转动一推进单元的装置和方法 本发明涉及水上运输中所用船舶的一推进器驱动装置，并且尤其是涉及这样的一装置，其与能相对于船舶之船壳被转动的一推进单元相组合。本发明还涉及一用于移动和操纵水上航行的一船舶的方法。
在大多数情况中，各种船只或类似的船舶(例如客船和铁船、货船、驳船、油轮、破冰船、海上船、军舰等)是通过由一可旋转的推进器或几个推进器产生的推进或牵引来移动的。船舶是采用独立的舵轮来操纵。
一般地，推进器操纵装置、即旋转装置包括一推进器轴驱动器，例如一柴油机、气动或电动引擎，所述引擎位于船舶的船壳内侧，推进器轴通过一密封的导管由此伸出，以使轴被对水密封地连接到船舶的船壳外部。推进器本身位于另一端，即推进器轴地延伸到船壳外侧的那一端，所述推进器轴或者直接连接到引擎上或者连接到一变速装置上。该方案应用于水上运输所用的大多数船舶中，以获得运动所需的力。
近来，也有人在船舶中安装这样的推进器单元，其中给推进器轴和任何变速装置产生推进力的设备(通常是一电机)是位于船舶的船壳外侧的一专门的腔室内，或者位于一容舱内，所述的容舱被支承成相对于船壳转动。该推进器单元可以被相对于船壳转动，这意味着其也可用于代替独立的舵轮来操纵船舶。更准确地说，容纳引擎的容舱是通过一专门的管状或类似的轴来支承的，以相对于船只的船壳转动，其中管状轴经船只的底部配置。这种类型的推进器单元尤其更详细地公开在申请人的芬兰专利FI76977中。这些单元广义上也是指定向推进单元，并且例如本申请的申请人提供了商标为AZIPOD的这种类型的定向单元。
除了通过省去一长的推进器轴和独立的舵轮而获得的优点之外，还发现该设备在船舶的可操纵性方面获得了一基本的改进。还发现改善了船舶的能量经济性。事实上，在多种用于水上运输的船舶中定向推进装置的使用已在最近的几年中变得越来越普遍，并且可以设想这种普遍性还会继续增长。
在已知的方案中，定向推进单元的转动装置通常是这样实现的，即一舵柄齿圈或类似的舵柄轮缘被连接到管状轴上，所述管状轴构成单元的旋转轴，而舵柄则在液压引擎的协助下回转，其中液压引擎适于与舵柄相配。只要没有通过同一液压引擎来进行操纵(转向)运动，则舵柄的回转运动就停止并被保持在停止的位置。因此在液压系统内总是有正常的操作压力，并且在船舶直线行驶时也如此。
根据一已知的方案，设有4个液压引擎，它们与回转轮缘相连。所述产生引擎中所需液压(能)的操作机构包括一液压泵和使液压泵旋转的一电机。为了提高回转机构的工作可靠性，液压引擎可以配置在两个独立的液压回路中，每一液压回路具有其本身的操作机构，以产生液压(能)。
已采用了一液压回转系统，尤其是因为液压装置容易在一相对低的转速下获得相对高的使一定向推进装置回转的所需转矩。与此同时，通过液压装置对船舶的回转和操纵可以在传统的阀传动装置和相应的液压元件的协助下容易地和相对准确地控制。正如在前面已描述过的，一液压系统所获得的一特征是其能使推进装置轴的回转运动快速和准确地停止在所希望的位置。然后可以维持该位置，这一特性对于船舶的操纵多少被认为是相当必要的。
但是，在已知的液压解决方案中已发现了许多问题和缺陷，即被认为是有效和可靠性问题。为了实现回转系统，船舶不得不装备一昂贵的复杂的独立液压系统，所述液压系统组装有大量元件，尽管推进器本身的旋转是通过一电机进行的。这意味着尤其是由船外的定向推进单元所获得的在空间利用效率方面的一些优点被损失了。液压系统还需要定期和相对频繁的维修与检查，这导致成本上升，甚至由于维修工作的持续而使船舶不得不停止运营。液压系统的另一缺点是其具有向周围泄漏/滴出油液或类似的液压流体的趋势，尤其是从软管和各种接头及密封表面处。除了因液压流体的泄漏和消耗造成的成本上升外，还造成环境和清洁问题。泄漏还造成一显著的安全危险，因为被液压流体污染的表面会变得打滑，因而变得危险，并且泄漏的液压流体还会构成一火灾危险。液压系统的内部压力相对较高，因此例如软管的泄漏可能造成油液的一高压和通常尖锐的(针状的)喷射，如果其撞击到操作人员上的话，则可能造成严重的伤害。在其工作过程中，液压系统也会造成噪声，并且这尤其会影响操作人员的工作条件。噪声是持续的，因为在船舶航行时系统总是开着的。此外，液压系统只能获得用于推进单元的一恒定速度的回转运动(即单一速度)。但是，却存有这样的情况，即可能需要一个以上的回转速度。
本发明的目的是消除已知技术的缺陷，并且创造一种新的使一定向推进单元相对于一船舶的船壳回转的解决方案。
本发明的一目的是获得一解决方案，其避免使用一独立的液压系统和在定向推进单元回转时的有关问题。
本发明的另一目的是获得一解决方案，与已知方案相比，其要改善一定向推进单元的回转机构之可靠性和总的经济性。
本发明的再一目的是获得一解决方案，与已知方案相比，其降低了一定向推进单元的回转机构的噪声程度。
本发明的又一目的是获得一解决方案，其允许改变和/或调节一定向推进单元的回转速度。
本发明的还一目的是获得一解决方案，与已知的方案相比，其降低了由回转机构造成的环境危险，并且改善了清洁与安全的总体水平。
本发明是基于这样的基本思想，即通过一直流电驱动(直接电力驱动)来使定向推进单元旋转，其中电力驱动是由一控制单元来控制的，该控制单元适于处理给船舶发出的操纵指令与由一传感器装置检测到的位置信息两者，其中传感器装置检测定向推进单元的位置。电机的操作是通过控制电机的电力供给单元来控制的，其中对电机电力供给单元的控制是根据该处理由控制单元进行的。
更具体地说，根据本发明的装置的特征尤其在于独立权利要求1的特征部分所公开的内容。根据本发明的方法的特征在于独立权利要求6的特征部分所公开的内容。
根据本发明的的一有利的实施例，使定向推进单元回转的传动设备包括一个安装在轴装置上的齿轮轮缘，一小齿轮、一蜗杆或类似的适于与所述齿轮轮缘相配合作用的装置，其中齿轮经连接到一电机上的一减速装置旋转。最好是，该设备还包括一合适的制动器装置，用于停止该定向推进单元的回转和维持该停止的位置，以及在所述制动器装置与所述控制单元之间的一功能连接线，以用于向所述制动器装置传输控制指令。根据一优选实施例，电机的转速通过一AC转换器驱动器来调节。
本发明提供了几个显著的优点。通过本发明可以取代基于使用液压系统的已知的装置，因此可以消除与使用液压系统有关的前述问题。基于使用一电机的解决方案之总体经济性良好，并且几乎不存在维修要求。基于一电力驱动的一回转系统也是极为可靠的。在现代船舶中，容易获得电力并且在许多不同的位置使用电力(而且定向推进单元也配有一电机)，并且这样避免了一独立的(昂贵的)液体系统的结构。一电力驱动可用来获得带有用于定向推进单元的可调节速度的一回转装置。
在下面的示范性表示中，将参照附图更详细地描述本发明及其其它方面与优点，其中各个图中相应的参考标记表示相应的特征。
图1表示本发明的一实施例的一简化的示意图；
图2表示用于根据图1之配置的一方块图；
图3表示安装在一船只内的一推进器单元；
图4表示根据一可选例子的回转设备的一示意图；和
图5表示根据本发明的回转装置之操作的一流程图。
图1以原理性的平面视图的方式和图2以一方块图的方式公开了根据本发明的一回转机构的一实施例。图3公开了安装在一船舶9内的一定向推进单元6。更具体地说，图1公开了一定向推进单元6，其包括一防水的容舱1。在所述容舱1内安装一电机2，该电机可以是已知电机结构中的任何类型。所述电机2经一轴3用本身已知的一方式连接到一推进器4上。
根据一个可选的例子，在所述容舱1内在所述电机2与所述推进器4之间，可以对该结构安装一变速装置。根据一可选的例子，每一个容舱可具有一个以上的推进器。在此情形中，例如可以有两个推进器，其中一个在容舱前边，一个在容舱后边。
所述容舱1通过一基本上垂直的轴装置8(图中未示出轴承，例如在所引用的芬兰专利FI76977中示出了一个可选的例子，其通过引证被结合于此)被支承在船舶的船壳上(船壳未示出，例如可参见图3)，以绕垂直轴线转动。所述轴装置8(例如一空心的管状轴)可例如具有一直径，其允许对位于下方容舱内的电机、可能具有的变速装置和推进器轴进行维修。
一个360°的齿轮轮缘10或一相应的舵柄轮缘被连接到所述轴装置8上，以向所述轴装置8传递使该轴装置相对于船舶的船壳转动所需的动力。当轴装置8被转动时，所述定向推进单元6也相应地转动。在图1的情形中，用于所述齿轮轮缘10的一回转机构40包括一小齿轮12、一伞齿轮14、一离合器24、一变速装置22、一电机20和这些部件之间的轴。还示出了一制动器装置，其配置在所述轴21上，在此情形中，所述制动器装置包括一盘式制动器26和所需的驱动设备。应当理解的是在实现本发明的回转机构中，并非需要所有的前述元件，而是可以省去某些或者用其它元件来替换。
电机20的驱动电力经一AC转换器30经一导线28输送，该转换器用作电源。AC转换器的工作原理是本领域技术人员熟知的，因此无需在这里进行解释，但要说明的AC转换器的主要元件是一整流器、一直流电压中间电路和一转换器整流器(=转换器元件)。AC转换器如今尤其通常是用作交流电机的输入装置，并且它们在各种可控制的电力驱动装置中是尤其有利的。最常采用的AC转换器包括基于脉冲宽度调制并且装有一电压中间电路的PWM转换器。
一AC转换器非常有利于使用，尤其是因为其提供对所述回转机构40之转速的一调节作用，从而对所述轴8的转速也进行调节。根据一个方案，至少具有两种不同的使用速度。根据另一方案，转速可以在一预定的速度范围内进行调节，例如从0到额定转速。
所述AC转换器30的操作由一控制单元34(例如伺服操纵装置)经一连接线32来控制。所述控制单元34在功能上又被连接到位于桥形件上或者一类似位置的一操纵控制装置上，例如一舵轮38，所述舵轮用于给船舶发出实际的操纵(转向)指令。由舵轮手动发出的操纵指令例如通过一独立的模拟伺服装置被转换成航线指令。根据另一方案，操纵指令通过连接到舵轮上的一变换器被转换成数字操纵信号，该信号经一连接线36被输送给控制单元。
所述控制单元34使用由舵轮38产生的操纵指令信息来控制AC转换器30,AC转换器30接着向电机20供给电流，电机20的所希望的顺时针或逆时针方向的旋转(航线、速度)就产生所述轴8和推进单元6的回转角度之所希望的改变。
控制单元34可以是任何类型的合适的数据处理装置和/或控制装置，例如一微处理器、一伺服操纵装置(例如一所谓的模拟伺服装置)或者一相应的装置，它能进行操纵指令和其它信息的处理，以影响该操纵和所述的其它信息并且根据该处理以控制AC转换器或类似的电源装置。
图1和2还表示了被配置成与定向推进单元6(此处在齿轮轮缘10的顶部上)相连的一位置或角度传感器16，以检测所述轴8的回转角度。适于此目的的各种位置传感器本身是已知的，并且所述位置传感器16可以基于例如一光学传感器、一所谓的正弦/余弦传感器或机械传感器或者计算机影像系统传感器，该传感器能确定所述回转角度。应当注意到，传感器16的类型对本发明的实现并无根本性的影响，而重要的是通过所使用的传感器装置应可靠地确定该定向推进单元的方向。
位置传感器16具有与控制单元34的一功能连接线18，以用于传输位置信号。所述连接线18例如可以是一连接电缆或一无线电连接。该装置还可包括一模/数(A/D)转换器35，以便将来自传感器16的一模拟位置信号转换成一数字形式，其可由所述控制单元34处理，如果所使用的控制单元需要这种转换的话。
控制单元34被配置成在一处理器或类似的处理装置33内，将从所述位置传感器16接收的信息与从所述操纵控制装置38获得的操纵指令相组合，并且在该处理的基础上控制所述AC转换器30或类似的电力供给装置的操作，如图2所示。
图1和2还表示在上面所介绍过的所述制动器装置26。其被配置成将推进单元的回转运动停止在一所希望的位置，并且每当没有发出操纵指令时，将推进装置保持在一固定的位置。所述制动器装置26的操作(例如制动和保持的时间与力量)可以通过控制单元经功能连接线来控制，其控制该系统的操作。根据图2所示的一优选方案，所述制动器装置26的操作是由所述AC转换器30来控制，其又接收来自控制单元34的操纵指令。制动装置还允许在制动的控制中利用来自于位置传感器16的信息，从而可以准确地调节推进器的方向，即促使船舶移动的推进力的方向。
制动器装置可以采用一机械摩擦制动器(例如一盘式或鼓式制动器、制动靴)或一电磁制动器的方式来实现，所述制动器可被设置在传动设备40的一合适的部分内，或者甚至直接地制动/保持推进单元6的所述轴装置8。根据一可选的例子，所述变速装置22或影响所述齿轮轮缘10的齿轮效应被选择成能够制动来自推进单元6的旋转运动，但允许来自于所述电机20的旋转，即它是一种仅允许向前传递这一个方向来的回转动力的类型。
再一种可能性是利用所述的电机20来进行制动/保持。在此情形中，电机20的输出例如通过使用所述AC转换器30和所述控制单元34来控制，从而以一希望的和控制的方式获得所希望的制动/保持效果。通过电机20，或者可获得一全部的制动/保持，或者可用来产生仅一部分所需的制动力，在此情形中是通过一独立的制动器装置来完成制动的。根据该实施例，可以减轻/降低机械制动器在制动中所需的制动力。根据一方案，在制动过程中，所述电机20被用作一发电机，并且在制动过程中所产生的电能被输送给电网。电网最好是与回转系统40中的电力机械在用作电机时获取其操作电力相同的电网。
图4表示一方案，其目的是获得最紧凑和简单的结构。根据图4，所述回转齿轮轮缘10是通过一蜗杆12来转动，其中蜗杆直接连接到所述变速装置22上。但是，在该连接中，应注意到尽管图1和4的方案表示了一齿轮轮缘10和一相配合作用的旋转装置12，但一齿轮轮缘的使用并非总是需要的，并且其可以用另一方案来代替，该方案允许动力被传递给所述推进单元6的轴装置8。这类型的一方案例如是一轮缘马达，其意味着一电机，该电机具有被配置在所述轴8之轮缘上的一基本上大的定子线圈。在此情形中，传动装置被认为包括任何从所述电机向所述轴8传递动力的装置。
图4还表示一传感器方案，其采用非接触的传感器16，所述传感器安装在推进单元的轴装置附近但与之分开。所述传感器16检测绕轴装置配置的位置标记，并且根据该检测信息产生一位置信号。
图5表示操作本发明之一回转设备的流程图。根据本发明的原理，船舶是通过定向推进单元来移动的。定向推进单元的位置由一传感器装置来检测。由传感器装置产生的信息既可以模拟形式利用，如果需要的话也可以转换成数字形式。除非发出了调整航线的一新的指令，定向推进单元的位置被保持在由桥路发出的最近的位置。如果观测到的位置信息表明需要校正位置(偏离了给定的航线，制动器打滑或其它类似的原因)，这可自动地进行。
当船舶需要转向时，就向控制单元发出相应的指令。该指令在控制单元内以一预定的方式被处理，也利用从传感器获得的最近的位置信息。在进行所述处理后，控制单元给定向推进单元的回转机构发出一指令，其中所述回转机构包括所述电机。通过控制电源、例如一转换器的操作来控制该电机，然后电机的所希望的旋转就促使定向推进单元通过回转机构的机械传动按所需要地回转，并且船舶相应地调整其航线。
因此，本发明提供了一装置和方法，其提出了一种新的操纵装有一定向推进单元的一船舶的解决方案。该方案避免了现有技术中的多种缺陷，并且带来了结构简单、总体上更经济、操作更舒适和安全的优点。应当注意到上述本发明的示例并不限制权利要求书所限定的本发明的保护范围，而是权利要求书将覆盖落入本发明的实质与范围内的所有的修改、等同物和变型例。