水中スラスター

水中スラスタは、推進装置として水中ロボットに組み込まれた、または取り付けられた、船舶用プロペラと油圧モーターまたは電動モーターの構成です。これにより、ロボットは海水の抵抗に逆らって移動および操縦できるようになります。水中スラスタと船舶用スラスタの主な違いは、強い水圧下、場合によっては海底まで作動する能力です。

推進装置には、横向きのトンネルに設置されたプロペラで構成される横方向スラスタまたはトンネルスラスタ、竜骨から吸引して両側に排出するポンプで構成されるジェットスラスタ、および360°回転できる方位スラスタの3つの一般的なタイプがあります。

水中スラスタは、さらに油圧スラスタと電気スラスタの 2 つの主なグループに分けられます。以下は、各タイプの長所と短所です。

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油圧スラスタは、主にバルブやパイプなどの追加部品のために多くのスペースと重量を占めるため、大型の作業用ROVで主に使用されます。^[3]油圧スラスタ技術は電気スラスタよりも古く、より頑丈で、重量対推力比は電気スラスタよりも高くなっていますが、メンテナンスと配管の問題により、ユーザーに不満が生じています。^[要出典]重量対推力比は油圧スラスタの方が電気スラスタよりも高くなりますが、バルブ、油圧パワーユニット、パイプジョイントなどの必要な油圧部品を考慮すると、油圧スラスタシステムは電気スラスタよりも重くなります。^[要出典]

電動スラスタは主に、 AUV、潜水艦、電動ROVなどのバッテリー駆動の水中ロボットに使用されています。電動スラスタでは通常、ブラシレスDCモーターまたは永久磁石同期モーター（PMSM）が使用されます。これらのモーターは、空気またはオイルで満たされた空洞内に密閉されている場合もあれば、水がモーターと接触して追加の冷却と潤滑を提供する浸水設計になっている場合もあります。^{[4] [5]}

電気スラスタの主なコンポーネントは次のとおりです。

1. 電気モーター:電気モーターは電動スラスタの主要部品であり、プロペラを駆動します。現代の水中スラスタは通常、ブラシレス永久磁石同期モーター ( PMSM ) を使用します。^{[引用が必要]}低品質のスラスタの中には、ブラシレス DC モーターが使用されているものもあります。利点は価格の低下ですが、欠点は効率の低下です。^{[引用が必要]}現代の設計のほとんどでは、フレームレス PMSM モーター (主に Kollmorgen 社製) ^{[引用が必要] を}使用して重量を減らし、熱効率を高めています。これにより、パワー対重量比が向上しますが、欠点は組み立てコストの増加です。^{[引用が必要]}デンマークに拠点を置く Copenhagen Subsea 社は、電力が周囲に適用され、モーター部品がダクトと統合された電動リングスラスタを製造しています。^[6]
2. ギアボックス:プロペラのトルクをモーターのトルクに合わせるために、一部のメーカーはギアボックスを使用しています。ほとんどの場合、スラスターの重量と容積を減らすために、ギアはスラスター シェル内に直接組み込まれ、ギアボックス ハウジングとして使用されます。^{[引用が必要]}この方法では重量が減りますが、スペアパーツが通常の市場で見つからないため、修理が難しくなります。^{[引用が必要]}
3. ダイレクト ドライブ: PMSM モーターを使用する最新の設計では、モーターのトルクと直径の比率が非常に高いため、モーターはギアボックスなしでプロペラを回転させることができます。ダイレクト ドライブ水中スラスタでは、モーターはギア付きスラスタで使用されるモーターよりも重いですが、ギアボックスがないため、これを補うことができます。ダイレクト ドライブ スラスタは信頼性が高く、ノイズが少なく、効率が高いですが、価格はギア付きスラスタよりも高くなります。^{[引用が必要]}
4. モーター ドライバーと電子機器:ブラシレス モーターには、整流^[要説明]と速度制御のための電子機器が必要です。初期のバージョンではドライバーの信頼性が低く、信頼性の高い油圧スラスターと比較してユーザーの不満を招きました。最近では、パワー エレクトロニクス技術の進歩により、モーター ドライバーはより効率的で信頼性が高く、安価で小型になり、モーターの端に直接取り付けられるようになりました。最新の設計では、モーター コントローラーはプロペラの回転速度を制御できるだけでなく、位置を厳密に制御する必要があるアプリケーションで推力も制御できます。^[要出典]
5. シャフトとシーリング:プロペラを適切な位置に保ち、魚や漁網などの外部物体との衝突の際にも信頼性を確保することは、あらゆる種類のスラスタの主な懸念事項の 1 つです。この問題が原因で多くの故障が報告されています。^[要出典]一部のメーカーは、磁気カップリングを使用し、回転シーリングを完全に回避することでこの問題を解決しようとしています。これにより、シーリングとシャフトの信頼性が向上しますが、磁気カップリングのトルク伝達能力が限られているため効率が低下します。そのため、高速で低トルクのプロペラを使用することでこの問題を解決しています。^[要出典]ほとんどのモデルでは、効率は 25% と低く、水中スラスタとしては非常に低いです。^[要出典]磁気軸受^{[説明が必要]}では、水の層を潤滑剤として使用してプロペラを外殻表面上で回転させる必要があるため、汚染された水中では軸受の寿命が大幅に短くなる可能性があります。他のメーカーの中には、冗長性のためにテーパー軸受と多重シーリング システムを使用しているところもあります。この設計では、メインシール（通常はセラミックシール^{[引用が必要]}）が故障しても、他のシールがモーターを安全に保ち、スラスタは動作を継続できます。^{[引用が必要]}
6. プロペラ:プロペラは回転を推力に変換する部品です。適切なプロペラの選択は、スラスターの性能に大きく影響します。各アプリケーションの流体力学的負荷ラインには、効率を最大化するために適合したプロペラが必要ですが、市場には標準の既製プロペラのバリエーションが不足しているため、最高効率のプロペラを備えたスラスターを注文することは不可能です。 ^{[引用が必要]}一部の企業はカスタムプロペラを設計および開発しますが、その価格は非常に高くなります。 ^{[引用が必要]}他の企業は、多くのプロペラをオプションとして提供し、ユーザーがスラスターの性能チャートを使用して最適なものを選択できるようにしています。

   

7. ノズル: ノズルは、高負荷、低速のスラスタで使用されます。ほとんどの ROV には、このタイプの流体力学的負荷があります。AUV、UUV、潜水艦などの高速、低負荷のロボットでは、通常、スラスタにノズルはありません。
8. プロペラガード: プロペラは魚や他の物体の衝撃によって損傷を受ける可能性がありますが、ブレードへの流れが均一でないと振動することもあります。プロペラガードの設計はプロペラへの流れに影響し、結果として性能に影響します。一部のメーカーはプロペラガードの設計をユーザーに任せていますが、より効率的な解決策は、ノズルサポートストラットに機能を統合することです。^{[引用が必要]}
9. シェル: スラスター シェルは通常、海水による腐食に耐える必要があります。シェルには、硬質アルマイト処理アルミニウムとステンレス鋼グレード 316 の 2 つの一般的なバージョンがあります。 ^{[引用が必要]}鋼鉄は重く、高価で、耐久性に優れています。アルミニウムは軽く、安価です。
10. 電気コネクタ：電気コネクタは水中スラスタの重要な部品です。サードパーティのサプライヤーから信頼性の高い部品が幅広く提供されています。^[7]

多くのパラメータが水中スラスタに大きく影響します。海中では、エネルギーを転送 (ROV) したり保存 (AUV、UUV、潜水艦) するのが難しいため、エネルギーの価値が高まります。そのため、効率を最大化することが非常に重要です。モーター ドライバー、電気モーター、シャフト、シーリング、プロペラ、ノズル、スラスタの外部形状と表面はすべて、効率に影響します。

1. プロペラ負荷とモータートルクの一致: 水中スラスターの難しい設計上の問題の 1 つは、プロペラ負荷ラインとモーター出力ラインを一致させることです。これが実現されない場合、スラスターの全体的な効率は最大値を大きく下回るか、モーター出力のわずかな割合しか使用されません。^{[引用が必要]}
2. 適切なプロペラの使用: プロペラの直径、ピッチ比、およびタイプ^{[明確化が必要]}は、最高のパフォーマンスを得るために非常に重要です。 スラスターの最終注文前に、適切な選択を行うために多くの調査とエンジニアリングを行う必要があります。
3. 低全高調波歪み (THD) モーターとドライバーの使用: PMSM モーターは THD による効率の問題を抱えています。低 THD モーターとドライバーは市場で入手可能ですが (Kolmorgen)、その価格は効率の低いモーターよりもかなり高くなります。このタイプのモーターとドライバーを使用しているのは、市場でハイテク スラスターのみです (Lian Innovative ^[盗用] )。^{[引用が必要]}
4. 流線型スラスターシェル: 流線型のボディとハンドルの製造は効率に多大な影響を及ぼし、このタイプの形状の曲線の製造は高価です。^[要出典]

• リム駆動スラスター

• 先進的な電動水中スラスター^[奪取]、Lian Innovation は、さまざまな水中スラスターを製造している企業です。
• 水中技術協会（SUT）は、水中技術に関心を持つ個人の組織です。
• Innerspace スラスター、Innerspace は水中スラスターとモーターを設計、製造しています。