(57)【要約】      （修正有）【課題】気泡の発生をドライブシステムの制御信号や状態信号から観測可能にし推進効率を向上する気泡発生検出装置と方法を提供する。【解決手段】一定のトルクでスクリューモータ１０を駆動する段階と、気泡が発生していない状態のトルクの一定領域でトルクと回転速度の実測値からトルク定数Kqの平均値を算出する段階と、前記算出したトルク定数Kqの平均値を用いてトルクと回転数の関係式によって参照回転速度を計算する段階と、前記参照回転速度と実回転速度を比較し、その差が所定の値以上になったときに気泡が発生したと判定する段階、とを有する。【選択図】図２
2018192816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリューモータの所定の回転速度を命令する速度指令を受け、前記速度指令の回転速度を維持し、前記スクリューモータが出力すべきトルク値を命令するトルク指令を出力する回転速度制御部と、
前記トルク指令を受け、前記トルク指令のトルク値を維持し、前記スクリューモータの電流値を命令する電流指令を出力するトルク制御部と、
前記電流指令を受け、インバータに前記電流指令に対応するモータ電流とモータ電圧を出力させる電流制御部と、
前記インバータが出力するモータ電流とモータ電圧で駆動される前記スクリューモータと、
スクリューの実回転速度を検出する回転速度検出部と、
キャビテーションを発生しないスクリューの回転速度である参照回転速度と、前記回転速度検出部が検出した実回転速度の差が所定の値以上になったときに気泡が発生したと判定する気泡発生検出部とを備えた気泡発生検出装置。
【請求項２】
ドライブシステムを有する船舶の定トルク運転モードにおいて、一定のトルクでスクリューモータを駆動する段階と、
気泡が発生していない状態のトルクの一定領域で、トルクと回転速度の実測値からトルク定数Kqの平均値を算出する段階と、
前記算出したトルク定数Kqの平均値を用いて下記(2)式によって参照回転速度を計算する段階と、
前記参照回転速度と実回転速度を比較し、その差が所定の値以上になったときに気泡が発生したと判定する段階と、を有することを特徴とする気泡発生検出方法。
【数１】
2018192816.tif 000006
ここで、
Q:トルク (Nm)
Kq:トルク定数
T:スラスト力(N)
Kt:スラスト定数
ρ:水の密度(kg/m^3)
n:回転速度(rps)
D:プロペラ径(m)
【請求項３】
前記参照回転速度は、トルク指令のトルク値を試行的に複数種類与えて回転速度が安定する値とすることを特徴とする請求項２に記載の気泡発生検出方法。
【請求項４】
モータドライブシステムを有する船舶の定速度運転モードにおいて、一定の回転速度でスクリューモータを駆動する段階と、
気泡が発生していない状態のトルクの一定領域で、トルクと回転速度の実測値からトルク定数Kqの平均値を算出する段階と、
前記算出したトルク定数Kqの平均値を用いて下記(1)式によってリファレンストルクを計算する段階と、
前記リファレンストルクと実トルクを比較し、その差が所定の値以上になったときに気泡が発生したと判定する段階と、を有することを特徴とする気泡発生検出方法。
【数２】
2018192816.tif 000007
ここで、
Q:トルク (Nm)
Kq:トルク定数
T:スラスト力(N)
Kt:スラスト定数
ρ:水の密度(kg/m^3)
n:回転速度(rps)
D:プロペラ径(m)
【請求項５】
前記リファレンストルクは、速度指令の回転速度の値を試行的に複数種類与えてトルクが安定する値とすることを特徴とする請求項４に記載の気泡発生検出方法。
【請求項６】
モータトルクの出力信号において、有限インパルス応答フィルタを用いて高周波成分のノイズを取り除く段階を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の気泡発生検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶用ドライブシステムで駆動する船舶の気泡発生の検出装置および検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶の推進装置としてプロペラが広く使われている。プロペラは水中で一定の速度以上で回転すると、プロペラが水を後方に推しやる速度に対してプロペラに供給される水の速度が遅くなり、プロペラの周囲において水の断続、すなわち空洞(Cavity)が生じる。
【０００３】
空洞(Cavity)が生じると、プロペラの推進効率が著しく減少するとともに、プロペラに対する浸食作用を生じる。この現象をキャビテーションと呼ぶ。
【０００４】
ディーゼルエレクトリック船や小型船舶で普及し始めている電池推進船などで用いられる電気モータ推進は、高い推進効率・操船性・快適性のためにその数を急速に増やしている。船舶で主流である内燃機関は、出力一定の機関であり、小型機関ではスロットル操作にて出力を制御している。大型船などではガバナなどを用い速度制御をおこなっている。一方、ディーゼルエレクトリック方式の電気船では、ディーゼルエンジンで発電機を回して発電させた電力を制御し指令した回転速度で電動機を回転させプロペラを駆動している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９６５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近では誘導電動機や永久磁石同期電動機とパワーエレクトロニクス技術を用いた可変電圧可変周波数型のインバータで速度制御を行う方式のドライブシステムが採用され始めている。電池推進方式の小型船舶はエネルギーのストレージが大きく取れないこともあり高効率の永久磁石同期電動機を用いたドライブシステムが主流である。これらプロペラ推進系とドライブシステムで構成するパワートレインは、トルク応答性が数msecと内燃機関に比べ2桁早く、またモータをドライブする電力変換器から電流、電圧などの制御信号やトルク、回転速度などの状態信号が直接高速で高精度に得ることができる。それに加え低速域で高いトルクを発生するT-N特性も制御をしやすくしている。
【０００７】
プロペラの推進効率を悪化させる要因として、プロペラの浸水深度による空気の吸い込みやキャビテーションなどで発生する水中の気泡による部分的な空回り現象や、プロペラレーシングと呼ばれるプロペラが空中に露出し空転に近い現象などがある。それらは船尾振動など船体にも影響を与える。
【０００８】
本発明の目的は、気泡の発生をドライブシステムの制御信号や状態信号から検出し、これらの信号を用いて気泡の発生を抑制することにより推進効率の向上を目指すことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の気泡発生検出装置は、
スクリューモータの所定の回転速度を命令する速度指令を受け、前記速度指令の回転速度を維持し、前記スクリューモータが出力すべきトルク値を命令するトルク指令を出力する回転速度制御部と、
前記トルク指令を受け、前記トルク指令のトルク値を維持し、前記スクリューモータの電流値を命令する電流指令を出力するトルク制御部と、
前記電流指令を受け、インバータに前記電流指令に対応するモータ電流とモータ電圧を出力させる電流制御部と、
前記インバータが出力するモータ電流とモータ電圧で駆動される前記スクリューモータと、
スクリューの実回転速度を検出する回転速度検出部と、
キャビテーションを発生しないスクリューの回転速度である参照回転速度と、前記回転速度検出部が検出した実回転速度の差が所定の値以上になったときに気泡が発生したと判定する気泡発生検出部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の気泡発生検出方法は、
ドライブシステムを有する船舶の定トルク運転モードにおいて、一定のトルクでスクリューモータを駆動する段階と、
気泡が発生していない状態のトルクの一定領域で、トルクと回転速度の実測値からトルク定数Kqの平均値を算出する段階と、
前記算出したトルク定数Kqの平均値を用いて下記(2)式によって参照回転速度を計算する段階と、
前記参照回転速度と実回転速度を比較し、その差が所定の値以上になったときに気泡が発生したと判定する段階と、を有することを特徴とする。
【００１１】
【数１】
2018192816.tif 000003
【００１２】
ここで、
Q:トルク (Nm)
Kq:トルク定数
T:スラスト力(N)
Kt:スラスト定数
ρ:水の密度(kg/m^3)
n:回転速度(rps)
D:プロペラ径(m)
前記参照回転速度は、トルク指令のトルク値を試行的に複数種類与えて回転速度が安定する値とすることができる。
【００１３】
また本発明の気泡発生検出方法は、
ドライブシステムを有する船舶の定速度運転モードにおいて、一定の回転速度でスクリューモータを駆動する段階と、
気泡が発生していない状態のトルクの一定領域で、トルクと回転速度の実測値からトルク定数Kqの平均値を算出する段階と、
前記算出したトルク定数Kqの平均値を用いて下記(1)式によってリファレンストルクを計算する段階と、
前記リファレンストルクと実トルクを比較し、その差が所定の値以上になったときに気泡が発生したと判定する段階と、を有することを特徴とする。
【００１４】
【数２】
2018192816.tif 000004
【００１５】
ここで、
Q:トルク (Nm)
Kq:トルク定数
T:スラスト力(N)
Kt:スラスト定数
ρ:水の密度(kg/m^3)
n:回転速度(rps)
D:プロペラ径(m)
前記リファレンストルクは、速度指令の回転速度の値を試行的に複数種類与えてトルクが安定する値とすることができる。
【００１６】
モータトルクの出力信号において、有限インパルス応答フィルタを用いて高周波成分のノイズを取り除く段階を有するようにすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ドライブシステムを有する舶用推進システムにおいて、気泡の発生状態をドライブシステムの制御信号や状態信号から観測することができ、これらの信号を用いて気泡の発生を抑制することにより、推進効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態によるドライブシステムを有する小型船舶の推進装置の概略側面図である。
【図２】本発明の一実施形態による気泡発生検出システムのシステム構成図である。
【図３】スクリューモータのＴ−Ｎ特性図である。
【図４】気泡を生じない程度の一定のトルクでスクリューを駆動した場合の、横軸を時間軸としてプロペラトルク(Nm)、プロペラ回転速度(rps)、モータ電圧(V)、モータ電流(A)、スラスト力(N)、プロペラ周辺の輝度(%)、モータパワー(kW)の数値をプロットしたグラフである。
【図５】図４のグラフの時間t1，t2における高速度カメラによるプロペラ周辺の画像である。
【図６】気泡を生じる程度の一定のトルクでスクリューを駆動した場合の、横軸を時間軸としてプロペラトルク(Nm)、プロペラ回転速度(rps)、モータ電圧(V)、モータ電流(A)、スラスト力(N)、プロペラ周辺の輝度(%)、モータパワー(kW)の数値をプロットしたグラフである。
【図７】図６のグラフの時間t1〜t10における高速度カメラによるプロペラ周辺の画像である。
【図８】定トルク運転モードにおける気泡発生の検出に使用するグラフである。
【図９】気泡を生じない程度の一定の回転速度でスクリューを駆動した場合の、横軸を時間軸としてプロペラトルク(Nm)、プロペラ回転速度(rps)、モータ電圧(V)、モータ電流(A)、スラスト力(N)、プロペラ周辺の輝度(%)、モータパワー(kW)の数値をプロットしたグラフである。
【図１０】図９のグラフの時間t1，t2における高速度カメラによるプロペラ周辺の画像である。
【図１１】気泡を生じる程度の一定の回転速度でスクリューを駆動した場合の、横軸を時間軸としてプロペラトルク(Nm)、プロペラ回転速度(rps)、モータ電圧(V)、モータ電流(A)、スラスト力(N)、プロペラ周辺の輝度(%)、モータパワー(kW)の数値をプロットしたグラフである。
【図１２】図１１のグラフの時間t1〜t7における高速度カメラによるプロペラ周辺の画像である。
【図１３】定速度運転モードにおける気泡の発生の検出に使用するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の一実施形態を、図面を用いて説明する。
【００２０】
本発明の気泡発生検出方法の効果を確認するため、ドライブシステムで駆動するプロペラ系を回流水槽にて、空気吸い込みの発生する条件下で動作させ、制御信号や状態信号が高速度カメラで観測した状態と関連付けることで、これらの信号が空気吸い込み現象を抑制する制御信号として使用可能かを検証した。
【００２１】
定格出力5kWのACサーボモータを推進機に取付け、回流水槽にてトルクモードと速度モードで駆動し、高速度カメラの映像とサーボドライブからのトルクモニター信号、回転速度モニター信号、モータへの実効電圧、実効電流、スラスト力測定用ロードセルからの信号を観測する。
【００２２】
環境パラメータとしては、プロペラ浸水深度と回流水槽の流速とした。動作パラメータは、トルク制御モード時では一定トルク値と一定トルクまでの過渡時間とし、速度制御モードでは、一定回転速度値と一定回転速度までの過渡時間とした。
【００２３】
図１に本発明の効果を確認した一例の、ドライブシステムの小型船舶の推進装置を示す。
【００２４】
推進装置１は、スクリュー２を有し、サーボモータからなる電動機３がスクリュー２の上方に取り付けられている。電動機３の回転軸は下方に延び、必要なギア機構を介してスクリュー２を駆動している。図示しない高速度カメラがスクリュー２の近傍に取り付けられている。
【００２５】
図２に本発明の方法を実行するシステムの構成を示す。
【００２６】
図２に示すように、本発明の方法を実行する気泡発生検出システム５は、回転速度制御部６と、トルク制御部７と、電流制御部８と、インバータ９と、スクリューモータ１０と、回転速度検出部１１と、を有している。
【００２７】
回転速度制御部６は、スクリューモータ１０の回転速度を命令する速度指令を入力し、速度制御を行う。回転速度制御部６は、その回転速度を維持するためのスクリューモータ１０のトルク（トルク値）を命令するトルク指令を出力する。
【００２８】
トルク制御部７は、トルク指令を入力し、最大トルク制御、界磁弱め制御、座標変換等を行う。トルク制御部７は、当該トルクを得るためのスクリューモータ１０の電流（電流値）を命令する電流指令を出力する。
【００２９】
電流制御部８は、電流指令を入力し、インバータ９に電流指令に対応するモータ電流とモータ電圧をスクリューモータ１０に出力させる。
【００３０】
回転速度検出部１１は、スクリューモータ１０の回転速度（実回転速度）を検出し、回転速度制御部６への速度指令にフィードバックする。また、回転速度検出部１１からの情報は、トルク制御部７にフィードバックされる。
【００３１】
インバータ９の出力のメインケーブルには、電流プローブが設けられ、モータ実効電流が電流指令にフィードバックされる。必要により、電圧プローブを設け、モータ実効電圧とモータ実効電力を得られるようにする。
【００３２】
図３に、使用したスクリューモータ（ＡＣサーボモータ）のＴ−Ｎ特性（トルク−回転速度特性）図を示す。ACサーボモータは交流同期型モータであるので、基底回転速度(3000min-1)以下ではトルク一定領域であり、出力は回転速度に比例する。本検証ではトルクは15Nm以下、回転速度3000min-1以下で使用している。
【００３３】
一般に船舶のドライブシステムは、定トルク運転モードと定速度運転モードとを準備している。定トルク運転モードは、トルク制御部７に所定のトルク指令を直接入力し、トルク制御部７がそのトルク値を維持するようにスクリューモータ１０に流す電流と位相を制御する。一方、定速度運転モードは、回転速度制御部６に速度指令を直接入力し、回転速度制御部６がその速度指令の速度値を維持するようにトルク指令を出力する。
【００３４】
まず、定トルク運転モードを行う場合の本発明の気泡発生検出方法について説明する。
【００３５】
定トルク運転モードにおける気泡の検出は、気泡が発生しない場合を参照として気泡が発生する場合を検出する。
【００３６】
図４と図５は、気泡を生じない程度の一定のトルクでスクリュー２を駆動した場合を示している。
【００３７】
図４は、気泡が発生しないトルクを設定し、起動から１０秒で当該設定トルクに達するようにトルクをリニアに上昇させ、その後トルクを一定にして２０秒間駆動させたグラフである。
【００３８】
グラフ中、(1)はプロペラトルク(Nm)、(2)はプロペラ回転速度(rps)、(3)はモータ電圧(V)、(4)はモータ電流(A)、(5)はスラスト力(N)、(6)はプロペラ周辺の輝度(%)、(7)はモータパワー(kW)を示している。横軸は時間軸で秒を示している。なお、気泡が発生しないトルクは定格トルクの90%(13.5Nm)以下である。
【００３９】
図４に示すように、トルクをリニアに上昇させると回転速度（図中(2)）は、トルクの1/2乗に比例して上昇し、一定回転速度になる。スラスト力（図中(5)）は、回転速度の2乗に比例（またはトルクに比例）してリニアに上昇し、一定のスラスト力になる。トルクが一定になった後は、回転速度やトルクやスラスト力が安定する。回転速度やトルクやスラスト力が安定した後は、それぞれ一定になることから、気泡が生じていないことが分かる。
【００４０】
図５は、図４の時間t1，t2における高速度カメラによる画像である。図５に示すように、スクリュー２の周辺に気泡が発生していない。時間t1，t2における画像は、図４の回転速度やトルクやスラスト力が安定していることと対応していることが分かる。
【００４１】
図６と図７は、気泡が発生する程度の一定トルクでスクリュー２を駆動した場合を示している。
【００４２】
図６は、気泡が発生する程度のトルクを設定し、起動から１０秒で当該設定トルクに達するようにトルクをリニアに上昇させ、その後トルクを一定にして２０秒間駆動させたグラフである。
【００４３】
図４と同様にグラフ中、(1)はプロペラトルク(Nm)、(2)はプロペラ回転速度(rps)、(3)はモータ電圧(V)、(4)はモータ電流(A)、(5)はスラスト力(N)、(6)はプロペラ周辺の輝度(%)、(7)はモータパワー(kW)を示している。横軸も図４と同様に時間軸で秒を示している。なお、気泡が発生するトルクは定格トルクの95%(14.25Nm)以上である。
【００４４】
図６の線(6)はプロペラ周辺の輝度(%)であり、自由界面からのスクリュー２に巻き込まれる気泡やキャビテーションによって生じる空洞を光学像として捉え、所定の領域内の輝度値を各撮影フレームで算出したものである。また、領域内の平均輝度値は、プロペラの回転に応じてプロペラ自体からの反射強度が変化しているため、ディジタルフィルタを用い気泡成分のみを抽出して平均輝度を計算している。
【００４５】
気泡を発生するトルクでスクリュー２を駆動した場合、図６に示すように、設定トルクに上昇するまでは気泡が発生しない場合と同様の傾向で上昇する。しかし、設定トルクに達した後は気泡が発生する。
【００４６】
すなわち、気泡を発生するトルクでスクリュー２を駆動した場合、トルクが設定値に到達した後に周期的に気泡が発生し、プロペラ回転速度（線(2)）やプロペラトルク（線(1)）やスラスト力（線(5)）やプロペラ周辺の輝度（線(6)）が変動していることが分かる。プロペラ回転速度（線(2)）とプロペラトルク（線(1)）とスラスト力（線(5)）とプロペラ周辺の輝度（線(6)）の変動は時間的に同期しており、互いに相関があることが分かる。
【００４７】
図７は、図６のグラフの時間t1〜t10の高速度カメラによるプロペラ周辺の画像である。図６のグラフ上では時間t1，t7，t10はスラスト力に影響は出ておらず、これらの時間に関して図７を参照すると気泡が生じていないことが分かる。一方、図６の時間t2，t3，t4，t5，t6，t8，t9はグラフ上でもスラスト力に影響は出ており、これに対応する時間に関して図７を参照すると、気泡が生じていることが分かる。
【００４８】
すなわち、スラスト力が低下するときは実際にプロペラ周辺では気泡が生じていることが分かる。
【００４９】
以上から、定トルク運転モードによるトルク制御では、プロペラ周辺の輝度とスラスト力と回転速度が互いに相関があることが分かる。
【００５０】
定トルク制御では、トルク制御部７に対して所定のトルクを指示し、トルク制御部７では当該トルク指令のトルクを維持するようにスクリューモータ１０に対する電流指令を出力する。気泡などで負荷トルクが減少するとモータトルクと負荷トルクがバランスするまでモータの回転速度が上昇する。つまりトルク制御では気泡による負荷減少は回転速度を上昇させることになる。
【００５１】
回転速度（電圧と相関性がある）とトルクとスラスト力とプロペラ周辺の輝度の変動は互いに相関関係があるので、トルクの変動から気泡の発生を検出することができる。その方法について以下に説明する。一般にトルクと回転速度とスラスト力の間には以下の関係がある。
【００５２】
【数３】
2018192816.tif 000005
【００５３】
ここで、
Q:トルク (Nm)
Kq:トルク定数
T:スラスト力(N)
Kt:スラスト定数
ρ:水の密度(kg/m^3)(本例では1000(kg/m^3)とする)
n:回転速度(rps)
D:プロペラ径(m)（本例では0.187(m)とする）
まず、気泡が発生していない状態のトルク一定領域でトルクと回転速度の実測値からトルク定数Kqの平均値Kq=0.0554を算出する。
【００５４】
図８は、気泡の発生の判定に使用するグラフを示す。
【００５５】
図８の線(8)はトルク定数Kq = 0.0554を用いて(2)式で回転速度を計算したものである。これを参照回転速度として、実回転速度との差で気泡の発生を判定する。
【００５６】
参照回転速度は、トルク指令のトルクの値を試行的に複数種類与え、回転速度が安定する値を参照回転速度とすることができる。
【００５７】
参照回転速度と実回転速度の差が、ゼロとなるようにトルク制御部７に対するトルク指令を制御すれば、気泡の発生を抑制することができる。参照回転速度と実回転速度の差がゼロになるように制御することにより、気泡が発生しないか、スラスト力に影響を与えない範囲で気泡が発生した状態で、プロペラの回転を効率化することができる。
【００５８】
本発明によれば、ドライブシステムにおいては、モータの出力の応答は数msecの速さであることと相まって、極めて効率がよいプロペラ推進を行うことができる。
【００５９】
また本発明によれば、ドライブシステムや電力変換器から容易に得られる電流や電圧や回転速度などの電気信号から気泡の発生を直接的かつ精密に制御することができる。特に、センサー等の付加的な装置を設ける必要がなく、簡単な構成によって気泡の発生を検出することができる。
【００６０】
次に、定速度運転モードを行う場合の本発明の気泡発生検出方法について説明する。
【００６１】
定速度運転モードにおいて、気泡が発生しない場合を参照として気泡が発生したことを検出する方法について以下に説明する。
【００６２】
図９と図１０は、気泡を生じない程度の一定の回転速度でスクリュー２を駆動した場合を示している。
【００６３】
図９は、気泡が発生しない回転速度を設定し、起動から１０秒で当該設定回転速度に達するように回転速度をリニアに上昇させ、その後回転速度を一定にして２０秒間駆動させたグラフである。
【００６４】
グラフ中、(1)はモータトルク(Nm)、(2)はモータ回転速度(rps)、(3)はモータ電圧(V)、(4)はモータ電流(A)、(5)はスラスト力(N)、(6)はプロペラ周辺の輝度(%)、(7)はモータ出力(kW)を示している。横軸は時間軸で秒を示している。なお、気泡が発生しない回転速度は31.67(rps)以下である。
【００６５】
ドライブシステムの電気信号のデータロガーにより取得した信号には、プロペラ、モータの回転に対する電気的・機械的な変動が主となるノイズ成分が重畳している。特に定速度運転モードにおけるモータトルクの出力信号においては、回転速度を指令値に追従させるためのトルク制御がなされており、それにより制御応答の形でトルクが逐次変動している。ノイズ成分は高周波成分として扱うことが出来るため、ディジタルフィルタの一つである有限インパルス応答(FIR; Finite Impulse Response)フィルタを用い、ローパス（低域通過）フィルタを用いて実現象に相当する信号成分を抽出している。
【００６６】
図９に示すように、トルク（図中線(1)）は、回転速度の2乗に比例して上昇し、一定トルクになる。スラスト力（図中線(5)）も回転速度の2乗に比例して上昇し、一定のスラスト力になる。
【００６７】
図１０は、図９の時間t1，t2における高速度カメラによるプロペラ周辺の画像である。図１０に示すように、スクリュー２の周辺に気泡が発生しておらず、図９の回転速度やトルクやスラスト力が安定していることと対応していることが分かる。
【００６８】
図１１と図１２は、気泡が発生する程度の一定の回転速度でスクリュー２を駆動した場合を示している。
【００６９】
図１１は、気泡が発生する程度の回転速度を設定し、起動から１０秒で当該設定回転速度に達するように回転速度をリニアに上昇させ、その後回転速度を一定にして２０秒間駆動させたグラフである。
【００７０】
図１１のグラフ中、(1)はモータトルク(Nm)、(2)はモータ回転速度(rps)、(3)はモータ電圧(V)、(4)はモータ電流(A)、(5)はスラスト力(N)、(6)はプロペラ周辺の輝度(%)、(7)はモータ出力(kW)を示している。横軸は図９と同様に時間軸で秒を示している。なお、気泡が発生する回転速度は32.5(rps)とした。
【００７１】
図１１の線(6)はプロペラ周辺の輝度(%)であり、自由界面からのスクリュー２に巻き込まれる気泡やキャビテーションによって生じる空洞を光学像として捉え、所定の領域内の輝度値を各撮影フレームで算出している。
【００７２】
気泡が発生する回転速度でスクリュー２を駆動した場合、周期的に気泡が発生し、トルク（線(1)）や電圧（線(3)）や電流（線(4)）やスラスト力（線(5)）やプロペラ周辺の輝度（線(6)）が変動していることが分かる。これらの線の変動は時間的に同期しており、互いに相関があることが分かる。トルクはモータ電流に比例するので、モータ電流からでも計測することができる。
【００７３】
図１２は、図１１のグラフの時間t1〜t7の高速度カメラによるプロペラ周辺の画像である。図１１のグラフ上では時間t4，t7はスラスト力に影響は出ておらず、これらの時間に関して図１２を参照すると気泡や空洞が生じていないことが分かる。一方、図１１の時間t1，t2，t3，t5，t6はグラフ上でもスラスト力に影響は出ており、これに対応する時間に関して図１２を参照すると、気泡や空洞が生じていることが分かる。すなわち、スラスト力が低下するときは実際にプロペラ周辺では気泡や空洞が生じていることが分かる。
【００７４】
定速度運転モードでは、図２に示すよう速度ループが形成され、指令した回転速度に追従してプロペラに回転が発生する。そのため、気泡や空洞などで負荷トルクが減少するとプロペラトルクも負荷とバランスして減少するが、回転速度は指令された回転速度を維持する。したがって、速度制御では、トルクを測定すれば、スラスト力の状態を判断することができる。以下に、このトルクの変動から気泡の発生を検出する方法について説明する。
【００７５】
図１３は、定速度運転モードにおいて気泡の発生を検出するために使用するグラフを示す。
【００７６】
図１３において、線(9)は気泡を発生していない状態のトルク一定領域でトルクと回転速度の実測値から(1)式を用いてトルク定数Kqの平均値Kq=0.0554を算出したリファレンストルクである。
【００７７】
リファレンストルクは、速度指令の回転速度の値を試行的に複数種類与え、トルクが安定する値をリファレンストルクとすることができる。
【００７８】
図１３のリファレンストルクの線(9)と実トルクの線(1)が乖離しているところが、気泡が生じているところである。このリファレンストルクと実トルクの差をモニターすることによって気泡の発生を検出することができる。
【００７９】
リファレンストルクと実トルクの差が、ゼロになるように回転速度制御部６に対する速度指令を制御すれば気泡の発生を抑制することができる。このように気泡の発生を抑制することにより、気泡が発生しないか、スラスト力に影響を与えない範囲で気泡が発生するようにすることができる。
【００８０】
モータの出力の応答が数msecの速さであることと相まって、上記のように気泡の発生を抑制すれば極めて効率がよいプロペラ推進を行うことができる。
【００８１】
またこの方法によれば、ドライブシステムや電力変換器から容易に得られる電流や電圧や回転速度などの電気信号から気泡の発生を直接的かつ精密に制御することができ、センサー等の付加的な装置を設ける必要がなく、簡単な構成によって気泡の発生を検出することができる。
【００８２】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１  推進装置
２  スクリュー
３  電動機
５  気泡発生検出システム
６  回転速度制御部
７  トルク制御部
８  電流制御部
９  インバータ
１０  スクリューモータ
１１  回転速度検出部
【図１】
2018192816.tif 000008
【図２】
2018192816.tif 000009
【図３】
2018192816.tif 000010
【図４】
2018192816.tif 000011
【図５】
2018192816.tif 000012
【図６】
2018192816.tif 000013
【図７】
2018192816.tif 000014
【図８】
2018192816.tif 000015
【図９】
2018192816.tif 000016
【図１０】
2018192816.tif 000017
【図１１】
2018192816.tif 000018
【図１２】
2018192816.tif 000019
【図１３】
2018192816.tif 000020