく悪くなるという問題が生じうる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、船舶の航行時に生じるエネルギー損失を低減して効率の良い推進力制御を行うことが可能な船舶用電気推進装置、及び推進力制御装置を提供することにある。

(1) 本発明は、電動力を可変ピッチプロペラに供給して船舶を推進させる船舶用電気推進装置である。前記船舶用電気推進装置は、内燃機関の出力軸に発電機が接続されてなる発電機関と、前記発電機関が発電する交流電力によって回転駆動して前記可変ピッチプロペラに前記電動力を供給する電動機と、船舶の操縦装置から入力される速度指令信号に基づいて、前記速度指令信号に対応する目標値となるように、前記可変ピッチプロペラのピッチ及び前記内燃機関の回転速度を制御する制御装置と、を備える。
前記制御装置は、予め定められた第１周波数から第２周波数までの周波数帯域の交流電力を発電するように前記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設定速度までの速度範囲内で制御する回転速度制御部と、前記可変ピッチプロペラのピッチを制御するピッチ制御部と、を有する。
前記速度指令信号が予め定められた基準範囲外の場合に、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第１設定速度又は前記第２設定速度のいずれかに維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラを前記目標値に応じたピッチに制御する。また、前記速度指令信号が前記基準範囲内の場合に、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記速度範囲に対応して予め定められた基準ピッチに維持し、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の機関出力及び前記可変ピッチプロペラのプロペラ回転数により決定される舶用特性曲線に沿うように前記内燃機関を前記目標値に応じた回転速度に制御する。

一般に、船舶は、港湾内や特定の航路において速度が制限されている。したがって、船舶が港湾内を航行しているときに、船舶用電気推進装置は、その出力範囲において出力の低い領域でプロペラを回転駆動させる。一方、港湾を出て外洋を航行する場合は、船舶に速度制限は課せられない。そのため、船舶が外港に出た後に、船舶用電気推進装置は、その出力範囲において出力の比較的高い領域であって燃費効率の最もよい条件でプロペラを回転駆動させる。タグボートのように港湾内で作業する船舶を除き、多くの船舶は、港湾内を低出力で航行する時間よりも外洋において高出力で航行する時間のほうが長い。そのため、一般に、船舶における舶用特性は、外洋での航行を基準に定められている。
本発明の船舶用電気推進装置では、船舶の使用状況に鑑みて、操縦装置からの速度指令信号が前記基準範囲外の場合に、前記制御装置の前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第１設定速度又は前記第２設定速度のいずれかに維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラを前記目標値に応じたピッチに制御する。例えば、前記速度指令信号が前記基準範囲の下限値よりも下の場合に、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第１設定速度に維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラを前記目標値に応じたピッチに制御する。また、前記速度指令信号が前記基準範囲の上限値よりも上の場合に、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第２設定速度に維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラを前記目標値に応じたピッチに制御する。
一般に、第１設定速度未満の速度領域では、内燃機関の回転速度による船速制御が難しく、制御できたとしても効率が悪くなることがある。このため、前記第１設定速度未満の速度領域では、前記回転速度を前記第１設定速度に維持しつつ、可変ピッチプロペラのピッチを制御することにより、エネルギー損失の低い効率の良い推進力制御を実現している。
一方、前記速度指令信号が前記基準範囲内の場合に、前記制御装置の前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記速度範囲に対応して予め定められた基準ピッチに維持し、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の機関出力及び前記可変ピッチプロペラのプロペラ回転数により決定される舶用特性曲線に沿うように前記内燃機関を前記目標値に応じた回転速度に制御する。前記速度範囲内では、内燃機関の回転速度による船速制御が容易であり、しかも燃費効率がよい。このため、前記速度範囲内では、可変ピッチプロペラを基準ピッチに維持しつつ、前記回転速度を前記速度範囲内で可変制御することにより、エネルギー損失の低い効率の良い推進力制御を実現している。

(2) 前記周波数帯域は、商用電源として供給される電源周波数の許容範囲である。

これにより、発電機関から出力される電力は、周波数変換しなくても商用電源として用いることができる。このため、その電力母線から、船内で用いられる電動駆動される負荷機器に直接に電力を供給することができる。つまり、本発明の船舶用電気推進装置において、周波数変換を行うインバータなどを設けることなく、前記負荷機器に電力を供給可能である。

(3) なお、前記第１周波数は５０Ｈｚであり、前記第２周波数は６０Ｈｚであることが好ましい。

一般に、汎用品としての電磁接触器や遮断器など電路保護器や、船内で用いられる電気機器は、５０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力で駆動するように標準設計されており、それ以外の周波数（例えば４０Ｈｚ）の交流電力での駆動は保証されていない。そのため、前記周波数帯域が、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚであれば、電路保護器や電気機器として、汎用性が高く安価なものを用いることができる。

(4) また、前記舶用特性曲線は、前記船舶の等船速曲線の最小点を結ぶ曲線に近似していることが好ましい。

(5) また、本発明は、内燃機関の出力軸に発電機が接続されてなる発電機関と、前記発電機関が発電する交流電力によって回転駆動して可変ピッチプロペラに電動力を供給する電動機と、を備え、前記電動力を前記可変ピッチプロペラに供給して船舶を推進させる船舶用電気推進装置に適用され、船舶の操縦装置から入力される速度指令信号に基づいて、前記速度指令信号に対応する目標値となるように、前記可変ピッチプロペラのピッチ及び前記内燃機関の回転速度を制御する推進力制御装置である。
前記推進力制御装置は、予め定められた第１周波数から第２周波数までの周波数帯域の交流電力を発電するように前記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設定速度までの速度範囲内で制御する回転速度制御部と、前記可変ピッチプロペラのピッチを制御するピッチ制御部と、を有する。
前記速度指令信号が予め定められた基準範囲外の場合に、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第１設定速度又は前記第２設定速度のいずれかに維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラを前記目標値に応じたピッチに制御する。前記速度指令信号が前記基準範囲内の場合に、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記速度範囲に対応して予め定められた基準ピッチに維持し、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の機関出力及び前記可変ピッチプロペラのプロペラ回転数により決定される舶用特性曲線に沿うように前記内燃機関を前記目標値に応じた回転速度に制御する。

本発明によれば、船舶用電気推進装置において、船舶の航行時に生じるエネルギー損失を低減して効率の良い推進力制御を行うことが可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る電気推進装置の概略構成を模式的に示す構成図である。 図２は、電気推進装置におけるプロペラ回転数と機関出力との関係を示す舶用特性曲線、及びプロペラ回転数と機関出力と船速との関係を示す等船速曲線を示すグラフ図である。 図３は、電気推進装置における、船速指令、制御モード（制御状態）、エンジン回転数、発電機周波数、電動機回転数、減速比、プロペラ回転数、ピッチ（翼角）それぞれの対応関係を示す図である。 図４は、電気推進装置の制御装置によって実行される推進力制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。 図５は、従来の制御方法を説明するための舶用特性曲線を示すグラフ図である。 図６は、従来の制御方法を説明するための舶用特性曲線及び等船速曲線を示すグラフ図である。

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。

本発明の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可変ピッチプロペラ３１（以下「ＣＰＰ３１」と略称する。）を電動機３９による電気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、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。）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と、電気推進装置１０の動作を統括的に制御する制御装置３５（本発明の制御装置、推進力制御装置の一例）と、を備えている。なお、エンジン３３と発電機３７とによって本発明の発電機関が実現される。

ここで、本発明の船舶用電気推進装置は、ＣＰＰを用いて推進する全て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、海洋調査船などのような海上作業を行う特殊船、航海練習船、漁業に用いられる漁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。エンジン３３には、電子ガバナ３４が設けられている。電子ガバナ３４は、制御装置３５が備えるガバナ制御部３５Ａ（本発明の回転速度制御部の一例）によって制御される。具体的には、電子ガバナ３４は、ガバナ制御部３５Ａから入力された信号に応じて燃料ラック位置を変更して、エンジン３３の燃料噴射ポンプの噴射量を調整する。これにより、エンジン３３の回転速度が変更される。また、エンジン３３には、エンジン３３の回転速度を検知する速度センサー２４が設けられている。速度センサー２４によって検知された速度信号は制御装置３５にフィードバックされる。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機関が適用可能である。また、速度センサー２４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。

発電機３７は、エンジン３３の出力軸４８に接続されている。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４８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。発電機３７は、エンジン３３の出力軸４８から伝達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。本実施形態では、極数が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）までの機関速度範囲内となるように制御装置３５によって回転制御される。

ここで、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、前記機関速度範囲（７５０ｍｉｎ^−１〜９００ｍｉｎ^−１）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（＝第１周波数Ｆ１）から６０Ｈｚ（＝第２周波数Ｆ２）の周波数帯域の範囲内の交流電力を発電して出力する。具体的には、エンジン３３の回転速度が７５０ｍｉｎ^−１のときに発電機３７は５０Ｈｚの交流電力を発電し、エンジン３３の回転速度が９００ｍｉｎ^−１のときに発電機３７は６０Ｈｚの交流電力を発電する。

発電機３７の出力側は、断路器５４を介して共通の電力母線に接続されている。そのため、発電機３７で発電された交流電力は、断路器５４が閉にされた状態で前記電力母線に流れ込む。

前記電力母線から電動機３９に送配電用の電力ケーブルなどの給電電路５１を介して電力が供給される。前記電力母線から電動機３９に至る給電電路５１には、過電流から回路や機器を保護するために、ＡＣＢ（Air Circuit Breaker：低圧気中遮断器）やＭＣＣＢ（Molded Case Circuit Breaker）などの遮断器が設けられている。

また、前記電力母線から並列して、給電電路５１とは別の給電電路５２が設けられている。給電電路５２は、船舶に用いられる電動駆動される負荷機器５８に電力を供給するためのものである。負荷機器５８は、例えば、船舶に用いられる電動ポンプや電動弁、モーター、操縦装置、警報装置など、種々の電気機器が該当する。また、負荷機器５８は、例えば、船内電源に接続して用いられる電気機器が該当する。

なお、本実施形態では、給電電路５１，５２のいずれにも、発電機３７によって発電された交流電力の周波数を別の周波数に変換するインバータなどの周波数変換装置は設けられていない。

ところで、前記電力母線や給電電路５１，５２に接続される開閉器や負荷機器５８は、商業電源の電源周波数に適合するように設計されている。日本や諸外国では、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの商用電源が提供されている。つまり、商用電源として供給される電源周波数の許容範囲は、５０Ｈｚから６０Ｈｚの範囲である。本実施形態では、上述したように、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。つまり、発電機３７は、周波数ｆが５０Ｈｚから６０Ｈｚの周波数帯域の交流電力を発電する。そのため、前記電力母線や給電電路５１，５２に接続される開閉器や遮断器などの電路保護器、並びに、給電電路５２から電力供給を受ける負荷機器５８は、５０Ｈｚから６０Ｈｚの交流電力で動作するように標準設計された汎用性の高い安価なものが適用可能である。

電動機３９は、入力された所定の周波数の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、給電電路５１または給電電路５２の何れかの電路を通って給電された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。本実施形態では、電動機３９は、５０Ｈｚの交流電力が入力されることにより１０００ｍｉｎ^−１の回転速度で回転し、６０Ｈｚの交流電力が入力されることにより１２００ｍｉｎ^−１の回転速度で回転する。なお、誘導電動機においては、回転子の回転速度には滑りが生じるため、電動機３９の出力軸の実際の回転速度は、上述した回転速度に対して滑り速度を減じた速度となる。以下においては、説明の便宜上、電動機３９の回転速度については前記滑り速度を考慮せずに説明する。

減速機４１は、図示しない伝達ギヤを介して電動機３９の出力軸に連結されている。減速機４１は、電動機３９の回転速度を所定の減速比で減速してＣＰＰ３１のプロペラ軸４９に伝達する。本実施形態では、減速機４１の減速比は７．６９に設定されている。このため、ＣＰＰ３１は、電動機３９が１０００ｍｉｎ^−１の回転速度で回転すると１３０ｍｉｎ^−１の回転速度で回転し、電動機３９が１２００ｍｉｎ^−１の回転速度で回転すると１５６ｍｉｎ^−１の回転速度で回転する。

ＣＰＰ３１は、その回転軸方向に推力を生じさせて船舶を推進させる推進力を得る推進機である。ＣＰＰ３１は、羽根３１Ａのピッチを自在に変更することができるスクリュープロペラである。羽根３１Ａのピッチを変えることにより、一定の回転方向及び一定の回転数のままで、任意の前後方向の推進力を生じさせる。ＣＰＰ３１は、ピッチ変節機構３１Ｂを備えている。ＣＰＰ３１が備える複数の羽根３１Ａは、ピッチ変節機構３１Ｂによってプロペラボスに対して揺動自在に装着されており、ピッチ変節機構３１ＢによってＣＰＰ３１のピッチ（翼角）を変化、つまり変節させことにより、ＣＰＰ３１のピッチを変化させることができる。ＣＰＰ３１のピッチは、制御装置３５が備える後述のＣＰＰ制御部３５Ｂ（本発明のピッチ制御部の一例）によってピッチ変節機構３１Ｂが制御されることによって変節される。

制御装置３５は、電気推進装置１０を制御して、電気推進装置１０が船舶に付与する推進力を制御するものであり、後述の推進力制御処理を実行する。具体的には、制御装置３５は、船舶の操縦ハンドル１５（本発明の操縦装置の一例）から入力される速度指令信号（船速指令信号）に基づいて、前記速度指令信号に対応する目標値（目標ピッチ、又は目標回転数）になるようにＣＰＰ３１のピッチ及びエンジン３３の回転速度を制御する。制御装置３５は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどによって構成されたマイクロコンピュータやメイン制御ボード、ＰＬＣなどの演算装置を有しており、この演算装置によって前記推進力制御処理が実行される。

制御装置３５は、ガバナ制御部３５Ａ及びＣＰＰ制御部３５Ｂを有する。ガバナ制御部３５Ａ及びＣＰＰ制御部３５Ｂは、制御装置３５において前記演算装置が前記ＲＯＭ内の制御プログラムを実行することによって実現される機能部である。なお、ガバナ制御部３５Ａ及びＣＰＰ制御部３５Ｂは、ＩＣなどの集積回路によって実現されるものであってもよい。

制御装置３５には、操縦ハンドル１５が信号線などによって接続されている。操縦ハンドル１５には、「ＮＥＵＴＲＡＬ（中立）」の目盛のほかに、前進及び後進ともに、船速を示す４つの目盛「ＤＥＡＤ ＳＬＯＷ（微速）」「ＳＬＯＷ（低速）」「ＨＡＬＦ（中速）」「ＦＵＬＬ（高速）」が刻まれている。操縦ハンドル１５が前記目盛の範囲を操作されることにより、操縦ハンドル１５に設けられたポテンショメーターから各船速に応じた電気信号（テレグラフ信号）が前記信号線を通って制御装置３５に入力される。この電気信号が前記速度指令信号である。この電気信号は、操縦ハンドル１５の操作位置に応じた目標値（目標ピッチ、又は目標回転数）を示すものであり、制御装置３５は、前記目標値となるようにＣＰＰ３１のピッチ及びエンジン３３の回転速度を制御する。前記目標値は、制御装置３５のＲＡＭなどの記憶装置に記憶される。

本実施形態では、操縦ハンドル１５から制御装置３５に、前記電気信号として、４ｍＡ〜２０ｍＡの範囲の電流信号が出力される。例えば、操縦ハンドル１５中立位置にあるときは４ｍＡの信号が出力される。また、中立位置から前進側へ操縦ハンドル１５が操作されると、その操作位置に応じて、後述する第１制御モードでの制御を指示するための第１電気信号（４ｍＡ〜１０ｍＡ）、後述する第２制御モードでの制御を指示するための第２電気信号（１０ｍＡ〜１８ｍＡ）が出力され、後述する第３制御モードでの制御を支持するための第３電気信号（１８ｍＡ〜２０ｍＡ）が出力される。ここで、前記第２制御モードでの制御を指示するための前記第２電気信号のレンジ（範囲）が、本発明の基準範囲の一例である。なお、上述の電気信号は単なる一例であり、その信号形態は上述したものに限られない。

ガバナ制御部３５Ａは、予め定められた前記第１周波数Ｆ１（５０Ｈｚ）から前記第２周波数Ｆ２（６０Ｈｚ）の周波数帯域の交流電力を発電機３７が発電するようにエンジン３３の回転速度を予め定められた前記第１設定速度Ｎ１（７５０ｍｉｎ^−１）から第２設定速度（９００ｍｉｎ^−１）までの前記機関速度範囲内で制御する。ガバナ制御部３５Ａは、後述の第１制御モード乃至第３制御モードに応じた回転速度となるようにエンジン３３を制御する。具体的には、ガバナ制御部３５Ａは、エンジン３３に設けられた電子ガバナ３４の燃料ラック位置を変更して、前記各制御モード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の回転速度を前記第１設定速度Ｎ１から第２設定速度（９００ｍｉｎ^−１）までの前記機関速度範囲内で制御する。

ＣＰＰ制御部３５Ｂは、任意のピッチになるようにピッチ変節機構３１Ｂを駆動させて羽根３１Ａを制御する。本実施形態では、ＣＰＰ３１の羽根３１Ａは、ピッチ０〜αｍａｘまで変化させることができる。ここで、ＣＰＰ３１の羽根３１Ａの基準ピッチをαａとする。本実施形態では、ＣＰＰ制御部３５Ｂは、船舶の前進制御時に、後述の第１制御モード乃至第３制御モードに応じたピッチとなるように、ピッチ０〜αｍａｘの範囲で羽根３１Ａを調節する。なお、船舶の後進制御時には、ＣＰＰ制御部３５Ｂは、ピッチ−αｍａｘ〜０の範囲で羽根３１Ａを調節する。

ここで、前記第１制御モードは、エンジン３３の回転速度を前記第１設定速度Ｎ１に維持して回転させ、ＣＰＰ３１のピッチを、０からαａの範囲内で、操縦ハンドル１５からの前記速度指令信号に応じた目標値となるように制御する制御モードである。この第１制御モードにおいて、図２の矢印Ｄ１に示す範囲の船速を制御可能である。なお、前記第１設定速度Ｎ１は任意に決定することができるが、本実施形態では、前記第１設定速度Ｎ１は、発電機３７において前記第１周波数Ｆ１の電力を発電可能な回転速度（７５０ｍｉｎ^−１）に定められている。また、前記第２制御モードは、エンジン３３の回転速度を前記第１設定速度Ｎ１から前記第２設定速度Ｎ２までの前記機関速度範囲で操縦ハンドル１５の操作位置に応じた前記速度指令信号に応じて変更させ、ＣＰＰ３１のピッチを前記基準ピッチαａに固定する制御モードである。この第２制御モードにおいて、図２の矢印Ｄ２に示す範囲の船速を制御可能である。なお、前記第２設定速度Ｎ２は、船舶が航海中に常用する運航条件において最も燃費効率のよい条件で用いられる回転速度（９００ｍｉｎ^−１）に定められている。また、前記第３制御モードは、エンジン３３の回転速度を前記第２設定速度Ｎ２に維持して回転させ、ＣＰＰ３１のピッチを、αａからαｍａｘの範囲内で、操縦ハンドル１５からの前記速度指令信号に応じた目標値となるように制御する制御モードである。この第３制御モードにおいて、図３の矢印Ｄ３に示す範囲の船速を制御可能である。

本実施形態では、図２及び図３に示されるように、制御装置３５は、前記第１制御モードにおいて、エンジン３３の回転速度を第１設定速度Ｎ１に維持しつつ、操縦ハンドル１５の位置に応じた目標ピッチとなるようにＣＰＰ３１のピッチを制御する。換言すると、前記第１制御モードにおいて、ガバナ制御部３５Ａは、エンジン３３の回転速度を第１設定速度Ｎ１に維持するように制御し、ＣＰＰ制御部３５Ｂは、操縦ハンドル１５の位置に応じた目標ピッチとなるようにＣＰＰ３１のピッチを可変制御する。ここで、図２は、電気推進装置１０におけるプロペラ回転数と機関出力との関係を示す舶用特性曲線Ｌ１、及びプロペラ回転数と機関出力と船速との関係を示す等船速曲線Ｖｋを示すグラフ図である。図２において、舶用特性曲線Ｌ１は、船舶の等船速曲線Ｖkの最小点を結ぶ曲線に近似している。また、図３は、電気推進装置１０における、目標速度、制御状態、エンジン回転数、減速比、発電機周波数、プロペラ回転数、翼角（ピッチ）それぞれの対応関係を示す図である。なお、図２における舶用特性曲線Ｌ１、等船速曲線Ｖｋ等については、図５及び図６と同様であるため、その説明を省略する。

また、制御装置３５は、前記第２制御モードにおいて、ＣＰＰ３１のピッチを前記基準ピッチαａに維持しつつ、エンジン３３の機関出力及びＣＰＰ３１の回転数により決定される舶用特性曲線Ｌ１（図２参照）に沿うように前記機関速度範囲（７５０ｍｉｎ^−１〜９００ｍｉｎ^−１）内でエンジン３３の回転速度を制御する。換言すると、前記第２制御モードにおいて、ＣＰＰ制御部３５Ｂは、前記基準ピッチαａを維持するようにＣＰＰ３１のピッチを制御し、ガバナ制御部３５Ａは、操縦ハンドル１５の位置に応じた目標回転数となるように前記舶用特性曲線に沿うように前記機関速度範囲内でエンジン３３の回転速度を制御する。

また、制御装置３５は、前記第３制御モードにおいて、エンジン３３の回転速度を第２設定速度Ｎ２に維持しつつ、操縦ハンドル１５の位置に応じた目標ピッチとなるようにＣＰＰ３１のピッチを制御する。換言すると、前記第３制御モードにおいて、ガバナ制御部３５Ａは、エンジン３３の回転速度を第２設定速度Ｎ２に維持するように制御し、ＣＰＰ制御部３５Ｂは、操縦ハンドル１５の位置に応じた目標ピッチとなるようにＣＰＰ３１のピッチを制御する。

以下、図４のフローチャートを参照して、制御装置３５によって実行される推進力制御処理の手順の一例について説明する。ここで、図４におけるＳ１１、Ｓ１２、…は処理手順（ステップ）の番号を表している。なお、以下の説明では、前進時の推進力制御処理を説明するが、後進時も同様に行われる。

制御装置３５は、操縦ハンドル１５が中立位置にあるときに、エンジン３３の回転速度を第１設定速度Ｎ１（７５０ｍｉｎ^−１）に維持するように電子ガバナ３４を制御する。また、制御装置３５は、ＣＰＰ３１をピッチ０に変更する。以下、このように制御された状態を待機モードという。前記待機モードにおいては、エンジン３３が第１設定速度Ｎ１で回転しているので、発電機３７は、船内電力として利用可能な前記第１周波数Ｆ１（５０Ｈｚ）の電力を発電している。また、ＣＰＰ３１のピッチが０であるため、電気推進装置１０は、船舶に対して推進力を付与していない。

前記待機モードにあるときに、操縦ハンドル１５が中立位置から前進へ操作されると、制御装置３５は、船舶を前進させるように、エンジン３３の回転速度の制御およびＣＰＰ３１のピッチの制御を開始する。

ステップＳ１１では、制御装置３５は、現在の制御モードが前記第１制御モードであるかどうかを判定する。かかる判定は、操縦ハンドル１５から出力される前記速度指令信号としての前記電気信号に基づいて行われる。例えば、前記速度指令信号が前記第１電気信号であるかどうかによって判定される。ステップＳ１１で前記第１制御モードであると判定されると、処理はステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、制御装置３５のガバナ制御部３５Ａは、エンジン３３の回転速度を予め定められた７５０ｍｉｎ^−１（第１設定速度Ｎ１）に維持するように、速度センサー２４による検知信号に基づいてフィードバック制御（定速度制御）を行う。このとき、発電機３７は、一定の回転速度７５０ｍｉに対応する一定の周波数５０Ｈｚ（第１周波数Ｆ１）の交流電力を発電し、この交流電力を受けて、電動機３９は１０００ｍｉｎ^−１で回転し、これにより、ＣＰＰ３１は、１３３ｍｉｎ^−１の回転速度で回転する。

そして、次のステップＳ１３では、制御装置３５のＣＰＰ制御部３５Ｂは、操縦ハンドル１５の位置に応じた前記目標ピッチとなるようにＣＰＰ３１のピッチを０からαａまでの範囲内で可変制御する。

ステップＳ１１において、前記第１制御モードではないと判定されると、処理はステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、制御装置３５は、現在の制御モードが前記第２制御モードであるかどうかを判定する。かかる判定は、操縦ハンドル１５から出力される前記速度指令信号としての前記電気信号に基づいて行われる。例えば、前記速度指令信号が前記第２電気信号であるかどうかによって判定される。ステップＳ１５で前記第２制御モードであると判定されると、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、制御装置３５のＣＰＰ制御部３５Ｂは、ＣＰＰ３１のピッチが前記基準ピッチαａを維持するようにピッチ変節機構３１Ｂを制御する。

そして、次のステップＳ１６では、制御装置３５のガバナ制御部３５Ａは、操縦ハンドル１５の位置に応じた前記目標回転数となるように電子ガバナ３４を制御して、エンジン３３の回転速度を７５０〜９００ｍｉｎ^−１の範囲内で制御する。これにより、発電機３７は、エンジン３３の回転速度に応じた周波数の交流電力を発電し、その交流電力が電動機３９に供給される。これにより、前記基準ピッチαａを維持したままの状態で、ＣＰＰ３１の回転速度が１３０ｍｉｎ^−１〜１５６ｍｉｎ^−１の範囲内で制御される。

ステップＳ１４において、前記第２制御モードではないと判定されると、処理はステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、制御装置３５は、現在の制御モードが前記第３制御モードであると判定して、制御装置３５のガバナ制御部３５Ａは、エンジン３３の回転速度を予め定められた９００ｍｉｎ^−１（第２設定速度Ｎ２）まで増速し、９００ｍｉｎ^−１を維持するよう速度センサー２４による検知信号に基づいてフィードバック制御（定速度制御）を行う。このとき、発電機３７は、一定の回転速度９００ｍｉに対応する一定の周波数６０Ｈｚ（第２周波数Ｆ２）の交流電力を発電し、この交流電力を受けて、電動機３９は１２００ｍｉｎ^−１で回転し、これにより、ＣＰＰ３１は、１５６ｍｉｎ^−１の回転速度で回転する。

そして、次のステップＳ１８では、制御装置３５のＣＰＰ制御部３５Ｂは、操縦ハンドル１５の位置に応じた前記目標ピッチとなるようにＣＰＰ３１のピッチをαａからαｍａｘの範囲内で可変制御する。

なお、ステップＳ１３，Ｓ１６，Ｓ１８の後に、操縦ハンドル１５が中立位置に戻されると、一連の推進力制御処理が終了し、中立位置に戻されない場合は、ステップＳ１１以降の処理が繰り返される（Ｓ１９）。

このように、本実施形態の電気推進装置１０では、前記第１制御モードにおいてガバナ制御部３５Ａがエンジン３３の回転速度を前記第１設定速度Ｎ１（７５０ｍｉｎ^−１）に維持し、ＣＰＰ制御部３５ＢがＣＰＰ３１のピッチを前記目標ピッチとなるように可変制御するため、低速制御領域である前記第１制御モードにおいて、船舶の航行時におけるエネルギー損失を抑制し、効率を向上させることができる。

また、中速制御領域である前記第２制御モードでは、ＣＰＰ制御部３５Ｂが前記基準ピッチαａを維持し、ガバナ制御部３５Ａが前記舶用特性曲線に沿うように前記機関速度範囲内でエンジン３３の回転速度を前記目標回転数となるように可変制御する。このため、前記第２制御モードでは、ＣＰＰ３１のピッチを前記基準ピッチαａに維持しつつ、エンジン３３の回転速度を前記機関速度範囲で制御することにより、エネルギー損失の低い効率の良い推進力制御を実現することが可能である。

また、前記高速領域である前記第３制御モードでは、ガバナ制御部３５Ａがエンジン３３の回転速度を前記第２設定速度Ｎ２（９００ｍｉｎ^−１）に維持し、ＣＰＰ制御部３５ＢがＣＰＰ３１のピッチを前記目標ピッチとなるように可変制御する。このように、前記第１制御モード、前記第２制御モード、及び前記第３制御モードの全制御モードにおいて、発電機３７は５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲を外れる電力を発電しない。そのため、発電機３７が発電する電力を船内で用いられる負荷機器５８に直接に供給することができる。つまり、電気推進装置１０において、周波数変換を行うインバータなどを設けることなく、負荷機器５８に発電した電力を供給することが可能である。

また、電気推進装置１０では、減速機４１の減速比を従来構成に比べて小さくすることができ、減速機４１を小型化することができる。その結果、減速ギヤのギヤロスが軽減し、減速機４１における減速効率が向上し、ひいては、電気推進装置１０の効率が向上する。

なお、上述の実施形態では、一台のエンジン３３、一台の発電機３７、一台の電動機３９、及び一つのＣＰＰ３１によって構成された電気推進装置１０を例示したが、本発明はこの構成に限定されない。本発明は、複数のエンジン３３及び発電機３７による発電機関によって発電された交流電力を用いて電動機３９を回転駆動させる構成の船舶用電気推進装置にも適用可能である。

また、上述の実施形態では、エンジン３３を７５０ｍｉｎ^−１〜９００ｍｉｎ^−１の範囲で回転させる構成、ＣＰＰ３１を１３０ｍｉｎ^−１〜１５６ｍｉｎ^−１の範囲内で回転させる構成、について例示したが、エンジン３３およびＣＰＰ３１それぞれの回転速度の制御範囲は単なる一例であり、任意の範囲に設定することが可能である。例えば、エンジン３３の回転速度の制御範囲として、６００ｍｉｎ^−１〜７５０ｍｉｎ^−１の範囲や、１０００ｍｉｎ^−１〜１２００ｍｉｎ^−１の範囲を適用してもよい。

１０：電気推進装置
１５：操縦ハンドル
３１：可変ピッチプロペラ
３３：ディーゼルエンジン
３５：制御装置
３５Ａ：ガバナ制御部
３５Ｂ：ＣＰＰ制御部
３７：発電機
３９：電動機
４１：減速機

Claims (5)

1. 電動力を可変ピッチプロペラに供給して船舶を推進させる船舶用電気推進装置であって、
   内燃機関の出力軸に発電機が接続されてなる発電機関と、
   前記発電機関が発電する交流電力によって回転駆動して前記可変ピッチプロペラに前記電動力を供給する電動機と、
   船舶の操縦装置から入力される速度指令信号に基づいて、前記速度指令信号に対応する目標値となるように、前記可変ピッチプロペラのピッチ及び前記内燃機関の回転速度を制御することにより、船舶の前進又は後進における船速制御を実行する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   予め定められた第１周波数から第２周波数までの周波数帯域の交流電力を発電するように前記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設定速度までの速度範囲内で制御する回転速度制御部と、
   前記可変ピッチプロペラのピッチを制御するピッチ制御部と、を有し、
   前記速度指令信号が予め定められた基準範囲の下限値よりも小さい場合に、予め定められた低速領域に対応する第１制御モードにおいて、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第１設定速度に維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記目標値に応じたピッチに制御し、
   前記速度指令信号が前記基準範囲内の場合に、前記低速領域よりも船速が大きい中速領域に対応する第２制御モードにおいて、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記速度範囲に対応して予め定められた基準ピッチに維持し、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の機関出力及び前記可変ピッチプロペラのプロペラ回転数により決定される舶用特性曲線に沿うように前記内燃機関を前記目標値に応じた回転速度に制御し、
   前記速度指令信号が予め定められた基準範囲の上限値よりも大きい場合に、前記中速領域よりも船速が大きい高速領域に対応する第３制御モードにおいて、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第２設定速度に維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記目標値に応じたピッチに制御する船舶用電気推進装置。
2. 前記周波数帯域は、商用電源として供給される電源周波数の許容範囲である請求項１に記載の船舶用電気推進装置。
3. 前記第１周波数は５０Ｈｚであり、前記第２周波数は６０Ｈｚである請求項２に記載の船舶用電気推進装置。
4. 前記舶用特性曲線は、前記船舶の等船速曲線の最小点を結ぶ曲線に近似している請求項１から３のいずれかに記載の船舶用電気推進装置。
5. 内燃機関の出力軸に発電機が接続されてなる発電機関と、前記発電機関が発電する交流電力によって回転駆動して可変ピッチプロペラに電動力を供給する電動機と、を備え、前記電動力を前記可変ピッチプロペラに供給して船舶を推進させる船舶用電気推進装置に適用され、船舶の操縦装置から入力される速度指令信号に基づいて、前記速度指令信号に対応する目標値となるように、前記可変ピッチプロペラのピッチ及び前記内燃機関の回転速度を制御することにより、船舶の前進又は後進における船速制御を実行する推進力制御装置であって、
   予め定められた第１周波数から第２周波数までの周波数帯域の交流電力を発電するように前記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設定速度までの速度範囲内で制御する回転速度制御部と、
   前記可変ピッチプロペラのピッチを制御するピッチ制御部と、を有し、
   前記速度指令信号が予め定められた基準範囲の下限値よりも小さい場合に、予め定められた低速領域に対応する第１制御モードにおいて、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第１設定速度に維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記目標値に応じたピッチに制御し、
   前記速度指令信号が前記基準範囲内の場合に、前記低速領域よりも船速が大きい中速領域に対応する第２制御モードにおいて、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記速度範囲に対応して予め定められた基準ピッチに維持し、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の機関出力及び前記可変ピッチプロペラのプロペラ回転数により決定される舶用特性曲線に沿うように前記内燃機関を前記目標値に応じた回転速度に制御し、
   前記速度指令信号が予め定められた基準範囲の上限値よりも大きい場合に、前記中速領域よりも船速が大きい高速領域に対応する第３制御モードにおいて、前記回転速度制御部は、前記内燃機関の回転速度を前記第２設定速度に維持し、前記ピッチ制御部は、前記可変ピッチプロペラのピッチを前記目標値に応じたピッチに制御する推進力制御装置。

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