JP5107987B2 - 舶用推進装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力を伝達する垂直軸を中心に水平なプロペラ軸を旋回させて推進方向を設定する所謂アジマススラスターに係り、特に主機関の他にモータジェネレータを連結することにより、モータジェネレータ単体での推進と、主機関単体での推進と、主機関の出力にモータジェネレータによるアシストを加えたハイブリッド推進が可能な舶用推進装置に関するものである。

曳船等の作業船では、作業時に要求される出力に合わせて主機関を選定するため、作業時以外の移動時や待機時等には主機関の負荷率が低くなり、燃費や保守管理上好ましい状態ではない。また沖合にて待機する場合は、海象条件に応じて位置を保つために低速での移動が必要となるが、作業船は固定ピッチプロペラを使用することが多いため、主機関の回転数がアイドル回転数以下の場合にはクラッチによるスリップ制御で速度の制御を行っている。このため、出力ロスやスリップによる発熱ロスが発生して効率が悪くなり、さらに温室効果ガスの排出量が得られる出力に比較して多くなってしまう。

一方、近年増加している電気推進による可変速制御では、低速移動時のスリップ制御は不要となるが、曳船等の作業船では作業時に必要とされる出力が大きいために、電気推進による伝達ロスを考慮すると、必要とされる発電機関の容量やモータの出力が大きくなり、現在の船型に収めることが困難であるという問題点がある。

このような問題を解決するために、主機関による駆動力とモータによる駆動力の両方を利用するハイブリッドタイプの舶用推進装置の提案がなされている。
例えば下記特許文献１に開示された舶用推進装置は、主機関と減速機とプロペラ軸が一列に並んで配置され、主機関の駆動力が減速機を介してプロペラを駆動する所謂コンベンショナルタイプの舶用推進装置の一種である。この舶用推進装置は、その内部にクラッチや歯車等による複雑な減速逆転機構を備えた減速逆転機を有しており、原動機とモータもしくはモータジェネレータのいずれか一方もしくは両方によりプロペラを駆動することにより、原動機の出力を効率的に使用するとともに、排気ガスの排出量を減少し、低振動かつ低騒音を達成するものとしている。

また、下記特許文献２に開示された舶用推進装置は、プロペラと減速機から構成される推進装置に、クラッチを介して主機を接続するとともに、電気推進電動機を直結し、さらに主機の推進装置とは反対の側に発電機を直結した構成を備えており、高速航行時には主機のみで推進装置を駆動し、低速航行時には電気推進電動機だけで推進装置を駆動するとともに主機で発電機を駆動している。これによって、主機駆動発電機の高機能化及び補機用電動機の小型化を達成し、設備費の大幅な削減が可能な船舶用ハイブリッド推進システムを提供できるものとしている。

特開２００１−２７０４９５号公報 特開２００７−２８４０１８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の船舶推進装置によれば、クラッチや歯車等による複雑で高価な減速逆転機が必要になるために製造コストが高価になるという問題があった。

また、上記特許文献２に記載の船舶推進装置によれば、１台の主機関に対して、発電機とモータをそれぞれ装備する必要があるため、高価なシステムとなってしまうという問題があった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決することを目的としており、動力を伝達する垂直軸を中心にプロペラ軸を旋回させて推進方向を設定する所謂アジマススラスタータイプの舶用推進装置において、複雑な減速機構用を介さないで主機関とモータを推進系に連結する簡素かつコンパクトな構成を採用することにより、船舶に対する組み付けが容易で製造コストが安価であるとともに信頼性が高く、さらに船舶の負荷状態に適合した効率のよい駆動制御を実現して燃費の低減を図れる舶用推進装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された舶用推進装置は、
主機関からの駆動力を伝達する入力軸に設けられた動力伝達用クラッチと、前記動力伝達用クラッチを介して前記入力軸にその一端側が接続された水平な入出力軸と、前記入出力軸の他端側に接続されたモータジェネレータと、前記入出力軸の略中央部分に第１の変向機構を介してその一端側が連結された垂直軸と、前記垂直軸の他端側に第２の変向機構を介してその一端側が連結された水平なプロペラ軸と、前記プロペラ軸の他端側に取り付けられたプロペラとを有し、前記主機関により前記プロペラを駆動して船舶を推進するととともに、前記垂直軸を中心として前記プロペラ軸及び前記プロペラを旋回させることにより前記船舶の推進方向を設定する舶用推進装置において、
前記動力伝達用クラッチを脱離状態として前記モータジェネレータをモータとして駆動するモータ推進と、前記動力伝達用クラッチを接続状態として前記主機関による駆動を行いつつ前記モータジェネレータをモータ又は発電機として使用するハイブリッド推進とから選択した推進態様にて前記船舶の推進を行うコントローラと、電源に接続されて前記モータジェネレータを制御する双方向インバータが設けられており、
さらに前記コントローラが、
前記プロペラの回転数を指示するために操船者がハンドルを操作することにより出力されるハンドル指令信号と前記主機関の負荷情報の入力を受けて演算を行い、
その演算結果から、前記モータジェネレータの制御モードを回転数制御モード又はトルク制御モードに設定するモード切替信号と、選択された前記制御モードで前記モータジェネレータを駆動するためのインバータ指令信号を前記双方向インバータへ出力し、さらに前記動力伝達用クラッチを接続状態又は脱離状態とするためのクラッチ制御信号を前記動力伝達用クラッチに出力し、さらに前記主機関の回転数を指令するためのガバナ指令信号を前記主機関に出力することにより、
前記モータ推進においては、前記モータジェネレータを前記回転数制御モードで制御し、前記ハイブリッド推進においては、前記主機関を制御するとともに前記モータジェネレータを前記トルク制御モードで制御することを特徴としている。

請求項２に記載された舶用推進装置は、請求項１記載の舶用推進装置において、
前記動力伝達用クラッチと前記入出力軸と前記第１の変向機構がその上面側に取り付けられるとともに前記垂直軸が前記上面を貫通して設けられている基台部が、前記船舶の底部に取り付けられており、
前記モータジェネレータが前記基台部の上面側に一体に取り付けられていることを特徴としている。

請求項３に記載された舶用推進装置は、請求項１記載の舶用推進装置において、
前記電源として、発電機関及び蓄電放電機構を有することを特徴としている。

請求項４に記載された舶用推進装置は、請求項３に記載の舶用推進装置において、
前記コントローラが、前記蓄電放電機構から充電深度情報を受けて前記蓄電放電機構の充電深度を監視し、前記蓄電放電機構の充電深度が所定の値を越えた場合には、前記蓄電放電機構に与える充放電制御信号によって前記蓄電放電機構の充電を停止するとともに、前記双方向インバータを介して前記トルク制御モードで制御されている前記モータジェネレータをトルクが０になるように制御して、前記蓄電放電機構の過充電を回避することを特徴とする。

請求項１に記載された舶用推進装置によれば、動力を伝達する垂直軸を中心に水平なプロペラ軸を旋回させて推進方向を設定する所謂アジマススラスターにおいて、複雑な減速機構等を間に介することなく、アジマススラスターの入出力軸の一端側のみに単一の動力伝達用クラッチを介して主機を接続するとともに、他端側にはモータジェネレータを連結する構造を採用した。このため、簡素かつコンパクトな構成になるとともに船舶に対する組み付けが容易となるので製造コストが低減される。さらに、主機関及びモータジェネレータの一方が故障しても支障なく運転できるとともに、クラッチは動力伝達用クラッチ１つだけであり、減速機も必要とせずにシンプルであるため、舶用推進装置としての信頼性が高い。さらにまた、推進装置としての動力源が主機関とモータジェネレータの組合せであるハイブリッドシステムであることから、船舶の負荷状態に適合した効率のよい駆動制御が実現できるため燃費の低減を図ることができるとともに、主機関の出力を下げることができ、サイズダウンが可能となる。これに伴い、ランニングコストや温室効果ガス排出量を低減できるほか、サイズダウンによりレイアウトの自由度も高めることが可能となる。
さらに、この舶用推進装置によれば、モータ推進においては、主機による低速駆動時に行なわれているスリップ制御を行なう必要がないため、スリップ制御に伴う動力伝達用クラッチでの熱の発生や動力ロスを削減することができる。またモータ推進において主機関を機関停止する場合は、その間のランニングコストや温室効果ガス排出量を低減できる。主機関と負荷分担するモータジェネレータは、分担出力分を駆動できればよいので小型化でき、アジマススラスターの基台部上に一体のものとして搭載することに支障がない。主機関の低負荷域での運転が少なくなり、効率の良い負荷域での運転になるので燃費も向上する。モータ推進では、モータジェネレータをモータとして駆動するので、低回転でもトルクを１００％出力でき、プロペラ負荷に迅速に反応でき微調整が容易なので、操船性が向上する。ハイブリッド推進においては、主機関による伝達効率のよいプロペラ駆動を行いながら、負荷状況に応じてモータジェネレータをモータもしくは発電機として使用することができるため、加速時にはモータとして働くモータジェネレータからトルクアシストを得られ、巡航時や減速時には発電機として働くモータジェネレータが発電を行なって必要に応じて設けられる電池等の蓄電放電機構へ充電を行い、余剰エネルギーの回収を行うことができる。
さらにまた、この舶用推進装置によれば、主機関と双方向インバータをコントローラが統合制御することで、モータジェネレータと主機関の切替を円滑に行うことができる。モータ推進においては、モータジェネレータを速度制御することにより低速域での微妙な操船が可能となり、ハイブリッド推進においては、主機関の出力をベースロードとしつつ、コントローラが運航状況に合わせてモータジェネレータをモータとして制御することによって主機関をアシストしたり、もしくはモータジェネレータを発電機として働かせることによって余剰エネルギーで発電することにより、負荷状態に合わせて効率の良い運航が可能になる。併せて、主機関を効率の良いところで運転できるので、燃費低減が図れる。

請求項２に記載された舶用推進装置によれば、船舶の底部に取り付けられ、水平な入出力軸が取り付けられた基台部に対してモータジェネレータを直接固定し、当該モータジェネレータを入出力軸の他端側に直結する構造としたので、装置全体としての構成が一層コンパクトになる。また、造船所で船舶に当該船舶推進装置を据え付ける作業を行なう際には、基台部を船舶の底部に取り付けて駆動力伝達クラッチに船舶の主機を連結するだけでよく、作業が簡単である。すなわち、基台部を船舶の底部に取り付ける作業の他に、モータジェネレータを船舶の底部の所要位置に取り付けたり、さらにこれを基台部の上にある入出力軸に改めて接続する作業を行なう必要がないので、工数低減が可能となり、製造コストの一層の低減を実現できる。

請求項３に記載された舶用推進装置によれば、モータへの電力を発電機関と蓄電放電機構から供給することができるので、発電機関の容量をモータジェネレータの容量よりも小さくすることができ、サイズダウンによるコンパクト化を実現することができる。また電源に冗長性をもたせることで、一方が故障しても支障なく運転することができる。

請求項４に記載された舶用推進装置によれば、コントローラが蓄電放電機構の充電深度を常に監視することで、ある充電深度以上となった場合においては、モータジェネレータからの発電を休止して過充電を回避することができる。

本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置における推進機構部の要部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置の全体構成を模式的に示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置の各運転状態における各部の制御状態を一覧表形式で示す図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置の各運転状態中、運航時のモータ推進領域とハイブリッド推進領域におけるプロペラ回転数とプロペラ出力の関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置が運航時のモータ推進領域で制御されている場合において、各部の動作状態を模式的に示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置が運航時のハイブリッド推進領域で制御されている場合において、各部の動作状態を模式的に示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置が運航時のハイブリッド推進領域で制御されている場合において、主機関回転数と主機関出力の関係である舶用三乗特性を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置が運航時のハイブリッド推進領域で制御されている場合において、舶用三乗特性と、モータジェネレータのアシストを受けた場合の曳船作業時の出力特性と、独航時の出力特性とを、主機関回転数と主機関出力の関係で示した図である。 本発明の第１実施形態に係る舶用推進装置の全体構成において、特に制御システムの構成を示した制御系統図である。 本発明の第２実施形態に係る舶用推進装置と消防ポンプを備えた船舶の全体構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る舶用推進装置が消防ポンプ作動のために制御されている場合において、各部の動作状態を模式的に示す構成図である。 固定ピッチプロペラである従来型のアジマススラスターとフルスリップクラッチと消防ポンプを搭載した従来の船舶の全体構成を示す図である。 可変ピッチプロペラである従来型のアジマススラスターと消防ポンプを搭載した従来の船舶の全体構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る舶用推進装置の全体構成において、特に制御システムの構成を示した制御系統図である。 本発明の第４実施形態に係る舶用推進装置の全体構成において、特に制御システムの構成を示した制御系統図である。

１．第１実施形態
第１実施形態の舶用推進装置は、動力を伝達する垂直軸を中心に水平なプロペラ軸を旋回させて推進方向を設定するアジマススラスターであり、特にアジマススラスターの水平な入出力軸の両端に、主機関とモータジェネレータをそれぞれ連結することにより、モータジェネレータ単体での推進と、主機関単体での推進と、主機関の出力にモータジェネレータによるアシストを加えたハイブリッド推進を可能としたものである。

(1) 構成（図１及び図２）
図１に示すように、実施形態の舶用推進装置１を搭載した船舶２の船尾には、舶用推進装置１のアジマススラスター１７の基台部となる台床３が、その底部に固定されている。この台床３の上面側にはギアケース４が取り付けられており、このギアケース４の内部には、図２に示す主機関５に接続されて駆動力を伝達する水平な入力軸６と、入力軸６が入力側に接続された動力伝達用クラッチ７と、動力伝達用クラッチ７の出力側に一端側が接続された水平な入出力軸８と、入出力軸８の略中央部分に設けられた第１の変向機構である上部ベベルギア９が収納されている。

さらに図１に示すように、台床３の下面側には、船舶２の下方で旋回可能となるようにストラット１８とケーシング１０が取り付けられている。ストラット１８及びケーシング１０は図示しない旋回駆動機構で旋回させることができる。そして、台床３の上面に設けられたギアケース４中の前記上部ベベルギア９には、垂直軸１１の一端側（上端側）が連結されており、この垂直軸１１は台床３及び船舶２の船底を貫通してストラット１８及びケーシング１０内に配設されている。そして、前記垂直軸１１の他端側（下端側）には、第２の変向機構である下部べベルギア１２を介して水平なプロペラ軸１３の一端側が連結されている。このプロペラ軸１３の他端側はケーシング１０の外に突出しており、ケーシング１０の外に突出したプロペラ軸１３の他端側にはプロペラ１４が取り付けられている。プロペラ１４は固定ピッチプロペラである。なお、ケーシング１０にはプロペラ１４を囲んで略円筒形のダクト１５が取り付けられている。

さらに図１に示すように、電力を与えられた場合にはモータとして働き、外力を受けて駆動された場合にはジェネレータ（発電機）として電力を発生するモータジェネレータ２０が、前記台床３の上面側に台床３と一体に取り付けられている。このモータジェネレータ２０は、カップリング２１を介して入出力軸８の他端側に直接接続されている。

本実施形態によれば、駆動力伝達用クラッチ７を脱離状態とし、モータジェネレータ２０をモータとして駆動することによりプロペラ１４を駆動して船舶２を推進するモータ推進を行なうことができ、さらに、動力伝達用クラッチ７を接続状態とし、主機関５による駆動を行いつつモータジェネレータ２０をモータ又は発電機として使用するハイブリッド推進を行なうことができる。なお、いずれの推進形態においても、垂直軸１１を中心としてプロペラ軸１３及びプロペラ１４が設けられたケーシング１０を旋回させることにより、船舶２の推進方向を任意に設定することができるのは従来のアジマススラスターと同様である。

このように、本実施形態によれば、アジマススラスタータイプの舶用推進装置において、水平に配置された入出力軸８の一端側に駆動力伝達用クラッチ７を介して主機関５を連動連結するとともに、同入出力軸８の他端側にモータジェネレータ２０を直接連動連結することにより、主機関５とモータジェネレータ２０を入出力軸８の両端に接続して一軸上に配置し、共通の入出力軸８の両端側から主機関５とモータジェネレータ２０の各駆動力をそれぞれ伝達することができる。従って、主機関とプロペラの間に減速機を連結したコンベンショナルタイプの舶用推進装置にモータを加えてハイブリッド化する場合に比べ、はるかに簡単で動力ロスのない効率的な構造でハイブリッドアジマススラスターを実現することができる。さらに、モータジェネレータ２０を台床３に一体に取り付けたコンパクトな構造であるため、取り付け作業にあたっては、本装置を船舶２に搭載して主機関５と連結するだけの作業でよく、取り付け時にモータジェネレータ２０を別途船舶２内の要所に据え付け作業する手間が省ける。

従来型の曳船用推進システムでは、作業時に必要な出力に合わせて主機関の出力を決めていたが、本実施形態のようなハイブリッド推進システムでは、モータジェネレータ２０をモータとして使用することにより、主機関５とモータ双方の出力を利用することができるため、主機関５は従来型推進システムよりも小出力でよい。また、主機関５の出力を従来型推進システムよりも小出力とすれば、主機関５からの出力が加わる入力軸６等の外径をより小さくすることが可能となるため、製造コストを低減させることができる。

図２は、上述したようなアジマススラスター１７を備えた舶用推進装置１の全体構成を模式的に示す構成図である。同図に示すように、本実施形態の船舶は、アジマススラスター１７と駆動制御システムからなる舶用推進装置１を２組有しており、これらは船舶の船尾の左右にそれぞれ配備されている。そして、制御システムの詳細については後述するが、左右各組の舶用推進装置１ごとに設けられた操船手段によって、別々に制御できるようになっている。

図２に示す舶用推進装置１は、前述した主機関５の他に発電機関２２を有しており、この発電機関２２で発電機２３を駆動して発電を行い、その電力で船内負荷２４とモータ推進に必要な電力を供給する。モータ推進用の電力は、発電機２３に接続された船内母線２５から、変圧器２６を通じて双方向インバータ２７へ導かれ、双方向インバータ２７による回転数制御又はトルク制御によってモータジェネレータ２０をモータとして可変速制御する。

また、図２に示すように、双方向インバータ２７には蓄電放電機構３０が接続されており、発電機２３からの交流を直流に変換して蓄電することができるとともに、モータジェネレータ２０が発電機として働いた場合には、モータジェネレータ２０から供給される交流を直流に変換して蓄電することもできる。蓄電放電機構３０は、モータジェネレータ２０をモータとして駆動する際に、発電機関２２に駆動された発電機２３からの供給に加えて電力をモータジェネレータ２０に供給することができるが、何らかの事情で発電機２３からの給電が期待できない場合には単独で電力をモータジェネレータ２０に供給することもできる。また停泊時や陸電受電時には、蓄電放電機構３０は充電される。

このように、駆動源としては主機関５とモータジェネレータ２０を有し、電源としては発電機関２２及び発電機２３並びに蓄電放電機構３０を備えているハイブリッド化した構成により、仮に主機関５もしくは発電機関２２のどちらかに不具合があって運転できない場合でも、運転できる方の機関を利用して支障なく船舶２を運航させることができる。

(2) 舶用推進装置１の各運転状態における制御動作について（図３〜図８）
本実施形態の舶用推進装置１では、図３に示すように、縦欄に列記した運航時、停泊時、陸電受電時、緊急時の各運転状態において、横欄に列記した入出力軸８の回転数、主機関５の運転状態、動力伝達用クラッチ７の状態、モータジェネレータ２０の運転状態、発電機関２２の運転状態、蓄電放電機構３０の状態等の各項目を、各運転状態に最も適した状態となるように制御している。

上記各運転状態のうち、まず運航時における制御動作について説明する。
図４は、図３の運航時における舶用推進装置１のプロペラ回転数とプロペラ出力の関係を示している。図４に示すように、プロペラ１４の回転数が、主機関５のアイドル回転数を越える所定の切替回転数になったところで、モータとして駆動されるモータジェネレータ２０のみによるモータ推進（図４中、モータ推進領域）から、主機関５とモータジェネレータ２０のモータアシストによるハイブリッド推進（図４中、ハイブリッド領域）に自動的に切り替えるように構成されている。この切り替えが行なわれる切替回転数は、設計上の都合乃至操船者の使用上の都合等により、任意に設定することができる。

まず、図４及び図５に示すように、プロペラ回転数が切替回転数以下であるモータ推進領域について説明する。このモータ推進領域においては、動力伝達用クラッチ７を脱離状態としてモータジェネレータ２０をモータとして速度制御し、モータとしてのモータジェネレータ２０により入出力軸８を回転させて推進を行う。なお、このモータ推進領域において回生が発生した場合には、蓄電放電機構３０が電力を蓄える。

従来のアジマススラスターによれば、プロペラ回転数が主機関５のアイドル回転数以下となる領域では、前述したように動力伝達用クラッチによるスリップ制御を行っていたが、このような制御手法ではアイドル回転数以下の全域でプロペラ軸を回転させることはできなかった。

ところが、本実施形態のハイブリッド推進システム用のアジマススラスター１７では、切替回転数以下の全域を速度制御されたモータ（モータジェネレータ２０）により駆動するため、静止から切替回転数の間の全域でプロペラ軸１３を回転させることができ、モータによる微妙な操船が可能になる。

この場合、主機関５はアイドル状態とすることも、機関停止とすることも可能である。主機関５を停止した場合は、ランニングコストと温室効果ガス排出量を低減でき、環境負荷低減に寄与できる。主機関５をアイドル状態とした場合でも、動力伝達用クラッチ７でのスリップ制御に伴う損失が発生しないため、省エネ効果が得られる。

次に、図４及び図６に示すように、プロペラ回転数が切替回転数以上であるハイブリッド領域について説明する。このハイブリッド領域においては、動力伝達用クラッチ７を接続状態として、主機関５による高効率な推進を行う。このハイブリッド領域では、モータジェネレータ２０は、比較的大きな出力が必要とされる場合にはモータとして作動することにより主機関５による推進をアシストし、又は比較的小さな出力しか必要とされない場合にはジェネレータとして作動して発電を行なう。

ハイブリッド領域における制御についてさらに具体的に説明する。図７に例示するように、一般的な舶用の主機関は、その出力が、その回転数の３乗に比例する舶用３乗特性を有している。このような舶用３乗特性を有する主機関５の出力に対し、図８に示すように、曳船作業時の出力特性例のように負荷が高い場合には、モータをトルク制御して主機関５の出力をアシストする。主機関５の出力がアシストされた場合には、プロペラ１４としての回転数に変化がなくても、トルクはアシストされた分だけ増大している。また図８に示すように、独航時の出力特性例のように負荷が舶用３乗特性に対して低い場合には、蓄電放電機構３０の充電深度が充電を許容する場合にはモータジェネレータ２０を発電機として使用し蓄電放電機構３０へ充電を行なう。

このように、加速時など主機関５への負荷が高い場合にはモータジェネレータ２０をモータとして駆動することによってアシストを行い、巡航時や減速時など主機関５への負荷が低い場合には蓄電放電機構３０を充電して余剰エネルギーの回収を行うことができる。

次に、図３に示すように、停泊時には、主機関５とモータジェネレータ２０は停止し、動力伝達用クラッチ７は脱離状態とする。発電機関２２は、必要な電力にもよるが、一般には少なくとも１台を運転することにより、船内負荷２４を賄うとともに、蓄電放電機構３０を充電するものとする。

図３に示すように、陸電受電時には、上述した停泊時と同様に、主機関５とモータジェネレータ２０は停止し、動力伝達用クラッチ７は脱離状態とする。さらに発電機関２２も停止し、陸電受電３１を船内母線２５に接続して船内負荷２４を賄うとともに、蓄電放電機構３０を充電するものとする。

図３に示すように、緊急時には、主機関５を運転して動力伝達用クラッチ７を接続状態として入出力軸８の回転数をアイドル回転数以上とし、モータジェネレータ２０は停止し、発電機関２２は１台のみ運転して蓄電放電機構３０は使用しないものとする。

(3) 制御システムの構成（図９）
本実施形態の舶用推進装置１における制御システムを図９に示す。同図に示すように、前述したようなモータ推進とハイブリッド推進を適宜切り替えて行なうことができる制御手段として、本実施形態の舶用推進装置１は、操船用のハンドル３５と、コントローラ４０を備えている。なお、図２を参照して先に説明したように、本実施形態では、アジマススラスター１７と駆動制御システムを備えた舶用推進装置１を船舶２の船尾の左右にそれぞれ備えているが、ハンドル３５及びコントローラ４０も左右の舶用推進装置１ごとにそれぞれ設けられており、左右各組の舶用推進装置１は別々のハンドル３５によって互いに独立に制御することができる。

図９に示すように、主機関５と双方向インバータ２７の制御を行うコントローラ４０は、ハンドル３５からのハンドル指令信号と、主機関５の負荷情報及び回転数情報を常時取得している。ハンドル指令信号は、操船者がプロペラ１４の回転数を指示するためにハンドル３５を操作することにより、指示しようとするプロペラ１４の回転数に対応して出力される。主機関５の回転数情報としては、主機関５に設けられたガバナ３６からのガバナ回転数情報が使用できる。主機関５の負荷情報としては、主機関５に設けられたガバナ３６からのガバナラック位置情報又は主機関５と動力伝達用クラッチ７の間に設けられた動力計３７が出力する負荷トルク情報を使用することができる。負荷情報としては、上に例示した２種類の情報のうち、少なくとも１種類があればよく、また主機関５の負荷を示す情報であれば、これ以外の情報でもよい。

コントローラ４０は、ハンドル指令信号と主機関５の負荷情報を基に演算を行い、その演算結果から、以下に説明する各種制御信号を舶用推進装置１の各部に出力する。
まず、コントローラ４０は、モータジェネレータ２０の制御モードを回転数制御モード又はトルク制御モードに設定するモード切替信号と、選択された制御モードでモータジェネレータ２０を駆動するためのインバータ指令信号を、双方向インバータ２７へ出力する。また、コントローラ４０は、動力伝達用クラッチ７を接続状態（ＯＮ）又は脱離状態（ＯＦＦ）とするためのクラッチ制御信号を動力伝達用クラッチ７に出力する。さらに、コントローラ４０は、主機関５の回転数を指令するためのガバナ速度指令信号を主機関５のガバナ３６に出力する。

モータ推進領域では、コントローラ４０は、双方向インバータ２７に速度制御の制御モード信号を出力し、動力伝達用クラッチ７にはクラッチをＯＦＦとするクラッチ制御信号を出力してクラッチを脱離状態とする。この状態において、ハンドル３５の操作に伴うハンドル指令信号の変化に対応して、双方向インバータ２７には回転数上昇を指示するインバータ指令信号を出力し、主機関５のガバナ３６にはガバナ速度指令信号を０のまま出力することにより、主機関５を停止し、モータジェネレータ２０をモータとして単独で運転するモータ推進制御を行う。

モータ推進領域では、速度制御のためにハンドル３５を操作すると、その操作量に比例してプロペラ軸１３の回転数が変化する。ハンドル３５からのハンドル指令信号に対応するプロペラ１４の回転数が所定の切替回転数に達した場合は、コントローラ４０から主機関５のガバナ３６に切替回転数となるようなガバナ速度指令信号を出力し、主機関５とモータが同一速度となったことを確認してから、クラッチをＯＮとするクラッチ制御信号を動力伝達用クラッチ７に出力してクラッチを接続させ、トルク制御の制御モード信号を双方向インバータ２７に出力し、モータ推進領域からハイブリッド領域へ制御領域の切り替えを行う。

ハイブリッド領域では、速度制御のために操船者がハンドル３５を操作すると、その操作量に比例したハンドル指令信号がコントローラ４０に入力され、コントローラ４０はハンドル指令信号に対応して主機関５のガバナ３６に回転数上昇を指令するガバナ速度指令信号を出力する。このように、ハンドル３５からの操作量に比例して主機関５の回転数を変化させてプロペラ１４の回転数を制御することができる。

コントローラ４０は、双方向インバータ２７に対しては、コントローラ４０で演算したトルク指令のためのインバータ指令信号を出力し、そのトルク指示値によってモータジェネレータ２０にアシストもしくは発電をさせることができる。

このように、コントローラ４０が主機関５と双方向インバータ２７を統合制御するので、モータ推進領域でのモータによる推進からハイブリッド領域での主機関５を中心とした推進にスムーズに移行することができる。また主機関５を効率の良い比較的高い回転数の領域で運転できるので、燃費低減が図れる。

上述したハイブリッド領域におけるモータジェネレータ２０のモータアシストと発電の動作切替は、次のように行なう。
図７に示す主機関５の舶用３乗特性において、負荷が主機関５の舶用３乗特性より低い場合は、コントローラ４０で「負荷出力−主機関の出力」を演算してマイナス（−）側になるので、マイナストルク指令であるインバータ指令信号を双方向インバータ２７に出力すればモータジェネレータ２０は「発電機」となり、発電された電気を蓄電放電機構３０へ充電することができる。

また、負荷が主機関５の舶用３乗特性より高い場合は、コントローラ４０で「負荷出力−主機関の出力」を演算してプラス（＋）側になるので、プラストルク指令であるインバータ指令信号を双方向インバータ２７に出力すればモータジェネレータ２０は「電動機」となり、主機関５による推進出力に対してトルクアシストをすることができる。

主機関５の出力特性は事前にわかっており、その特性をコントローラ４０にマップ化しておけば、現在の負荷出力に応じてコントローラ４０にて上記の比較演算を行うことにより、使われている負荷にあわせた運航が可能となる。

(4) 電力の供給について（図２、図９等）
図２や図９等にて示し、以上の説明からも明らかなように、本実施形態の舶用推進装置１では、モータジェネレータ２０をモータとして駆動するための電力は、発電機関２２と蓄電放電機構３０の両方から供給することができるように構成されている。この蓄電放電機構３０を利用することで、発電機関２２の容量は、モータ推進と船内負荷２４のそれぞれの最大電力の合計よりも小さくすることが可能となる。高負荷時にはモータ推進に必要な電力が不足するので、双方向インバータ２７に接続された蓄電放電機構３０から電力を供給し、低負荷時や回生発生時には蓄電放電機構３０へ充電を行う。このようにすれば、完全な電気推進システムよりもモータや双方向インバータ２７の容量が小さくて済み、設置面積も小さくなるため、船型の変更を必要とせずに本実施形態のハイブリッドシステムを実用化することができる。

(5) 充放電制御について（図９）
図９に示すように、本実施形態の舶用推進装置１では、モータジェネレータ２０の充放電制御において、コントローラ４０は蓄電放電機構３０から充電深度情報を常時取得することにより、蓄電放電機構３０の充電深度を常に監視しており、ある充電深度以上となった場合には、モータジェネレータ２０を発電機として使用しないように制御する。具体的には、コントローラ４０は、蓄電放電機構３０に充電の停止を命じる充放電制御信号を出力するとともに、双方向インバータ２７を介してトルク制御モードで制御されているモータジェネレータ２０をトルクが０になるように制御する。これによって、モータジェネレータ２０による発電は停止され、蓄電放電機構３０による充電の動作も停止されるので、蓄電放電機構３０の過充電による損傷等は確実に回避される。
以上説明した第１実施形態の説明から明らかなように、本実施形態によれば、「発明の効果」において説明した請求項１乃至６に係る各発明の効果と同様の効果を、各発明に対応する本実施形態の各構成に対応した形で得ることができる。

２．第２実施形態（図１０及び図１１）
第２実施形態は、第１実施形態と同様の舶用推進装置１を有し、さらに消防ポンプを搭載した船舶２に関するものである。本実施形態の説明においては、第１実施形態と同一乃至略同一の部分については第１実施形態における説明を援用し、第１実施形態の図面において使用したものと同一の符号を用いて適宜説明を省略するものとする。

図１０に示すように、本実施形態の船舶２に搭載されている舶用推進装置１は、アジマススラスター１７（ハイブリッド推進システム用アジマススラスター）の水平な入出力軸８の一端側に動力伝達用クラッチ７を介して主機関５が連結され、入出力軸８の他端側にモータジェネレータ２０が連結されたものである。プロペラ１４は構造が簡単であり安価な固定ピッチプロペラである。主機関５の駆動軸は、その後端側が動力伝達用クラッチ７に連結されて主機関５の駆動力を船舶２の推進に利用できるようになっているとともに、その前端側が増速ギア３９を介して消防ポンプ５０に接続されており、主機関５の駆動力を放水に利用できるようになっている。

従って、この船舶２で消防ポンプ５０を使用して放水を行なう場合には、図１０及び図１１に示すように、動力伝達用クラッチ７を脱離状態とし、推進はモータとして駆動されるモータジェネレータ２０のみにより行い、主機関５は消防ポンプ５０の運転のみの専用とすることができる。

これに対し、図１２に示すような従来型のアジマススラスター（クラッチ別置型アジマススラスター）を舶用推進装置として有する船舶では、主機関５の駆動軸の後端側とアジマススラスターの間に、フルスリップクラッチ６０という高機能クラッチを装備する必要があった。そして、消防ポンプ５０の使用時には、主機関５の回転数を最大回転数で一定とし、主機関５の駆動軸の前端側に取り付けた増速ギア３９を介して消防ポンプ５０を回転させ、推進のために、主機関５の駆動軸の後端側のフルスリップクラッチ６０によって最大回転数の入力をスリップ制御して必要回転数へ落とし、固定ピッチプロペラを駆動していた。この従来例では、アイドル回転をスリップ制御して低速回転させるのではなく、最大回転数をスリップ制御するため、高機能クラッチであるフルスリップクラッチ６０の中でも特に容量の大きいものが必要となるため、舶用推進装置としては高価なものとならざるを得ない。
また従来方式によれば、消防ポンプ５０を使用する消防モードにおいては、上述したようにフルスリップクラッチ６０を高速で滑らせており、そのために熱ロスが大きいという問題点があるが、本実施形態によればそのような問題はなく、エネルギーロスが少なく省エネである。

また、図１３に示すように、高価なフルスリップクラッチを設けることなく、モータジェネレータを持たずに主機関５のみで駆動する従来型のアジマススラスター（クラッチ内蔵型アジマススラスター）を舶用推進装置として有する船舶では、固定ピッチプロペラに替えて可変ピッチプロペラ６１を設ければ、主機関５で消防ポンプ５０を運転しながら同時に可変ピッチプロペラ６１の制御により船舶の推進の制御を行なうことができる。しかしながら、可変ピッチプロペラ６１は高価であり、このような構造では、舶用推進装置としては高価なものとならざるを得ない。

これに対し、本実施形態の舶用推進装置１では、推進はモータとして駆動されるモータジェネレータ２０のみで行い、主機関５は消防ポンプ５０の運転のみに使用することができる構成であり、高価なフルスリップクラッチ６０や可変ピッチプロペラ６１が不要であるため、図１２及び図１３に示したような従来型の舶用推進装置に比べて製造コストが低減される。

３．第３実施形態（図１４）
図１４は、図９に示す第１実施形態を改良し、双方向インバータ２７からモータジェネレータ２０の回転数情報をコントローラ４０’へ入力するシステムとした第３実施形態の舶用推進装置１’の制御系統図である。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部分については図１４中に図９と同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の場合、主機関５と双方向インバータ２７の制御を行うコントローラ４０’が、主機関５の回転数とモータジェネレータ２０の回転数情報を常時取得しており、所定の切替回転数にてモータ推進領域からハイブリッド領域へ切り替える際には、両者の回転数が一致したことを確認してからクラッチをＯＮとするクラッチ制御信号を動力伝達用クラッチ７に出力してクラッチを接続させ、トルク制御の制御モード信号を双方向インバータ２７に出力し、モータ推進領域からハイブリッド領域へ制御領域の切替を行う。これにより、ハンドル３５からのハンドル指令信号が時間変化するような場合でも、主機関５の回転数とモータジェネレータ２０の回転数を常時監視し、両者が一致したことを確認してからクラッチを接続することで、ショックのない制御領域の切替が実現できる。

４．第４実施形態（図１５）
図１５は、図１４で示す第３実施形態のシステムに対し、主機関５およびモータジェネレータ２０の回転数情報を取得するために、それぞれの回転軸に回転数ピックアップ（主機関回転数ピックアップ７０及びモータジェネレータ回転数ピックアップ８０）を設置し、コントローラ４０”が主機関５の回転数とモータジェネレータ２０の回転数情報をこれら各回転数ピックアップ７０, ８０から取得できるようにした第４実施形態の舶用推進装置１”の制御系統図である。なお、第３実施形態と実質的に同一の構成部分については図１５中に図１４と同一の符号を付して説明を省略する。
図１４においては主機関５の回転数情報はガバナ３６より取得し、モータジェネレータ２０の回転数情報は双方向インバータ２７から取得していたが、本実施形態においては、主機関５及びモータジェネレータ２０の各回転数ピックアップ７０，８０を設置することで回転数情報取得手段を２重化したので、片方のセンサが故障した場合においても、問題なく制御領域の切替が可能である。

１…船舶推進装置
２…船舶
３…基台部としての台床
５…主機関
６…入力軸
７…動力伝達用クラッチ
８…入出力軸
９…第１の変向機構としての上部ベベルギア
１１…垂直軸
１２…第２の変向機構としての下部ベベルギア
１３…プロペラ軸
１４…プロペラ
１７…アジマススラスター
２０…モータジェネレータ
２２…発電機関
２３…発電機
２７…双方向インバータ
３０…蓄電放電機構
３５…制御手段としてのハンドル
４０, ４０’, ４０”…制御手段としてのコントローラ
５０…消防ポンプ

Claims (4)

1. 主機関からの駆動力を伝達する入力軸に設けられた動力伝達用クラッチと、前記動力伝達用クラッチを介して前記入力軸にその一端側が接続された水平な入出力軸と、前記入出力軸の他端側に接続されたモータジェネレータと、前記入出力軸の略中央部分に第１の変向機構を介してその一端側が連結された垂直軸と、前記垂直軸の他端側に第２の変向機構を介してその一端側が連結された水平なプロペラ軸と、前記プロペラ軸の他端側に取り付けられたプロペラとを有し、前記主機関により前記プロペラを駆動して船舶を推進するととともに、前記垂直軸を中心として前記プロペラ軸及び前記プロペラを旋回させることにより前記船舶の推進方向を設定する舶用推進装置において、
   前記動力伝達用クラッチを脱離状態として前記モータジェネレータをモータとして駆動するモータ推進と、前記動力伝達用クラッチを接続状態として前記主機関による駆動を行いつつ前記モータジェネレータをモータ又は発電機として使用するハイブリッド推進とから選択した推進態様にて前記船舶の推進を行うコントローラと、電源に接続されて前記モータジェネレータを制御する双方向インバータが設けられており、
   さらに前記コントローラが、
   前記プロペラの回転数を指示するために操船者がハンドルを操作することにより出力されるハンドル指令信号と前記主機関の負荷情報の入力を受けて演算を行い、
   その演算結果から、前記モータジェネレータの制御モードを回転数制御モード又はトルク制御モードに設定するモード切替信号と、選択された前記制御モードで前記モータジェネレータを駆動するためのインバータ指令信号を前記双方向インバータへ出力し、さらに前記動力伝達用クラッチを接続状態又は脱離状態とするためのクラッチ制御信号を前記動力伝達用クラッチに出力し、さらに前記主機関の回転数を指令するためのガバナ指令信号を前記主機関に出力することにより、
   前記モータ推進においては、前記モータジェネレータを前記回転数制御モードで制御し、前記ハイブリッド推進においては、前記主機関を制御するとともに前記モータジェネレータを前記トルク制御モードで制御することを特徴とする舶用推進装置。
2. 前記動力伝達用クラッチと前記入出力軸と前記第１の変向機構がその上面側に取り付けられるとともに前記垂直軸が前記上面を貫通して設けられている基台部が、前記船舶の底部に取り付けられており、
   前記モータジェネレータが前記基台部の上面側に一体に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の舶用推進装置。
3. 前記電源として、発電機関及び蓄電放電機構を有することを特徴とする請求項１記載の舶用推進装置。
4. 前記コントローラは、前記蓄電放電機構から充電深度情報を受けて前記蓄電放電機構の充電深度を監視し、前記蓄電放電機構の充電深度が所定の値を越えた場合には、前記蓄電放電機構に与える充放電制御信号によって前記蓄電放電機構の充電を停止するとともに、前記双方向インバータを介して前記トルク制御モードで制御されている前記モータジェネレータをトルクが０になるように制御して、前記蓄電放電機構の過充電を回避することを特徴とする請求項３に記載の舶用推進装置。

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