船舶推进方法及船舶用推进装置与流程

本发明涉及一种使用多个电动机的船舶推进方法及船舶用推进装置。

背景技术：

目前，作为用于拖航等作业船的船舶用推进装置提出了例如下述专利文献1至4所记载的船舶用推进装置。

专利文献1记载的用于船舶的混合动力驱动装置中，公开了船舶的内部配置有第一驱动电机和第二驱动电机。第一驱动电机表现为内燃机的形式，第二驱动电机为电力式。

另外，对于专利文献2公开的船舶用推进装置，作为不使用逆变器或可变螺距螺旋桨等的船舶用电力推进装置，包括内燃机、控制其旋转速度的发动机控制盘、发电机、电动机、减速器、固定于减速器输出轴的固定螺距螺旋浆。减速器可以任意在第一减速齿轮或者第二减速齿轮中切换旋转速度。

对于专利文献3以及专利文献4公开的船舶用推进装置，提议了在方位推进器等船舶用推进装置中，通过连接作为主发动机的内燃机以外的其他电动发电机，可以实现以下几种推进方式：通过电动发电机单体推进、通过主发动机单体推进、通过主发动机输出与作为助推器的电动发电机相结合的混合动力推进。

专利文献

专利文献1：特表2015-514615号公报

专利文献2：特开2014-80175号公报

专利文献3：专利第5107987号公报

专利文献4：国际公开第2011/021727号说明书

然而，在上述现有的混合动力型船舶用推进装置中，作为已知的技术，驱动螺旋桨这种方式是通过电动机驱动来实现电力推进的。通过电动机驱动的电力推进方式中，驱动固定螺距螺旋桨时，为了能够改变螺旋桨的转数，需要可变速控制电动机，因此需要逆变器控制。

但是，为了能够驱动螺旋桨的大输出的船内电源稳定，这种逆变器需要具有高次谐波控制应对盘，这种逆变器在市场上的流通量较少因此无法作为通用品来使用，由于是特殊订购品，因此价格极高，而且还需要高次谐波控制应对盘的设置空间。这就是对于螺旋桨和内燃机的轴直连方式的船舶用推进装置很少需要电力推进装置的重要原因。

另一方面，虽然专利文献2中记载的推进装置中提出了无需使用特殊逆变器的无逆变技术，但是这种装置需要在螺旋桨和电动机之间设置可变速齿轮，并且为了改变提供给电动机的频率，发电机的转数也需要可变。在这种系统的情况下，在改变可变速齿轮的瞬间，由于螺旋桨驱动动力中断而产生冲击，导致不良的乘坐感。这是汽车中手动挡汽车的情况下的换挡状态。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题而作出，其目的在于提供船舶推进方法及船舶用推进装置，具有以下特点：使用逆变器但占用空间较小，成本低，且能够对应螺旋桨输出实现有效的驱动控制和燃料消耗。

本发明中的船舶推进方法是通过使螺旋桨旋转来推进船舶的船舶推进方法，其特征在于，包括：螺旋桨的转数小于规定转数时，通过逆变器来控制副电动机的转数并传递至螺旋桨的过程；螺旋桨的转数大于等于规定转数时，通过滑动离合器来控制主电动机的转数并传递至螺旋桨的过程。

根据本发明，螺旋桨的输出小于规定转数时，通过逆变器控制来驱动小容量的副电动机旋转而使螺旋桨旋转，螺旋桨输出变成规定转数以上时，将驱动源从副电动机切换至主电动机，不使用逆变器控制主电动机的驱动旋转，由滑动离合器控制滑动程度来逐渐增加螺旋桨的转数逐渐。由此，因为从副电动机移向主电动机转变时螺旋桨旋转的驱动力不会中断，因此能够以稳定的螺旋桨输出进行控制和航行。而且，由于不使用作为驱动源的内燃机，且逆变器仅控制小容量副电动机的旋转，因此可以确保占用较小的空间。

在此，本发明中的滑动离合器对于传递旋转力的装置具有通过摩擦力或流体进行动力传递而能够使转数任意落入在规定范围内的功能。因此，滑动离合器也包括例如摩擦离合器或流体离合器、扭矩转换离合器。

此外，优选在通过逆变器来控制副电动机旋转并传递至螺旋桨时，保持滑动离合器处于切断状态。

螺旋桨转数为较小的低输出时，通过切断设置在主电动机下游处的滑动离合器，来减少副电动机的旋转驱动损耗，提高驱动效率。

此外，优选在通过逆变器来控制副电动机旋转并传递至螺旋桨时，可使相对于主电动机设置在滑动离合器的下游处的开闭离合器处于切断状态。

驱动副电动机时，通过切断开闭离合器，使设置在其上游处的主电动机的驱动系统中设置的滑动离合器、输入轴等轴不旋转，从而降低了副电动机的驱动损耗且提高了驱动效率，还能够降低燃料消耗量。

另外，本发明中的开闭离合器的目的不在于滑动操作下减速运行，而是在传递旋转的连接状态(开启状态)和不传递旋转的切断状态(闭合状态)的任意一种状态下运行。

此外，优选在通过滑动离合器将主电动机的旋转力传递至螺旋桨时，由逆变器来控制副电动机使其扭矩为零。

此时，在驱动主电动机旋转时，为了使逆变器向副电动机的输出指令设定成扭矩为零，使副电动机空转，从而能够抑制主电动机进行驱动旋转的效率降低。

此外，优选在从副电动机向主电动机切换螺旋桨的旋转时，使副电动机的旋转输出也传递至螺旋桨。

当螺旋桨转数达到预先设定的规定转数时，驱动源由副电动机变换成主电动机，此时，副电动机并不停止而是仅在规定时间内继续驱动旋转，进行扭矩助推并逐渐使驱动源变换成主电动机，从而在变换驱动源时，能够平稳地进行变换而不会产生冲击。因此，在螺旋桨的驱动力不会中断且螺旋桨的转数不会停滞的情况下，可保持稳定航行。

本发明中的船舶用推进装置通过使螺旋桨旋转来推进船舶，其特征在于，包括：副电动机，当螺旋桨的转数小于规定转数时，将旋转传递至螺旋桨；逆变器，控制副电动机的转数；主电动机，当螺旋桨的转数为规定转数以上时，将旋转传递至螺旋桨；滑动离合器，控制主电动机的转数并传递至螺旋桨；切换控制单元，当螺旋桨的转数为规定转数以上时，将螺旋桨旋转的驱动源从副电动机切换至主电动机。

根据本发明，螺旋桨的输出小于规定转数时，通过逆变器控制来驱动小容量的副电动机使螺旋桨旋转，在变成规定转数以上时，通过切换控制单元将驱动源从副电动机切换至主电动机，通过滑动离合器控制滑动程度等动力传递比例来驱动主电动机的旋转，使螺旋桨的转数进一步增大。因此，由于可以在螺旋桨旋转的驱动力不中断的情况下从副电动机变换成主电动机，能够稳定地进行螺旋桨输出控制和航行。

此外，可以在滑动离合器下游包括开闭离合器。

驱动副电动机时，通过切断开闭离合器，使旋转不会传递至设置在开闭离合器上游处的主电动机的驱动系统的滑动离合器等，从而降低了副电动机的驱动损耗，提高了驱动效率。

另外，开闭离合器也可以设置在减速器和滑动离合器之间。

此外，可包括减速器，用于降低副电动机的旋转和主电动机的旋转速度并传递至螺旋桨，滑动离合器可以设置于减速器的内部或者主电动机侧的外部。

在减速器和主电动机之间设置滑动离合器，根据滑动离合器的滑动程度来控制驱动主电动机的旋转并通过减速器传递至螺旋桨，从而可以实现由滑动离合器来控制螺旋桨的旋转。另外，在减速器内部设置滑动离合器时，可以省略滑动离合器的设置空间，从而达到节省空间。

另外，主电动机可以是感应电动机，副电动机可以是同步电动机。

发明效果

根据本发明提供的船舶推进方法和船舶用推进装置，螺旋桨的转数小于规定转数时，可以通过逆变器来控制副电动机的旋转并传递至螺旋桨使其旋转，螺旋桨的转数为规定转数以上时，将驱动源从副电动机切换至主电动机，可以通过滑动离合器控制主电动机的旋转使螺旋桨旋转，使得在不使用内燃机的情况下也能够控制螺旋桨的旋转。而且，由于通过逆变器来驱动控制的副电动机是低输出，且不需要特殊订购高价逆变器而使用通用品，因此也不需要用来保持船内电源稳定的高次谐波控制应对盘，从而是低成本，省空间。

并且，在螺旋桨输出尚未达到规定转数的阶段，使用较小容量的副电动机的驱动输出，在规定转数以上的阶段，通过滑动离合器控制来切换使用主电动机的驱动输出，从而减少螺旋桨输出损耗，可以进行有效的运行。

附图说明

图1是表示本发明实施方式中的船舶用推进装置的主要部分结构的图。

图2是表示图1所示的船舶用推进装置的螺旋桨驱动系统的局部放大图。

图3是表示对应副电动机和主电动机的各推进区域的螺旋桨转数和螺旋桨输出关系的曲线图。

图4是表示实施例、使用主电动机的比较例1与使用副电动机的比较例2的螺旋桨转数和螺旋桨输出关系的曲线图。

图5是表示本实施方式的第一变形例中的减速器和滑动离合器之间的连接结构的主要部分剖面图。

图6是表示本实施方式的第二变形例中的减速器和滑动离合器之间的连接结构的主要部分剖面图。

符号说明

1、1a、1b：船舶用推进装置

2：船舶

6：减速器

7：输入轴

8：开闭离合器

9：输入输出轴

20：螺旋桨

23：滑动离合器

24：逆变器

28：控制装置

m1：主电动机

m2：副电动机

具体实施方式

下面，结合附图1-4对本发明实施方式中的船舶用推进装置进行说明。

如图1以及图2所示的本发明实施方式中的船舶用推进装置1为以传递驱动力的垂直轴为中心使水平螺旋桨轴旋转并设定推进方向的方位推进器。在图1以及图2所示的船舶用推进装置1中，在搭载了船舶用推进装置1的船舶2的船尾，其底部固定有构成船舶用推进装置1的方位推进器3的基台部的台床4。

该台床4的上面设置有具有齿轮箱的减速器6，减速器6的内部设置有用于传递驱动力的水平的输入轴7、在驱动力的输入侧连接该输入轴7的开闭离合器8、一端连接开闭离合器8的输出侧的水平输入输出轴9。在减速器6的内部设置有与输入输出轴9的旋转方向垂直的方向上传递动力的上部锥齿轮10作为第1变向机构。

本实施方式中的船舶用推进装置1中，经由减速器6的输入轴7的一侧连接有具有与船舶2的螺旋桨输出相同容量的大容量主电动机m1，经由输入输出轴9的另一侧连接有小容量的副电动机m2。

本实施方式的船舶用推进装置1中，以行驶状态被分成低输出和高输出的作业船为例，通过切换作为驱动源的主电动机m1和副电动机m2来实现驱动控制。副电动机m2以低输出驱动后述的螺旋桨20，主电动机m1以高输出驱动螺旋桨20的方式进行高效率的切换运行。另外，根据螺旋桨的输出和作业船的行驶方法，可以任意选定副电动机m2的容量和副电动机m2与主电动机m1的切换时机。

在台床4的下侧以从船舶2的下方突出并可旋转的方式一体安装有中空的支柱13和壳体14。支柱13和壳体14可以通过图中未示出的旋转驱动机构旋转。在支柱13和壳体14内设置的大体垂直延伸的垂直轴15在其上端部与减速器6内的上部锥齿轮10相连结，下端部侧贯穿台床4及船舶2的船底并延伸至支柱13和壳体14的内部。

垂直轴15的下端部经由设于壳体14内的下部锥齿轮17与在水平方向上延伸的螺旋桨轴18的一端侧相连接。下部锥齿轮17构成第2变向机构。该螺旋桨轴18的另一端延伸至与壳体14相连结的大体圆筒状的管道19的内部，位于管道19内的螺旋桨18的另一端部安装有螺旋桨20。该螺旋桨20为固定螺距螺旋桨。

下面，针对连接于减速器6两端的船舶2的船舶用推进装置1的驱动机构进行说明。另外，在本说明书中，可以将从主电动机m1经由垂直轴15至螺旋桨20的动力传递方向作为主电动机m1的驱动系统的下游侧，反方向为上游侧。另外，同样，将从副电动机m2经由垂直轴15至螺旋桨20的动力传递方向作为副电动机m2的驱动系统的下游侧，反方向作为上游侧。

设置于船舶用推进装置1的主电动机m1的驱动系统中，在设于减速器6的输入输出轴9和输入轴7的连接部的开闭离合器(分离离合器)8的上游侧连接有作为驱动源的大容量主电动机m1。主电动机m1可以是例如感应电动机等。主电动机m1可以与例如内燃机等主发电机22电连接并为主电动机m1提供电力。通常情况下，主发电机22为主电动机m1提供商用频率的电力，主电动机m1在稳定状态下以与频率相应的一定速度旋转。

还可以设置多台主发电机22。主发电机22作为发电机整体需要具有可以启动主电动机m1的电力容量，但是与之相比，主电动机m1启动后运转所需的电力容量会变小，只驱动副电动机m2时，所需的电力容量变得更小。由于将大电力容量的发电机用于小负荷时会导致效率降低，因此如果包括多台主发电机22并根据电力容量需要使用所需台数的发电机，则效率会变得更好。另外，主发电机22为多台时，也可以组合电力容量不同的发电机。

主电动机m1和开闭离合器8之间，在输入轴7上连接有滑动离合器23。滑动离合器23由多枚离合器板叠层排列的湿式多板型离合器构成，通过每个离合器板的摩擦面之间相互挤压，可以使扭矩从离合器的一半被传递到另一半。而且，每个离合器板的摩擦面之间有常用油等润滑油。

然后，主电动机m1以一定转数驱动的同时由滑动离合器23来控制螺旋桨转数。滑动离合器23通过改变其连接状态的滑动控制在直连状态和滑动较少的高旋转状态与滑动较大的低旋转状态之间变换，能够进行加速或减速调整。

另外，船舶用推进装置1中设置的副电动机m2的驱动系统中，减速器6的输入输出轴9的上部锥齿轮10的上游侧连接有作为驱动源的小容量副电动机m2。副电动机m2例如是同步电动机。副电动机m2中连接有通用小型逆变器24，由控制装置28来控制。通过对应于作为控制对象的螺旋桨的转数的逆变器24来控制副电动机m2的扭矩，可以控制螺旋桨的速度。

在此，由于小容量副电动机m2具有通用逆变器24可对应的容量，因此副电动机m2即使是由逆变器驱动也能够设定为廉价系统。具体地，小容量通用逆变器24能够适当地设定适用马达输出，该适用马达输出例如为1200kw以下，优选560kw以下，更优选300kw以下。

逆变器24连接有电阻器25，副电动机m2在驱动时由于受到波浪的影响螺旋桨20一旦发生制动时会发电，这种情况下，电阻器25可以吸收所产生的电。另外，可以用蓄电池代替电阻器25与逆变器24相连接进行蓄电。这种情况下，副电动机m2驱动螺旋桨时还可以将蓄电池充电的电力提供给副电动机m2。

逆变器24与主发电机22电连接，可以在这个回路上连接噪声过滤器26。也可以在副电动机m2和输入输出轴9之间连接偶联器27。或者，出于安全方面的考虑，还可以用开闭离合器(分离离合器)代替偶联器27.

本实施方式中的船舶用推进装置1中，设置有切换副电动机m2的驱动和主电动机m1的驱动的控制装置28。用合适的计测器测定螺旋桨20的转数，螺旋桨20的转数小于预先设定好的规定转数r时，驱动小容量副电动机m2，螺旋桨20的转数为规定转数r以上时，将驱动源从副电动机m2切换至主电动机m1。

此外，螺旋桨20的规定转数r的值可以根据副电动机m2的容量、螺旋桨20的输出或作业船的行驶方法等来预先选定合适的值。

图3为示出船舶用推进装置1中的副电动机m2以及主电动机m1的各推进区域的控制切换点与螺旋桨转数及螺旋桨输出关系的曲线图。

如图3所示，从初期开始低输出的螺旋桨运转状态下，切断开闭离合器8，驱动副电动机m2提高螺旋桨的输出。一旦螺旋桨20的转数达到规定值r的控制切换点时，通过控制装置28检测并控制为将驱动源从副电动机m2切换至主电动机m1。

在驱动源的切换变换期间，即使转数超过r，副电动机也不会停止或断开而是继续将旋转传递给输入输出轴9并对主电动机m1进行扭矩助推，使驱动源逐渐变换成主电动机m1。只要螺旋桨转数从转数r的控制切换点上升至一定转数范围内，将驱动源从副电动机m2切换至主电动机m1即可。

驱动源完全变换成主电动机m1之后，虽然副电动机m2与螺旋桨20均利用主电动机m1旋转，但是副电动机m2由于扭矩控制，逆变器24向副电动机m2输出扭矩为0nm的指令，因此仅进行空转。

驱动源的控制切换点和切换完成的转数可以基于航行方法和驾驶员的意向而任意设定。由于滑动离合器23控制转数的同时切换主电动机m1和副电动机m2，从而对螺旋桨20的驱动力不会中断，因此螺旋桨转数不会停滞且可以没有不舒适感地进行平稳稳定的航行。

下面，通过图4对滑动离合器23有无时的螺旋桨输出损耗大小的计算例进行比较和讨论。图4中，不考虑各电动机和发电机的损耗，仅比较逆变器和滑动离合器的可变速装置的损耗。

图4中，作为实施例，以根据实施方式的船舶用推进装置1中的螺旋桨输出的低输出驱动副电动机m2，规定转数r以下将驱动源切换至主电动机m1。另外，在螺旋桨转数的全部范围(0％-100％)中，比较例1为仅通过主电动机m1进行驱动(称为滑动损耗)，比较例2为仅通过具有逆变器24的副电动机m2进行驱动(称为逆变器损耗)。

利用实施例、比较例1及比较例2，在螺旋桨转数从0％增大到100％时，对螺旋桨输出损耗变化进行试验。作为参考，基于实施例的螺旋桨输出变化表示为螺旋桨负荷。

比较例2中，螺旋桨输出损耗大约以5％推移。比较例1中，螺旋桨输出损耗呈平缓的山形变化，处于小于规定转数r的低旋转时，螺旋桨输出损耗超过10％，驱动主电动机m1的主发电机22的燃料消耗量变差。进而，逆变器控制由滑动离合器23响应良好，船舶操控性良好。

相对于此，在实施例中，因为螺旋桨转数达到控制切换时的规定转数r时，螺旋桨输出损耗与比较例2(逆变器损耗)一样以5％推移，由于螺旋桨输出损耗为5％左右，与比较例1(滑动损耗)相比较小，这部分的效率变好，主发电机22的燃料消耗量变好。

因此，螺旋桨输出增大时，螺旋桨转数一旦达到图3所示的控制切换点，驱动源从副电动机m2切换至主电动机m1，螺旋桨输出减小时，驱动源从主电动机m1切换至副电动机m2，在主发电装置22的燃料消耗量上有效。

本发明实施方式中的船舶用推进装置1具备上述结构，下面按照图1至图4来说明船舶推进方法。

本实施方式中的船舶用推进装置1在驱动开始时根据控制装置28的指示通过逆变器24控制副电动机m2，此时，切断开闭离合器8，使驱动力无法传递至滑动离合器23和主电动机m1。这时，主电动机m1虽然处于驱动状态，但是也可以处于停止状态。

因此，主电动机m1没有了驱动损耗，效率高。由逆变器24驱动控制的副电动机m2将低输出的旋转驱动力通过偶联器27传递至输入输出轴9和减速器6。然后，从减速器6内的上部锥齿轮10经由垂直轴15和下部锥齿轮17将驱动力传递至螺旋桨轴18，驱动螺旋桨20旋转。

之后，一旦螺旋桨转数变成控制切换值r以上，由控制装置28与开闭离合器连接，同时驱动源从副电动机m2切换至主电动机m1并驱动旋转。这样，主电动机m1的旋转驱动力通过滑动离合器23传递至输入轴7、开闭离合器8、输入输出轴9和减速器6，进一步，将动力从上部锥齿轮10传递至垂直轴15并以较高输出旋转驱动螺旋桨20。

进行定速旋转的主电动机m1通过滑动离合器23的滑动控制从滑动较大的低旋转变成滑动较小或者离合器处于直连状态的高旋转状态。滑动转数降低时，可以在反方向进行滑动控制并进行减速调整。

驱动源在进行切换移动时并不是马上就完成切换，而是过渡性地同时驱动旋转副电动机m2与主电动机m1并进行扭矩助推，随着转数上升驱动源逐渐变换成主电动机m1。然后，螺旋桨转数从控制切换点到上升至一定转数时，驱动源完全变换成主电动机m1。驱动源一旦完全变换成主电动机m1时，副电动机m2与螺旋桨20一起由主电动机m1进行旋转，副电动机m2变为扭矩控制，由于逆变器24输出的指令为0nm，因而进行空转。

此外，在减速驱动螺旋桨20进行旋转时，与上述情况相反进行驱动控制即可。

如上述一样，根据本实施方式的船舶用推进装置1及船舶推进方法，螺旋桨20的转数小于规定转数r时，由逆变器24控制副电动机m2的旋转并使螺旋桨20旋转，为规定转数r以上时，由滑动离合器23控制主电动机m1旋转并驱动螺旋桨20旋转，因此不使用内燃机的情况下也可以控制螺旋桨20旋转。

而且，由于逆变器24控制的副电动机m2为低输出、小容量，因此使用通用品即可而无需使用特殊订购的高价逆变器，也不需要用来保持船内电源稳定的高次谐波对应盘，不仅成本低还可以节省空间。

另外，使用两种电动机，在螺旋桨20为低输出的情况下，由逆变器控制驱动副电动机m2，在螺旋桨20为高输出时，不使用逆变器24，通过滑动离合器控制驱动主电动机m1，由于这种组合，螺旋桨20的驱动力不会中断而持续平稳的移动，可以实现稳定航行。而且，降低螺旋桨输出损耗而进行有效的运转，同时驱动两种电动机的主发电装置22的燃料消耗量也能够降低。

此外，在螺旋桨旋转为低转数驱动副电动机m2的阶段，由于减速器6内的开闭离合器8切断了来自主电动机m1的动力传递，因此也就无需向其上游侧的输入轴7或滑动离合器23传递旋转，从而减少驱动损耗，驱动效率变好。

之后，副电动机m2驱动时，由逆变器24进行扭矩控制从而驱动螺旋桨20，但是在波浪的影响下，螺旋桨20在制动作用下通过副电动机m2发电时，可以通过电阻器25来吸收电力。另外，如果用蓄电池代替电阻器25连接时，可以进行充电并向副电动机m2提供电力等再利用。

但是，本发明并不限定上述实施方式中的船舶用推进装置1及船舶推进方法，在不改变本发明的主旨范围内可进行适当的变更或替换等，这些均应包含在本发明内。接下来，针对本发明实施方式的变形例进行说明，与上述实施方式相同或相似的部分或部件用相同的符号进行说明。

本发明实施方式的第一变形例中的船舶用推进装置1a如图5所示。在第一变形例中，省略了位于主电动机m1的下游侧、减速器6内的开闭离合器8。在本第一变形例中，设于减速器6的上游侧的滑动离合器23兼备开闭离合器8的功能。

因此，螺旋桨20以低速旋转，副电动机m2进行驱动旋转时，切断滑动离合器23，可以阻止驱动传递至主电动机m1。

接下来，图6表示第二变形例中的船舶用推进装置1b。本第二变形例也省略了位于主电动机m1的下游侧、减速器6内的开闭离合器8。进而，减速器6内设有滑动离合器23，兼备开闭离合器8的功能。

因此，与第一变形例一样，在本第二变形例中，螺旋桨20以低速旋转，副电动机m2进行驱动旋转时，切断滑动离合器23，可以阻止驱动传递至主电动机m1。而且，因为滑动离合器23设置在减速器6的内部，因此减速器6的外部无需设有滑动离合器23的设置空间，更加节省空间。

此外，在上述实施方式中，主电动机驱动系统中，在主电动机m1的下游侧设置了滑动离合器23，但作为了滑动离合器23，可以采用例如摩擦离合器和流体离合器、扭矩转换离合器等。

此外，在副电动机m2驱动系统中，可以省略设置在副电动机m2和输入输出轴9之间的偶联器27、开闭离合器而直接连接。

工业实用性

本发明提供船舶用推进装置和船舶推进方法，所述船舶用推进装置和船舶推进方法具有使用逆变器但占用空间小、成本低、且能够对应螺旋桨输出实现有效的驱动控制和燃料消耗的优点。