JP4857442B2 - ポッド型推進器 - Google Patents

Description

本発明は、船舶用のポッド型推進器に関する。

船舶における推進器として、最近では、船体から垂下するポッド本体に駆動機とこれにより回転するプロペラとを配したポッド型推進器が種々提案されている。このポッド型推進器は、ステアリング装置等の旋回手段によって船体に対して水平回転できるようにされている。従って、船体の推進器構造や舵構造を簡単にすることができるという利点がある。このため、最近の船舶では、このポッド型推進器が装備される傾向にある。

このようなポッド型推進器に収納される駆動機としては、ディーゼルエンジン等の機械式のものや電動機がある。しかし、機械式の駆動機の場合、出力を得るためには駆動機や、駆動機に接続される回転機構が複雑、かつ、大型となるので、ポッド型推進器に収納する駆動機としては不適である。そこで、ポッド型推進器に使用される駆動機としては、小型船舶や高速船舶にも使用でき、駆動機自身を小型化することができる電動機が使用されている。この場合、電動機をポッド本体内に収納することができるとともに、回転機構も簡略化することができる。

しかし、電動機を使用する場合、大電流を給電するためにはコイルを大型化する必要がある。
そのため、このような場合でも電動機を小型化するために、超電導コイルを有する超電導電動機を使用するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平４−３０４１５９号公報

ここで、超電導電動機には、超電導コイルを超電導状態に維持するために、これを冷却するための冷却器を設置する必要がある。また、冷却器と超電導電動機とを冷却配管によって接続する必要がある。
しかしながら、上記特許文献等には冷媒の具体的な供給方法については開示されていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、超電導電動機をポッド本体内に配した状態で、超電導電動機の超電導コイルを冷却するための冷媒を供給することができるポッド型推進器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ポッド型推進器に係る第１の解決手段として、船体に対して旋回可能に支持されるポッド本体と、該ポッド本体を旋回させる旋回手段と、超電導コイル及び該超電導コイルによって発生する磁界により回転する回転軸を有し前記ポッド本体内に配された超電導電動機と、前記回転軸に接続されたプロペラと、前記超電導電動機の超電導コイルを冷却する冷媒が充填された冷却器と、該冷却器と前記超電導電動機とをつなぐ冷却配管とを備えていることを特徴とする手段を採用する。

この手段は、電動機が超電導電動機なので、従来の電動機と同一の出力であっても容積を小型にすることができる。

ポッド型推進器に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、前記ポッド本体が、略回転楕円体形状からなるポッド型容器と、該ポッド型容器から延出され前記旋回手段と接続された筒状の連結部とを備えていることを特徴とする手段を採用する。
また、ポッド型推進器に係る第３の解決手段として、上記第２の手段において、前記冷却器が配設されて前記連結部に接続された旋回台を備えていることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、超電導コイルを冷却するために必須の冷却器がポッド本体と一緒に旋回するように配されているので、冷却器と超電導電動機とを接続する冷却配管自体に、旋回に対応するための機構を設ける必要がなく、より簡単な構成の冷却系を配することができる。

ポッド型推進器に係る第４の解決手段として、上記第２の手段において、前記冷却器が、前記ポッド型容器内に載置されていることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、冷却系をポッド型容器内のみで完結して配設することができる。従って、船体からポッド本体へは、超電導電動機及び冷却器を駆動するための電気系統のみを導設することができる。

ポッド型推進器に係る第５の解決手段として、上記第１又は第２の手段において、前記ポッド本体に、人が侵入可能な作業空間が配設されていることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、超電導電動機が小型なので、従来と同じ大きさのポッド本体であっても、内部に人間が作業可能な作業空間を設けることができる。従って、人間がポッド本体内の作業空間に入って検査やメンテナンス作業を行うことができる。

ポッド型推進器に係る第６の解決手段として、上記第２から第４に係る何れかの手段において、前記ポッド型容器の外径が、前記プロペラの外径の１／２以下であることを特徴とする手段を採用する。
この手段は、ポッド型容器の外径をプロペラの回転軸の取付部となるボス部の径に近づけることができる。従って、推進効率を大幅に向上することができる。

ポッド型推進器に係る第７の解決手段として、上記第１の手段において、前記冷却器に充填された冷媒が液体窒素であることを特徴とする。
このポッド型推進器は、液体窒素を冷媒とすることができ、液体ヘリウム等よりも冷媒を容易に取り扱うことができる。

ポッド型推進器に係る第８の解決手段として、上記第１から第７の手段において、前記超電導電動機が、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、前記回転軸が固定され、前記界磁コイルが形成するＮ極に対向するように配されたＮ極誘導子及び前記界磁コイルが形成するＳ極に対向するように配されたＳ極誘導子を有する回転子と、前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に対向して電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、前記界磁コイル及び前記電機子コイルが前記超電導コイルであることを特徴とする。
このポッド型推進器は、固定された界磁コイルと電機子コイルとに冷媒を供給すればよいので、冷却系の構成を簡略化することができ、超電導電動機の大きさを小型化することができる。

ポッド型推進器に係る第９の解決手段として、上記第８の手段において、前記冷却器が前記船体に載置され、前記冷却配管が、前記ポッド本体と前記冷却器とを相対移動可能に接続していることを特徴とする。
このポッド型推進器は、ポッド本体と冷却器とが相対移動とされているので、船体に対してポッド本体が回動しても、冷却配管を介して冷媒を超電導電動機に供給することができる。この際、超電導電動機の固定部分に冷却配管を接続すればよいので、冷却配管を簡単な構造にすることができる。

本発明によれば、ポッド本体内に配された超電導電動機の超電導コイルを冷却するための冷媒の取り扱いを安全、かつ、簡単に行うことができ、かつ、冷却系のメンテナンスを容易に行うことができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係るポッド型推進器１は、図１及び図２に示すように、船体２に対して旋回可能に支持されるポッド本体３と、ポッド本体３を船体２に対して旋回させる旋回モータ（旋回手段）５と、界磁コイル（超電導コイル）６及び電機子コイル（超電導コイル）７とこれらのコイルによって発生する磁界とにより回転する回転軸８を有してポッド本体３内に配された超電導電動機１１と、回転軸８に取り付けられたプロペラ１２と、界磁コイル６及び電機子コイル７を冷却する冷媒が充填された冷却器１３と、冷却器１３と超電導電動機１１とをつなぐ冷却配管１５と、冷却器１３が配設されてポッド本体３と接続された旋回台１６とを備えている。

ポッド本体３は、略回転楕円体形状からなり、内部に超電導電動機１１を配置するための空間１７Ａが形成されたポッド型容器１７と、ポッド型容器１７から径方向外方に延出され、旋回モータ５と接続された筒状の連結部１８とを備えている。
ポッド型容器１７の最大外径（Ｄ１）は、プロペラ１２の外径（Ｄ２）の略１／２となっている。

連結部１８の端部は、ポッド型容器１７を回転自在に支持して船体２の底部側に取り付けられる円環状に形成された取付部１８Ａと、中心部に貫通孔１８ａが設けられ、円盤状に形成されて旋回台１６を回転自在に支持する蓋部１８Ｂと、取付部１８Ａの内周面１８ｂに外周面１８ｃが回転自在に接続され旋回モータ５からの回転力が伝達される接続部１８Ｃとを備えている。取付部１８Ａと接続部１８Ｃとは、第一軸受部１８Ｄを介して接続され、蓋部１８Ｂと旋回台１６とは第二軸受部１８Ｅを介して接続されている。

旋回モータ５は、モータ回転軸５Ａを備えており、蓋部１８Ｂに形成された別の貫通孔１８ｄに挿通させた状態で蓋部１８Ｂに載置されている。接続部１８Ｃの内周面１８ｅはギア形状とされて、旋回モータ５のモータ回転軸５Ａに接続されたギア２０と噛合されている。

超電導電動機１１は、例えば、アキシャルギャップ構造のモータであって、Ｎ極及びＳ極が同心円上に形成される界磁コイル６が配された一対の界磁側固定子２２Ａ，２２Ｂと、回転軸８が固定され、界磁コイル６により形成されるＮ極に対向してＮ極誘導子２３及び界磁コイル６により形成されるＳ極に対向してＳ極誘導子２５がそれぞれ配されて、一対の界磁側固定子２２Ａ，２２Ｂの内側に配された一対の回転子２６Ａ，２６Ｂと、Ｎ極誘導子２３及びＳ極誘導子２５に対向して配された電機子コイル７を有して一対の回転子２６Ａ，２６Ｂ間に配された電機子側固定子２７とを備えている。なお超電導電動機は、例えば、界磁側固定子が円盤状に形成されて円筒状に形成された電機子側固定子に内嵌され、界磁側固定子と電機子側固定子とに囲まれて回転子が配されるようなラジアルギャップ構造のモータとしても構わない。

一対の界磁側固定子２２Ａ，２２Ｂは、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体からなり円盤状に形成されたヨーク２８と、円環状に形成されてヨーク２８に配され、界磁コイル６を収納して冷却する断熱冷媒容器３０とを備えている。界磁コイル６は、ビスマス系、イットリウム系といった超電導材で構成されており、ヨーク２８の互いに対向する側の面に、同心円上に所定の角度を空けて複数埋設されている。

一対の回転子２６Ａ，２６Ｂは、円盤形状でＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなり円盤状に形成された回転子本体３１を備えている。Ｎ極誘導子２３及びＳ極誘導子２５は、一端が回転子本体３１の一端面から露出して配され、界磁コイル６によって発生するＮ極及びＳ極にそれぞれ常に対向するように形成されている。また、Ｎ極誘導子２３及びＳ極誘導子２５の他端は、回転子本体３１の他端面から露出して配され、電機子コイル７に対向するように形成されている。そして、それぞれ回転子本体３１を貫通して形成され、例えば、回転軸８の配設位置を中心とする点対称位置に配されている。

電機子側固定子２７は、ＦＲＰやステンレス等の非磁性体からなり円盤状に形成された電機子本体３２と、電機子本体３２に同心円上に埋設されて電機子コイル７を収納する断熱冷媒容器３３とを備えている。電機子コイル７は、例えば、界磁コイル６と同じ同心円上に、一対の回転子２６Ａ，２６Ｂを挟んで対向する位置に配されている。なお、電機子コイル７の中空部には、発生する磁界に対して超電導状態を維持するための高透磁材料が配されている。

ポッド型推進器１を船体２に取り付ける場合には、一対の界磁側固定子２２Ａ，２２Ｂに配された界磁コイル６は、船体２内に設置された不図示の直流電源と直流電気配線３５を介して電気的に接続される。また、電機子側固定子２７に配された電機子コイル７は、船体２内に配された不図示の交流電源と交流電気配線３６を介して電気的に接続される。なお、回転軸８は、一対の界磁側固定子２２Ａ，２２Ｂや電機子側固定子２７に対しては回転自在に接続されている。従って、回転軸８の両端はいずれも出力軸となっている。プロペラ１２は推進方向側となる回転軸８の端部に、円錐形状のプロペラボス１２Ａにて接続されている。

冷却器１３は、液体窒素が充填された不図示のタンクと、タンクを冷却するためにタンクの周辺に配される不図示の液体ヘリウムコンプレッサーとを備え、冷却器１３と超電導電動機１１に配された断熱冷媒容器３０，３３とは、冷却配管１５によって固定接続されている。この冷却配管１５は、蓋部１８Ｂの貫通孔１８ａ及び連結部１８内を貫通して配されている。

旋回台１６は、連結部１８の内周面から延びて蓋部１８Ｂの貫通孔１８ａから船体２内となる外部に突出して取り付けられている。蓋部１８Ｂから外部に突出した部分には平面状の載置面１６ａが配されている。冷却器１３は旋回台１６の載置面１６ａに配されている。旋回台１６は、第二軸受部１８Ｅを介して蓋部１８Ｂの貫通孔１８ａに回転可能に接続されている。そのため、旋回モータ５によってポッド本体３が船体２に対して旋回したときには、冷却器１３もポッド本体３とともに船体２に対して旋回する。

次に、本実施形態に係るポッド型推進器１の作用・効果について説明する。
このポッド型推進器１を駆動する場合には、冷却器１３から冷却配管１５を介して冷媒を超電導電動機１１に供給・循環し、超電導電動機１１の断熱冷媒容器３０，３３を駆動して界磁コイル６及び電機子コイル７を冷却して超電導状態とする。そして、直流電源から界磁コイル６に直流電流を給電し、かつ、交流電源から電機子コイル７に交流電流を給電する。

この際、界磁コイル６の外周及び内周に磁極が発生し、Ｎ極誘導子２３及びＳ極誘導子２５の界磁側固定子２２Ａ，２２Ｂと対向する面から磁束が内部に導入され、電機子側固定子２７と対向する面に導入された磁束が現れる。この状態で電機子コイル７に三相交流を給電することにより、位相ズレによって電機子側固定子２７の軸線回りに回転磁界が発生する。従って、Ｎ極誘導子２３及びＳ極誘導子２５との間の電磁誘導力により、一対の回転子２６Ａ，２６Ｂが回転し、回転軸８が回転してプロペラ１２が回転する。

船体２の進行方向を変更する場合には、旋回モータ５を駆動して回転軸８に配されたギア２０を回転させる。このとき、ギア２０と噛合された連結部１８がギア２０の回転方向に回転する。従って、連結部１８とともにポッド本体３が船体２に対して旋回して進行方向が変更される。
一方、連結部１８の旋回にともない、連結部１８に接続された旋回台１６がポッド本体３と同一方向、かつ、同一速度で旋回する。このため、ポッド本体３が旋回しても、超電導電動機１１に対して冷却器１３が相対的に静止した状態が維持される。

このポッド型推進器１によれば、電動機が超電導電動機１１なので、従来の電動機と同一の出力であっても容積を小型にすることができる。ここで、超電導電動機１１が有する界磁コイル６及び電機子コイル７を冷却するための冷却器１３が、ポッド本体３と一緒に旋回する旋回台１６に載置されている。そのため、冷却器１３と超電導電動機１１とを接続する冷却配管１５自体に、旋回に対応するための機構を設ける必要がなく、簡単な構成の冷却系を配することができる。
従って、ポッド本体３内に配された超電導電動機１１の冷媒の取り扱いを安全、かつ、簡単に行うことができ、かつ、冷却系のメンテナンスを容易に行うことができる。

さらに、超電導電動機１１のコイルが、回転子側ではなくすべて固定子側に配されているので、界磁コイル６及び電機子コイル７を小型にすることができ、それに伴う冷却系も簡略化することができる。従って、従来の超電導電動機から得られる出力と同じ出力であってもより小型化することができる。そのため、プロペラ１２の所定の外径に対して、ポッド型容器１７の最大外径を１／２以下にすることができる。その結果、図３（ａ）（ｂ）に示すような従来のポッド型推進器に対して、図３（ｃ）（ｄ）に示すように、ポッド本体５の外径をプロペラボス１２Ａの外径に近づけることができ、推進効率を向上することができる。

次に、第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係るポッド型推進器４０の超電導電動機１１に必須の冷却器１３が、ポッド本体４１のポッド型容器４２内に配されているとした点である。

冷却配管１５も、ポッド型容器４２内にすべてが配される。従って、第１の実施形態における旋回台１６が不要となるため、連結部４３の蓋部４３Ｂには旋回台用の貫通孔がない。
プロペラ１２は、ポッド型容器４２の一端側に配され、冷却器１３が超電導電動機１１を挟んでポッド型容器４２の他端側に配されている。

このポッド型推進器４０によれば、冷媒の配管系統をポッド本体４１内のみで完結させることができる。従って、船体２からポッド本体４１へ導設される供給系統を、超電導電動機１１及び冷却器１３を駆動するためのそれぞれの電気系統のみとすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、超電導電動機一つに対して冷却器を一つとしているが、超電導電動機及びこれに対応する冷却系統を複数配しても構わない。この場合も、上述のように複数の冷却器を載置台或いはポッド本体内にそれぞれ配することができる。
また、捩れに耐え得るフレキシブルな冷却配管を採用した場合には、冷却器を船体に固定させてもよい。一方、冷却器が連結部の中間部に固定されていても構わない。

さらに、超電導電動機１１が小型なので、ポッド型容器内の超電導電動機１１を配置するための空間を拡充することができ、人間が作業できる作業空間を確保することができる。従って、人間がポッド本体内に入って、この作業空間を利用して検査やメンテナンス作業を行うことができる。

また、第１の実施形態に係るポッド型推進器１の旋回台１６の代わりに、図５に示すように、ポッド型推進器５０の旋回台５１が、蓋部１８Ｂと略同一の大きさに形成され、旋回モータ５よりも上方に突出した載置面５１ａを有するものとしてもよい。この場合、載置面５１ａには、冷却器１３だけでなく、ポッド本体３とともに回転させる必要のある部品を旋回台５１に載置することができる。

本発明の第１の実施形態に係るポッド型推進器を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るポッド型推進器を示す断面図である。 （ａ）従来のポッド型推進器を示す側面図、（ｂ）（ａ）図をＡ方向から見た背面図、（ｃ）本発明の第１の実施形態に係るポッド型推進器を示す側面図、（ｄ）（ｃ）図をＡ方向から見た背面図である。 本発明の第２の実施形態に係るポッド型推進器を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るポッド型推進器の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１，４０，５０ ポッド型推進器、３，４１ ポッド本体、５ 旋回モータ（旋回手段）、６ 界磁コイル（超電導コイル）、７ 電機子コイル（超電導コイル）、８ 回転軸、１１ 超電導電動機、１２ プロペラ、１３ 冷却器、１５ 冷却配管、１６，５１ 旋回台、１７，４２ ポッド型容器、１８，４３ 連結部、２２Ａ，２２Ｂ 界磁側固定子、２３ Ｎ極誘導子、２５ Ｓ極誘導子、２６Ａ，２６Ｂ 回転子、２７ 電機子側固定子

Claims (8)

1. 船体に対して旋回可能に支持されるポッド本体と、
   該ポッド本体を旋回させる旋回手段と、
   超電導コイル及び該超電導コイルによって発生する磁界により回転する回転軸を有し前記ポッド本体内に配された超電導電動機と、
   前記回転軸に接続されたプロペラと、
   前記超電導電動機の超電導コイルを冷却する冷媒が充填された冷却器と、
   該冷却器と前記超電導電動機とをつなぐ冷却配管とを備え、
   前記超電導電動機が、Ｎ極及びＳ極を形成する界磁コイルが配された界磁側固定子と、
   前記回転軸が固定され、前記界磁コイルが形成するＮ極に対向するように配されたＮ極誘導子及び前記界磁コイルが形成するＳ極に対向するように配されたＳ極誘導子を有する回転子と、
   前記Ｎ極誘導子及び前記Ｓ極誘導子に対向して電機子コイルが配された電機子側固定子とを備え、
   前記界磁コイル及び前記電機子コイルが前記超電導コイルであることを特徴とするポッド型推進器。
2. 前記ポッド本体が、略回転楕円体形状からなるポッド型容器と、
   該ポッド型容器から延出され前記旋回手段と接続された筒状の連結部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のポッド型推進器。
3. 前記冷却器が配設されて前記連結部に接続された旋回台を備えていることを特徴とする請求項２に記載のポッド型推進器。
4. 前記ポッド型容器内に前記冷却器が配されていることを特徴とする請求項２に記載のポッド型推進器。
5. 前記ポッド本体に、人が侵入可能な作業空間が配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のポッド型推進器。
6. 前記ポッド型容器の外径が、前記プロペラの外径の１／２以下であることを特徴とする請求項２から４の何れか一つに記載のポッド型推進器。
7. 前記冷却器に充填された冷媒が液体窒素であることを特徴とする請求項１に記載のポッド型推進器。
8. 前記冷却器が前記船体に載置され、
   前記冷却配管が、前記ポッド本体と前記冷却器とを相対移動可能に接続していることを特徴とする請求項１から７の何れか一つに記載のポッド型推進器。

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