ディーゼルの廃止、電気の導入: 船舶の電力システムはモーターによって再検討されています

世界の海運業界は歴史的な転換点に立っています。国際海事機関 (IMO) によるますます厳格化する炭素排出規制の施行と、持続可能な海運の世界的要請により、従来のディーゼル エンジンの動力システムは大きな変革を迎えています。この変化の中心となるのは電気駆動システムとモーター技術の台頭であり、これらは船舶の動力アーキテクチャを根本的に再定義し、業界をより効率的でクリーンな未来に向けて導いています。

​パラダイムシフト: 機械式トランスミッションから統合電気推進へ​

1 世紀以上にわたり、ディーゼル エンジンはその信頼性と高い出力密度が高く評価され、船舶の絶対的な動力源として君臨してきました。ただし、それらの欠点は明らかです。高排出、重大な騒音、エネルギー最適化の可能性の限界、および複雑な機械式トランスミッション システムの柔軟性に欠けるレイアウトです。

最新の電気駆動システムは、この状況に革命をもたらしました。その中心原則は、発電と推進の分離です。

• 原動機 (ディーゼル エンジン、ガス タービン、さらには燃料電池など) は、効率的な発電に重点を置いています。

• 電力は、電気ネットワークを介して船全体に柔軟に分配されます。

• モーターは最終アクチュエーターとして機能し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換してプロペラやさまざまな補助機械を駆動します。

この「統合電源システム」は、非常に柔軟なレイアウト、大幅に改善されたエネルギー効率、リチウム電池や水素などの新しいエネルギー源への道を切り開き、船舶の操縦性と快適性を大幅に向上させるという革新的な利点を提供します。

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Core Power: 船舶用モーターの多様なイノベーション​

モーターはもはや単純なパワーデバイスではなく、船舶のさまざまな機能要件に合わせて調整された高度に特殊化されたコアコンポーネントです。電気駆動システムの優れた性能は、次のような多様なモーター技術に基づいて構築されています。

• ​主な推進モーター: 船の「電気の心臓」​

  プロペラを直接駆動する主エンジンに代わる動力源として、最新の推進モーターは数十メガワットの定格出力を達成できます。限られたエンジンルームスペース内で大きな推力を提供するために、多くの場合、中電圧（3.3kV、6.6kV、11kVなど）電源、多極低速設計が採用され、高度な水冷またはハイブリッド冷却技術が統合されています。たとえば、一部の大手メーカーが採用している「内部循環 + 外部循環」複合冷却方式は、高出力密度での放熱の課題にうまく対処し、出力密度を大幅に向上させながらモーターの体積と重量を大幅に削減し、大型クルーズ船やコンテナ船のコンパクトな推進システムに対する厳しい要求を満たしています。

• ​モーターの操縦と位置決め: 機敏な「電動操舵手」​

  これには、バウスラスターおよびアジマススラスター (Azipod®) 用のモーターが含まれます。これらのモーターは、高トルク、迅速な動的応答、正確な制御を重視しており、機敏な操船と動的位置決め (DP) を可能にします。これらは通常、優れた環境適応性を備えた垂直構造を特徴としており、高振動、湿度、さらには極寒の条件下でも安定した動作が可能です。

• ​補機モーター: 船全体のシステムの「静かな礎石」​

  ポンプやファンからコンプレッサーや甲板機械に至るまで、船舶全体の補助機器は高効率モーターによって駆動されることが増えています。トレンドは、オンデマンド電力供給を可能にする、可変周波数駆動制御の永久磁石または誘導モーターに向かっています。これにより、「小さな負荷に大きなモーターを使用する」というエネルギーの無駄がなくなり、船舶の「ホテル負荷」のエネルギー消費を削減する鍵となります。

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船舶用モーターの応用シナリオ​

数百、さらには数千にも及ぶ多種多様なモーターが大型船舶に設置され、推進、操縦、およびさまざまな補助システムにわたって重要な役割を果たしています。たとえば、中国初の国産大型クルーズ船には、HVAC から消火ポンプまで 136 のサブシステムをカバーする 20,000 セットを超えるモーター機器が装備されています。

安全な航行と日常の操作は、これらのモーターが正常に機能するかどうかに大きく依存します。モーターが 1 台でも故障すると、推進システムや重要な機器に影響を及ぼし、航海を危険にさらす可能性があります。したがって、船舶用モーターには一般に、高い信頼性と過酷な環境に耐える能力が求められます。海上では高湿度、塩水噴霧腐食、激しい振動や衝撃のため、船舶用モーターには防湿、耐食性、耐振動性のための特別な設計を組み込む必要があります。

多くの船舶用モーターは、湿った振動環境で一年中継続的に動作します。不適切なメンテナンスは、絶縁劣化やベアリングの摩耗などの故障を引き起こす可能性があります。設計と使用では、安定した信頼性の高いモーター動作を確保するために、定期的な検査、メンテナンス、冷却の改善、振動絶縁を重視する必要があります。船舶用モーターは、主推進、電気推進ユニット、スラスター/バウスラスター、甲板機械、ポンプ、HVAC、およびその他のシナリオで広く使用されています。それらの性能は、船舶の全体的な性能と安全性に直接関係します。

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技術フロンティア: グリーン輸送の未来を推進する​

現在、船舶用モーターと電気駆動システムの技術開発は、次の 3 つの主な方向に焦点を当てています。

• ​超高効率と永久磁化​

  モーターの効率を改善することは、排出ガス削減への直接的な道です。超効率の IE4/IE5 クラスのモーターは、新築の場合に好まれる選択肢となっています。その中でも、永久磁石同期モーター (PMSM) は、高出力密度、高効率、高トルク性能を備え、推進と発電において急速に勢いを増しており、新世代の「グリーン電力」の中核となっています。

• ​システム統合とインテリジェンス​

  最新の電気駆動システムは高度に統合された全体です。モーターは、周波数変換器、変圧器、エネルギー管理システム (EMS) と緊密に統合されています。デジタル ツインとモノのインターネット (IoT) に基づくインテリジェントな監視システムは、モーターの状態をリアルタイムで分析できるため、予知保全が可能になり、運用の信頼性と効率が最大化されます。

• ​多様なエネルギー源への適応​

  将来の船舶のエネルギーはハイブリッドになります。電気駆動システムは、その固有の互換性により、ディーゼル発電、リチウム電池、燃料電池、さらには陸上電力をシームレスに統合できます。モーターは、統一された出力ポートとして機能し、使用される一次エネルギー源に関係なく、船舶が最適な推進性能を達成できるようにします。

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船舶用モーターの種類と技術的特徴:​

船舶システムのさまざまなニーズに基づいて、船舶用モーターは数多くの特殊なタイプに進化してきました。

• ​主な推進モーター:船舶の主な推進電源として機能し、その出力範囲は数メガワットに達することがあります。これらは通常、高電圧、高出力モーターであり、標準電圧レベルは 690V、3kV、6kV、10kV などで、定格電力は数千キロワット、場合によっては数万キロワットに達します。限られたスペース内で莫大な電力を供給するために、推進モーターは多くの場合、高極、低速設計 (750 ～ 1200 rpm) と効率的な冷却方法を使用します。主流の大型推進モーターのほとんどには、放熱効率を向上させるために水冷または複合冷却システムが装備されています。国内メーカーが開発したある種の推進モーターは、「内部循環＋外部循環＋空気＋海水」ハイブリッドクロス冷却技術を先駆けて開発しました。これにより、低電圧条件下での大電流・高出力モーターの放熱ボトルネックを解決し、同出力のモーターの重量と体積をオリジナルの60%に削減し、全体の効率を約20%向上させました。このような革新的な設計はモーター出力密度を効果的に高め、大型クルーズ船やその他の船舶の高出力でコンパクトな推進モーターに対する厳しい要求に応えます。

• ​船舶の操縦および位置決めモーター:これらには、バウスラスター（サイドスラスター）とアジマススラスター（アジポッド）用のモーターが含まれます。これらのモーターは通常、垂直設置と高トルク出力設計を特徴としており、船舶の操縦性要件を満たすための迅速な起動停止と速度調整性能を重視しています。船首コンパートメントなどの湿気や衝撃を受けやすい場所に耐えられるよう、優れた防湿性、耐振動性、低温耐性を備え、極地航行中の氷の状況でも信頼性を維持する必要があります。構造的に、これらのモーターは通常コンパクトなので、限られた船体スペースに簡単に設置でき、メンテナンスも容易です。

• ​補助機器モーター:さまざまなポンプ、ファン、コンプレッサー、ウインチクレーンなどの多数の補助船舶設備は、中小型の電気モーターによって駆動されます。これらは、負荷要件に基づいて低電圧カテゴリと高電圧カテゴリに分類されます。低電圧補助モーターは、ほとんどが 380 ～ 690 V の電圧範囲にあり、数キロワットから数百キロワットの電力を供給し、通常はシンプルさと信頼性を重視した全閉ファン冷却 (TEFC) 構造を特徴としています。高電圧補助モーターは通常、3 ～ 6 kV で動作し、最大数千キロワットの出力があり、大型のポンプや圧縮装置などの過酷な用途に使用されます。通常、ダクト換気や水冷などの強化された冷却設計が採用されています。高温のエンジンルームエリアや水中ポンプなどの特定の特殊な環境では、高温、防爆、または水中での安全な動作を確保するために、水冷ジャケットまたは防爆エンクロージャを備えた特殊なモーターが必要です。技術の進歩に伴い、推進・発電用のPMSM、特定補機用の高速モーター、専用船のDCモーターなど、新しい船舶用モーターの実用化が進んでいます。この多様な製品範囲により、大手企業は 30 シリーズ、2,000 種類を超える船舶用モーターの製品ラインをカバーし、さまざまな船舶のニーズを満たすことができます。

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船舶用モーター技術の開発動向:​

船舶用モーター業界は現在、効率、グリーンテクノロジー、インテリジェンスの 3 つの主な方向に沿ってイノベーションを加速しており、さまざまな新技術やコラボレーションが登場しています。

• ​高効率、省エネ、超高効率クラスのモーター:モーターの効率を改善してエネルギー消費と排出量を削減することは、業界の主要なトレンドです。国際的には、従来のモーターをはるかに上回る効率を備えた超効率 IE5 クラスのモーター製品が導入され、造船業界の省エネ変革が加速しています。

• ​永久磁石同期モーターと新しいモータートポロジ:永久磁石モーターは、その高効率、高出力密度、優れた速度調整性能により、海事業界でますます注目を集めています。特に大型の全電気推進システムやハイブリッド推進システムでは、メガワット級の PMSM が徐々に中核機器になりつつあります。国内企業もまた、厳しい分類要件を完全に満たす製品を提供するなど、大きな進歩を遂げています。従来のモーターと比較して、これらの高出力永久磁石モーターは、高効率、省エネ、高出力密度、安定した動作などの優れた利点を備えており、船舶全体のエネルギー消費と二酸化炭素排出量を効果的に削減し、持続可能な港湾および海運業界の発展という時代の需要に沿っています。実際のアプリケーションでは、シャフト生成などのシナリオに PMSM を使用すると、エネルギー利用効率が大幅に向上します。試験の結果、3MW クラスの永久磁石シャフト発電機を追加すると、船全体の燃料消費量を 4% ～ 10% 節約できることが示されています。今後、磁性材料や制御技術の進歩により、PMSMは主推進、電気推進、大型補機などへの応用が広がり、船舶の「グリーンパワー」の重要な柱となることが期待されています。

• ​特殊な冷却および材料技術:船舶の限られたスペース内で出力を向上させるという課題に対処するために、業界はモーターの冷却と材料の革新を進めています。前述のハイブリッド冷却モーターはその一例で、巧みな空気経路と水冷の組み合わせ設計によりモーターの単位電力量が大幅に削減され、大型クルーズ船の狭いエンジンルームに高出力モーターを設置するニーズに応えています。塩水噴霧や海洋環境の温度変化も、モーター製造の保護材料のアップグレードを促進しています。企業は、防食コーティングの密着性と寿命の問題を解決するために研究開発に多額の投資を行っており、塩水噴霧に耐える「防食外装」コーティングを開発し、海洋環境におけるモーターの長期信頼性を大幅に向上させています。

• ​インテリジェンスとデジタル化:現代の船舶がインテリジェントな運航をますます追求するにつれて、船舶用モーターもインテリジェントな監視と制御に向けて進化しています。大手モーターメーカーは、造船所や電力会社と協力して、IoTベースのモーター監視および保護デバイスを開発しています。これらはモーターの動作データを船舶のエネルギー効率管理システムに統合し、モーターの状態のリアルタイム監視と早期警告を可能にします。

• ​産業連携と規格認証:船舶用モーター業界の高い技術的障壁とカスタマイズの要求により、企業間および権威機関とのコラボレーションがトレンドになっています。システムインテグレーター、機器サプライヤー、モーターメーカーが連携して開発を強化しています。

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結論: 電気駆動の不可逆的な流れ​

「ディーゼルを廃止、電気を導入」は単なるスローガンではなく、世界中の車両全体で展開されている現実です。豪華クルーズ船や大型フェリーからオフショア船、さらには外航貨物船に至るまで、比類のない柔軟性、効率性の利点、環境の可能性を備えた電気駆動システムは、現代の船舶設計の標準になりつつあります。

このシステムの「筋肉と関節」として機能するモーターは、電力密度の向上、環境への適応性の向上、よりスマートな制御など、技術の進歩に伴い、この革命をより深くより広い次元に推進しています。船主、造船所、設計者にとって、電気駆動技術を理解し、採用することは、もはや規制遵守のための単なる選択ではなく、将来の市場競争で勝つための戦略的必要性です。海運の電気の未来はすでに警笛を鳴らして出発しています。