JP5223475B2 - 二重反転スクリュー機構 - Google Patents

Description

本発明は、二重反転スクリュー機構に関する。

二重反転スクリュー機構は、前後に配置した二つのスクリューを互いに反対向きに回転させるようにしたスクリュー機構である。従来の二重反転スクリュー機構として、各スクリューに対応してディーゼルエンジンやガスタービンなどの主機関を設け、それら主機関の出力をそれぞれ減速機を介して対応するスクリューに伝達して駆動するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１６８２２２号公報

しかしながら、上記従来の二重反転スクリュー機構では、各スクリューに対応して駆動源および減速機を設けてあるため、重量が嵩むという問題があった。

そこで、本発明は、小型軽量化を達成することが可能な二重反転スクリュー機構を得ることを目的とする。

本発明は、二つのスクリューの駆動源を、一つのステータを共用する二つのロータを備えた複軸多層モータとし、該複軸多層モータに複合電流を通電することにより各駆動軸を独立して駆動制御するようにし、二つのスクリューの羽根数およびピッチを、複軸多層モータの定常運転時に二つのロータの電気角周波数が相違するように設定したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、駆動源を、二つのロータについてステータを共用する複軸多層モータとしたため、小型軽量化を達成することができる。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

（第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態にかかる二重反転スクリュー機構の断面図である。なお、以下では、便宜上、図１中で右方となる推進方向を前方とし、その逆方向を後方と定義する。

図１に示すように、本実施形態にかかる二重反転スクリュー機構１は、同軸配置した二つの駆動軸としてのインナシャフト２およびアウタシャフト３を備える。インナシャフト２を回転の中心としての中心軸Ｃ上に配置する一方、アウタシャフト３を筒状に形成して、このアウタシャフト３をインナシャフト２の外周に相対回転自在に同心状に嵌合し、インナシャフト２の後端部をアウタシャフト３の後端から所定量突出してある。なお、本実施形態ではインナシャフト２も筒状に形成してある。

そして、インナシャフト２の後端部に後側スクリュー４を取り付けるとともに、アウタシャフト３の後端部に前側スクリュー５を取り付け、これら後側スクリュー４および前側スクリュー５は互いに反対向きに回転して同じ方向に推力を発生するようになっている。後側スクリュー４は前側スクリュー５に対して相対的に推進方向の後方に配置されている。

ここで、本実施形態では、後側スクリュー４および前側スクリュー５の駆動源を複軸多層モータ６としてある。この複軸多層モータ６は、二つのロータ、つまり、インナロータ６２とアウタロータ６３を備え、これら二つのロータ６２，６３について、一つのステータ６１を共用するものである。そして、本実施形態では、複軸多層モータ６に複合電流を通電することにより、各ロータ６２，６３すなわち各シャフト２，３の回転出力を、別個独立して駆動制御するようにしてある。

図示省略した躯体側に固定されるハウジング６４から、その中心軸が推進方向に配置される円筒状に筒部６４ａが突設されており、この筒部６４ａ内にステータ６１が設けてある。

インナロータ６２は略円筒状に形成されており、その外周部に複数の永久磁石（または二次導体）６２ａを配置してある。そして、その軸方向前端部の内周をベアリング６５を介してハウジング６４に回転自在に支持するとともに、軸方向後端部の外周をベアリング６５ａを介してステータ６１に回転自在に支持してある。

アウタロータ６３も略円筒状に形成されており、その内周部に複数の永久磁石（または二次導体）６３ａを配置してある。そして、その軸方向前端部の内周をベアリング６６を介してハウジング６４に回転自在に支持するとともに、軸方向後端部の内周をベアリング６６ａを介してステータ６１に回転自在に支持してある。

インナロータ６２の後端部はインナシャフト２に結合してある。よって、インナロータ６２の回転はインナシャフト２に伝達される。また、アウタロータ６３の後端部はアウタシャフト３に結合してある。よって、アウタロータ６３の回転はアウタシャフト３に伝達される。

つまり、本実施形態では、複軸多層モータ６は、円筒状に形成したステータ６１と、その円筒状のステータ６１の内周側に配置したインナロータ６２と、円筒状のステータ６１の外周側に配置したアウタロータ６３と、を備えており、所謂ラジアルギャップ型モータとして構成されている。そして、アウタロータ６３で前側スクリュー５を駆動するとともに、インナロータ６２で後側スクリュー４を駆動するようになっている。

また、この複軸多層モータ６では、ステータ６１のコイルに複合電流を通電することにで、二つのロータ６２，６３の特性を、極対数や永久磁石６２ａ，６３ａの配置などによって設定できるようにしてある。本実施形態では、前側スクリュー５を駆動するアウタロータ６３のトルクを、後側スクリュー４を駆動するインナロータ６２のトルクよりも大きく設定してある。また、前側スクリュー５を駆動するアウタロータ６３の極対数を、後側スクリュー４を駆動するインナロータ６２の極対数よりも大きくしてある。

アウタロータ６３とインナロータ６２の極対数が異なる場合は、それぞれに通電する電気角周波数も異なることになる。よって、共通のステータ６１（のコイル）に、両ロータ６２，６３を駆動するそれぞれの電流を重畳した複合電流を通電することで、各ロータ６２，６３の回転出力を別個独立して駆動制御することができる。

ここで、アウタロータ６３は、外周側に位置するため寸法的に大径となり多極側を構成し易くなる。電動モータのトルクは極対数にほぼ比例するので、アウタロータ（多極側ロータ）６３が高トルクとなる。一方で多極側の駆動周波数は当然に高くなるので、高回転域においてはスイッチング周波数の上限の制約を受けるので、アウタロータ６３はインナロータ（小極側ロータ）６２よりも低回転仕様となる。

ところで、このように二つのロータ６２，６３を駆動する際にそれぞれの極対数と回転数に応じた周波数の電流を重畳して通電する場合、回転数と極対数の積、つまり、回転数×極対数（＝電気角周波数）が等しくなる動作点では、電流ピーク値が高くなって好ましくない。

そこで、本実施形態では、前側スクリュー５および後側スクリュー４の羽根数およびピッチを、複軸多層モータ６の定常運転時に二つのロータ６２，６３の電気角周波数が異なるように設定してある。

以上の構成により、本実施形態の二重反転スクリュー機構１によれば、駆動源を複軸多層モータ６、つまり電動モータとしたことで、従来の主機関や減速機を用いる場合に比較して大幅な軽量化を図ることができる。また、複軸多層モータ６では後側スクリュー４および前側スクリュー５を駆動するインナロータ６２およびアウタロータ６３について、一つのステータ６１を共用することができるため、この点でも小型軽量化に資することになる。そして、複軸多層モータ６に各ロータ６２，６３に対応する電流を重畳した複合電流を通電することにより、インナロータ６２およびアウタロータ６３を別個独立して回転制御することが可能となり、以て、後側スクリュー４および前側スクリュー５の制御性能を向上することができる。

また、本実施形態では、前側スクリュー５を駆動するアウタロータ６３のトルクを、後側スクリュー４を駆動するインナロータ６２のトルクよりも大きくしたので、前側および後側に配置したスクリュー５、４の要求特性に沿った出力を発生させることができるため、効率の良い推力を得ることができる。

さらに、本実施形態では、前側スクリュー５を駆動するアウタロータ６３の極対数を、後側スクリュー４を駆動するインナロータ６２の極対数よりも大きくしたので、推進方向前側を駆動するアウタロータ６３を高トルクかつ低回転数にでき、かつ、後側を駆動するインナロータ６２を低トルクかつ高回転数にできる。これにより、後側スクリュー４および前側スクリュー５に好ましい要求特性を与えることができる。

さらにまた、本実施形態では、複軸多層モータ６を、円筒状のステータ６１と、その円筒状のステータ６１の内周側および外周側にそれぞれ配置したインナロータ６２およびアウタロータ６３と、によってラジアルギャップ型として構成した。このため、大径となるアウタロータ６３側の極対数を無理なく大きくできる。そして、前側スクリュー５をアウタロータ６３で駆動するとともに、後側スクリュー４をインナロータ６２で駆動したことにより、それぞれのロータ６３，６２の出力回転をアウタシャフト３およびインナシャフト２を介して前側スクリュー５および後側スクリュー４に伝達することができるので、その出力回転の伝達経路の構成を簡素化することができる。

また、前側スクリュー５および後側スクリュー４の羽根数およびピッチを、複軸多層モータ６の定常運転時に二つのロータ６２，６３の電気角周波数が異なるように設定したので、定常運転時にステータ６１のコイルの電流ピーク値が上昇して異常発熱が生じるのを回避できる。

（第２実施形態）図２は、本実施形態にかかる二重反転スクリュー機構の断面図である。なお、本実施形態にかかる二重反転スクリュー機構は、上記第１実施形態にかかる二重反転スクリュー機構と同様の構成要素を備えている。よって、以下ではそれら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

図２に示すように、本実施形態にかかる二重反転スクリュー機構１Ａは、二つのスクリュー４，５の駆動源を、一つのステータ６１を共用する二つのロータ１０２，１０３を備えた複軸多層モータ１００とし、複合電流を通電することによりインナシャフト２およびアウタシャフト３を別個独立して駆動制御するようになっている。

ただし、本実施形態では、ステータ１０１を、その両面が推進方向前後に配置される円盤状に形成し、二つのロータ１０２，１０３のうち一方を円盤状のステータ１０１の推進方向後側に配置するとともに、他方を円盤状のステータ１０１の推進方向前側に配置して、複軸多層モータ１００を所謂アキシャルギャップ型モータとして構成した点が、上記第１実施形態と相違している。本実施形態では、円盤状のステータ１０１の推進方向後側に配置したロータをリヤロータ１０２とし、推進方向前側に配置したロータをフロントロータ１０３とし、前側スクリュー５をリヤロータ１０２で駆動するとともに、後側スクリュー４をフロントロータ１０３で駆動するようにしてある。

図示省略した躯体側に固定される円筒状のハウジング１０４の内周に、中心軸Ｃに対して所定厚さをもって垂直に配置される円盤部１０４ａが設けられており、この円盤部１０４ａ内にステータ１０１が設けてある。

リヤロータ１０２は円盤部１０４ａと略平行な円盤状に形成されており、その前側部に複数の永久磁石（または二次導体）１０２ａを放射状に配置してある。そして、リヤロータ１０２は、その内周部に結合したアウタシャフト３とハウジング１０４の内周部との間にベアリング１０５を介在させるとともに、アウタシャフト３とインナシャフト２との間にベアリング１０５ａを介在させることで、回転自在に支持してある。

フロントロータ１０３も円盤部１０４ａと略平行な円盤状に形成されており、その後側部に複数の永久磁石（または二次導体）１０３ａを放射状に配置してある。そして、フロントロータ１０３は、その内周部とステータ１０１の内周部との間にベアリング１０６を介在させるとともに、フロントロータ１０３の内周部に結合したインナシャフト２とアウタシャフト３との間に上述したベアリング１０５ａを介在させることで、回転自在に支持してある。また、フロントロータ１０３の回転がインナシャフト２に伝達されるとともに、リヤロータ１０２の回転がアウタシャフト３に伝達されるようになっている。

つまり、本実施形態では、二重反転スクリュー機構１Ａによれば、上記第１実施形態と同様に、駆動源として複軸多層モータ１００を用いたため、小型軽量化を達成することができる。また、本実施形態でも、フロントロータ１０３およびリヤロータ１０２について一つのステータ１０１を共用することができるので、第１実施形態と同様に小型軽量化を達成することができる。また、複軸多層モータ１００に複合電流を通電することによりフロントロータ１０３およびリヤロータ１０２を別個独立して回転制御することが可能となり、ひいては、後側スクリュー４および前側スクリュー５の制御性能を向上できる点も第１実施形態と同様である。

また、本実施形態では、複軸多層モータ１００をアキシャルギャップ型モータとして構成して、ステータ１０１およびその前後に配置した二つのロータ１０２，１０３をそれぞれ円盤状に形成したので、ロータ１０２，１０３を回転自在に支持するベアリング１０５，１０５ａ，１０６を小径化できるので、機械的な回転数上の制約や耐久性を向上することができる。

もちろん、本実施形態にあっても、上記第１実施形態と同様に、前側スクリュー５を駆動するリヤロータ１０２のトルクを、後側スクリュー４を駆動するフロントロータ１０３のトルクよりも大きくすることが好ましい。

また、前側スクリュー５を駆動するリヤロータ１０２の極対数を、後側スクリュー４を駆動するフロントロータ１０３の極対数よりも大きくすることが好ましい。

さらに、前側スクリュー５および後側スクリュー４の羽根数およびピッチを、複軸多層モータ１００の定常運転時に二つのロータ１０２，１０３の電気角周波数が異なるようにそれぞれ設定することが好ましい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。なお、本発明にかかる二重反転スクリュー機構は、船舶や飛翔体等に適用することが可能である。

本発明の第１実施形態にかかる二重反転スクリュー機構の断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる二重反転スクリュー機構の断面図である。

符号の説明

１，１Ａ 二重反転スクリュー機構
２ インナシャフト（駆動軸）
３ アウタシャフト（駆動軸）
４ 後側スクリュー
５ 前側スクリュー
６ 複軸多層モータ
６１ ステータ
６２ インナロータ
６３ アウタロータ
１００ 複軸多層モータ
１０１ ステータ
１０２ リヤロータ
１０３ フロントロータ

Claims (5)

1. 同軸配置した二つの駆動軸の一方に前側スクリューを取り付けるとともに、他方に後側スクリューを取り付け、それら二つのスクリューを互いに反対向きに回転して推力を発生させる二重反転スクリュー機構において、
   前記二つのスクリューの駆動源を、一つのステータを共用する二つのロータを備えた複軸多層モータとし、該複軸多層モータに複合電流を通電することにより各駆動軸を独立して駆動制御するようにし、
   前記前側スクリューおよび前記後側スクリューの羽根数およびピッチを、前記複軸多層モータの定常運転時に前記二つのロータの電気角周波数が相違するように設定したことを特徴とする二重反転スクリュー機構。
2. 前記複軸多層モータでは、前記前側スクリューを駆動するロータのトルクを、前記後側スクリューを駆動するロータのトルクよりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の二重反転スクリュー機構。
3. 前記複軸多層モータでは、前記前側スクリューを駆動するロータの極対数を、前記後側スクリューを駆動するロータの極対数よりも大きくしたことを特徴とする請求項１または２に記載の二重反転スクリュー機構。
4. 前記複軸多層モータでは、ステータを中心軸が推進方向に配置される円筒状に形成し、前記二つのロータの一方を当該ステータの外周側に配置するとともに、他方を当該ステータの内周側に配置して、当該複軸多層モータをラジアルギャップ型モータとして構成し、
   前記前側スクリューを外周側のロータで駆動するとともに、前記後側スクリューを内周側のロータで駆動するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一つに記載の二重反転スクリュー機構。
5. 前記複軸多層モータでは、ステータを両面が推進方向前後に配置される円盤状に形成し、前記二つのロータの一方を当該ステータの推進方向後側に配置するとともに、他方を当該ステータの推進方向前側に配置して、当該複軸多層モータをアキシャルギャップ型モータとして構成し、
   前記前側スクリューを後側のリヤロータで駆動するとともに、前記後側スクリューを前側のフロントロータで駆動するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一つに記載の二重反転スクリュー機構。

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