JP6660512B1 - ハイブリッド推進船の運航方法及びハイブリッド推進船 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のモータ20でプロペラ回転を滑らかに上昇させてモータ推進からハイブリッド推進へ安定的に切り換える。【解決手段】ハイブリッド推進船１は主機関５とモータ20とスリップクラッチ７とプロペラを有する。プロペラの回転速度は、モータ単独駆動で到達できる第１回転速度よりも、主機関のアイドル回転速度の駆動による第２回転速度の方が大きい。第１段階：クラッチを離脱してプロペラが第１回転速度以下となるようにモータ単独で駆動する。第２段階：クラッチをスリップさせつつ主機関の動力を伝達してプロペラを第２回転速度まで上昇させる。第３段階：クラッチ直結でプロペラが第２回転速度以上となるよう主機関単独又は主機関とモータの両方で駆動する。【選択図】図２

Description

本発明は、主機関とモータによってプロペラを駆動するハイブリッド推進船と、その運航方法に係り、特に小型のモータでありながらプロペラの回転速度を滑らかに上昇させてモータ推進からハイブリッド推進への切り換えを安定して行うことができるハイブリッド推進船及びその運航方法に関するものである。

船舶のなかでも、特に曳舟のような作業船を主たる対象として、主に省エネルギー・環境対策の見地から、主機関とモータの双方によって船舶を推進するハイブリッド推進が検討され、実用化されている。

下記特許文献１には、モータ推進とハイブリッド推進の切り替えが可能な舶用推進装置の発明が開示されている。この舶用推進装置では、モータ推進におけるモータジェネレータ２０の回転速度と、ハイブリッド推進における主機関の回転速度は、増加率が相対的に大きいランプ関数で制御する。モータ推進からハイブリッド推進に切り替えるために、クラッチ７を嵌合させながらモータジェネレータ２０の回転速度及び主機関の回転速度を同期させて上昇させる際には、モータジェネレータ２０の回転速度及び主機関の回転速度を増加率が相対的に小さいランプ関数で制御する。この発明によれば、クラッチ嵌合動作中の切替え回転速度の上昇が緩やかになり、回転速度停滞が解消されて連続的で違和感のない動作モードの切り替えを行なえるという効果が得られる。

特開２０１３−１３２９６７号公報

上記特許文献１の図３には、同文献記載の舶用推進装置によるハイブリッド推進において、モータ推進領域とハイブリッド推進領域におけるプロペラ回転速度とプロペラ出力の関係が示されている。固定ピッチプロペラを用いた船舶では、プロペラを駆動するために必要となる出力は、おおよそプロペラの回転速度の三乗に比例するので、前記図３に示す特性は右上がりの三乗曲線で示され、一般に舶用三乗特性と呼ばれている。

上記特許文献１に開示されているような従来のハイブリッド推進船では、前記図３に示すように、主機関のアイドル回転速度に相当するプロペラ回転速度よりも大きい切替回転速度までモータ単独でプロペラを駆動し、主機関のアイドル回転速度よりも大きい切替回転速度でクラッチを嵌合して主機関の出力をプロペラに伝達し、主機関とモータの双方でプロペラを駆動するハイブリッド推進に移行している。このようにしてモータ推進とハイブリッド推進の切り替えを行うため、モータ及びこれに電力を供給する電源には、主機関のアイドル回転速度を上回る速度でプロペラを駆動できるレベルの容量が要求されることとなる。

一般に、ハイブリッド推進船では、周波数変換装置（慣用的にインバータという）を用いてモータの駆動及び制御を行うが、モータの出力が大きくなると、モータ及びインバータのサイズが大きくなり、設置スペースと設備費が増加するという問題が生じる。ハイブリッド推進方式の採用の適否を判断するに当たっては、主機関単独の推進方式に対するハイブリッド方式による燃料費の低減のメリットと、設備費（イニシャルコスト）の負担増というデメリットとの比較がなされるため、設備スペースだけでなく、設備費は技術の本質に関係する重要な問題となる。

また、船舶のハイブリッド推進の方式としては、ハイブリッドシステムの一部としてバッテリを採用し、余剰の電力を蓄えて必要時にモータの駆動に使用する手法がある。しかし、バッテリの寿命が有限であるという問題や、管理、スペース等の制約から、バッテリを採用せずに船内に設置された発電機関で駆動される発電機からの電力のみでモータの駆動を行うことに対して需要者の強い要望がある。この場合、船内の発電機によって船内の各種電力需要をまかなった上での残余分の電力で、インバータ及びモータを運転する必要があるため、インバータ及びモータの容量をより小さくしたいという課題が生じる。

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、小型のモータでありながらプロペラの回転速度を滑らかに上昇させてモータ推進からハイブリッド推進への切り換えを安定して行うことができるハイブリッド推進船及びその運航方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載されたハイブリッド推進船の運航方法は、
主機関と、モータと、その入力側に前記主機関が接続されたスリップクラッチと、前記スリップクラッチの出力側及び前記モータに接続されたプロペラとを有し、前記主機関と前記モータによって前記プロペラを駆動するハイブリッド推進船の運航方法であって、
前記モータ単独で前記プロペラを駆動した場合に到達可能なプロペラ回転速度を第１回転速度と称し、前記主機関がアイドル回転速度で前記プロペラを駆動した場合のプロペラ回転速度を第２回転速度と称する場合に、
前記第１回転速度＜前記第２回転速度とし、
前記スリップクラッチが離脱した状態でプロペラ回転速度が前記第１回転速度以下となるように前記モータ単独で前記プロペラを駆動する第１ステップと、
前記スリップクラッチをスリップさせながら前記主機関の動力を伝達することによりプロペラ回転速度を前記第１回転速度を越えて前記第２回転速度まで上昇させる第２ステップと、
前記スリップクラッチが直結した状態でプロペラ回転速度が前記第２回転速度以上となるように前記主機関単独または前記主機関と前記モータの両方によって前記プロペラを駆動する第３ステップと、
を有することを特徴としている。

請求項２に記載されたハイブリッド推進船の運航方法は、請求項１に記載のハイブリッド推進船の運航方法において、
前記第１ステップでは、前記主機関をアイドル回転速度に制御した状態又は停止させた状態で前記モータの回転速度の制御を行い、
前記第２ステップでは、前記主機関をアイドル回転速度に制御した状態で前記スリップクラッチの動力伝達率の制御と前記モータのトルク制御を行い、
前記第３ステップでは、前記主機関の回転速度の制御と前記モータのトルク制御を行うことを特徴としている。

請求項３に記載されたハイブリッド推進船の運航方法は、請求項１又は２に記載のハイブリッド推進船の運航方法において、
前記ハイブリッド推進船は、発電機関と前記発電機関により駆動されて船内に電力を供給する発電機を備え、
前記モータを駆動する電力は、前記発電機から供給可能な電力以下であることを特徴としている。

請求項４に記載されたハイブリッド推進船は、
主機関と、モータと、その入力側に前記主機関が接続されたスリップクラッチと、前記スリップクラッチの出力側及び前記モータに接続されたプロペラと、前記プロペラの目標回転速度が設定される操船装置と、前記操船装置の設定に応じて前記スリップクラッチと前記主機関と前記モータの制御を行う制御装置と、
を備えたハイブリッド推進船であって、
前記モータ単独で前記プロペラを駆動した場合に到達可能なプロペラ回転速度を第１回転速度と称し、前記主機関がアイドル回転速度で前記プロペラを駆動した場合のプロペラ回転速度を第２回転速度と称する場合に、前記第１回転速度＜前記第２回転速度であり、
前記制御装置は、プロペラ回転速度を前記目標回転速度に一致させるべく、
前記目標回転速度≦前記第１回転速度の場合は、前記スリップクラッチを離脱して前記モータの回転速度を制御し、
前記第１回転速度＜前記目標回転速度＜前記第２回転速度の場合は、前記モータのトルクを制御するとともに前記スリップクラッチの動力伝達率を制御し、
前記第２回転速度≦前記目標回転速度の場合は、前記モータのトルクを制御するとともに、前記スリップクラッチを直結して前記主機関の回転速度の制御を行うことを特徴としている。
なお、請求項４の発明における操船装置には、手動で操作する操作レバーの他、プログラムにより自動的に目標回転速度を設定する自動操縦装置等も含まれる。

なお、本願各請求項の発明におけるモータとは、少なくとも電力により駆動されて動力を発生する機能を備えた駆動源を意味するが、必要によりエネルギーの回生も可能な発電機としても機能するモータジェネレータも含む。また、主機関とは、ディーゼルエンジンに代表される内燃機関を意味する。

請求項１に係る発明によれば、まず、モータ単独でプロペラを駆動した場合に到達可能なプロペラ回転速度を、主機関がアイドル回転速度でプロペラを駆動した場合のプロペラ回転速度よりも低く設定したので、モータおよびこれに電力を供給するインバータを小型化、小容量化することができる。この場合、クラッチを離脱した状態でモータを駆動した場合の最大のプロペラ回転速度（第１回転速度）と、クラッチを直結した状態で主機関を駆動した場合の最小のプロペラ回転速度（第２回転速度）との間にはギャップが生じるので、このままではプロペラの回転速度を滑らかに上昇させることができない。そこで請求項１に係る発明によれば、さらに、クラッチとして、直結した状態と離脱した状態との間で動力伝達率の制御を行うことができるスリップクラッチを用いており、第１ステップではモータによってプロペラ回転速度を上限まで上昇させ、第２ステップではスリップクラッチをスリップさせながら主機関の出力をプロペラに伝達していき、第３ステップではスリップクラッチを直結して主機関の動力によりプロペラ回転速度を上昇させることができる。このように、モータ単独での駆動領域を低い回転速度に押さえ、かつスリップクラッチのスリップを利用して主機関の駆動力を伝達する過程を備えることで、モータおよびこれに電力を供給するインバータを小型化、小容量化しつつスムーズな回転速度の上昇が可能となる。

請求項２に係る発明によれば、モータの制御、主機関の回転速度の制御、およびスリップクラッチの動力伝達率の制御を各ステップごとに所定の条件で行うことにより、プロペラの回転速度の制御を切れ目なく連続的に行うことができる。なお、第２ステップでは、主機関はガバナによってアイドル回転速度またはそれに近い一定の回転速度となるように制御されるが、スリップクラッチの動力伝達率の増加に伴い、ガバナの働きによって燃料の供給量が増加され、主機関の発生する出力が増加する。また、第２ステップ、第３ステップでは、必要に応じて主機関をアシストするためにモータはトルク制御される。

請求項３に係る発明によれば、寿命に限界があるバッテリを採用することなく、発電機関により駆動されて船内に電力を供給する発電機からの電力のみでモータの駆動を行うという市場の要望に応じることができる。本発明におけるインバータ及びモータは小型化、小容量化されているので、船内に設けた発電機関及び発電機によって船内の各種電力需要をまかなった後の残余分の電力で運転することは十分に可能である。

請求項４に係る発明によれば、操船装置で設定したプロペラの目標回転速度の大きさに応じて制御内容の選択を行うことにより、プロペラの回転速度を目標回転速度に一致させることができる。なお、ここでいう「一致」とは厳密な一致ではなく、操船上で支障のない程度のレベルで目標回転速度に到達することを意味する。操船者がモータによる運航を望む場合には、操船装置によって目標回転速度を第１回転速度以下に設定すれば、スリップクラッチを離脱してモータのみによる運航が行われる。海上での船の運航においては、プロペラの実際の回転速度は一定ではなく、船の加速・減速の状態、波浪や海流の状態により変動し、一時的に第１回転速度を越える場合もあるが、この場合でもハイブリッド状態への移行は行われずにモータによる運航が継続される。操船装置によって目標回転速度を、第１回転速度を越え、第２回転速度未満となるように設定した場合には、モータをトルク制御するとともにスリップクラッチの動力伝達率を制御することで、第１回転速度と第２回転速度の間の領域においても、プロペラの回転速度を目標回転速度に一致させることができる。操船装置によって目標回転速度を第２回転速度以上に設定した場合には、スリップクラッチを直結させて主機関の回転速度の制御を行い、主機関を主としつつ、必要によりモータを補助的に用いる運航を行うことができる。

本願各請求項の発明におけるモータの制御手法には、モータの回転速度または発生トルクを積極的に制御する手法の他、モータの発生トルクをゼロにする制御も含むものとする。モータの発生トルクがゼロとなるように制御した場合、主機関がプロペラを回転させ、モータはこれに連れ廻りしている状態となる。この状態では、モータは主機関のアシストもしないが、主機関によるプロペラ駆動の妨げにもなっていない。

本発明の実施形態に係るハイブリッド推進船の全体構成において、特に制御システムの構成を示した制御系統図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド推進船を運航する際のプロペラ回転速度とプロペラ出力の関係である舶用三乗特性を示す図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド推進船を運航する際のプロペラの回転速度（縦軸）及びスリップクラッチの伝達率（縦軸）の時間（横軸）に対する変化の状態を示す図であって、部分（ａ）はモータの回転速度の上昇を示すグラフであり、部分（ｂ）は主機関の回転速度の上昇を示すグラフであり、部分（ｃ）はスリップクラッチの伝達率の変化を示すグラフである。

本実施形態のハイブリッド推進船１の構成及びその制御システムを図１に示す。
図１に示すように、実施形態のハイブリッド推進船１は、推進装置としてアジマススラスター１７を備えている。アジマススラスター１７は、動力を伝達する垂直軸（図示せず）を中心に水平なプロペラ軸（図示せず）及びプロペラ軸に取り付けられたプロペラＰを旋回させて推進方向を設定する。アジマススラスター１７は、プロペラＰに連動する水平な入力軸及び変向ギア機構（図示せず）を収納したギアボックス４を備えている。このギアボックス４内にある入力軸の一端には、スリップクラッチ７及び動力計３７を介して主機関５が連結されている。また、このギアボックス４内にある入力軸の他端には、モータジェネレータ２０（モータ２０とも称する。）が連結されている。プロペラＰの駆動系と主機関５との間に設けられたスリップクラッチ７は、電子コントローラ５０に制御される電磁弁５１の作用により、直結した状態と離脱した状態との間で動力伝達率（以下、伝達率と称する。）を連続的に変化させることができるクラッチである。

図１に示すハイブリッド推進船１は、前述した主機関５の他に発電機関２２を有しており、この発電機関２２で発電機２３を駆動して発電を行い、発電機２３に接続された船内母線２５を介して船内負荷２４とモータジェネレータ２０に必要な電力を供給する。モータ駆動用の電力は、発電機２３に接続された船内母線２５から、変圧器２６を通じて双方向インバータ２７へ導かれ、双方向インバータ２７による回転速度制御又はトルク制御によってモータジェネレータ２０をモータとして可変速制御する。

図１に示すように、双方向インバータ２７には蓄電放電機構３０が接続されており、発電機２３からの交流を直流に変換して蓄電することができるとともに、モータジェネレータ２０が発電機として働いた場合には、モータジェネレータ２０から供給される交流を直流に変換して蓄電することもできる。蓄電放電機構３０は、モータジェネレータ２０をモータとして駆動する際に、発電機関２２に駆動された発電機２３からの供給に加えて電力をモータジェネレータ２０に供給することができるが、何らかの事情で発電機２３からの給電が期待できない場合には単独で電力をモータジェネレータ２０に供給することもできる。また図１中に示すように蓄電放電機構３０は停泊時の陸電受電時にも充電ができる。なお、蓄電放電機構３０は必ずしも必要ではなく、これを設けない場合には、モータジェネレータ２０および双方向インバータ２７の容量は、発電機関２２および発電機２３で供給可能な電力以下とする。また、モータジェネレータ２０が発電した電力は船内負荷２４にて消費するものとし、消費しきれない場合には抵抗器を設けておき、消費しきれない余剰の電力を抵抗器によって熱として放出すればよい。

このように、ハイブリッド推進船１は、駆動源としては主機関５とモータジェネレータ２０を有し、電源としては発電機関２２及び発電機２３並びに蓄電放電機構３０を備えており、仮に主機関５もしくは発電機関２２のどちらかに不具合があって運転できない場合であっても、運転できる方の機関を利用して支障なく運航することができる。

図１に示すように、ハイブリッド推進船１には、プロペラＰの目標回転速度を操船者が手動で設定できる操船装置としての操作レバー３５と、操作レバー３５の設定に応じてスリップクラッチ７と主機関５とモータジェネレータ２０の制御を行う制御装置としてのコントローラ４０が設けられている。

コントローラ４０は、操船者が操作する操作レバー３５から送られる操作レバー指令信号と、主機関５の負荷トルク情報及びガバナ回転速度情報と、モータジェネレータ２０のＭ／Ｇ負荷情報及びＭ／Ｇ回転速度情報と、スリップクラッチ７の伝達率を示すクラッチ状態信号等を常時取得している。コントローラ４０は、これらの情報に基づいて判断した結果に応じて各機器に制御信号を送り、プロペラ回転速度に応じて、主機関５、モータジェネレータ２０、スリップクラッチ７の制御を行う。すなわち、コントローラ４０によれば、モータジェネレータ２０のみによる推進（モータ推進領域）と、スリップクラッチ７の伝達率を制御しながら行う主機関５とモータジェネレータ２０による推進（スリップ領域）と、主機関５の出力に対し必要に応じてモータジェネレータ２０のアシストを加えて行うハイブリッド推進（ハイブリッド領域）の何れかの推進形態（制御領域）によって、プロペラ回転速度に対応した運航を行うことができる。

操作レバー指令信号は、操船者がプロペラＰの目標回転速度を指示するために操作レバー３５を操作することにより出力される。主機関５の回転速度情報としては、主機関５に設けられたガバナ３６からのガバナ回転速度情報が使用できる。主機関５の負荷情報としては、主機関５に設けられたガバナ３６からのガバナラック位置情報又は主機関５とスリップクラッチ７の間に設けられた動力計３７が出力する負荷トルク情報を使用することができる。負荷情報としては、上に例示した２種類の情報のうち、少なくとも１種類があればよく、また主機関５の負荷を示す情報であれば、これ以外の情報でもよい。モータジェネレータ２０の負荷情報としては、双方向インバータ２７が出力するＭ／Ｇ負荷情報が使用でき、モータジェネレータ２０の回転速度情報としては、双方向インバータ２７が出力するＭ／Ｇ回転速度情報が使用できる。スリップクラッチ７から送られるクラッチ状態信号は、スリップクラッチ７を作動させる油圧系統の油圧に基づいて、離脱状態（伝達率０％）から嵌合状態（伝達率１００％）に至るスリップクラッチ７の伝達率を連続的に示す信号である。

コントローラ４０は、操作レバー指令信号を始めとする前記各信号乃至情報を基に演算・判断を行い、その結果から、以下に説明する各種制御信号をハイブリッド推進船１の各部に適切なタイミングで出力する。まず、コントローラ４０は、モータジェネレータ２０の制御モードを速度制御モード又はトルク制御モードに設定する電動機制御モード切替信号と、選択された制御モードでモータジェネレータ２０を駆動するためのインバータ指令信号を、双方向インバータ２７へ出力する。また、コントローラ４０は、主機関５の回転速度を指令するためのガバナ速度指令信号を主機関５のガバナ３６に出力する。また、コントローラ４０は、入力された操作レバー指令信号に対応した回転速度指令をモータジェネレータ２０及び主機関５に与える際、プロペラ回転速度に対応した３つの制御領域、すなわちモータ推進領域、スリップ領域及びハイブリッド領域の何れの状態にあるかに応じてランプ関数を切り替える制御を行う。また、コントローラ４０は、プロペラ回転速度に対応したランプ関数の切り替え制御に伴って、離脱状態（伝達率０％）から嵌合状態（伝達率１００％）までスリップクラッチ７の伝達率を変化させるクラッチ制御信号を電子コントローラ５０に与える。電子コントローラ５０は、スリップクラッチ７を作動させる油圧系統の電磁弁５１を制御してスリップクラッチ７の伝達率を連続的に変化させる制御を行なう。

運航時のプロペラ回転速度に対応した３つの推進形態（制御領域）におけるコントローラ４０の制御動作について図２及び図３を参照して説明する。
図２は、運航時におけるハイブリッド推進船１のプロペラ回転速度（横軸）とプロペラ出力（縦軸）の関係を示している。図２に示すように、ハイブリッド推進船１の運航方法では、プロペラＰの回転速度の範囲を、第１回転速度及び第２回転速度と称する２つの基準値を境界として、モータ推進領域、スリップ領域、ハイブリッド領域の３つの領域に分けている。ここで、第１回転速度は、モータジェネレータ２０のみでプロペラＰを駆動した場合に到達可能なプロペラ回転速度であり、例えば毎分１２０回転とする。第２回転速度は、主機関５がアイドル回転速度でプロペラＰを駆動した場合のプロペラ回転速度であり、例えば毎分１４６回転とする。このように、本実施形態のハイブリッド推進船１では、モータジェネレータ２０に要求されるモータとしての性能は、主機関５のアイドル回転速度に到達するのに要求される性能よりも低くてよく、上記例示の回転速度で言えば毎分２６回転だけ小さくてよい。従って、モータにより到達可能なプロペラ回転速度が、主機関がアイドル回転速度のときのプロペラ回転速度よりも大きい従来（前述した特許文献１の図３参照）に比べれば、本実施形態のハイブリッド推進船１ではモータジェネレータ２０及び双方向インバータ２７を小型化、小容量化できる。

図３は、本実施形態のハイブリッド推進船１を運航する際のプロペラの回転速度（部分（ａ）に示すグラフ及び部分（ｂ）に示すグラフの縦軸）及びスリップクラッチの伝達率（部分（ｃ）に示すグラフの縦軸）が、時間（横軸）に対して変化する状態を示す図である。なお、部分（ａ）及び部分（ｂ）のグラフの縦軸はプロペラＰの回転速度を示すとともに、プロペラＰに連結されている意味においてギア比による差は生じるもののモータ２０と主機関５の回転速度も示している。すなわち、図３の部分（ａ）はモータジェネレータ２０の回転速度の上昇を示しており、部分（ｂ）は主機関５の回転速度の上昇を示している。また部分（ｃ）はスリップクラッチ７の伝達率の変化を示している。

本実施形態のハイブリッド推進船１の運航方法を、以上説明した図２及び図３に示す領域ごとに説明する。
（１）モータ推進領域（プロペラ回転速度≦第１回転速度の場合）
モータ２０のみでプロペラＰを駆動する。
図３の部分（ｃ）に示すようにスリップクラッチ７を離脱状態（伝達率０）とし、図３の部分（ｂ）に示すように主機関５はアイドル回転速度で駆動もしくは停止とする。モータ２０はギヤを介してプロペラＰに直結されており、モータ２０が単独でプロペラＰを駆動する。図３の部分（ａ）に示すように、このときモータ２０はランプ関数Ａにより制御される。本実施形態では、ランプ関数Ａは増加率が相対的に大きいランプ関数となっている。操作レバー３５で設定されるプロペラの目標回転速度がこの領域にある場合には、モータ２０の回転速度の制御によりプロペラＰの回転速度は目標回転速度に到達する。

（２）スリップ領域（第１回転速度＜プロペラ回転速度＜第２回転速度の場合）
モータ２０と主機関５でプロペラＰを駆動する。
図３の部分（ｂ）に示すように一定のアイドル回転速度で駆動される主機関５は、図３の部分（ｃ）に示すように伝達率を制御されるスリップクラッチ７によって、プロペラＰへの動力伝達量が変化するように制御される。この領域では、主機関５からの動力をベースロードとするが、プロペラＰに負荷がかかり主機関５が過負荷状態になるとモータ２０がトルク制御によりアシストを行う。この領域において、スリップクラッチ７が直結（伝達率１００％）となるまで、主機関５はアイドル回転速度のままスリップクラッチ７の伝達率の制御を行い、図３の部分（ａ）に示すようにモータ２０はランプ関数Ｂでトルク制御を行う。本実施形態では、ランプ関数Ｂは増加率が相対的に小さいランプ関数となっている。操作レバー３５で設定されるプロペラＰの目標回転速度がこの範囲にある場合には、スリップクラッチ７の伝達率の制御を行い、アイドル回転速度で駆動される主機関５を必要に応じてモータ２０のトルク制御でアシストすることにより、目標回転速度に到達する。この場合において、プロペラＰの当初の回転速度が０（またはこれに近い速度）の状態で操作レバー３５による目標回転速度の設定を行った場合には、ステップを追って、最初に上記「（１）モータ推進領域」に記載の回転速度の制御を行い、プロペラＰが第一回転速度に到達したら上記「（２）スリップ領域」に記載の回転速度の制御を行うことが好適である。また所望により上記「（１）モータ推進領域」に記載のステップは省略して最初から上記「（２）スリップ領域」の制御を行っても良い。

（３）ハイブリッド推進領域（第２回転速度≦プロペラ回転速度の場合）
モータ２０と主機関５でプロペラＰを駆動する。
図３の部分（ｃ）に示すように、スリップクラッチ７を直結（伝達率１００％）として主機関５の動力をプロペラＰに伝達し、図３の部分（ａ）及び（ｂ）に示すように主機関５及びモータ２０は共にランプ関数Ａで制御する。この領域において、主機関５とモータ２０は同期運転し、主機関をベースロードとして過負荷となった部分についてはモータ２０でアシストする。操作レバー３５で設定されるプロペラＰの目標回転速度がこの範囲にある場合には、ガバナ３６により主機関５の回転速度を制御し、さらにモータ２０のトルク制御によるアシストを必要に応じて行い、目標回転速度に到達する。この場合において、プロペラＰの当初の回転速度が０（またはこれに近い速度）の状態で操作レバー３５による目標回転速度の設定を行った場合には、ステップを追って、最初に上記「（１）モータ推進領域」に記載の回転速度の制御を行い、プロペラＰが第１回転速度に到達したら上記「（２）スリップ領域」に記載の回転速度の制御を行い、プロペラＰが第２回転速度に到達したら上記「（３）ハイブリッド推進領域」の回転速度の制御を行うことが好適である。また所望により上記「（１）モータ推進領域」に記載のステップを省略して最初から上記「（２）スリップ領域」の制御を行い次いで「（３）ハイブリッド推進領域」の制御を行っても良い。

本実施形態のハイブリッド推進船１の諸元を一例として示す。
［諸元］
主機関出力 1471kW×2
モータ出力 147kW×2
主機関定格時のプロペラ回転速度 274 min ^-1
主機関アイドル回転速度時のプロペラ回転速度 146min ^-1
駆動源移行時のプロペラ回転速度 120min ^-1（モータ回転速度330min^-1)
発電機出力 435kW×1
主機関のみ駆動時の最大航行速度 14.7 ノット
ハイブリッド駆動時の最大航行速度 15.0 ノット
モータのみ駆動時の最大航行速度 8.0 ノット

比較例のハイブリッド推進船の諸元を一例として示す。この比較例のハイブリッド推進船は、特許文献１に開示された舶用推進装置を有するハイブリッド推進船であり、その主機関とモータの出力の合計、主機関定格時のプロペラ回転速度、主機関アイドル回転速度時のプロペラ回転速度は、本実施形態のハイブリッド推進船１と同一である。
［諸元］
主機関出力 1324kW×2
モータ出力 294kW×2
主機関定格時のプロペラ回転速度 274 min ^-1
主機関アイドル回転速度時のプロペラ回転速度 146min ^-1
駆動源移行時のプロペラ回転速度 164min ^-1（モータ回転速度450min^-1)
発電機出力 875kW×1
主機関のみ駆動時の最大航行速度 14.5 ノット
ハイブリッド駆動時の最大航行速度 15.0 ノット
モータのみ駆動時の最大航行速度 10.6 ノット

本実施形態のハイブリッド推進船１によれば、モータ推進領域の後、モータから主機関５へ駆動源が移行していくスリップ領域が始まるのは、主機関５のアイドル回転速度によるプロペラ回転速度 146min ^-1よりも小さいプロペラ回転速度 120min ^-1からであり、プロペラ回転速度が 146min ^-1に至るとハイブリッド推進領域に入る。

比較例のハイブリッド推進船によれば、モータ推進によって主機関５のアイドル回転速度によるプロペラ回転速度 146min ^-1が達成された後にクラッチを嵌合し、その後、より大きいプロペラ回転速度 164min ^-1においてモータから主機関５への駆動源移行が完了し、ハイブリッド推進領域に入る。

このように、本実施形態のハイブリッド推進船１によれば、主機関５のアイドル回転速度によるプロペラ回転速度よりも小さい回転速度までをモータ推進領域とし、その後はスリップクラッチによる制御で主機関のアイドル回転速度によるプロペラ回転速度まで上昇させ、モータ推進領域とハイブリッド領域を滑らかに連続させている。また、出力１４７ｋＷ×２のモータ、出力４３５ｋＷ×１の発電機によって、モータのみ駆動時の最大航行速度は８．０ノットである。

これに対し、比較例のハイブリッド推進船によれば、出力２９４ｋＷ×２のモータ、出力８７５ｋＷ×１の発電機によって、モータのみ駆動時の最大航行速度は１０．６ノットである。

本実施形態のハイブリッド推進船１によれば、比較例のハイブリッド推進船に比べ、モータ、インバータ及び発電機の容量が小さくなるため、設備スペース、設備費及び維持管理費を大きく減少させることができる。

以上説明した本実施形態から理解されるように、本発明のハイブリッド推進船及びその運航方法によれば、モータ単独でプロペラを駆動した場合に到達可能なプロペラ回転速度を、主機関がアイドル回転速度でプロペラを駆動した場合のプロペラ回転速度よりも低く設定したので、モータおよびこれに電力を供給するインバータ及び発電機等を小型化、小容量化することができる。この場合、クラッチを離脱した状態でモータを駆動した場合の最大のプロペラ回転速度（第１回転速度）と、クラッチを直結した状態で主機関を駆動した場合の最小のプロペラ回転速度（第２回転速度）との間にはギャップが生じるが、クラッチとしては伝達率の制御を行うことができるスリップクラッチを用いているので、第１ステップではモータによってプロペラ回転速度を上限まで上昇させ、第２ステップではスリップクラッチをスリップさせながら主機関の出力をプロペラに伝達していき、第３ステップではスリップクラッチを直結して主機関で駆動が可能な回転速度までプロペラ回転速度を上昇させることができる。このようにスリップクラッチのスリップを利用して主機関の駆動力を伝達する過程を設けたため、小型のモータを用いたにも係わらず円滑な回転速度の上昇が可能となった。

１…ハイブリッド推進船
５…主機関
７…スリップクラッチ
１７…アジマススラスター
２０…モータとしてのモータジェネレータ
２２…発電機関
２３…発電機
３５…操船装置としての操作レバー
４０…制御装置としてのコントローラ
Ｐ…プロペラ

Claims (4)

1. 主機関と、モータと、その入力側に前記主機関が接続されたスリップクラッチと、前記スリップクラッチの出力側及び前記モータに接続されたプロペラとを有し、前記主機関と前記モータによって前記プロペラを駆動するハイブリッド推進船の運航方法であって、
   前記モータ単独で前記プロペラを駆動した場合に到達可能なプロペラ回転速度を第１回転速度と称し、前記主機関がアイドル回転速度で前記プロペラを駆動した場合のプロペラ回転速度を第２回転速度と称する場合に、
   前記第１回転速度＜前記第２回転速度とし、
   前記スリップクラッチが離脱した状態でプロペラ回転速度が前記第１回転速度以下となるように前記モータ単独で前記プロペラを駆動する第１ステップと、
   前記スリップクラッチをスリップさせながら前記主機関の動力を伝達することによりプロペラ回転速度を前記第１回転速度を越えて前記第２回転速度まで上昇させる第２ステップと、
   前記スリップクラッチが直結した状態でプロペラ回転速度が前記第２回転速度以上となるように前記主機関単独または前記主機関と前記モータの両方によって前記プロペラを駆動する第３ステップと、
   を有するハイブリッド推進船の運航方法。
2. 前記第１ステップでは、前記主機関をアイドル回転速度に制御した状態又は停止させた状態で前記モータの回転速度の制御を行い、
   前記第２ステップでは、前記主機関をアイドル回転速度に制御した状態で前記スリップクラッチの動力伝達率の制御と前記モータのトルク制御を行い、
   前記第３ステップでは、前記主機関の回転速度の制御と前記モータのトルク制御を行う、
   請求項１に記載のハイブリッド推進船の運航方法。
3. 前記ハイブリッド推進船は、発電機関と前記発電機関により駆動されて船内に電力を供給する発電機を備え、
   前記モータを駆動する電力は、前記発電機から供給可能な電力以下である、
   請求項１又は２に記載のハイブリッド推進船の運航方法。
4. 主機関と、モータと、その入力側に前記主機関が接続されたスリップクラッチと、前記スリップクラッチの出力側及び前記モータに接続されたプロペラと、前記プロペラの目標回転速度が設定される操船装置と、前記操船装置の設定に応じて前記スリップクラッチと前記主機関と前記モータの制御を行う制御装置と、
   を備えたハイブリッド推進船であって、
   前記モータ単独で前記プロペラを駆動した場合に到達可能なプロペラ回転速度を第１回転速度と称し、前記主機関がアイドル回転速度で前記プロペラを駆動した場合のプロペラ回転速度を第２回転速度と称する場合に、前記第１回転速度＜前記第２回転速度であり、
   前記制御装置は、プロペラ回転速度を前記目標回転速度に一致させるべく、
   前記目標回転速度≦前記第１回転速度の場合は、前記スリップクラッチを離脱して前記モータの回転速度を制御し、
   前記第１回転速度＜前記目標回転速度＜前記第２回転速度の場合は、前記モータのトルクを制御するとともに前記スリップクラッチの動力伝達率を制御し、
   前記第２回転速度≦前記目標回転速度の場合は、前記モータのトルクを制御するとともに、前記スリップクラッチを直結して前記主機関の回転速度の制御を行う、ハイブリッド推進船。

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