船舶用ハイブリッド推進装置
【課題】１つの推進レバーの操作で主機に駆動される可変ピッチプロペラと電動機で駆動される固定ピッチプロペラとの推進力の最適な分担が行え、かつ、船舶の運行時の燃費を向上することができる船舶用ハイブリッド推進装置を提供する。
【解決手段】主機１で可変ピッチプロペラ２を回転させる推進装置と、補機原動機１２で駆動される発電機１１で発電して電動機１４で固定ピッチプロペラを駆動させる電気推進装置とを備えた船舶用ハイブリッド推進装置において、１つの操作レバー５で主機１の回転速度基準および可変ピッチプロペラ２の角度を設定し、主機１の回転軸で検出された馬力から電動機１４の入力電力基準を決定し、この電動機１４の入力電力基準値と実際の入力電力が一致するように電力制御を行って電動機１４の回転速度を決定し、この決定された回転速度で固定ピッチプロペラ１５を駆動させる。
【解決手段】主機１で可変ピッチプロペラ２を回転させる推進装置と、補機原動機１２で駆動される発電機１１で発電して電動機１４で固定ピッチプロペラを駆動させる電気推進装置とを備えた船舶用ハイブリッド推進装置において、１つの操作レバー５で主機１の回転速度基準および可変ピッチプロペラ２の角度を設定し、主機１の回転軸で検出された馬力から電動機１４の入力電力基準を決定し、この電動機１４の入力電力基準値と実際の入力電力が一致するように電力制御を行って電動機１４の回転速度を決定し、この決定された回転速度で固定ピッチプロペラ１５を駆動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等の主機（原動機）で推進用プロペラを回転させる推進装置と、補機原動機で駆動される発電機で発電して電動機で推進用プロペラを駆動させる電気推進装置とを備えた船舶用ハイブリッド推進装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
推進用プロペラの推進効率を向上させるために、船体の船尾下部に二重反転型プロペラを設置した船舶がある（例えば、特許文献１参照）。
二重反転型プロペラは、推進方向側に配置された前プロペラと、推進方向と反対側に配置された後プロペラから成り、前プロペラと後プロペラを同一軸線上に配置し、後プロペラを前プロペラの回転方向と逆方向に回転させることで、前プロペラで生じる回転流のエネルギーを後プロペラで回収することができ、高い効率が得られる。
【０００３】
以下、図８の制御回路図を参照して二重反転型プロペラを駆動する従来の船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
先ず、主機で推進用プロペラを回転させる推進装置の構成から説明する。
【０００４】
１は主機原動機（以下、主機という）であり、２は主機１の主機軸８により直接駆動される可変ピッチプロペラである。３は後述する翼角設定器４から出力される翼角信号により前記可変ピッチプロペラ２の翼角を調整する変節装置である。
【０００５】
５は操船者によって操作（操縦）され、その操作されたときの位置信号を出力し、前記可変ピッチプロペラ２の推進力の方向および大きさの指令を主機１の制御系に対して出力する推進指令手段である。この推進指令手段としては、推進レバー（操縦桿）が一般的であるが、レバーに替えて操作パネル等の押しボタンであってもよい。以下、推進指令手段として推進レバーを説明する。
【０００６】
この推進レバー５は操作位置に対応した位置信号を回転速度設定器６および前記翼角設定器４に出力するように構成されている。回転速度設定器６は、入力した推進レバー５の位置信号に対応して主機１の回転速度基準を設定する。なお、この主機１に対する回転速度基準を後述する電動機側の回転速度基準と区別するために、第１の回転速度基準と呼ぶ。
【０００７】
７は回転速度設定器６の設定値と主機軸８に近接して設けた回転速度検出器９で検出された主機１の回転速度とを入力して偏差が零となるように制御演算を行い、その演算結果を燃料調節信号として出力する回転速度制御器である。１０はこの回転速度制御器７から出力された燃料調節信号に応じて主機１への燃料供給量を制御して主機１の回転速度を制御する主機燃料制御装置である。
【０００８】
一方、前記翼角設定器４は、入力した推進レバー５の位置信号に対応する翼角信号を前記変節装置３に出力する。したがって、可変ピッチプロペラ２は、推進レバー５の位置信号に応じて、主機１を介して回転速度が制御され、かつ、翼角設定器４を介して可変ピッチの翼角が制御されることによって推進力が制御されるようになっている。
【０００９】
次に、電動機により固定ピッチプロペラを駆動する電気推進装置の構成について説明する。
１１は補機原動機１２によって駆動される発電機であり、その出力はインバータ１３に供給される。１４は固定ピッチプロペラ１５を駆動する電動機であり、前記インバータ１３によって可変速駆動されるようになっている。なお、前記固定ピッチプロペラ１５は前記可変ピッチプロペラ２と対向して同一軸線上に配置されるとともに、二重反転型プロペラとしての効果を得るために、その回転方向を可変ピッチプロペラ２の回転方向とは逆に設定してある。
【００１０】
１６は電気推進装置の推進指令手段としての推進レバーであり、前記推進レバー５と同様に構成され、推進レバー１６の位置に対応した位置信号を回転速度設定器１７に出力する。この回転速度設定器１７は、入力した推進レバー１６の位置信号に対応して電動機１４の回転速度基準Ｎ＊を設定し、出力するように構成されている。なお、この電動機１４の回転速度基準Ｎ＊を便宜上第２の回転速度基準と呼ぶ。
【００１１】
１８は回転速度制御器であり、回転速度設定器１７から出力された第２の回転速度基準Ｎ＊と電動機軸１９に近接して設けた回転速度検出器２０で検出された電動機１４の回転速度Ｎとを入力し、回転速度基準Ｎ*と回転速度Ｎとが一致するように両信号の差を増幅して前記インバータ１３を制御するように構成されている。
【００１２】
以下、図８で示した従来の船舶用ハイブリッド推進装置の作用について説明する。
操船者は推進レバー５を操作することによって、そのレバーの位置に対応した位置信号すなわち、前進側のとき「正」、中立状態のとき「０」、後進側のとき「負」となる位置信号を出力している。翼角設定器４は推進レバー１６の位置信号に対応した翼角信号を出力し変節装置３により可変ピッチプロペラ２の翼角は調整されている。
【００１３】
このとき、回転速度設定器６から推進レバー５の位置信号に対応する回転速度設定値が回転速度制御器７に出力されるので、回転速度制御器７では推進レバー５の位置信号に対応する主機１の回転速度基準（第１の回転速度基準）と、回転速度検出器９により実測された主機１の回転速度との差が零になるように制御演算が行われて主機燃料制御装置１０に出力される。この主機燃料制御装置１０は、主機１ヘの燃料供給を制御することによって、主機１の回転速度を回転速度設定器６の回転速度設定値と等しくなるように制御されている。なお、上述した可変ピッチプロペラの制御に関する技術については、下記特許文献２に開示されている。
【００１４】
一方、電気推進装置側では、発電機１１は補機原動機１２により駆動され発電電力をインバータ１３に供給しているが、推進レバー１６は推進レバー５よりも遅れて操作されるので、推進レバー５が操作された時点では推進レバー１６はまだ操作されずに、中立状態「０」である。したがって、電動機１４はまだインバータ１３により可変速駆動されておらず、固定ピッチプロペラ１５はまだ回転駆動していない。
【００１５】
そして、主機１の馬力がある程度大きくなった時点で操船者が推進レバー１６を操作すると、回転速度設定器１７は推進レバー１６の位置信号に対応した電動機１４の回転速度基準Ｎ＊（第２の回転速度基準）を出力する。
【００１６】
回転速度設定器１７の特性は図９で示すようになっている。すなわち、入力した推進レバー１６の位置信号と出力される回転速度基準Ｎ＊との関係は、前進側の最大値Ｄ１から中立状態の０点を通って後進側の最大値−Ｄ１迄の間を直線的にＮ１から−Ｎ１まで変化するように設定されている。
【００１７】
回転速度制御器１８は回転速度設定器１７から出力された第２の回転速度基準Ｎ＊と、回転速度検出器２０から出力された回転速度Ｎとが一致するように両信号の差を増幅しインバータ１３を制御するので、電動機１４はこの回転速度基準Ｎ＊と一致する回転数で固定ピッチプロペラ１５を駆動する。
【００１８】
図１０は、従来例の船舶用ハイブリッド推進装置を運転する際のタイムチャートである。
時刻ｔ１において、操船者が推進レバー５を中立状態から前進側に操作することにより、推進レバー５の位置信号は「正」となり、主機１の馬力は図１０の特性Ａで示すように増加する。これにより、馬力に比例して可変ピッチプロペラ２が推進力を発生する。
【００１９】
次に、時刻ｔ１より遅れた時刻ｔ２で操船者が電気推進装置側の推進レバー１６を中立状態から前進側に操作すると、同図の特性Ｂで示すように時刻ｔ２から電動機１４の回転速度が上昇し、電動機１４の入力電力も増加する。電動機１４で駆動される固定ピッチプロペラ１５は、電動機１４の入力電力に比例して推進力を発生する。可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５が発生する推進力によって同図の特性Ｃに示すように船体を加速させる。
【００２０】
そして、操船者が推進レバー５および１６の位置を適切に制御することによって可変ピッチプロペラ２が発生する推進力と、固定ピッチプロペラ１５が発生する推進力とを適切な比率にし、可変ピッチプロペラ２によって発生した回転流のエネルギーを固定ピッチプロペラ１５で推進力に変換して二重反転型プロペラとして高い推進効率を得ることができる。ある程度船速が上昇した段階で、更に加速する場合は、例えば時刻t３において操船者が推進レバー５と推進レバー１６を更に前進側に操作して、位置信号を徐々に増加させ、船舶を加速させる。
【特許文献１】特開２００４-１８２０９６号公報
【特許文献２】特開２００４-３５９０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述した図８に示す従来の船舶用ハイブリッド推進装置において、可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５との推進力の分担比率には、二重反転型プロペラの最も推進効率の高い比率が存在するはずであるが、従来の船舶用ハイブリッド推進装置には、可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５の推進力の分担比率を自動的に適切に制御する装置が存在しなかったため、操船者が主機推進機側の推進レバー５および電気推進機側の推進レバー１６の操作を適切に行って推進力の分担比率の調整を行う必要があった。推進力の分担が適切な比率に調整されない場合は、高効率な運転を行うことができず、船舶運行時の燃費も悪化する問題があった。
【００２２】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、１つの推進レバーの操作によって可変ピッチプロペラの推進力と固定ピッチプロペラとの推進力との最適な分担を行い、船舶運行時の燃費を向上することのできる船舶用ハイブリッド推進装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る船舶用ハイブリッド推進装置は、推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、前記主機により回転駆動される可変ピッチプロペラと、前記可変ピッチプロペラの翼角を制御する第１の変節装置と、前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、前記可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する固定ピッチプロペラと、前記固定ピッチプロペラを駆動する電動機と、前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記電動機を可変速駆動するインバータと、前記インバータに電力を供給する電源と、前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、前記馬力検出器から出力された馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を第２の回転速度基準として出力する電力制御器と、前記電力制御器から出力された第２の回転速度基準と前記回転速度検出器から出力された回転速度信号とが一致するように両信号の偏差を制御信号として前記インバータに与える回転速度制御器と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項３に係る船舶用ハイブリッド推進装置の発明は、推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、前記主機により回転駆動される第１の可変ピッチプロペラと、前記第１の可変ピッチプロペラ２の翼角を制御する第１の変節装置と、前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、前記第１の可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該第１の可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する第２の可変ピッチプロペラと、前記第２の可変ピッチプロペラを駆動する電動機と、前記第２の可変ピッチプロペラの翼角を制御する第２の変節装置と、
前記電動機に電力を供給する交流電源と、前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、前記馬力検出器から出力される馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電力検出器から出力された電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を前記第２の変節装置に第１の翼角基準として出力する電力制御器と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
第１の発明に係る船舶用ハイブリッド推進装置によれば、主機で発生した馬力に応じて電動機の入力電力基準を決定し、この電動機の入力電力基準値と実際の入力電力が一致するように電動機の回転速度を決定するようにしたので、操船者は船舶の推進力を調節するために、１つの推進レバーのみを操作すればよく、主機による推進力と電動機による推進力のバランスがとれて二重反転型プロペラを効率的に運転することができ、船舶の運行にかかる燃費を向上させることができる。
【００２６】
また、第２の発明に係る船舶用ハイブリッド推進装置によれば、主機で発生した馬力に応じて電動機駆動の可変ピッチプロペラの翼角基準を決定し、電動機の入力電力基準値と実際の入力電力とが一致するように可変ピッチプロペラの翼角を決定するようにしたので、操船者は船舶の推進力を調節するために、１つの推進レバーのみを操作すればよく、主機による推進力と電動機による推進力のバランスがとれて二重反転型プロペラを効率的に運転することができ、船舶の運行にかかる燃費を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図を通じて同一部品には同一符号を付けることにより、重複する説明は割愛する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図、図２は、本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の関数回路の特性図、図３は本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の運転動作を示す特性図である。
【００２９】
まず、図１を参照して第１の実施形態の船舶用ハイブリッド推進装置の構成について説明する。
第１の実施形態が、図８の従来例と異なる部分は、従来２個使用していた推進指令手段である推進レバーを１個に集約して、主機１が発生する馬力に基づいて電動機１４の入力電力基準Ｐ＊を求め、この電動機入力電力基準Ｐ＊と実際に電動機１４に入力される電力Ｐとから電動機１４の速度を制御して固定ピッチプロペラ１５を駆動するようにし、唯一の推進レバーによる簡単な操作で主機１によって駆動される可変ピッチプロペラ２の推進力と、電動機によって駆動される固定ピッチプロペラ１５の推進力とに最適な分担比率をもたせるようにしたことにある。
【００３０】
このため、本実施形態では、従来電気推進装置側に設けられていた推進レバー１６および回転速度設定器１７を撤去し、その代わりに以下述べる要素を新たに備えるようにした。
まず、主機１が発生する馬力を検出するために、主機１と可変ピッチプロペラ２の間の主機軸８に馬力計２１を設け、さらに、この馬力計２１から入力した馬力信号の大きさに応じて予め電動機入力電力基準Ｐ＊を設定した関数回路２２を設けるようにした。
【００３１】
この関数回路２２は、二重反転型プロペラを効率的に運転するために、主機１の馬力から電動機１４に入力すべき電力値を決定する関数を図２のような一次関数として予め設定しており、入力した主機１の馬力信号に比例した電動機入力電力基準Ｐ＊を出力する。
【００３２】
なお、図２は主機１の馬力信号と電動機１４の入力電力とが比例関係にある場合を例に示したが、二重反転型プロペラを効率的に運転するための主機馬力と電動機入力電力との比率は二重反転型プロペラの総合出力によって異なることも考えられるので、最も効率的な比率を関数回路２２に設定すればよい。
【００３３】
また、実際に電動機１４に入力される電力Ｐを検出するために、電動機１４の入力電圧および入力電流をそれぞれ検出する変圧器２３および変流器２４を設け、これら変圧器２３および変流器２４の出力電気量に基づいて電動機の入力電力Ｐを演算する電力検出器２５を設けるようにした。
【００３４】
さらに、前記関数回路２２から出力された電動機入力電力基準Ｐ＊および前記電力検出器２５から出力された電動機の入力電力Ｐを入力し、電動機入力電力基準Ｐ＊から電動機の入力電力Ｐを減算して偏差を求める減算器２６と、この減算器２６から出力される偏差（Ｐ＊−Ｐ）を零にするために、例えばＰＩ演算を行ってその演算結果を電動機１４の回転速度基準Ｎ＊として出力する電力制御器２７とを設け、さらに、この回転速度基準Ｎ＊が電動機１４の定格回転速度以内になるように制限するリミッタ２８を設けるようにした。なお、電力制御器２７から出力される回転速度基準Ｎ＊を前述した回転速度設定器１７から出力される第２の回転速度基準と区別するために、便宜上第３の回転速度基準Ｎ＊と呼ぶ。
【００３５】
このリミッタ２８から出力された第３の回転速度基準Ｎ＊は、従来例と同様に、回転速度制御器１８に入力される。回転速度制御器１８は、リミッタ２８で制限された第３の回転速度基準Ｎ＊と実測した回転速度Ｎとの差をインバータ１３に入力する。
【００３６】
以下、第１の実施形態の動作を説明する。
本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を運転する際のタイムチャートの例を図３に示す。
時刻ｔ１において、操船者が推進レバー５を前進側に操作した場合、推進レバー５の位置信号は「正」となって、主機１の馬力は図３の特性Ａのように増加する。これにより、主機１の馬力に比例して主機１により駆動される可変ピッチプロペラ２が推進力を発生する。
【００３７】
一方、主機１の馬力が増加すると、その馬力信号を入力している関数回路２２から出力される電動機入力電力基準Ｐ＊も増加する（図３の特性Ｂ参照）。
電動機入力電力基準Ｐ＊が増加すると、第３の回転速度基準Ｎ＊が増加するので、インバータ１３はこの制限された第３の回転速度基準Ｎ＊と実測した回転速度Ｎとの差に基づいて電動機１４を駆動する。この結果、固定ピッチプロペラ１５を駆動する電動機１４の回転速度Ｎも上昇する（図３の特性Ｃ参照）。
【００３８】
電動機１４の回転速度Ｎが上昇すると、電動機入力電力Ｐも増加し、電動機の出力基準Ｐ＊に近づくこととなる。この結果、可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５の推進力が図３の特性Ｄで示すように船体を加速させる。ある程度船速が上昇した段階で、更に加速する場合は、操船者は例えば時刻ｔ3で推進レバー５を更に前進側に操作して、位置信号を徐々に増加させ、船舶を加速させる。
【００３９】
このように操船者が推進レバー５を操作した結果、主機１の馬力が変化し、二重反転型プロペラを効率的に運転できるように関数回路２２で予め定めた関数に従って、電動機１４の入力電力が制御される。
【００４０】
以上述べたように、本発明の第１の実施形態によれば、主機１の馬力の大きさに応じて予め設定した関数回路２２によって電動機１４の入力電力基準Ｐ＊を出力し、電動機１４の入力電力基準値Ｐ＊と実際の入力電力Ｐとを一致させるように制御を行って電動機１４の回転速度基準Ｎ＊を決定するようにしたので、操船者は船舶の推進力を調節するためには唯一の推進レバー５を操作すればよく、主機１による推進力と電動機１４による推進力との比率は、二重反転型プロペラにとって効率的な運転を行うことができる比率となる。
【００４１】
（第２の実施形態）
以下、図４を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図である。
以下、図４を参照して第２の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
【００４２】
第２の実施形態が第１の実施形態と構成上異なる部分は、図８で採用した回転速度設定器１７を設けるとともに、この回転速度設定器１７から出力された第２の回転速度基準あるいは前記電力制御器２７から出力された第３の回転速度基準のいずれか一方を選択し当該選択された方の回転速度基準を前記回転速度制御器１８に伝達する切替スイッチ２９と、推進レバー５の位置信号に応じてこの切替スイッチ２９に切替指令を与える切替回路３０とを設けたことにある。なお、切替スイッチ２９および切替回路３０を合せて切替手段と呼ぶ。
【００４３】
以下、第２の実施形態の動作を説明する。
回転速度設定器１７は推進レバー５の位置信号を入力し、電動機１４の回転速度基準Ｎ＊（第２の回転速度基準）を出力する。切替回路３０は、推進レバー５の位置信号が前進側の「正」または中立状態の「０」の場合には、切替スイッチ２９に対してリミッタ２８と回転速度制御器１８とを接続するように指令を出してリミッタ２８と回転速度制御器１８とを接続させ、リミッタ２８から出力される第３の回転速度基準Ｎ＊を回転速度制御器１８へ伝達させる。
【００４４】
一方、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合には、切替回路３０は切替スイッチ２９に対して回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続するように指令を出して回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続させ、回転速度設定器１７から出力される第２の回転速度基準Ｎ＊を回転速度制御器１８へ伝達させる。
【００４５】
切替スイッチ２９がリミッタ２８と回転速度制御器１８とを接続している場合は、回転速度制御器７、主機燃料制御装置１０、主機１、馬力計２１、電力制御器２７等からなる制御系に遅れ要素があるため、操船者の推進レバー５の操作に対して電動機１４ヘの回転速度基準Ｎ＊の応答は遅くなっている。
したがって、この状態で船舶が障害物を回避する際に後進操作を行った場合には、船舶速度の応答性が悪化する問題がある。
【００４６】
しかしながら、第２の実施形態では、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合、切替回路３０および切替スイッチ２９からなる切替手段の働きにより回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続させて前述した遅れ要素をバイパスして第２の回転速度基準Ｎ＊を回転速度制御器１８へ伝達させるようにしたので、推進レバー５の操作に対する電動機１４が発生する推進力の応答性が向上し、船舶の速度の応答性を向上させることができる。
【００４７】
以上述べたように、第２の実施形態によれば、船舶の前進航行時は第１の実施形態と同様に、主機による推進力と電動機による推進力の比率は効率的な運転を行うことができる比率となるとともに、非常時の後進操作時においては迅速に後進に移行することができる。また、主機１を停止した状態で、電動機１４による推進力のみで低速航行する場合、切替回路３０を動作させずに切替スイッチ２９を回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続する構成とすることにより、操船者が推進レバー５のみで電動機１４の回転速度を調節することができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
以下、図５を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図である。
以下、図５を参照して第３の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
【００４９】
第３の実施形態が第１の実施形態と構成上異なる部分は、第１の実施形態では電動機１４の回転速度を調節することによって固定ピッチプロペラ１５の推進力を調節する構成であることに対し、本実施形態では電動機１４の回転速度を制御せずにほぼ一定値にし、固定ピッチプロペラ１５に替えて設けた第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を調節することによって推進力を調節するように構成したことにある。
【００５０】
このため、第３の実施形態では、電動機１４で駆動される固定ピッチプロペラ１５を第２の可変ピッチプロペラ３１に置き換えるほか、インバータ１３、回転速度検出器２０、電力制御器２７、リミッタ２８、回転速度制御器１８を撤去し、代わりに電動機１４の電動機軸１９に第２の変節装置３２を設け、さらに減算器２６の後段に電力制御器２７、リミッタ２８に替わる別の電力制御器３３およびリミッタ３４を設け、発電機１１で直接電動機１４に電力を供給するようにした。
【００５１】
以下、第３の実施形態の動作を説明する。
発電機１１は補機原動機１２によってほぼ一定回転速度で駆動されているため、出力周波数はほぼ一定である。電動機１４はインバータを介さずに発電機１１から直接電圧を印加されるので、その回転速度はほぼ一定である。このときの電動機１４の入力電力Ｐは、電力検出器２５が変圧器２３および変流器２４から入力した電圧および電流に基づいて演算する。
第２の可変ピッチプロペラ３１は電動機軸１９を介して電動機１４によって回転駆動される。
【００５２】
本実施形態で設けた電力制御器３３は、例えばＰＩ制御器で構成され、関数回路２２の電力基準Ｐ＊から電力検出器２５の電動機入力電力Ｐを減算して得た偏差（Ｐ＊−Ｐ）を零にするための制御演算を行い、その演算結果を翼角信号としてリミッタ３４へ出力する。なお、電力制御器３３から出力された翼角信号を後述する翼角設定器３５から出力される翼角信号と区別するために、第１の翼角信号と呼ぶ。
【００５３】
リミッタ３４は電力制御器３３から出力された翼角信号を第２の変節装置３２の制御可能な範囲に制限して変節装置３２に出力する。第２の変節装置３２はこの翼角信号を受けて第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を調整する。
【００５４】
以上述べたように、第３の実施形態によれば、主機１の馬力から電動機１４の入力電力基準を決定し、電動機１４の入力電力基準値Ｐ＊と実際の入力電力Ｐが一致するように電力制御を行って第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を決定するようにしたので、操船者は推進力を調節するためには推進レバー５のみを操作すればよく、主機１による推進力と電動機１４による推進力の比率は効率的な運転を行うことができる比率となる。
【００５５】
（第４の実施形態）
以下、図６および図７を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図である。
以下、図６を参照して第４の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
【００５６】
第４の実施形態が第３の実施形態と構成上異なる部分は、推進レバー５の位置信号に応じて翼角基準を出力する翼角設定器３５と、第２の実施形態（図４）で採用した切替スイッチ２９および切替回路３０から成る切替手段とを設けるようにしたことにある。なお、翼角設定器３５から出力された翼角基準を第１の翼角基準と区別するために第２の翼角基準と呼ぶ。
【００５７】
以下、第４の実施形態の動作を説明する。
操船者が推進レバー５を操作すると、翼角設定器３５は推進レバー５の位置信号を入力し、第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角基準を出力する。
【００５８】
翼角設定器３５の特性は図７で示すように、入力した推進レバー５の位置信号と翼角基準の関係は、前進側の最大値Ｄ１から中立状態の０点を通って後進側の最大値−Ｄ１迄の間直線的にＷ１から−Ｗ１まで変化するように定められている。
【００５９】
切替回路３０は、第２の実施形態と同様に、推進レバー５の位置信号が前進側の「正」または中立状態の「０」の場合には、切替スイッチ２９をリミッタ３４に接続させることによって、リミッタ３４と第２の変節装置３２とを接続させ、リミッタ３４から出力される第１の翼角基準を第２の変節装置３２へ伝達させる。
【００６０】
一方、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合には、切替回路３０は切替スイッチ２９を翼角設定器３５に接続させることによって、翼角設定器３５と第２の変節装置３２を接続させ、翼角設定器３５から出力される第２の翼角基準を変節装置３２へ伝達させる。
【００６１】
切替スイッチ２９がリミッタ３４と変節装置３２を接続している場合は、操船者による推進レバー５の操作に対して回転速度制御器７、主機燃料制御装置１０、主機１、馬力計２１、電力制御器３３等の遅れ要素があるため、操船者の推進レバー５の操作に対して、第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角の応答が遅くなっている。
したがって、この状態で船舶が障害物を回避する場合などの後進操作を行った場合には、船舶の速度の応答性が悪化する問題がある。
【００６２】
しかしながら、第４の実施形態では、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合、切替回路３０および切替スイッチ２９からなる切替手段の働きにより翼角設定器３５と第２の変節装置３２とを接続させて前述した遅れ要素をバイパスして、第２の翼角基準を第２の変節装置３２へ伝達させるようにしたので、推進レバー５の操作に対する電動機１４が発生する推進力の応答性が向上し、船舶の速度の応答性を向上させることができる。
【００６３】
以上述べたように、第４の実施形態によれば、船舶の前進航行時は第３の実施形態と同様に、主機１による推進力と電動機１４による推進力の比率は効率的な運転を行うことができる比率となるとともに、非常時の後進操作時においては迅速に後進に移行することができる。
【００６４】
また、主機１を停止した状態で、電動機１４による推進力のみで低速航行する場合、切替回路３０を動作させずに切替スイッチ２９を翼角設定器３５と第２の変節装置３２を接続する構成とすることにより、操船者が推進レバー５のみで第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の関数回路の特性図。
【図３】本発明の第１の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の運転動作を示す特性図。
【図４】本発明の第２の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図５】本発明の第３の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図６】本発明の第４の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図７】本発明の第４の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の翼角設定器の特性図。
【図８】従来の船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図９】従来の船舶用ハイブリッド推進装置の回転速度設定器の特性図。
【図１０】従来の船舶用ハイブリッド推進装置の推進時の動作を示す特性図。
【符号の説明】
【００６６】
１…主機、２…可変ピッチプロペラ、３…第１の変節装置、４…翼角設定器、５…推進指令手段（推進レバー）、６…回転速度設定器、７…回転速度制御器、８…主機軸、９…回転速度検出器、１０…主機燃料制御装置、１１…発電機、１２…補機原動機、１３…インバータ、１４…電動機、１５…固定ピッチプロペラ、１７…回転速度設定器、１８…回転速度制御器、１９…電動機軸、２０…回転速度検出器、２１…馬力計、２２…関数回路、２３…変圧器、２４…変流器、２５…電力検出器、２６…減算器、２７…電力制御器、２８…リミッタ、２９…切替スイッチ、３０…切替回路、３１…第２の可変ピッチプロペラ、３２…第２の変節装置、３３…電力制御器、３４…リミッ夕、３５…翼角設定器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等の主機（原動機）で推進用プロペラを回転させる推進装置と、補機原動機で駆動される発電機で発電して電動機で推進用プロペラを駆動させる電気推進装置とを備えた船舶用ハイブリッド推進装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
推進用プロペラの推進効率を向上させるために、船体の船尾下部に二重反転型プロペラを設置した船舶がある（例えば、特許文献１参照）。
二重反転型プロペラは、推進方向側に配置された前プロペラと、推進方向と反対側に配置された後プロペラから成り、前プロペラと後プロペラを同一軸線上に配置し、後プロペラを前プロペラの回転方向と逆方向に回転させることで、前プロペラで生じる回転流のエネルギーを後プロペラで回収することができ、高い効率が得られる。
【０００３】
以下、図８の制御回路図を参照して二重反転型プロペラを駆動する従来の船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
先ず、主機で推進用プロペラを回転させる推進装置の構成から説明する。
【０００４】
１は主機原動機（以下、主機という）であり、２は主機１の主機軸８により直接駆動される可変ピッチプロペラである。３は後述する翼角設定器４から出力される翼角信号により前記可変ピッチプロペラ２の翼角を調整する変節装置である。
【０００５】
５は操船者によって操作（操縦）され、その操作されたときの位置信号を出力し、前記可変ピッチプロペラ２の推進力の方向および大きさの指令を主機１の制御系に対して出力する推進指令手段である。この推進指令手段としては、推進レバー（操縦桿）が一般的であるが、レバーに替えて操作パネル等の押しボタンであってもよい。以下、推進指令手段として推進レバーを説明する。
【０００６】
この推進レバー５は操作位置に対応した位置信号を回転速度設定器６および前記翼角設定器４に出力するように構成されている。回転速度設定器６は、入力した推進レバー５の位置信号に対応して主機１の回転速度基準を設定する。なお、この主機１に対する回転速度基準を後述する電動機側の回転速度基準と区別するために、第１の回転速度基準と呼ぶ。
【０００７】
７は回転速度設定器６の設定値と主機軸８に近接して設けた回転速度検出器９で検出された主機１の回転速度とを入力して偏差が零となるように制御演算を行い、その演算結果を燃料調節信号として出力する回転速度制御器である。１０はこの回転速度制御器７から出力された燃料調節信号に応じて主機１への燃料供給量を制御して主機１の回転速度を制御する主機燃料制御装置である。
【０００８】
一方、前記翼角設定器４は、入力した推進レバー５の位置信号に対応する翼角信号を前記変節装置３に出力する。したがって、可変ピッチプロペラ２は、推進レバー５の位置信号に応じて、主機１を介して回転速度が制御され、かつ、翼角設定器４を介して可変ピッチの翼角が制御されることによって推進力が制御されるようになっている。
【０００９】
次に、電動機により固定ピッチプロペラを駆動する電気推進装置の構成について説明する。
１１は補機原動機１２によって駆動される発電機であり、その出力はインバータ１３に供給される。１４は固定ピッチプロペラ１５を駆動する電動機であり、前記インバータ１３によって可変速駆動されるようになっている。なお、前記固定ピッチプロペラ１５は前記可変ピッチプロペラ２と対向して同一軸線上に配置されるとともに、二重反転型プロペラとしての効果を得るために、その回転方向を可変ピッチプロペラ２の回転方向とは逆に設定してある。
【００１０】
１６は電気推進装置の推進指令手段としての推進レバーであり、前記推進レバー５と同様に構成され、推進レバー１６の位置に対応した位置信号を回転速度設定器１７に出力する。この回転速度設定器１７は、入力した推進レバー１６の位置信号に対応して電動機１４の回転速度基準Ｎ＊を設定し、出力するように構成されている。なお、この電動機１４の回転速度基準Ｎ＊を便宜上第２の回転速度基準と呼ぶ。
【００１１】
１８は回転速度制御器であり、回転速度設定器１７から出力された第２の回転速度基準Ｎ＊と電動機軸１９に近接して設けた回転速度検出器２０で検出された電動機１４の回転速度Ｎとを入力し、回転速度基準Ｎ*と回転速度Ｎとが一致するように両信号の差を増幅して前記インバータ１３を制御するように構成されている。
【００１２】
以下、図８で示した従来の船舶用ハイブリッド推進装置の作用について説明する。
操船者は推進レバー５を操作することによって、そのレバーの位置に対応した位置信号すなわち、前進側のとき「正」、中立状態のとき「０」、後進側のとき「負」となる位置信号を出力している。翼角設定器４は推進レバー１６の位置信号に対応した翼角信号を出力し変節装置３により可変ピッチプロペラ２の翼角は調整されている。
【００１３】
このとき、回転速度設定器６から推進レバー５の位置信号に対応する回転速度設定値が回転速度制御器７に出力されるので、回転速度制御器７では推進レバー５の位置信号に対応する主機１の回転速度基準（第１の回転速度基準）と、回転速度検出器９により実測された主機１の回転速度との差が零になるように制御演算が行われて主機燃料制御装置１０に出力される。この主機燃料制御装置１０は、主機１ヘの燃料供給を制御することによって、主機１の回転速度を回転速度設定器６の回転速度設定値と等しくなるように制御されている。なお、上述した可変ピッチプロペラの制御に関する技術については、下記特許文献２に開示されている。
【００１４】
一方、電気推進装置側では、発電機１１は補機原動機１２により駆動され発電電力をインバータ１３に供給しているが、推進レバー１６は推進レバー５よりも遅れて操作されるので、推進レバー５が操作された時点では推進レバー１６はまだ操作されずに、中立状態「０」である。したがって、電動機１４はまだインバータ１３により可変速駆動されておらず、固定ピッチプロペラ１５はまだ回転駆動していない。
【００１５】
そして、主機１の馬力がある程度大きくなった時点で操船者が推進レバー１６を操作すると、回転速度設定器１７は推進レバー１６の位置信号に対応した電動機１４の回転速度基準Ｎ＊（第２の回転速度基準）を出力する。
【００１６】
回転速度設定器１７の特性は図９で示すようになっている。すなわち、入力した推進レバー１６の位置信号と出力される回転速度基準Ｎ＊との関係は、前進側の最大値Ｄ１から中立状態の０点を通って後進側の最大値−Ｄ１迄の間を直線的にＮ１から−Ｎ１まで変化するように設定されている。
【００１７】
回転速度制御器１８は回転速度設定器１７から出力された第２の回転速度基準Ｎ＊と、回転速度検出器２０から出力された回転速度Ｎとが一致するように両信号の差を増幅しインバータ１３を制御するので、電動機１４はこの回転速度基準Ｎ＊と一致する回転数で固定ピッチプロペラ１５を駆動する。
【００１８】
図１０は、従来例の船舶用ハイブリッド推進装置を運転する際のタイムチャートである。
時刻ｔ１において、操船者が推進レバー５を中立状態から前進側に操作することにより、推進レバー５の位置信号は「正」となり、主機１の馬力は図１０の特性Ａで示すように増加する。これにより、馬力に比例して可変ピッチプロペラ２が推進力を発生する。
【００１９】
次に、時刻ｔ１より遅れた時刻ｔ２で操船者が電気推進装置側の推進レバー１６を中立状態から前進側に操作すると、同図の特性Ｂで示すように時刻ｔ２から電動機１４の回転速度が上昇し、電動機１４の入力電力も増加する。電動機１４で駆動される固定ピッチプロペラ１５は、電動機１４の入力電力に比例して推進力を発生する。可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５が発生する推進力によって同図の特性Ｃに示すように船体を加速させる。
【００２０】
そして、操船者が推進レバー５および１６の位置を適切に制御することによって可変ピッチプロペラ２が発生する推進力と、固定ピッチプロペラ１５が発生する推進力とを適切な比率にし、可変ピッチプロペラ２によって発生した回転流のエネルギーを固定ピッチプロペラ１５で推進力に変換して二重反転型プロペラとして高い推進効率を得ることができる。ある程度船速が上昇した段階で、更に加速する場合は、例えば時刻t３において操船者が推進レバー５と推進レバー１６を更に前進側に操作して、位置信号を徐々に増加させ、船舶を加速させる。
【特許文献１】特開２００４-１８２０９６号公報
【特許文献２】特開２００４-３５９０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
前述した図８に示す従来の船舶用ハイブリッド推進装置において、可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５との推進力の分担比率には、二重反転型プロペラの最も推進効率の高い比率が存在するはずであるが、従来の船舶用ハイブリッド推進装置には、可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５の推進力の分担比率を自動的に適切に制御する装置が存在しなかったため、操船者が主機推進機側の推進レバー５および電気推進機側の推進レバー１６の操作を適切に行って推進力の分担比率の調整を行う必要があった。推進力の分担が適切な比率に調整されない場合は、高効率な運転を行うことができず、船舶運行時の燃費も悪化する問題があった。
【００２２】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、１つの推進レバーの操作によって可変ピッチプロペラの推進力と固定ピッチプロペラとの推進力との最適な分担を行い、船舶運行時の燃費を向上することのできる船舶用ハイブリッド推進装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る船舶用ハイブリッド推進装置は、推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、前記主機により回転駆動される可変ピッチプロペラと、前記可変ピッチプロペラの翼角を制御する第１の変節装置と、前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、前記可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する固定ピッチプロペラと、前記固定ピッチプロペラを駆動する電動機と、前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記電動機を可変速駆動するインバータと、前記インバータに電力を供給する電源と、前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、前記馬力検出器から出力された馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を第２の回転速度基準として出力する電力制御器と、前記電力制御器から出力された第２の回転速度基準と前記回転速度検出器から出力された回転速度信号とが一致するように両信号の偏差を制御信号として前記インバータに与える回転速度制御器と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項３に係る船舶用ハイブリッド推進装置の発明は、推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、前記主機により回転駆動される第１の可変ピッチプロペラと、前記第１の可変ピッチプロペラ２の翼角を制御する第１の変節装置と、前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、前記第１の可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該第１の可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する第２の可変ピッチプロペラと、前記第２の可変ピッチプロペラを駆動する電動機と、前記第２の可変ピッチプロペラの翼角を制御する第２の変節装置と、
前記電動機に電力を供給する交流電源と、前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、前記馬力検出器から出力される馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電力検出器から出力された電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を前記第２の変節装置に第１の翼角基準として出力する電力制御器と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
第１の発明に係る船舶用ハイブリッド推進装置によれば、主機で発生した馬力に応じて電動機の入力電力基準を決定し、この電動機の入力電力基準値と実際の入力電力が一致するように電動機の回転速度を決定するようにしたので、操船者は船舶の推進力を調節するために、１つの推進レバーのみを操作すればよく、主機による推進力と電動機による推進力のバランスがとれて二重反転型プロペラを効率的に運転することができ、船舶の運行にかかる燃費を向上させることができる。
【００２６】
また、第２の発明に係る船舶用ハイブリッド推進装置によれば、主機で発生した馬力に応じて電動機駆動の可変ピッチプロペラの翼角基準を決定し、電動機の入力電力基準値と実際の入力電力とが一致するように可変ピッチプロペラの翼角を決定するようにしたので、操船者は船舶の推進力を調節するために、１つの推進レバーのみを操作すればよく、主機による推進力と電動機による推進力のバランスがとれて二重反転型プロペラを効率的に運転することができ、船舶の運行にかかる燃費を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図を通じて同一部品には同一符号を付けることにより、重複する説明は割愛する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図、図２は、本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の関数回路の特性図、図３は本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の運転動作を示す特性図である。
【００２９】
まず、図１を参照して第１の実施形態の船舶用ハイブリッド推進装置の構成について説明する。
第１の実施形態が、図８の従来例と異なる部分は、従来２個使用していた推進指令手段である推進レバーを１個に集約して、主機１が発生する馬力に基づいて電動機１４の入力電力基準Ｐ＊を求め、この電動機入力電力基準Ｐ＊と実際に電動機１４に入力される電力Ｐとから電動機１４の速度を制御して固定ピッチプロペラ１５を駆動するようにし、唯一の推進レバーによる簡単な操作で主機１によって駆動される可変ピッチプロペラ２の推進力と、電動機によって駆動される固定ピッチプロペラ１５の推進力とに最適な分担比率をもたせるようにしたことにある。
【００３０】
このため、本実施形態では、従来電気推進装置側に設けられていた推進レバー１６および回転速度設定器１７を撤去し、その代わりに以下述べる要素を新たに備えるようにした。
まず、主機１が発生する馬力を検出するために、主機１と可変ピッチプロペラ２の間の主機軸８に馬力計２１を設け、さらに、この馬力計２１から入力した馬力信号の大きさに応じて予め電動機入力電力基準Ｐ＊を設定した関数回路２２を設けるようにした。
【００３１】
この関数回路２２は、二重反転型プロペラを効率的に運転するために、主機１の馬力から電動機１４に入力すべき電力値を決定する関数を図２のような一次関数として予め設定しており、入力した主機１の馬力信号に比例した電動機入力電力基準Ｐ＊を出力する。
【００３２】
なお、図２は主機１の馬力信号と電動機１４の入力電力とが比例関係にある場合を例に示したが、二重反転型プロペラを効率的に運転するための主機馬力と電動機入力電力との比率は二重反転型プロペラの総合出力によって異なることも考えられるので、最も効率的な比率を関数回路２２に設定すればよい。
【００３３】
また、実際に電動機１４に入力される電力Ｐを検出するために、電動機１４の入力電圧および入力電流をそれぞれ検出する変圧器２３および変流器２４を設け、これら変圧器２３および変流器２４の出力電気量に基づいて電動機の入力電力Ｐを演算する電力検出器２５を設けるようにした。
【００３４】
さらに、前記関数回路２２から出力された電動機入力電力基準Ｐ＊および前記電力検出器２５から出力された電動機の入力電力Ｐを入力し、電動機入力電力基準Ｐ＊から電動機の入力電力Ｐを減算して偏差を求める減算器２６と、この減算器２６から出力される偏差（Ｐ＊−Ｐ）を零にするために、例えばＰＩ演算を行ってその演算結果を電動機１４の回転速度基準Ｎ＊として出力する電力制御器２７とを設け、さらに、この回転速度基準Ｎ＊が電動機１４の定格回転速度以内になるように制限するリミッタ２８を設けるようにした。なお、電力制御器２７から出力される回転速度基準Ｎ＊を前述した回転速度設定器１７から出力される第２の回転速度基準と区別するために、便宜上第３の回転速度基準Ｎ＊と呼ぶ。
【００３５】
このリミッタ２８から出力された第３の回転速度基準Ｎ＊は、従来例と同様に、回転速度制御器１８に入力される。回転速度制御器１８は、リミッタ２８で制限された第３の回転速度基準Ｎ＊と実測した回転速度Ｎとの差をインバータ１３に入力する。
【００３６】
以下、第１の実施形態の動作を説明する。
本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を運転する際のタイムチャートの例を図３に示す。
時刻ｔ１において、操船者が推進レバー５を前進側に操作した場合、推進レバー５の位置信号は「正」となって、主機１の馬力は図３の特性Ａのように増加する。これにより、主機１の馬力に比例して主機１により駆動される可変ピッチプロペラ２が推進力を発生する。
【００３７】
一方、主機１の馬力が増加すると、その馬力信号を入力している関数回路２２から出力される電動機入力電力基準Ｐ＊も増加する（図３の特性Ｂ参照）。
電動機入力電力基準Ｐ＊が増加すると、第３の回転速度基準Ｎ＊が増加するので、インバータ１３はこの制限された第３の回転速度基準Ｎ＊と実測した回転速度Ｎとの差に基づいて電動機１４を駆動する。この結果、固定ピッチプロペラ１５を駆動する電動機１４の回転速度Ｎも上昇する（図３の特性Ｃ参照）。
【００３８】
電動機１４の回転速度Ｎが上昇すると、電動機入力電力Ｐも増加し、電動機の出力基準Ｐ＊に近づくこととなる。この結果、可変ピッチプロペラ２と固定ピッチプロペラ１５の推進力が図３の特性Ｄで示すように船体を加速させる。ある程度船速が上昇した段階で、更に加速する場合は、操船者は例えば時刻ｔ3で推進レバー５を更に前進側に操作して、位置信号を徐々に増加させ、船舶を加速させる。
【００３９】
このように操船者が推進レバー５を操作した結果、主機１の馬力が変化し、二重反転型プロペラを効率的に運転できるように関数回路２２で予め定めた関数に従って、電動機１４の入力電力が制御される。
【００４０】
以上述べたように、本発明の第１の実施形態によれば、主機１の馬力の大きさに応じて予め設定した関数回路２２によって電動機１４の入力電力基準Ｐ＊を出力し、電動機１４の入力電力基準値Ｐ＊と実際の入力電力Ｐとを一致させるように制御を行って電動機１４の回転速度基準Ｎ＊を決定するようにしたので、操船者は船舶の推進力を調節するためには唯一の推進レバー５を操作すればよく、主機１による推進力と電動機１４による推進力との比率は、二重反転型プロペラにとって効率的な運転を行うことができる比率となる。
【００４１】
（第２の実施形態）
以下、図４を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図である。
以下、図４を参照して第２の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
【００４２】
第２の実施形態が第１の実施形態と構成上異なる部分は、図８で採用した回転速度設定器１７を設けるとともに、この回転速度設定器１７から出力された第２の回転速度基準あるいは前記電力制御器２７から出力された第３の回転速度基準のいずれか一方を選択し当該選択された方の回転速度基準を前記回転速度制御器１８に伝達する切替スイッチ２９と、推進レバー５の位置信号に応じてこの切替スイッチ２９に切替指令を与える切替回路３０とを設けたことにある。なお、切替スイッチ２９および切替回路３０を合せて切替手段と呼ぶ。
【００４３】
以下、第２の実施形態の動作を説明する。
回転速度設定器１７は推進レバー５の位置信号を入力し、電動機１４の回転速度基準Ｎ＊（第２の回転速度基準）を出力する。切替回路３０は、推進レバー５の位置信号が前進側の「正」または中立状態の「０」の場合には、切替スイッチ２９に対してリミッタ２８と回転速度制御器１８とを接続するように指令を出してリミッタ２８と回転速度制御器１８とを接続させ、リミッタ２８から出力される第３の回転速度基準Ｎ＊を回転速度制御器１８へ伝達させる。
【００４４】
一方、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合には、切替回路３０は切替スイッチ２９に対して回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続するように指令を出して回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続させ、回転速度設定器１７から出力される第２の回転速度基準Ｎ＊を回転速度制御器１８へ伝達させる。
【００４５】
切替スイッチ２９がリミッタ２８と回転速度制御器１８とを接続している場合は、回転速度制御器７、主機燃料制御装置１０、主機１、馬力計２１、電力制御器２７等からなる制御系に遅れ要素があるため、操船者の推進レバー５の操作に対して電動機１４ヘの回転速度基準Ｎ＊の応答は遅くなっている。
したがって、この状態で船舶が障害物を回避する際に後進操作を行った場合には、船舶速度の応答性が悪化する問題がある。
【００４６】
しかしながら、第２の実施形態では、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合、切替回路３０および切替スイッチ２９からなる切替手段の働きにより回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続させて前述した遅れ要素をバイパスして第２の回転速度基準Ｎ＊を回転速度制御器１８へ伝達させるようにしたので、推進レバー５の操作に対する電動機１４が発生する推進力の応答性が向上し、船舶の速度の応答性を向上させることができる。
【００４７】
以上述べたように、第２の実施形態によれば、船舶の前進航行時は第１の実施形態と同様に、主機による推進力と電動機による推進力の比率は効率的な運転を行うことができる比率となるとともに、非常時の後進操作時においては迅速に後進に移行することができる。また、主機１を停止した状態で、電動機１４による推進力のみで低速航行する場合、切替回路３０を動作させずに切替スイッチ２９を回転速度設定器１７と回転速度制御器１８とを接続する構成とすることにより、操船者が推進レバー５のみで電動機１４の回転速度を調節することができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
以下、図５を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図である。
以下、図５を参照して第３の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
【００４９】
第３の実施形態が第１の実施形態と構成上異なる部分は、第１の実施形態では電動機１４の回転速度を調節することによって固定ピッチプロペラ１５の推進力を調節する構成であることに対し、本実施形態では電動機１４の回転速度を制御せずにほぼ一定値にし、固定ピッチプロペラ１５に替えて設けた第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を調節することによって推進力を調節するように構成したことにある。
【００５０】
このため、第３の実施形態では、電動機１４で駆動される固定ピッチプロペラ１５を第２の可変ピッチプロペラ３１に置き換えるほか、インバータ１３、回転速度検出器２０、電力制御器２７、リミッタ２８、回転速度制御器１８を撤去し、代わりに電動機１４の電動機軸１９に第２の変節装置３２を設け、さらに減算器２６の後段に電力制御器２７、リミッタ２８に替わる別の電力制御器３３およびリミッタ３４を設け、発電機１１で直接電動機１４に電力を供給するようにした。
【００５１】
以下、第３の実施形態の動作を説明する。
発電機１１は補機原動機１２によってほぼ一定回転速度で駆動されているため、出力周波数はほぼ一定である。電動機１４はインバータを介さずに発電機１１から直接電圧を印加されるので、その回転速度はほぼ一定である。このときの電動機１４の入力電力Ｐは、電力検出器２５が変圧器２３および変流器２４から入力した電圧および電流に基づいて演算する。
第２の可変ピッチプロペラ３１は電動機軸１９を介して電動機１４によって回転駆動される。
【００５２】
本実施形態で設けた電力制御器３３は、例えばＰＩ制御器で構成され、関数回路２２の電力基準Ｐ＊から電力検出器２５の電動機入力電力Ｐを減算して得た偏差（Ｐ＊−Ｐ）を零にするための制御演算を行い、その演算結果を翼角信号としてリミッタ３４へ出力する。なお、電力制御器３３から出力された翼角信号を後述する翼角設定器３５から出力される翼角信号と区別するために、第１の翼角信号と呼ぶ。
【００５３】
リミッタ３４は電力制御器３３から出力された翼角信号を第２の変節装置３２の制御可能な範囲に制限して変節装置３２に出力する。第２の変節装置３２はこの翼角信号を受けて第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を調整する。
【００５４】
以上述べたように、第３の実施形態によれば、主機１の馬力から電動機１４の入力電力基準を決定し、電動機１４の入力電力基準値Ｐ＊と実際の入力電力Ｐが一致するように電力制御を行って第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を決定するようにしたので、操船者は推進力を調節するためには推進レバー５のみを操作すればよく、主機１による推進力と電動機１４による推進力の比率は効率的な運転を行うことができる比率となる。
【００５５】
（第４の実施形態）
以下、図６および図７を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の構成例を示す図である。
以下、図６を参照して第４の実施形態による二重反転型プロペラを駆動する船舶用ハイブリッド推進装置について説明する。
【００５６】
第４の実施形態が第３の実施形態と構成上異なる部分は、推進レバー５の位置信号に応じて翼角基準を出力する翼角設定器３５と、第２の実施形態（図４）で採用した切替スイッチ２９および切替回路３０から成る切替手段とを設けるようにしたことにある。なお、翼角設定器３５から出力された翼角基準を第１の翼角基準と区別するために第２の翼角基準と呼ぶ。
【００５７】
以下、第４の実施形態の動作を説明する。
操船者が推進レバー５を操作すると、翼角設定器３５は推進レバー５の位置信号を入力し、第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角基準を出力する。
【００５８】
翼角設定器３５の特性は図７で示すように、入力した推進レバー５の位置信号と翼角基準の関係は、前進側の最大値Ｄ１から中立状態の０点を通って後進側の最大値−Ｄ１迄の間直線的にＷ１から−Ｗ１まで変化するように定められている。
【００５９】
切替回路３０は、第２の実施形態と同様に、推進レバー５の位置信号が前進側の「正」または中立状態の「０」の場合には、切替スイッチ２９をリミッタ３４に接続させることによって、リミッタ３４と第２の変節装置３２とを接続させ、リミッタ３４から出力される第１の翼角基準を第２の変節装置３２へ伝達させる。
【００６０】
一方、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合には、切替回路３０は切替スイッチ２９を翼角設定器３５に接続させることによって、翼角設定器３５と第２の変節装置３２を接続させ、翼角設定器３５から出力される第２の翼角基準を変節装置３２へ伝達させる。
【００６１】
切替スイッチ２９がリミッタ３４と変節装置３２を接続している場合は、操船者による推進レバー５の操作に対して回転速度制御器７、主機燃料制御装置１０、主機１、馬力計２１、電力制御器３３等の遅れ要素があるため、操船者の推進レバー５の操作に対して、第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角の応答が遅くなっている。
したがって、この状態で船舶が障害物を回避する場合などの後進操作を行った場合には、船舶の速度の応答性が悪化する問題がある。
【００６２】
しかしながら、第４の実施形態では、推進レバー５の位置信号が後進側の「負」である場合、切替回路３０および切替スイッチ２９からなる切替手段の働きにより翼角設定器３５と第２の変節装置３２とを接続させて前述した遅れ要素をバイパスして、第２の翼角基準を第２の変節装置３２へ伝達させるようにしたので、推進レバー５の操作に対する電動機１４が発生する推進力の応答性が向上し、船舶の速度の応答性を向上させることができる。
【００６３】
以上述べたように、第４の実施形態によれば、船舶の前進航行時は第３の実施形態と同様に、主機１による推進力と電動機１４による推進力の比率は効率的な運転を行うことができる比率となるとともに、非常時の後進操作時においては迅速に後進に移行することができる。
【００６４】
また、主機１を停止した状態で、電動機１４による推進力のみで低速航行する場合、切替回路３０を動作させずに切替スイッチ２９を翼角設定器３５と第２の変節装置３２を接続する構成とすることにより、操船者が推進レバー５のみで第２の可変ピッチプロペラ３１の翼角を調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の関数回路の特性図。
【図３】本発明の第１の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の運転動作を示す特性図。
【図４】本発明の第２の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図５】本発明の第３の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図６】本発明の第４の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図７】本発明の第４の実施形態による船舶用ハイブリッド推進装置の翼角設定器の特性図。
【図８】従来の船舶用ハイブリッド推進装置を示す構成図。
【図９】従来の船舶用ハイブリッド推進装置の回転速度設定器の特性図。
【図１０】従来の船舶用ハイブリッド推進装置の推進時の動作を示す特性図。
【符号の説明】
【００６６】
１…主機、２…可変ピッチプロペラ、３…第１の変節装置、４…翼角設定器、５…推進指令手段（推進レバー）、６…回転速度設定器、７…回転速度制御器、８…主機軸、９…回転速度検出器、１０…主機燃料制御装置、１１…発電機、１２…補機原動機、１３…インバータ、１４…電動機、１５…固定ピッチプロペラ、１７…回転速度設定器、１８…回転速度制御器、１９…電動機軸、２０…回転速度検出器、２１…馬力計、２２…関数回路、２３…変圧器、２４…変流器、２５…電力検出器、２６…減算器、２７…電力制御器、２８…リミッタ、２９…切替スイッチ、３０…切替回路、３１…第２の可変ピッチプロペラ、３２…第２の変節装置、３３…電力制御器、３４…リミッ夕、３５…翼角設定器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、
前記主機により回転駆動される可変ピッチプロペラと、
前記可変ピッチプロペラの翼角を制御する第１の変節装置と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、
前記可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する固定ピッチプロペラと、
前記固定ピッチプロペラを駆動する電動機と、
前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出器と、
前記電動機を可変速駆動するインバータと、
前記インバータに電力を供給する電源と、
前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、
前記馬力検出器から出力された馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、
前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、
前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を第２の回転速度基準として出力する電力制御器と、
前記電力制御器から出力された第２の回転速度基準と前記回転速度検出器から出力された回転速度信号とが一致するように両信号の偏差を制御信号として前記インバータに与える回転速度制御器と、
を備えたことを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【請求項２】
請求項１の船舶用ハイブリッド推進装置において、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記電動機の第３の回転速度基準を出力する回転速度設定器と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記電力制御器あるいは前記回転速度設定器のいずれか一方を選択し当該選択された方の回転速度基準を前記インバータに伝達する切替手段とを備え、
前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を前進させる信号である場合は、前記電力制御器を前記インバータの回転速度制御器に接続して前記第２の回転速度基準を前記インバータに伝達し、前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を後進させる位置信号である場合は、前記回転速度設定器を前記インバータの回転速度制御器に接続して前記第３の回転速度基準を前記インバータに伝達することを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【請求項３】
推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、
前記主機により回転駆動される第１の可変ピッチプロペラと、
前記第１の可変ピッチプロペラ２の翼角を制御する第１の変節装置と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、
前記第１の可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該第１の可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する第２の可変ピッチプロペラと、
前記第２の可変ピッチプロペラを駆動する電動機と、
前記第２の可変ピッチプロペラの翼角を制御する第２の変節装置と、
前記電動機に電力を供給する交流電源と、
前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、
前記馬力検出器から出力される馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、
前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、
前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電力検出器から出力された電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を前記第２の変節装置に第１の翼角基準として出力する電力制御器と、
を備えたことを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【請求項４】
請求項３の船舶用ハイブリッド推進装置において、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第２の可変ピッチプロペラの第２の翼角基準を出力する翼角設定器と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記電力制御器あるいは前記翼角設定器のいずれか一方を選択し当該選択された方の翼角基準を前記第２の変節装置に伝達する切替手段とを備え、
前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を前進させる信号である場合は、前記電力制御器を前記第２の変節装置に接続して前記第１の翼角基準を前記第２の変節装置に伝達し、前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を後進させる場合は、前記翼角設定器を前記第２の変節装置に接続して前記第２の翼角基準を前記第２の変節装置に伝達することを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【請求項１】
推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、
前記主機により回転駆動される可変ピッチプロペラと、
前記可変ピッチプロペラの翼角を制御する第１の変節装置と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、
前記可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する固定ピッチプロペラと、
前記固定ピッチプロペラを駆動する電動機と、
前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出器と、
前記電動機を可変速駆動するインバータと、
前記インバータに電力を供給する電源と、
前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、
前記馬力検出器から出力された馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、
前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、
前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を第２の回転速度基準として出力する電力制御器と、
前記電力制御器から出力された第２の回転速度基準と前記回転速度検出器から出力された回転速度信号とが一致するように両信号の偏差を制御信号として前記インバータに与える回転速度制御器と、
を備えたことを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【請求項２】
請求項１の船舶用ハイブリッド推進装置において、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記電動機の第３の回転速度基準を出力する回転速度設定器と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記電力制御器あるいは前記回転速度設定器のいずれか一方を選択し当該選択された方の回転速度基準を前記インバータに伝達する切替手段とを備え、
前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を前進させる信号である場合は、前記電力制御器を前記インバータの回転速度制御器に接続して前記第２の回転速度基準を前記インバータに伝達し、前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を後進させる位置信号である場合は、前記回転速度設定器を前記インバータの回転速度制御器に接続して前記第３の回転速度基準を前記インバータに伝達することを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【請求項３】
推進指令手段から出力される位置信号に基づいた第１の回転速度基準に従って回転速度が制御される主機と、
前記主機により回転駆動される第１の可変ピッチプロペラと、
前記第１の可変ピッチプロペラ２の翼角を制御する第１の変節装置と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第１の変節装置に翼角信号を与える翼角設定器と、
前記第１の可変ピッチプロペラと同一直線上に接近させて配置され、当該第１の可変ピッチプロペラとともに二重反転型プロペラを構成する第２の可変ピッチプロペラと、
前記第２の可変ピッチプロペラを駆動する電動機と、
前記第２の可変ピッチプロペラの翼角を制御する第２の変節装置と、
前記電動機に電力を供給する交流電源と、
前記主機が出力する馬力を検出する馬力検出器と、
前記馬力検出器から出力される馬力検出信号の増減に追従して増減するように設定された関数によって電動機入力電力基準を出力する関数回路と、
前記電動機の入力電力を検出する電力検出器と、
前記関数回路より出力された電動機入力電力基準と前記電力検出器から出力された電動機の入力電力との偏差を零にするように制御演算を行いその結果を前記第２の変節装置に第１の翼角基準として出力する電力制御器と、
を備えたことを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【請求項４】
請求項３の船舶用ハイブリッド推進装置において、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記第２の可変ピッチプロペラの第２の翼角基準を出力する翼角設定器と、
前記推進指令手段から出力される位置信号に基づいて前記電力制御器あるいは前記翼角設定器のいずれか一方を選択し当該選択された方の翼角基準を前記第２の変節装置に伝達する切替手段とを備え、
前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を前進させる信号である場合は、前記電力制御器を前記第２の変節装置に接続して前記第１の翼角基準を前記第２の変節装置に伝達し、前記推進指令手段から出力される位置信号が船舶を後進させる場合は、前記翼角設定器を前記第２の変節装置に接続して前記第２の翼角基準を前記第２の変節装置に伝達することを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１２５９８７（Ｐ２０１０−１２５９８７Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０２６９６（Ｐ２００８−３０２６９６）
【出願日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【出願人】（０００１９５９５９）西芝電機株式会社 (172)
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【出願人】（０００１９５９５９）西芝電機株式会社 (172)
[ Back to top ]