特許 6113820 船舶推進装置の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6113820

(24)【登録日】2017年3月24日

(45)【発行日】2017年4月12日

(54)【発明の名称】船舶推進装置の制御装置

(51)【国際特許分類】

   B63J 99/00 20090101AFI20170403BHJP

   B63J 3/04 20060101ALI20170403BHJP

   B63H 21/17 20060101ALI20170403BHJP

   B63H 23/24 20060101ALI20170403BHJP

   H02P 9/04 20060101ALI20170403BHJP

【ＦＩ】

   B63J99/00 A

   B63J3/04

   B63H21/17

   B63H23/24

   H02P9/04 N

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-247518(P2015-247518)

(22)【出願日】2015年12月18日

(62)【分割の表示】特願2015-226851(P2015-226851)の分割

【原出願日】2012年2月13日

(65)【公開番号】特開2016-94193(P2016-94193A)

(43)【公開日】2016年5月26日

【審査請求日】2015年12月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】503116899

【氏名又は名称】新潟原動機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100067323

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 教光

(74)【代理人】

【識別番号】100124268

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 典行

(72)【発明者】

【氏名】古寺 正識

(72)【発明者】

【氏名】竹居 浩二

(72)【発明者】

【氏名】田代 信治

(72)【発明者】

【氏名】白石 浩一

(72)【発明者】

【氏名】樋口 和尚

(72)【発明者】

【氏名】山田 哲史

【審査官】 佐々木 芳枝

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−０７０２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６９６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０２３０８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６３Ｊ ９９／００

Ｂ６３Ｈ ２１／１７

Ｂ６３Ｈ ２３／２４

Ｂ６３Ｊ ３／０４

Ｈ０２Ｐ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロペラを駆動するモータと、船内負荷と前記モータに電力を供給する交流発電機と、前記モータに電力を供給する異なる電源とを備えた舶用推進装置に設けられ、前記モータに供給される電力を制御する舶用推進装置の制御装置において、
前記交流発電機の交流を直流に整流して前記モータに電力を供給するとともに前記異なる電源がカソード側に接続されたサイリスタと、
前記サイリスタのアノード側に設けられて前記サイリスタの入力電流を検出する電流センサとを有し、
前記電流センサが検出した入力電流が増加した時には前記サイリスタの点弧角を大きくし、前記電流センサが検出した入力電流が減少した時には前記サイリスタの点弧角を小さくするスロープ制御を行なうコントローラを備えたことを特徴とする舶用推進装置の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータを備えた舶用推進装置に係り、特に船内発電機と例えばバッテリ等の異なる電源からの供給電力の混合比調整を安定してできる舶用推進装置の制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

係る舶用推進装置においては、一般に、船内負荷とモータに電力を供給する交流発電機である船内発電機と、船内発電機からの交流を直流に変換した直流電源装置と、バッテリ等の直流電源装置がモータへ電力を供給するのを制御するコントローラ等から構成された電力供給系統を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平成５−５６６３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、このような舶用推進装置には、前記電力供給系統に関して次のような問題があった。
供給電力の混合比調整の問題
前述した舶用推進装置では、電力供給系統の電源として、前記船内発電機の他に異なる電源としてバッテリを備えている場合が多く、これら船内発電機とバッテリから安定した出力を得るために、供給される電力の混合比の調整を行なう必要があった。従来は、ＰＷＭコンバータで電力調整を行なっていたが、このＰＷＭコンバータはエネルギ変換効率が良好とはいえず、寸法も大きく、価格も高いという問題があった。

【0005】

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、モータを備えた舶用推進装置の制御装置において、船内発電機と異なる電源であるバッテリ等とからの供給電力の混合比調整を効果的に解決することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１に記載された舶用推進装置の制御装置は、
プロペラを駆動するモータと、船内負荷と前記モータに電力を供給する交流発電機と、前記モータに電力を供給する異なる電源とを備えた舶用推進装置に設けられ、前記モータに供給される電力を制御する舶用推進装置の制御装置において、
前記交流発電機の交流を直流に整流して前記モータに電力を供給するとともに前記異なる電源がカソード側に接続されたサイリスタと、
前記サイリスタのアノード側に設けられて前記サイリスタの入力電流を検出する電流センサとを有し、
前記電流センサが検出した入力電流が増加した時には前記サイリスタの点弧角を大きくし、前記電流センサが検出した入力電流が減少した時には前記サイリスタの点弧角を小さくするスロープ制御を行なうコントローラを備えたことを特徴としている。

【発明の効果】

【0007】

請求項１に記載された舶用推進装置の制御装置によれば、電流センサが検出した入力電流が増加するとサイリスタの点弧角を大きくし、電流センサが検出した入力電流が減少するとサイリスタの点弧角を小さくするスロープ制御をコントローラが行なう。従って、本制御装置が交流発電機以外にバッテリ等の異なる電源を有している場合に、両電源の電力の混合比の調整を適切に行なうことができ、安定した合成出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係る舶用推進装置と制御装置の構成示す機能ブロック図である。

【図2】実施形態の制御装置に利用されるサイリスタの点弧角と通電時間の関係を示す図である。

【図3】実施形態の制御装置に利用されるサイリスタの点弧角と出力電圧の関係を示す図である。

【図4】実施形態の制御装置における電源投入時の突入電流防止制御を示す流れ図である。

【図5】実施形態の制御装置におけるサイリスタによる電力制御を示す流れ図である。

【図6】実施形態の制御装置の電力制御における交流発電機の過負荷判定の手順を示す流れ図である。

【図7】実施形態の制御装置に利用されるサイリスタの入力電流と出力電圧の関係を示す図である。

【図8】実施形態の制御装置の適用対象例であるハイブリッド舶用推進装置としてのアジマススラスターの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施形態に係るハイブリッドタイプの舶用推進装置１とその制御装置２について図１乃至図７を参照して説明する。
まず、舶用推進装置１とその制御装置２の構成を図１乃至図３を参照して説明する。
図１に示すように、舶用推進装置１は、詳細は図示しない連動機構を介してアジマススラスター３のプロペラ４を駆動するモータ５と、クラッチ６及び連動機構を介してプロペラ４を駆動する主機関７と、船内負荷とモータ５に交流電流を供給する交流発電機８とを備えている。以上の構成によれば、クラッチ６を離脱させてモータ５単独で行なうモータ推進と、クラッチ６を嵌合させた状態で主機関７単独で行なう主機関７推進と、クラッチ６を嵌合させた状態で行う主機関７及びモータ５によるハイブリッド推進とを任意に切り替えて船舶を推進させることができる。なお、主機関推進の場合はモータ５は発電機として駆動されることとしてもよい。なお、この主機関７、モータ５、アジマススラスター３及びクラッチ６等の機構は一例であり、モータ５と主機関７の各単独推進及びハイブリッド推進が任意に選択可能な構造であればこれに限定されるものではない。

【0010】

図１に示すように、前記舶用推進装置には、舶用推進装置の各部を制御する制御装置２が設けられている。
交流発電機８の出力側には、交流を直流に整流するための半導体素子であるサイリスタ９のアノード側が接続されている。ここでサイリスタ９ (Thyristor)とは、主にゲートからカソードへゲート電流を流すことにより、アノードとカソード間を導通させることが出来る３端子の半導体素子であって、SCR （Silicon Controlled Rectifier、シリコン制御整流子）とも呼ばれている。サイリスタ９はコントローラ１０によって点弧角が任意に調整できるようになっており、図２に示すように、点弧角を変えることによってサイリスタ９に入力された交流電流を整流し、サイリスタ９から出力する直流電流の値を任意に調整することができる。例えば、点弧角を１８０度にした場合にはサイリスタ９から出力される電圧値をほぼ０にすることができ、点弧角を０度にした場合にはサイリスタ９はダイオードと等価となり、ほぼ損失なく直流電圧を出力することができる。従って、サイリスタ９の点弧角と出力電圧の間には図３に示すような関係が成立する。

【0011】

図１に示すように、サイリスタ９のカソード側には、サイリスタ９が出力する電力波形を平滑にする手段として平滑コンデンサ１１がグラウンドとの間に接続されている。さらにサイリスタ９のカソード側とモータ５との間には制御用のインバータ１２が接続されてコントローラ１０に制御されるようになっている。このインバータ１２は双方向タイプであり、コントローラ１０に制御される電圧変換器１３を介してバッテリ１４とも接続されている。従って、モータ推進時には、コントローラ１０の制御を受けたインバータ１２によって、サイリスタ９とバッテリ１４から供給される直流でモータ５が駆動される。また、主機関推進時には、発電機として駆動されているモータ５からの交流がインバータ１２で直流に変換されてバッテリ１４に蓄電される。

【0012】

図１に示すように、交流発電機８の出力側には電力負荷率センサ１５が接続されており、船内負荷（航海機器や電動ポンプ等）によって消費される電力と、モータ５で消費される電力の合計（総消費電力）を検出することができる。この電力負荷率センサ１５の検出信号はコントローラ１０に送られ、コントローラ１０はこの総消費電力が所定の制限値を越えた場合に、サイリスタ９の点弧角を１８０度にしてモータ５に供給される電力を減少させる電力制御を行なうように構成されている。

【0013】

図１に示すように、電力負荷率センサ１５とサイリスタ９のアノード側の間には、電流センサ１６が設けられている。サイリスタ９からの電力とバッテリ１４からの電力の合流点とインバータ１２との間には、サイリスタ９からの電流とバッテリ１４からの電流の合成の電圧を検出する電圧センサ１７が設けられている。電流センサ１６及び電圧センサ１７からの各検出信号は、いずれもコントローラ１０に送られるようになっている。コントローラ１０は、電力負荷率センサ１５が検出した消費電力が所定の制限値を越えない場合には、電圧センサ１７が検出した合成電圧を参照しながら、電流センサ１６が検出した入力電流が増加した場合にはサイリスタ９の点弧角を大きくし、電流センサ１６が検出した入力電流が減少した場合にはサイリスタ９の点弧角を小さくし、両電源の電力の混合比の調整を適切に設定して安定した合成出力を得るスロープ制御を行なうように構成されている。

【0014】

図１に示す制御装置２では、平滑コンデンサ１１の電圧は電圧センサ１７によって検出される。コントローラ１０は、電源投入時に平滑コンデンサ１１に流入する突入電流を制限するため、電源投入時にはサイリスタ９の点弧角をランプ関数によって１８０度から０度になるまで徐々に減少させ、サイリスタ９の出力電圧を徐々に上昇させていく突入電流防止制御を行なう。そして、電圧センサ１７が検出する平滑コンデンサ１１の電圧が所定の設定値を越えた場合には、平滑コンデンサ１１への充電が完了したものと判断して前述した電力制御を行ない、平滑コンデンサ１１の電圧が所定の設定値を越えない場合には、平滑コンデンサ１１の充電異常と判断するようになっている。

【0015】

コントローラ１０は、以上説明したようにモータ５の制御を行なうだけでなく、クラッチ６及び主機関７にも接続されていて、これらを制御するように構成されており、図示しない操縦手段からの操縦信号を受けて前述したようにモータ推進と、主機関推進と、ハイブリッド推進を任意に切り替えて船舶を推進させることができる。

【0016】

次に、制御装置２のコントローラ１０による舶用推進装置１の制御手順を図４乃至図７を参照して説明する。
図４は実施形態の制御装置２における電源投入時の突入電流防止制御の手順を示している。最初に電源が投入されると、まずリセット操作を行なう（Ｓ４１）。次にサイリスタ９の点弧角を１８０度にして平滑コンデンサ１１への突入電流を防止し（Ｓ４２）、その後、サイリスタ９の点弧角をランプ関数によって１８０度から０度まで徐々に減少させてサイリスタ９の出力電圧を徐々に上げていく（Ｓ４３）。これによって、平滑コンデンサ１１に突入電流が流入することなく、コンデンサに充電が行なわれる。そして、コンデンサの充電状態を確認するため、コンデンサの電圧が所定の設定値以下か否かが判断され（Ｓ４４）、設定値以下である場合（Ｓ４４、ＹＥＳ）には、コンデンサ充電異常処理が行なわれて（Ｓ４５）処理が終了される（Ｓ４６）。また、設定値以下でない場合（Ｓ４４、ＮＯ）には、コンデンサへの充電が完了したと判定され（Ｓ４７）、コンデンサの充電完了（Ｓ４８）を受けて通常処理（Ｓ４９）に移行する。

【0017】

図５は実施形態の制御装置２におけるサイリスタ９を用いた通常処理（Ｓ４９）である電力制御の手順を示している。通常処理（Ｓ４９）においては、まず電力負荷率判断処理（図６の判断手順）が行なわれる。

【0018】

図６は実施形態の制御装置２の電力制御における交流発電機８の過負荷判定の手順を示している。電力負荷率センサ１５からの検出信号により、船内消費電力とモータ５消費電力の合計が所定の制限値以上であるか否かが判断される（Ｓ６１）。船内消費電力とモータ５消費電力の合計が所定の制限値以上である場合（Ｓ６１、ＹＥＳ）には、交流発電機８が過負荷状態にあり（Ｓ６２）、交流発電機８が停止する危険性がある状態である。

【0019】

ここで、制御の手順は図５に戻り、交流発電機８が過負荷状態か否かの判断（Ｓ５２）は、図６の制御手順での判断を受けてＹＥＳとなり、サイリスタ９の点弧角を１８０度に設定する（Ｓ５３）。これによって、図３から分かるように、サイリスタ９の出力電圧は０Ｖになり、モータ５に供給される電力が絞られて交流発電機８の過負荷状態が改善される。これにより、ブラックアウト（船内発電機の停止）の発生が回避される。

【0020】

図６に示す交流発電機８の過負荷判定の手順において、船内消費電力とモータ５消費電力の合計が所定の制限値以上でない場合（Ｓ６１、ＮＯ）には、交流発電機８の負荷は通常負荷状態である（Ｓ６３）。

【0021】

ここで、制御の手順は図５に戻り、交流発電機８が過負荷状態か否かの判断（Ｓ５２）は、図６の制御手順での判断を受けてＮＯとなり、スロープ制御が行なわれる（Ｓ５４）。すなわち、電流センサ１６からの検出信号と、電圧センサ１７からの検出信号を元に判断を行い、電流センサ１６が検出した入力電流が増加した場合にはサイリスタ９の点弧角を大きくし、サイリスタ９の出力電圧を図７のグラフに示すように降下させる。また、電流センサ１６が検出した入力電流が減少した場合にはサイリスタ９の点弧角を小さくし、サイリスタ９の出力電圧を図７のグラフに示すように増加させる。これによって交流発電機８とバッテリ１４の電力の混合比が適切に調整されて安定した合成出力が得られる。このような制御をスロープ制御と呼ぶ。

【0022】

以上説明したように、本実施形態によればブラックアウト防止のためにブレーカ等の機器が不要となり、制御盤のサイズを小さくでき、コストを下げることができる。また、サイリスタ９に流れる電流をモニターしているため、平滑コンデンサ１１の容量を異なるのに変更した場合であっても、コントローラ１０のパラメータの変更だけで対応することが可能であり、また突入電流を防止するための回路を別途設ける必要もない。さらに、サイリスタ９の点弧角を制御することによってサイリスタ９の入力電流と出力電圧の関係を図７に示すように変化させることができ、この関係を利用して制御を行なうことで異なる電源（実施形態では交流発電機８とバッテリ１４）を突き合わせた場合でも電圧を安定させることができる。

【0023】

以上説明した実施形態に係る舶用推進装置の制御装置は、プロペラを駆動するモータと、クラッチを介してプロペラを駆動する主機関と、船内負荷とモータに交流電流を供給する交流発電機を備え、モータ推進とハイブリッド推進を切り替えて船舶を推進させる舶用推進装置に適用されるものであるが、その駆動系統の機構は図１に示したものに留まらず、あらゆる構造の舶用推進装置に適用されるものであって、例えば所謂アジマススラスタータイプのハイブリッド舶用推進装置に対しても好適に適用できる。

【0024】

そこで、実施形態の制御装置の適用対象の他の例として、アジマススラスタータイプのハイブリッド舶用推進装置の一例を図８を参照して説明する。
図８に示す舶用推進装置は、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。

【0025】

図８に示すように、この舶用推進装置５０を搭載した船舶５１の船尾には、舶用推進装置５０のアジマススラスター５２の基台部となる台床５３が、その底部に固定されている。この台床５３の上面側にはギアケース５４が取り付けられており、このギアケース５４の内部には、主機関５５に接続されて駆動力を伝達する水平な伝達軸５６と、伝達軸５６が入力側に接続されたクラッチ５７と、クラッチ５７の出力側に一端側が接続された水平な入力軸５８と、入力軸５８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５９が収納されている。

【0026】

さらに図８に示すように、台床５３の下面側には、船舶５１の下方で旋回可能となるようにストラット５８とケーシング５９が取り付けられている。ストラット５８及びケーシング５９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５３の上面に設けられたギアケース５４中の前記上部ベベルギア５９には、垂直軸６０の一端側（上端側）が連結されており、この垂直軸６０は台床５３及び船舶５１の船底を貫通してストラット５８及びケーシング５９内に配設されている。そして、前記垂直軸６０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６１を介して水平なプロペラ軸６２の一端側が連結されている。このプロペラ軸６２の他端側はケーシング５９の外に突出しており、ケーシング５９の外に突出したプロペラ軸６２の他端側にはプロペラ６３が取り付けられている。プロペラ６３は固定ピッチプロペラである。なお、ケーシング５９にはプロペラ６３を囲んで略円筒形のダクト６４が取り付けられている。

【0027】

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６５が、前記台床５３の上面側に台床５３と一体に取り付けられている。このモータジェネレータ６５は、カップリングを介して入力軸５８の他端側に直接接続されている。

【0028】

この舶用推進装置５０によれば、クラッチ５７を脱離状態とし、モータジェネレータ６５をモータとして駆動することによりプロペラ６３を駆動して船舶５１を推進するモータ推進を行なうことができ、さらに、クラッチ５７を接続状態とし、主機関５５による駆動を行いつつモータジェネレータ６５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６０を中心としてプロペラ軸６２及びプロペラ６３が設けられたケーシング５９を旋回させることにより、船舶５１の推進方向を任意に設定することができる。

【0029】

このハイブリッド推進システムでは、モータジェネレータ６５をモータとして使用することにより、主機関５５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５５は従来型推進システムよりも小出力でよい。また、主機関５５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５５からの出力が加わる伝達軸５６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。

【符号の説明】

【0030】

１，５０…船舶推進装置
２…制御装置
３…アジマススラスター
４…プロペラ
５…モータ
６…クラッチ
７…主機関
８…交流発電機
９…サイリスタ
１０…コントローラ
１１…平滑コンデンサ
１２…インバータ
１４…バッテリ
１５…電力負荷率センサ
１６…電流センサ
１７…電圧センサ
５１…船舶

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】