JP6522960B2 - 可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システム - Google Patents

Description

本発明は、船舶の操舵装置（舵取機）の技術に係り、ロータリーベーン式舵取機を可逆転吐出方向可変油圧ポンプ（双方向吐出油圧ポンプ）で油圧駆動し、可逆転吐出方向可変油圧ポンプを三相誘導電動機で電動駆動し、三相誘導電動機をインバータ制御する可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵の技術に関する。

従来の舵取機としては、例えば、特許文献１に記載したものがある。このロータリーベーン舵取機は、ハウジングの中にロータを備え、ロータと一体の可動ベーンおよびハウジングと一体のセグメントを有しており、ロータの外周面とハウジングの内周面との間に可動ベーンとセグメントとで仕切った複数の作動油室を形成している。

このような舵取機に求められる特性を以下に述べる。図５は、舵の舵角と舵から舵軸に働くトルクとの関係を示すトルク曲線である。このトルク曲線は、舵板を流水中に置いたときに舵軸に働くトルクの例を示している。

一般的に舵角０°からある舵角までの範囲においては、舵板が水流に押されて舵軸が回り、舵軸を駆動するのに要するトルクが負（−）となる。その舵角を超える大きい舵角を取る場合には舵軸に正（＋）のトルクを加えなければ舵板は動かない。

また、逆に舵を水流に対して０°方向に戻すときには、上述のある舵角までは舵板が水流に押されて舵軸を駆動するのに要するトルクが負（−）となり、その舵角を超えて中立の０°の方向に舵板を回すには舵軸に正（＋）のトルクを加えてやる必要がある。

しかし、上述のトルク曲線は、水流の向きを一定とする条件の下で、その流れの中で舵角を変えた場合の静的な特性であり、実船の航行中では、舵を取ることによって船体が向きを変え、それに伴って舵に流れ込む水流の流入角が変わることにより、舵軸に働くトルクは刻々と変化する。

実船の試運転時に計測したトルク曲線の一例を図６に示す。１番の曲線は０°の中立から右舷方向（面舵）へ舵角７０°に舵を取る場合のトルクの変化を示しており、２番の曲線は右舷方向へ舵角７０°にある舵を左舷方向（取舵）へ舵角７０°に舵を取る場合のトルクの変化を示している。３番の曲線は左舷方向へ舵角７０°にある舵を右舷方向へ舵角７０°に舵を取る場合のトルクの変化を示しており、４番の曲線は右舷方向へ舵角７０°にある舵を０°の中立へ舵を戻す場合のトルクの変化を示している。

このトルク曲線は図５に示したトルク曲線とは全く異なった曲線となっている。これは、操舵に伴って船体が回頭することによって、舵ヘの水流の流入角の変化が起こったことに起因するためであり、図６では最大舵角に達したときに切り返し操舵を行っているが、転舵方向が逆になるとトルクの向きが逆になり、その点で曲線は急にジャンプしてトルクの向きが逆転している。

このようなことから、舵軸にかかるトルクは、正〜負〜正〜負と刻々と複雑に変化する。舵取機はこのようなトルクに適切に対応することが要求されており、これらの曲線上のどの位置からでもスタートでき、どの位置でもオートパイロットからの命令に従ってオーバーシュートしたりアンダーシュートすることなく正しく停止できなくてはならない。

図７に、ロータリーベーン式舵取機に最も多く採用されてきた従来の作動制御油圧回路の一例を示す。
ロータリーベーン舵取機５０は、ハウジング５１の中にロータ５２を備え、ロータ５２と一体の可動ベーン５３およびハウジング５１と一体のセグメント５４を有しており、ロータ５２の外周面とハウジング５１の内周面との間に可動ベーン５３とセグメント５４とで仕切った複数の作動油室５５を形成している。

そして、電動機５６で駆動される一方向吐出ポンプ５７により油圧タンク５８にある作動油を送り出し、電磁切換弁５９の操作により作動油の送り先を右舷側の作動油室５５、左舷側の作動油室５５、アンロードに切り替えて、ロータ５２を右舷方向へ回転させ、あるいは左舷方向へ回転させ、あるいは中立に切り換える。

特許第５４８３９７６号

上述した油圧システムは、オープンループとなっている。それ故に、一方向吐出ポンプ５７から吐出された作動油によって可動ベーン５３を押してロータ５２を回す場合には、正（＋）のトルクが作用するので、フローレギュレータ６０が無くても支障なくロータ５２は回る。

しかしながら、逆に舵板からの力を舵軸に受ける方向に転舵するときには、負（−）のトルクが働くので、フローレギュレータ６０が無ければパイロットチェック弁６１が激しい油圧衝撃を伴って、チャタリングを起こすことになる。

すなわち、ロータ５２の回転量に対して一方向吐出ポンプ５７からの吐出量が不足すると作動油の油圧が低下し、パイロットチェック弁６１のリターン側の弁がパイロット油圧の不足により閉じられてロータ５２の回転が停止する。そして、ロータ５２の回転が停止すると一方向吐出ポンプ５７から吐出する作動油の油圧が高まりパイロットチェック弁６１のリターン側の弁に作用するパイロット油圧が回復し、リターン側の弁が開いてロータ５２が再び回転し、上述の理由で再びリターン側の弁が閉じられる。上述した事象が繰り返されることにより、チャタリングが起きる。

このため、チャタリングの原因となる現象を緩和するために、リターン側の油の流れを絞り油圧を高めてパイロットチェック弁６１の開閉が繰り返し起こることをできるだけ起こり難くしている。

しかし、リターン側の油の流れを余り絞ると油圧損失の原因となるので、絞り量はほどほどの程度とされる。また、一方向吐出ポンプ５７は連続運転されているので油温が上昇する要因となっており、しかも電磁切換弁５９のパイロット油圧を立てるために設けたチェックバルブ６２における油圧損失が発熱の原因となっている。

そのため、作動油を冷却するために大きな油圧タンク５８を設けて放熱面積を増加させたり、あるいは冷却用のクーラーを設けたりする必要があり、特に舵取機が大出力になるほどこの傾向が大きくなる。

本発明は上記課題を解決するものであり、油圧回路の簡素化によるチャタリングの防止、発熱の抑制を実現する可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システムは、舵を舵軸の軸心廻りに回転駆動するロータリーベーン式舵取機と、ロータリーベーン式舵取機を油圧駆動する可逆転吐出方向可変油圧ポンプと、可逆転吐出方向可変油圧ポンプを電動駆動する三相誘導電動機と、三相誘導電動機の双方向回転駆動を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明の可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システムにおいて、ロータリーベーン式舵取機は舵角信号発信器を有し、制御装置はインバータおよび制御回路を有し、制御回路は、舵の操舵角を指示する操舵器から入力する操舵角命令信号と舵角信号発信器から入力する舵角信号とを照合して目標転舵方向、目標転舵角度、目標転舵速度を演算し、かつ目標転舵方向に応じた三相誘導電動機の正逆回転方向、目標転舵速度に応じた三相誘導電動機の目標運転周波数を演算し、インバータは、制御回路から指示する正逆回転方向に応じて三相誘導電動機の相回転方向を制御するとともに、制御回路から指示する目標運転周波数に応じて三相誘導電動機に出力する出力電圧および出力周波数を制御することを特徴とする。

本発明の可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システムにおいて、制御回路は、目標転舵角度に向けた転舵操作初期時にはインバータに指示する周波数を零から目標運転周波数まで漸増させ、転舵操作終期時にはインバータに指示する周波数を目標運転周波数から零まで漸減させることを特徴とする。

上記した構成により、三相誘導電動機の回転方向を正逆反転制御することにより可逆転吐出方向可変油圧ポンプの作動油の吐出方向を制御してロータリーベーン式舵取機による転舵方向を制御する。

したがって、ロータリーベーン式舵取機に作動油を供給する油圧回路において作動油の流れ方向を制御するためのチェック弁、流量制御弁、電磁切換弁等が不要となり、簡易な油圧回路でクローズドループを形成することができる。

よって、転舵操作において舵はスムーズに回動する。また、チェック弁、流量制御弁等における油圧損失に伴う作動油の昇温を抑制できるとともに、操舵操作時以外は可逆転吐出方向可変油圧ポンプを停止できるので作動用の昇温をさらに抑制できる。よって、従来のような過大な放熱面積を有する油圧タンクが不要となり、小型の油圧タンクの使用が可能となる。

制御回路が算出した目標転舵方向、目標転舵角度、目標転舵速度に応じてインバータが三相誘導電動機の相回転方向を制御し、三相誘導電動機に出力する出力電圧および出力周波数を制御することで、ロータリーベーン式舵取機は、目標転舵方向、目標転舵角度、目標転舵速度で舵軸を回転させて操舵する。

一般に三相誘導電動機は、始動電流が定格電流の６〜７倍にもなる。このため、三相誘導電動機の正逆運転を行う際に、定格周波数のままで正逆反転切換を頻繁に行うと、始動時の大電流域が繰り返し発生するので、三相誘導電動機に過大な発熱量が発生し、三相誘導電動機の焼損に至る。

しかし、本発明においては、制御回路が転舵操作初期時にインバータに指示する周波数を零から目標運転周波数まで漸増させ、転舵操作終期時にインバータに指示する周波数を目標運転周波数から零まで漸減させるので、三相誘導電動機における始動電流の上昇を抑制し、三相誘導電動機の過熱、焼損を防止できる。また、転舵操作初期時に可逆転吐出方向可変油圧ポンプの吐出油量が徐々に増加して転舵速度が緩やかに増速され、転舵操作終期時に可逆転吐出方向可変油圧ポンプの吐出油量が徐々に減少して転舵速度が緩やかに減速されるので、従来のように電磁切換弁によって作動油の流れ方向を急激に切り換えることに起因する油圧衝撃を防止できる。

本発明の可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システムの実施の形態を示すロータリーベーン式舵取機の作動制御油圧回路図 三相誘導電動機の電流トルク曲線を示すグラフ図 電動機に印加する供給電圧の周波数とトルクの関係を示すグラフ図 三相誘導電動機の特性を示すグラフ図 舵角と舵軸に働くトルクの関係曲線を示すグラフ図 実船の操舵試験における操舵角と舵トルクの関係を示すグラフ図 従来の作動制御油圧回路図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１から図４において、本発明の電動油圧操舵システムは、主たる構成がロータリーベーン式舵取機１０、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０、三相誘導電動機３０、制御装置４０からなる。

ロータリーベーン式舵取機１０は、舵を舵軸１１の軸心廻りに回転駆動するものであり、ハウジング１２の中にロータ１３を備え、ロータ１３と一体の可動ベーン１４およびハウジング１２と一体のセグメント１５を有しており、ロータ１３の外周面とハウジング１２の内周面との間に可動ベーン１４とセグメント１５とで仕切った複数の作動油室１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを形成している。ハウジング１２は各セグメント１５に対応する外側位置に集合弁（オートロック弁）１７を備え、一側に防衝弁１８および舵軸１１の回転に連動して舵の現在舵角を検出する舵角信号発信器１９を備えている。

以下においては作動油室１６ａ、１６ｂに連結する作動制御油圧回路については説明するが、作動油室１６ｃ、１６ｄに連結する作動制御油圧回路も同様である。可逆転吐出方向可変油圧ポンプ（双方向吐出油圧ポンプ）２０はロータリーベーン式舵取機１０に作動油を供給し、その油圧によってロータ１３を油圧駆動するものであり、三相誘導電動機３０は可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０を電動駆動するものである。

可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０とロータリーベーン式舵取機１０の集合弁１７の間には油圧回路１００が設けられている。油圧回路１００は可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の双方の吐出口１０１、１０２とロータリーベーン式舵取機１０の集合弁１７との間を連通するクローズドループ管路１０３と、クローズドループ管路１０３に、リリーフ弁１０４および逆止弁１０５を介して連通するヘッドタンク１０６を備えており、リリーフ弁１０４はクローズドループ管路１０３の圧力が設定圧以上となると作動油をヘッドタンク１０６に導き、逆止弁１０５はクローズドループ管路１０３の作動油が不足するとヘッドタンク１０６から作動油を導く。

制御装置４０は三相誘導電動機３０の双方向回転駆動を制御するものであり、インバータ４１および制御回路４２を有しており、電源ライン４３、操舵器（オートパイロット）の操舵角命令信号ライン４４、舵角信号発信器１９の舵角信号ライン４５が接続している。

制御回路４２は、舵の操舵角を指示する操舵器から操舵角命令信号ライン４４を介して入力する操舵角命令信号と、舵角信号発信器１９から舵角信号ライン４５を介して入力する舵角信号とを照合して、目標転舵方向、目標転舵角度、目標転舵速度を演算し、かつ目標転舵方向に応じた三相誘導電動機３０の正逆回転方向、目標転舵速度に応じた三相誘導電動機３０の目標運転周波数を演算する。

インバータ４１は、制御回路４２から指示する正逆回転方向に応じて三相誘導電動機３０の相回転方向を制御するとともに、制御回路４２から指示する目標運転周波数に応じて三相誘導電動機３０に出力する出力電圧および出力周波数を制御する。

さらに、制御回路４２は、目標転舵角度に向けた転舵操作初期時にはインバータ４１に指示する周波数を零から目標運転周波数まで漸増させ、転舵操作終期時にはインバータ４１に指示する周波数を目標運転周波数から零まで漸減させる。

以下、上記構成における作用を説明する。転舵操作は、操作器から操舵角命令信号を操舵角命令信号ライン４４を介して制御装置４０に入力し、制御装置４０で三相誘導電動機３０を制御し、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０を三相誘導電動機３０で駆動することにより作動油をロータリーベーン式舵取機１０に供給して行い、ロータリーベーン式舵取機１０に直結された舵軸１１を駆動し、舵板を動かすことにより舵を取る。

制御装置４０の制御回路４２は、操舵器から操舵角命令信号ライン４４を介して操舵角命令信号として入力する命令転舵角度と、舵角信号発信器１９から舵角信号ライン４５を介して舵角信号として入力する現在舵角度とを照合する。そして、舵軸１１を面舵方向、取舵方向のどちらに回転させるかを目標転舵方向として演算し、命令転舵角度と現在舵角度との差から舵軸１１の必要回転角度を目標転舵角度として演算し、船速等に見合う適切な転舵速度を目標転舵速度として演算する。

さらに、制御回路４２は、目標転舵方向にロータリーベーン式舵取機１０を回転させるのに必要な可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の作動油の吐出方向を演算し、この吐出方向に作動油を供給するのに必要な三相誘導電動機３０の正逆回転方向を演算する。また、目標転舵速度に応じた速度でロータリーベーン式舵取機１０を駆動させる必要油量を演算し、この必要油量を送るために必要な可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の必要回転数を演算し、この必要回転数で可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０を回転させるのに必要な三相誘導電動機３０の目標運転周波数を演算する。

インバータ４１は、制御回路４２から指示する正逆回転方向に応じて三相誘導電動機３０の相回転方向を制御するとともに、制御回路４２から指示する目標運転周波数に応じて三相誘導電動機３０に出力する出力電圧および出力周波数を制御する。

この相回転方向、出力電圧、出力周波数で三相誘導電動機３０が回転することで、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０がロータリーベーン式舵取機１０に必要油量を適切な吐出方向に供給し、ロータリーベーン式舵取機１０に直結された舵軸１１を目標転舵速度で駆動し、舵板を動かす。

これらの演算、操作は、操舵角命令信号と舵角信号との時々刻々変化する差信号に基づいて随時適切に行われる。
制御回路４２は、操舵器（オートパイロット）からの操舵角命令信号と舵角信号発信器１９からの舵角信号との差が零になると、インバータ４１の出力電圧および出力周波数を零に制御する。即ち、出力周波数を零にすることによって、三相誘導電動機３０を停止させ、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０を停止し作動油の吐出量を零にしてロータリーベーン式舵取機１０を停止させる。

また、制御回路４２は、目標転舵角度に向けた転舵操作初期時には、インバータ４１に指示する周波数を零から目標運転周波数まで漸増させて三相誘導電動機３０および可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の回転を緩やかに増加させる。この結果、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の作動油の吐出量が徐々に増加し、転舵速度が目標転舵速度まで緩やかに上がる。

転舵操作終期時には、インバータ４１に指示する周波数を目標運転周波数から零まで漸減させて三相誘導電動機３０および可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の回転を緩やかに減少させる。この結果、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の作動油の吐出量が徐々に減少し、転舵速度が緩やかに零まで下がって舵が停止する。

このように、本実施の形態では、三相誘導電動機３０の回転方向を正逆反転制御することにより可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の作動油の吐出方向を制御してロータリーベーン式舵取機１０による転舵方向を制御することで、ロータリーベーン式舵取機１０に作動油を供給する油圧回路１００において作動油の流れ方向を制御するためのチェック弁、流量制御弁、電磁切換弁等が不要となり、簡易な油圧回路１００でクローズドループを形成することができる。

この可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０とロータリーベーン式舵取機１０との間で構成するクローズドループの油圧回路は、舵取機の負荷、即ち、正（＋）トルクから負（−）トルクまで方向がランダムに変わり、しかも、その大きさもランダムに変わる負荷に対して極めて効果的に機能し、転舵操作において舵はスムーズに回動する。

すなわち、ロータリーベーン式舵取機１０が舵から正（＋）トルクを受けながら転舵作動するときに、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０はそのトルクに見合う油圧を発生してロータリーベーン式舵取機１０に与えることによって舵軸１１を回転させる。この正（＋）トルクの作用下における転舵作動はオープンループでも支障なく行うことができる。

しかし、オープンループでは、ロータリーベーン式舵取機１０が舵から大きな負（−）トルクを受ける場合に、ロータリーベーン式舵取機１０から油タンクに戻る作動油の戻り油量が油圧ポンプからロータリーベーン式舵取機１０へ供給する作動油の吐出量よりも多くなり、ロータ１３の回転に対して油圧ポンプの吐出量が不足してロータリーベーン式舵取機１０の入側で負圧となる。このため、前述したように、電磁切換弁とパイロットチェック弁とを組み合わせたオープンループの油圧制御回路では、油圧衝撃を伴うチャタリング現象が発生する。このチャタリング現象を低減させるために、油圧損失を伴うがやむなくフローレギュレータを設けてロータリーベーン式舵取機５０の出側の抵抗を高めるようにしており、その分だけロータリーベーン式舵取機５０の出力が減殺されることになる。

これに対して、本発明のクローズドループの油圧回路においては、作動油はロータリーベーン式舵取機１０から可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０に戻るので、ロータリーベーン式舵取機１０に負（−）トルクが作用する場合にあって作動油が可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０へ帰ってくると、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０が油圧モータとして作用し、三相誘導電動機３０を加速するように働く。

この作用によって、三相誘導電動機３０が同期速度を越えれば発電機として働き、この電力をインバータ４１で回収することによって三相誘導電動機３０の回転軸にブレーキ力が発生する。このブレーキ力で三相誘導電動機３０および可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の回転速度の上昇を抑えることで、作動油の流れが可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の回転速度に相応した流量に抑制されて、ロータリーベーン式舵取機１０が過大なスピードで油圧駆動されることを防止できる。

一般にインバータ制御を行う誘導電動機の電流トルク曲線は、図２に示すものである。始動電流は非常に大きくて、普通は定格電流の６〜７倍の大きさである。回転速度の増加に伴い、電流値は減少し、同期速度でほぼ零となる。トルクは、普通、始動トルクが定格トルクの２００％程度で、ある回転速度になると停動トルクと呼ばれる最大トルクに達し、同期回転速度で零となる。定格回転速度は、停動トルクの速度より大きくて同期速度より小さい回転数であり、トルクは垂下特性領域にある。

したがって、このような領域で運転すると、負荷変動に対して非常に応答性が良く安定した作動をする。しかし、この電動機の正転、逆転を頻繁に行うと、回転数が低い領域では、電流が極めて大きくなり、大きな慣性を持つ回転子が正逆回転を繰り返し運転すれば、過大電流の繰返しにより、電動機巻線はすぐに加熱して焼損に至ることになる。

それ故に、誘導電動機は、誘導電動機ヘの印加電圧、周波数を一定のまま、正逆転を繰り返し行う運転に使用するには適していない。
一方、舵取機は右転舵、左転舵を頻繁に繰り返して行うものなので、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０でロータリーベーン式舵取機１０を油圧駆動する場合に、三相誘導電動機３０を印加電圧、周波数一定のままで正逆転させて使用することは、始動から定格回転数に達するまで過大な電流が流れる理由において適切ではない。

一般に誘導電動機に印加する周波数を繰り返し変えて回転速度を変える制御にインバータが用いられている。インバータで、周波数を変化させ、出力電圧を周波数に比例する分に励磁電流分を上乗せすることにより、図３に示すように、始動トルクも、定動トルクも、負荷トルク（定格）も、どんな周波数に対しても全く同様にすることができ、同一負荷トルクに対しては、電流値も基本的には変わらない。

このような制御をすることによって電動機の負荷トルクと電流をある大きさの範囲に保ちながら、回転速度を自在に変えることができる。本発明ではこの制御特性を用いて可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の正逆運転を行っている。

従来、誘導電動機が正逆転運転を行えなかったのは、前述したように、一定周波数のもとで、正逆切換運転を行うと、回転速度が遅い領域では、電動機に流れる電流が過大となり、一般に三相誘導電動機は、始動電流が定格電流の６〜７倍にもなる。このため、三相誘導電動機の正逆運転を行う際に、定格周波数のままで正逆反転切換を頻繁に行うと、正逆反転始動時に大電流域が繰り返し発生するので、三相誘導電動機に過大な発熱量が発生し、三相誘導電動機の焼損に至る。

しかし、制御回路４２が転舵操作初期時にインバータ４１に指示する周波数を零から目標運転周波数まで漸増させて三相誘導電動機３０および可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の回転を緩やかに増加させることで、転舵速度が目標転舵速度まで緩やかに上がり、転舵操作終期時にインバータ４１に指示する周波数を目標運転周波数から零まで漸減させて三相誘導電動機３０および可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の回転を緩やかに減少させることで、転舵速度が緩やかに零まで下がって舵が停止するので、三相誘導電動機３０における始動電流の上昇を抑制し、三相誘導電動機３０の過熱、焼損を防止できる。

また、転舵操作初期時に可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の吐出油量が徐々に増加して転舵速度が緩やかに増速され、転舵操作終期時に可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０の吐出油量が徐々に減少して転舵速度が緩やかに減速されるので、従来のように電磁切換弁によって作動油の流れ方向を急激に切り換えることに起因する油圧衝撃を防止でき、ロータリーベーン式舵取機１０がチャタリングを起こすこともなくスムーズに転舵し、油圧衝撃を起こすこともなく運転することができる。

また、チェック弁、流量制御弁等における油圧損失に伴う作動油の昇温を抑制できるとともに、操舵操作時以外は可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０を停止できるので作動油の昇温をさらに抑制できるので、従来のような過大な放熱面積を有する油圧タンクが不要となり、小型の油圧タンクの使用が可能となる。

しかも、従来のように、一方向吐出ポンプを誘導電動機で定電圧、低周波数電源のもとで駆動し、電磁切換弁で吐出方向を切り換える油圧制御方式では、転舵操作をしない間も、電動機を連続して運転しておく必要があり、無駄な電力を四六時中、消費していた。

しかし、本発明では、転舵しない中立時においては、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０および三相誘導電動機３０を停止させておくので、その間に電力は消費せず、省エネに寄与できる。また、作動油も過熱されないので、冷却のための装置も簡易なものでよくなり、作動油の温度上昇を低く抑えることが容易なため、油圧機器におけるシール材の劣化を抑えることができる。

図４は三相誘導電動機３０の特性を示している。三相誘導電動機３０は、通常、電動域で使用される。この領域では、電源から三相誘導電動機３０に電流を送り込み、電動機を駆動して、負荷に対応するトルクを発生させて負荷物体を動かす。三相誘導電動機３０は外力により同期速度を超える速度で回されると発電域での使用となる。三相誘導電動機３０が発電機として働くことで発電された電力は電源に戻されるか、あるいは、別途設けた抵抗器によって熱となる。

いずれにしても、外部から加わるエネルギーはこの発電によって吸収されるので、外力によるトルクがロータリーベーン式舵取機１０に作用した場合にも、ロータ１３が過大な速度で回されることを防ぐことができる。

制動域は、例えば、右舷方向転舵中に急逆転するような場合に使用することになるが、できるだけこの領域は使わないようにする。逆転する場合は、インバータ４１の出力周波数を下げて電動機回転速度を落としていき、転舵速度がほぼ零になったときに、相切換を行って逆転させるものとする。

図１における逆止弁１０５、リリーフ弁１０４、およびヘッドタンク１０６は、作動油の油量の変化による作動油の膨張や収縮、舵から受ける外力によってロータリーベーン式舵取機１０における入側と出側とにおける作動油の流量に差が生じたり、何らかの理由により油圧回路において油漏れが生じた場合に、緩衝作用や油圧回路に作動油の補給を行うためのものである。

例えば、ロータリーベーン式舵取機１０のロータ１３が取舵方向に回転しているときに、舵から舵軸１１に負トルクが働き、同方向にロータ１３が過剰に回されて、多くの作動油が吐き出されると、この大量の油はクローズドループ管路１０３の内部では行き場がなくなり異常な油圧上昇をもたらすことになる。

この様な場合には、リリーフ弁１０４からヘッドタンク１０６に余分の油を流すことによって、作動油の流れの収支を合す。このとき、油圧がリリーフ圧に達しない範囲においては、上述したように可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０は油圧モータとして働き、三相誘導電動機３０は発電機として働き、電源に電力を返しながらブレーキ力が作用する。

逆止弁１０５はクローズドループ管路１０３に作動油が不足したときに、油圧ラインに作動油を供給する。このようにしてクローズドループ油圧回路内において作動油の量はバランスを保つ。

図１において、ロータリーベーン式舵取機１０に設けた集合弁１７はパイロットチェック弁の一種のオートロック弁であり、可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０によりロータリーベーン式舵取機１０を駆動するうえでは必要でないが、外部配管が破損したような場合に、破損した側の可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０を停止し、健全な側の可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０で運転を継続するために設けたものである。

すなわち、オートロック弁は、ポンプ吐出圧において入側および出側のポートが同時に開いて作動油が流れる構成となっており、ポンプ吐出圧がなければ閉となって油の流れを遮断するので破損した箇所からの油の流出は無くなり健全な側の可逆転吐出方向可変油圧ポンプ２０で運転を行うことができる。

１０ ロータリーベーン式舵取機
１１ 舵軸
１２ ハウジング
１３ ロータ
１４ 可動ベーン
１５ セグメント
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 作動油室
１７ 集合弁
１８ 防衝弁
１９ 舵角信号発信器
２０ 可逆転吐出方向可変油圧ポンプ
３０ 三相誘導電動機
４０ 制御装置
４１ インバータ
４２ 制御回路
４３ 電源ライン
４４ 操舵角命令信号ライン
４５ 舵角信号ライン
１００ 油圧回路
１０１、１０２ 吐出口
１０３ クローズドループ管路
１０４ リリーフ弁
１０５ 逆止弁
１０６ ヘッドタンク

Claims (3)

1. 舵を舵軸の軸心廻りに回転駆動するロータリーベーン式舵取機と、ロータリーベーン式舵取機を油圧駆動する可逆転吐出方向可変油圧ポンプと、可逆転吐出方向可変油圧ポンプを電動駆動する三相誘導電動機と、三相誘導電動機の双方向回転駆動を制御する制御装置を備えたことを特徴とする可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システム。
2. ロータリーベーン式舵取機は舵角信号発信器を有し、制御装置はインバータおよび制御回路を有し、
   制御回路は、舵の操舵角を指示する操舵器から入力する操舵角命令信号と舵角信号発信器から入力する舵角信号とを照合して目標転舵方向、目標転舵角度、目標転舵速度を演算し、かつ目標転舵方向に応じた三相誘導電動機の正逆回転方向、目標転舵速度に応じた三相誘導電動機の目標運転周波数を演算し、
   インバータは、制御回路から指示する正逆回転方向に応じて三相誘導電動機の相回転方向を制御するとともに、制御回路から指示する目標運転周波数に応じて三相誘導電動機に出力する出力電圧および出力周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システム。
3. 制御回路は、目標転舵角度に向けた転舵操作初期時にはインバータに指示する周波数を零から目標運転周波数まで漸増させ、転舵操作終期時にはインバータに指示する周波数を目標運転周波数から零まで漸減させることを特徴とする請求項２に記載の可逆転吐出方向可変油圧ポンプを用いた電動油圧操舵システム。

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