JP5828023B2 - 電気推進船の電気推進システム - Google Patents

Description

本発明は、電気推進船の電気推進システムに関する。

従来、電気推進船の電気推進システムとしては、発電機によって発電した電力を誘導電動機等の推進電動機に供給し、この供給された電力によって回転する推進電動機により推進装置（プロペラおよびギアボックスなど）を駆動するようにしたものが知られている。そして、このような電気推進船の誘導電動機は、始動電流を抑制するべく、例えば、コンドルファ始動法等の減電圧始動方式によって始動装置が構成される。また、インバータやソフトスタータ等の電力変換器を設け、この電力変換器を制御して始動電流を抑制する構成とされる（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−１５５５０３号公報

しかしながら、コンドルファ始動法によって誘導電動機を始動する場合は、その始動装置は安価となるが、始動電流（始動電力）を十分に抑制することができず、この始動電流に対応した大容量の電力供給装置（発電機）が必要となった。そして、この電力供給装置が高価であるために、電気推進システム全体が高コストとなるという問題があった。また、インバータやソフトスタータを用いて、誘導電動機に供給する電力を制御する場合は、電気推進船の誘導電動機が大容量のため、汎用の電力変換器を用いることが難しく、専用の高価な電力変換器が必要となって、同様に電気推進システム全体が高コストとなるという問題があった。

本発明は、上記の如き課題を鑑みてなされたものであり、推進電動機の始動電流を十分に抑制して、低コストな電気推進船の電気推進システムを提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、プロペラを駆動する推進電動機と、前記推進電動機に電力を供給する電力供給装置と、を備える電気推進船の電気推進システムにおいて、前記推進電動機に始動動力を付与するアクチュエータを設け、前記アクチュエータの始動動力を推進電動機の出力軸に対して付与する構成としたものである。

請求項１においては、プロペラを駆動する推進電動機と、前記推進電動機に電力を供給する電力供給装置と、を備える電気推進船の電気推進システムにおいて、前記推進電動機に始動動力を付与するアクチュエータを設け、前記アクチュエータの始動動力を推進電動機の出力軸に対して付与する構成としたので、推進電動機の始動時に電力供給装置から推進電動機に始動電力を供給する必要がなくなり、電力供給装置の電源容量を小さくすることができ、電力供給装置のコストの低減を図ることができる。
また、前記アクチュエータの始動動力を推進電動機の出力軸に対して付与する構成としたので、推進電動機に始動動力を付与するアクチュエータの始動トルクが小さくて済み、アクチュエータを小型化できる。

第一実施形態に係る電気推進システムを示すブロック図。 第一実施形態に係る推進電動装置の始動時のフローを示すブロック図。 第二実施形態に係る電気推進システムを示すブロック図。 第二実施形態に係る推進電動装置の始動時のフローを示すブロック図。 別実施形態に係る電気推進システムを示すブロック図。 別実施形態に係る電気推進システムを示すブロック図。

電気推進システム１の全体構成について説明する。電気推進システム１は、電気推進船を航走させるために用いられる。電気推進システム１は、ディーゼル機関で交流発電機を駆動し、周波数変換を行わずに推進電動機を介してプロペラを駆動する方式のシステムである。図１に示すように、電気推進システム１は、二つの推進装置２・２を有し、二つのプロペラ３・３と、二つの減速機４・４と、二つの推進電動機５・５と、電力供給装置６と、配電盤７と、操作盤８と、を備える。

プロペラ３・３は、動力を電気推進船の推進力へと変換するための装置である。プロペラ３・３は、可変ピッチプロペラ（ＣＰＰ）とされ、プロペラ軸３ａの回転数を一定のままで翼角を制御して、電気推進船の推力や航走方向を変更することができる。

減速機４・４は、推進電動機５・５の出力軸５ａ・５ａの回転数を減速させるとともに、推進電動機５・５から伝達された動力を、プロペラ３・３に伝達または遮断するものである。各減速機４は、変速機構１４と、クラッチ機構１５と、を有し、変速機構１４が動力伝達経路の下流側（プロペラ３側）に設けられ、クラッチ機構１５が動力伝達経路の上流側（推進電動機５側）に設けられる。

変速機構１４は、複数の減速ギヤにより構成され、複数段に変速可能とされる。クラッチ機構１５が「入」に操作されたときは、推進電動機５の出力軸５ａと、プロペラ３のプロペラ軸３ａと、が連動連結されて、動力が推進電動機５からプロペラ３に伝達される。クラッチ機構１５が「切」に操作されたときは、推進電動機５の出力軸５ａと、プロペラ３のプロペラ軸３ａと、の連結が解除されて、動力が推進電動機５からプロペラ３に伝達されず遮断される。これらの変速機構１４及びクラッチ機構１５は、油圧等によって駆動する油圧アクチュエータ１６によって操作が可能とされる。

推進電動機５・５は、プロペラ３・３を駆動させるものである。前記推進電動機５・５は、一定の定格電圧が印加されて、一定の回転数で駆動する誘導電動機とされる。このような誘導電動機を含む推進電動機５・５は、始動の際には、定常運転時の数倍の始動電流が流れるので、本実施形態では、始動電流を抑制するために、当該推進電動機５・５に対して始動装置２０が設けられる。推進電動機５・５は、そのロータ軸である出力軸５ａ・５ａが減速機４・４と連動連結される。なお、推進電動機５・５は、誘導電動機の他に、例えば、同期電動機等であってもよい。

電力供給装置６は、推進電動機５・５に電力を供給するものである。電力供給装置６は、配電盤７及び始動装置２０の始動回路２６を介して推進電動機５・５と接続される。電力供給装置６は、本実施形態では、三基の発電機関で構成される。ただし、発電機関の数は限定するものでない。各発電機関には、同期発電機１１と、この同期発電機１１を駆動させるディーゼルエンジン１２と、が備えられる。ディーゼルエンジン１２は、定速回転型のエンジンとされ、可変回転型のエンジンよりも制御が簡易でメンテナンスも容易とされる。同期発電機１１のロータ軸と、ディーゼルエンジン１２のクランク軸と、が連動連結される。また、電力供給装置６は、船内で使用する照明及び補機等の船内負荷にも電力を供給する構成とされる。

配電盤７は、電力供給装置６で作られた電力を、各負荷に対して供給または遮断するものである。配電盤７には、ＡＣＢ（Ａｉｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ）等の配線用遮断器１３が、各発電機の出力側及び各推進電動機５の入力側に設けられる。

操作盤８は、作業者が電気推進船を操作するためのものである。操作盤８は、始動及び運転制御を行う制御装置１００と接続され、この制御装置１００によってディーゼルエンジン１２を含む電気推進システム１全体が制御される。制御装置１００は、実態的にはＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェイス、バスなどで構成される。

このような電気推進システム１においては、作業者が操作盤８を操作して、制御装置１００により電力供給装置６のディーゼルエンジン１２・１２・１２を駆動して同期発電機１１・１１・１１で発電し、この発電された電力を、配電盤７を介して推進電動機５・５に供給する。そして、この供給された電力によって推進電動機５・５が駆動され、その出力軸５ａ・５ａの回転数が、減速機４・４の変速機構１４・１４で減速された後に、動力がプロペラ軸３ａ・３ａに伝達される。こうして、プロペラ３・３が駆動して、電気推進船が航走することとなる。

次に、始動装置２０の第一実施形態である始動装置２０Ａについて詳細に説明する。ただし、推進電動機５・５を始動する始動装置２０Ａ・２０Ａは、二つの推進装置２・２において同じ構成であるため、一方の推進装置２における始動装置２０Ａについてのみ説明する。

始動装置２０Ａは、推進電動機５に電力を供給した時に流れる始動電流を抑制するものである。始動装置２０Ａは、アクチュエータと、空気圧縮機２２と、エアタンク２３と、電磁弁２４と、連結機構２５と、始動回路２６と、回転数検知手段２７とを備える。

アクチュエータは、推進電動機５、詳しくは推進用電動機の出力軸５ａに対して動力を付与するものである。本実施形態においては、ディーゼルエンジン１２・１２・１２を始動するモータがエアモータ１８・１８・１８であることから、アクチュエータはエアモータとされる。つまり、アクチュエータは、これらのモータと空気圧縮機２２やエアタンク２３等の設備を兼用できるように、エアモータ２１とされる。こうして、推進電動機５の始動装置２０Ａにかかるコストの低減化が図られる。

エアモータ２１は、推進電動機５の近傍に配置される。エアモータ２１は、その出力軸２１ａが推進電動機５の出力軸５ａと連結機構２５を介して連結可能なように構成される。エアモータ２１は、その動力となる空気を得るため、オイラ、電磁弁２４、フィルタ、減圧弁等を介してエアタンク２３と接続される。エアタンク２３は、ドレン分離器や空気管を介して空気圧縮機２２と接続される。

また、エアタンク２３は、ディーゼルエンジン１２を始動するためのエアモータ１８と電磁弁１７を介して接続される。本実施形態においては、一つのエアタンク２３が、ディーゼルエンジン１２にかかる３つのエアモータ１８・１８・１８と、始動装置２０Ａにかかる２つのエアモータ２１・２１との合計５つのエアモータ１８・１８・１８・２１・２１に空気を供給する構成として設備の共用することで、電気推進システム１のコストの低減化が図られる。

電磁弁２４は、制御装置１００と接続される。電磁弁２４が「開」に操作されたときは、エアタンク２３からエアモータ２１に空気が供給されて、エアモータ２１は駆動する。電磁弁２４が「閉」に操作されたときは、エアタンク２３からエアモータ２１に空気が供給されず、エアモータ２１は停止する。

連結機構２５は、エアモータ２１の出力軸２１ａと、推進電動機５の出力軸５ａとを連結又は連結状態を解除するためのものである。連結機構２５は、例えば、電磁クラッチ、伝動軸、ギヤ等で構成される。連結機構２５は、制御装置１００と接続され、この制御装置１００により「入」又は「切」に操作される。連結機構２５が「入」に操作されたときは、エアモータ２１の出力軸２１ａと推進電動機５の出力軸５ａとが連結されて、この出力軸２１ａから出力軸５ａへ動力が伝達され、エアモータ２１から推進電動機５に動力が付与される。一方、連結機構２５が制御装置１００により「切」に操作されたときは、エアモータ２１の出力軸２１ａと推進電動機５の出力軸５ａとの連結状態が解除されて、この出力軸２１ａから出力軸５ａへの動力の伝達が遮断され、エアモータ２１から推進電動機５に動力が付与されない。

始動回路２６は、電力供給装置６から供給される電力を推進電動機５に対して供給又は遮断するものである。始動回路２６には、電磁開閉器や電磁接触器等の開閉器と、この開閉器を「閉」に維持する保持回路とが設けられる。開閉器の一次側（入力側）は、配電盤７の配線用遮断器１３と接続される。開閉器の二次側（出力側）は、推進電動機５と接続される。始動回路２６は、制御装置１００と接続され、この制御装置１００により「閉」又は「開」に操作される。開閉器が「閉」に操作されたときは、電力供給装置６と推進電動機５とが接続されて、電力が電力供給装置６から推進電動機５に供給される。一方、始動回路２６の開閉器が「開」に操作されたときは、電力供給装置６と推進電動機５との接続が解除されて、電力が電力供給装置６から推進電動機５に供給されない。

回転数検知手段２７は、推進電動機５の出力軸５ａの回転数Ｎを検知するものである。回転数検知手段２７は、例えば、非接触式の光センサーであり、推進電動機５の出力軸５ａに投光して、この出力軸５ａで反射された光を受光することで回転数を検知するように構成される。回転数検知手段２７は、制御装置１００と接続され、検知した回転数Ｎに対応する波形を制御装置１００に送信する。

このような始動装置２０Ａにおいて、図２に示すように、推進電動機５が駆動する前の初期状態（停止状態）では、始動回路２６は停止しており、開閉器が「開」となって、減速機４のクラッチ機構１５は「切」となる。すなわち、推進電動機５は、電力供給装置６から電力を供給されず、プロペラ３と連動連結されない。また、連結機構２５が「入」となって、推進電動機５の出力軸５ａとエアモータ２１とが連結されている。

そして、この状態から推進電動機５の始動が開始されるとき、作業者により操作盤８が始動操作され（Ｓ１）、その始動操作に基づいて制御装置１００からアクチュエータに始動命令が送信される。つまり、本実施形態においては、アクチュエータであるエアモータ２１の駆動を制御する電磁弁２４に「開」の命令が送信される（Ｓ２）。これにより、電磁弁２４が「開」となって、エアモータ２１が駆動し（Ｓ３）、推進電動機５の出力軸５ａがエアモータ２１から動力を付与されて回転を開始する（Ｓ４）。

次に、回転数検知手段２７で検知された推進電動機５の出力軸５ａの回転数Ｎが、あらかじめ設定された第１設定回転数（始動回転数）Ｎ１以上となった時に（Ｓ５）、制御装置１００からアクチュエータに停止命令が送信される。つまり、本実施形態においては、アクチュエータであるエアモータ２１の駆動を制御する電磁弁２４に「閉」の命令が送信される（Ｓ６）。これにより、電磁弁２４が「閉」となって、エアモータ２１が停止する（Ｓ７）。また、ステップＳ７においては、制御装置１００から連結機構２５に「切」の命令が送信される。これにより、連結機構２５が「切」となって、エアモータ２１の出力軸２１ａと推進電動機５の出力軸５ａとの連結状態が解除される。

そして、制御装置１００から始動回路２６に作動命令が送信される（Ｓ８）。これにより、始動回路２６が作動して開閉器が「閉」となり、電力の推進電動機５への供給が開始される（Ｓ９）。すなわち、電力供給装置６から推進電動機５に電力が供給されることになる。その結果、推進電動機５が駆動して、その出力軸５ａの回転数Ｎが、第一設定回転数Ｎ１からさらに上昇する（Ｓ１０）。

この給電開始時には、推進電動機５においては、出力軸５ａがエアモータ２１により付与された動力で回転しているため、この回転によって推進電動機５のステータコイルに起電力が誘起される。これにより、電力供給装置６から一定の電圧（定格電圧）が印加された場合であっても、このステータコイルに生じた電位によって、推進電動機５に印加される電圧が等価的に低くなる。すなわち、推進電動機５に電力供給装置６から定格電圧が印加された場合であっても、当該推進電動機５に流れる電流を低減することができる。

その後、回転数検知手段２７で検知された推進電動機５の出力軸５ａの回転数Ｎが、あらかじめ設定された第２設定回転数（定格回転数）Ｎ２に至った時又はＮ２に整定した時に（Ｓ１１）、制御装置１００から始動回路２６に始動制御の停止命令が送信される（Ｓ１２）。これにより、始動回路２６は停止するが、開閉器の「入」は保持回路によって保持されて、推進電動機５の給電は維持される（Ｓ１３）。すなわち、推進電動機５の回転数Ｎは、定格回転数を維持する。なお、前記第１設定回転数（始動回転数）Ｎ１は、第２設定回転数（定格回転数）Ｎ２よりも少し低い回転数である。

そして、制御装置１００からクラッチ機構１５に「入」となる命令が送信される。すなわち、減速機４の油圧アクチュエータ１６にクラッチ機構１５が「入」となる命令が送信される（Ｓ１４）。これにより、油圧アクチュエータ１６が駆動して、クラッチ機構１５が「入」に操作される（Ｓ１５）。その結果、プロペラ軸３ａに動力が伝達されて、プロペラ３が駆動することとなる。

次に、始動装置２０の第二実施形態である始動装置２０Ｂについて詳細に説明する。ただし、第一実施形態の始動装置２０Ａと異なる部分を中心に説明する。

図３に示すように、始動装置２０Ｂは、ディーゼルエンジン１２・１２・１２を始動するモータがセルモータ１９・１９・１９とされる場合に合わせて、アクチュエータがセルモータ２８とされる。始動装置２０Ｂは、セルモータ２８と、バッテリー２９と、連結機構２５と、始動回路２６と、回転数検知手段２７と、で主に構成される。

セルモータ２８は、推進電動機５、詳しくは推進用電動機の出力軸５ａに対して動力を付与するものである。セルモータ２８は、推進電動機５の近傍に配置される。セルモータ２８は、その出力軸２８ａが、推進電動機５の出力軸５ａと、連結機構２５を介して連結可能に構成される。なお、セルモータ２８を始動時において作動させるタイミング、及び停止させるタイミングは、前記エアモータ２１と同様に制御される。

バッテリー２９は、セルモータ１９・１９・１９と接続される。すなわち、バッテリー２９は、各ディーゼルエンジン１２を始動するために用いられる各セルモータ１９に電力を供給する構成とされ、セルモータ２８・２８を駆動する設備と、セルモータ１９・１９・１９を駆動する設備とを兼用することができるように構成される。なお、バッテリー２９は、ディーゼルエンジン１２に連結された同期発電機１１よって充電される構成とされる。

このような始動装置２０Ｂにおいて、図４に示すように、推進電動機５が駆動する前の初期状態（停止状態）では、始動回路２６が停止して開閉器が「開」となって、減速機４のクラッチ機構１５は「切」となる。すなわち、推進電動機５は、電力供給装置６から電力を供給されず、プロペラ３と連動連結されていない。また、連結機構２５が「入」となって、推進電動機５の出力軸５ａとセルモータ２８とが連結されている。

そして、この状態から推進電動機５の始動が開始されるとき、作業者により操作盤８が始動操作され（Ｓ１）、その始動操作に基づいて制御装置１００からアクチュエータに始動命令が送信される（Ｓ２）。つまり、本実施形態においては、セルモータ２８に始動命令が送信される（Ｓ２）。これにより、セルモータ２８が駆動し（Ｓ３）、推進電動機５の出力軸５ａがセルモータ２８から動力を付与されて回転を開始する（Ｓ４）。

次に、回転数検知手段２７で検知された推進電動機５の出力軸５ａの回転数Ｎが、あらかじめ設定された第１設定回転数（始動回転数）Ｎ１以上となった時に（Ｓ５）、制御装置１００からアクチュエータに停止命令が送信される（Ｓ６）。つまり、本実施形態においては、アクチュエータであるセルモータ２８に停止命令が送信される（Ｓ６）。これにより、セルモータ２８が停止する（Ｓ７）。ステップＳ７においては、制御装置１００から連結機構２５に「切」の命令が送信される。これにより、連結機構が「切」となって、セルモータ２８の出力軸２８ａと推進電動機５の出力軸５ａとの連結状態が解除される。以降は、第一実施形態の始動装置２０Ａと同様に制御される。

また、アクチュエータ（エアモータ２１またはセルモータ２８）は、減速機４の入力軸側から動力を付与することも可能である。例えば、図５に示す始動装置２０Ｃのように、エアモータ２１を減速機４に付設するとともに、エアモータ２１の出力軸２１ａと減速機４の入力軸４ａと、を連結機構２５によって連結又は連結状態を解除可能に構成し、動力を減速機４の入力軸側から付与する構成とする。また、図６に示す始動装置２０Ｄのように、セルモータ２８を減速機４に付設するとともに、セルモータ２８の出力軸２８ａと減速機４の入力軸４ａと、を連結機構２５によって連結又は連結状態を解除可能に構成し、動力を減速機４の入力軸側から付与する構成とする。

以上のように、第一実施形態及び第二実施形態にかかる電気推進システム１においては、プロペラ３を駆動する推進電動機５と、前記推進電動機５に電力を供給する電力供給装置６と、を備える電気推進船の電気推進システム１であって、前記推進電動機５に動力を付与するアクチュエータを設け、前記推進電動機５は、始動時には、前記アクチュエータの動力で設定した始動回転数Ｎ１まで回転させた後、前記電力供給装置から電力が供給されるものである。

これにより、始動時にアクチュエータにより出力軸５ａを回転させることで、始動電力を低減することができる。即ち、推進電動機５を始動させる時に、電力供給装置６から電力を供給して始動すると、始動電流が大きく、電力供給装置６はその始動電力に合わせた容量が必要となり、大型となってしまうが、電力供給装置６の電源容量を小さくすることができ、電力供給装置６にかかるコストを低減できる。また、電力供給装置６のディーゼルエンジン１２や同期発電機１１を別途制御することなく推進電動機５の始動電流を抑制することができる。

また、第一実施形態及び第二実施形態にかかる電気推進システム１においては、前記アクチュエータは、推進電動機５の出力軸５ａから動力を付与するものである。これにより、アクチュエータの始動トルクは小さくて済み、アクチュエータを小型化できる。また、エンジンの始動設備の近くに配置でき、接続が容易にできる。

また、第一実施形態にかかる電気推進システム１においては、前記アクチュエータは、エアモータ２１である。これにより、エアモータ１８で発電用のディーゼルエンジン１２・１２・１２を始動する仕様の場合、エンジン始動用のエアモータ１８の設備を、推進電動機始動用のエアモータ２１の設備に兼用することができる。これにより、既存の設備を流用してアクチュエータを駆動することができ、推進電動機５の始動装置２０Ａのコストを低減できる。

また、第二実施形態にかかる電気推進システム１においては、前記アクチュエータは、セルモータ２８である。これにより、セルモータ１９で発電用のディーゼルエンジン１２・１２・１２を始動する仕様の場合、エンジン始動用のセルモータ１９の設備を、推進電動機始動用のセルモータ２８の設備に兼用することができる。また、始動装置２０Ｂは簡易な設備とすることができ、推進電動機５の始動装置２０Ｂのコストを低減できる。また、セルモータ２８は、小型で始動トルクが大きく、推進電動機５の出力軸５ａを容易に回転させることができる。

また、別実施形態にかかる電気推進システム１においては、前記プロペラ３と前記推進電動機５との間に減速機４を設け、前記アクチュエータは、前記減速機４の入力軸側から動力を付与するものである。これにより、減速機４の入力軸側の空いた空間に容易にアクチュエータを配置することができる。

１ 電気推進システム
３ プロペラ
４ 減速機
６ 電力供給装置
７ 配電盤
８ 操作盤
１１ 同期発電機
１２ ディーゼルエンジン
１３ 配線用遮断器
１４ 変速機構
１５ クラッチ機構
１６ 油圧アクチュエータ
２０ 始動装置
２０Ａ 第一実施形態に係る始動装置
２０Ｂ 第二実施形態に係る始動装置
２１ エアモータ
２４ 電磁弁
２５ 連結機構
２６ 始動回路
２７ 回転数検知手段
２８ セルモータ
１００ 制御装置
Ｎ 回転数
Ｎ１ 第一設定回転数（始動回転数）
Ｎ２ 第二設定回転数（定格回転数）

Claims (1)

1. プロペラを駆動する推進電動機と、前記推進電動機に電力を供給する電力供給装置と、を備える電気推進船の電気推進システムにおいて、
   前記推進電動機に始動動力を付与するアクチュエータを設け、
   前記アクチュエータの始動動力を推進電動機の出力軸に対して付与する構成とした
   ことを特徴とする電気推進船の電気推進システム。

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