JP2001207478A - 電動ショベル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動ショベルにおいて、各部の駆動源の応答
性を向上すると共に、省エネルギー化を達成する。 【解決手段】 電動ショベルにおいて、各部の駆動源を
電動式にし、作業用電動発電機７、走行用電動発電機５
及び旋回用電動発電機６の１つ以上を発電機の機能を奏
するように制御装置により制御して制動動作を行わせ、
それぞれの電動発電機から回生電力を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走行部と旋回部と
作業部からなり、各部の駆動源を電動式として操作性お
よび応答性を向上させると共に、走行部と旋回部と作業
部の駆動源の内の１つ以上を電動発電機とし、制動時の
エネルギーを回生電力として回収して省エネルギー化を
達成するようにした電動ショベルに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のパワーショベルは、図４、図５に
示す構成を備えていた。

【０００３】まず、図４について説明する。従来のパワ
ーショベルの全体は、旋回部４９と走行部４８と作業部
５０よりなる。作業部５０は、ブーム、アーム、バケッ
トを駆動する油圧シリンダー４４を有する。旋回部４９
はエンジン４０からなる動力源を含みポンプ４１、コン
トロールバルブ４２、油圧旋回モータ４３およびセンタ
ージョイント４５からなる主要油圧回路を有する。走行
部４８は油圧走行モータ４６を有する。

【０００４】以下、従来のパワーショベルを詳述する。

【０００５】エンジン４０で油圧回路のポンプ４１を駆
動し、このポンプ４１で発生した油圧で、コントロール
バルブ４２を介して、作業部駆動用シリンダー４４、旋
回モータ４３および走行モータ４６を駆動していた。

【０００６】油圧系は、図５に示す。この系を示す油圧
回路は、エンジン４０にカップリングした油圧ポンプ４
１から直接コントロールバルブ４２に連結し、コントロ
ールバルブ４２から油圧シリンダー４４に給排出する回
路、油圧旋回モータ４３に給排出する回路、油圧走行モ
ータ４６に給排出する回路が接続された回路になってい
た。この回路では、圧力源である油圧ポンプ４１に対
し、負荷を構成する各種油圧モータ４３，４６及び油圧
シリンダー４４等のアクチュエータの複数対象同時制御
を行っていた。また、油圧系は駆動力を発生する必要性
から高圧回路部分を有していた。なお、４７は作動油タ
ンクである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のパワーショベルの油圧回路は、メンテナンス、
騒音、省エネルギー、多機能性、接続部からの油漏れ、
油の膨張伸縮特性に基づく応答性の悪さ、制御および切
換の衝撃による制御の困難さ、複数負荷同時制御時のポ
ンプ流量圧の不十分さなどに基づく操作性の悪さ、制御
の高度化の困難性の問題点があると共に、減速時、リリ
ーフ又はオリフィスにより油圧を熱として捨て、また、
低圧側の排出油のエネルギーを無駄にしていた。

【０００８】本発明は、上記状況に鑑みて、構造が簡単
で、多機能性、高度な制御性、低騒音、メンテナンスの
容易性、応答性の良い制御が可能になるとともに、省エ
ネルギー化を達成した電動ショベルを提供することを目
的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 （１）電動ショベルにおいて、走行部と旋回部と作業部
からなり、前記各部の駆動源を電動式にし、前記走行
部、旋回部及び作業部の駆動源の１つ以上を電動発電機
とし、この電動発電機を発電機の機能を奏するように制
御装置により制御して前記走行部、旋回部及び作業部の
１つ以上に制動動作を行わせ、前記電動発電機から回生
電力を出力するようにしたことを特徴とする。

【００１０】（２）上記（１）記載の電動ショベルにお
いて、前記電動発電機の回生出力を、１つ以上の負荷に
接続するとともに制御装置によって制御されて電路の切
換を行う電力コントローラを介してバッテリに接続した
ことを特徴とする。

【００１１】（３）上記（２）記載の電動ショベルにお
いて、前記電力コントローラには、走行用電動発電機、
旋回用電動発電機、作業用電動発電機を接続するととも
に、エンジンと連結された発電装置を接続したことを特
徴とする。

【００１２】そこで、上記（１）に係る電動ショベルに
よれば、前記走行部、旋回部及び作業部の制動操作を、
走行動作、旋回動作、作業動作させるための電動発電機
を発電機として兼用使用して行わせ、その際発生する発
電電力を回生電力として回収することができる。

【００１３】上記（２）記載の電動ショベルによれば、
上記回生電力をバッテリに充電し、電力コントローラを
介して１以上の負荷に制御装置の制御により供給するこ
とができる。

【００１４】上記（３）記載の電動ショベルによれば、
バッテリには、制御装置の制御により、エンジンの制御
を介して連結した発電装置から充電電流が供給できる。
また、制御装置の制御により、電力コントローラを介し
て、発電装置とバッテリと回生発電する電動発電機から
の電力を負荷としての走行用電動発電機、旋回用電動発
電機、作業用電動発電機内の回生出力を発生しないもの
に供給することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づいて説明する。

【００１６】図１は本発明の実施例を示す電動ショベル
の模式図、図２はその電動ショベルのにおける電力供給
系ブロック図である。

【００１７】これらの図において、Ａは走行部、Ｂは旋
回部、Ｃは作業部である。また、１はエンジンであり、
その回転数を発電電力との関係で制御できるようになっ
ている。２は発電装置であり、基本的には、発電機単体
か又はそれと変換装置とからなる。特に、バッテリ３の
充電および各電動発電機等の急変負荷および長時間稼働
に対応するために、低圧大電流を発生する発電機単体
か、又は、高電圧発電機と電流変換器とからなる装置と
して構成することが好ましい。バッテリ３は、発電装置
２から各電動発電機等への給電が不足したとき、又は発
電装置２のバックアップのために設けられている。

【００１８】４は電力コントローラであり、発電装置２
で発生させた電力をバッテリ３に充電し、また、回生発
電しない状況では、負荷となる作業用電動発電機７、旋
回用電動発電機６、走行用電動発電機５に発電装置２お
よびバッテリ３の電力を適切に給電制御し、また、急激
に負荷が大きくなった電動発電機等に対し、発電装置２
の発電電力を増加又は減少するように給電制御する。そ
の際、負荷の緊急性を判断して発電装置２の電力をバッ
テリ３へ給電せず、特定の負荷のみに給電するように制
御することもできる。

【００１９】この電力コントローラ４での各電動発電機
等の制御態様はトルクを重視したもの、回転精度を重視
したもの等種々ある。例えば、交流機の場合、コンバー
タ、インバータを用いた位相制御、周波数制御、パルス
幅制御等が予定され、精度良く制御できるようになる。

【００２０】走行用電動発電機５は、電動機として動作
させるときは、ショベルに負荷がかかった状態でも走行
可能となるように、トルクが比較的大きく、始動特性が
良好な電動発電機となっていて、そのための制御回路も
備えている。従来の油圧モータでは、自動変速機構付で
も２速走行であったが、電動発電機では無段変速にでき
るため、操作性能および走行性能が良好になる。発電機
として動作させるときは、ロータコイルの回転に対して
遅れ位相となるようにステータコイルに回転磁界を発生
させるように通電制御する。このとき、回生電力を発生
するとともに制動動作を行なう。

【００２１】旋回用電動発電機６は、旋回動作中は電動
機として動作し、旋回終了動作時は電磁ブレーキ作用を
奏する発電機として動作して回生発電し、発生した電力
は電力コントローラ４を介してバッテリ３に充電され
る。電動発電機を用いることにより、ブレーキ動作によ
り回生発電でき、また、微妙な制御ができるようにな
る。

【００２２】作業用電動発電機７は、具体的には、回生
機能付き電動発電シリンダーにより構成し、上記したよ
うな回生発電機能を有するものであればよく、油圧系で
のピストン・シリンダーのように伸縮動作ができる機構
の駆動源である。前記伸縮動作機構としては、たとえ
ば、ボールネジとボールナットからなり、ボールネジに
は一方の係支部をベアリング支持すると共に歯車機構を
介して電動機として連結し、ボールナットには他方の係
支部を固定することで基本的に構成できる。その他、電
動機として回転運動を直線運動である伸縮動作に変換す
る変換機構であれば基本的にどのようなものであっても
適用できる。

【００２３】図３は、コンソールのパネルに設けられ
る、この電動ショベルシステムの制御系ブロック図であ
る。

【００２４】この図において、制御装置１０は、ＣＰ
Ｕ、メモリ、入出力ポートをバスで接続した構成になっ
ている。入力ポートには、エンジンの回転数を検出する
回転数検出センサ１３、発電装置２およびバッテリ３の
出力電圧、電流を検出する電圧・電流検出センサ１４、
伸縮動作機構の伸縮状態での長さ、角度等を検出する伸
縮検出センサ１５、ショベルに掛かる土砂等の荷重を検
出する荷重検出センサ１６、台車に対する旋回装置の旋
回角度等を検出する旋回角度検出センサ１７、走行スピ
ード検出センサ１８等からなる各種のセンサと、操作レ
バーおよびキーボード等の操作入力装置１１が接続され
ている。

【００２５】一方、出力ポートには、電力コントローラ
４、エンジンの回転数制御を行うエンジン制御装置１
９、モニター装置１２が接続されている。

【００２６】電力コントローラ４には、その制御対象と
して、前述したように、発電装置２、作業用電動発電機
７、旋回用電動発電機６、走行用電動発電機５、バッテ
リ３が接続されている。制御装置１０のメモリには、必
要な処理プログラムがマイクロプログラムとして記憶さ
れている。

【００２７】操作者は、主に操作入力装置１１からの入
力データにより、各種センサ１３〜１８の出力データを
取り込みメモリに記憶すると共に処理プログラムを実行
し、モニター装置１２に表示させながら、操作入力装置
１１を操作して、電力コントローラ４並びに各種制御対
象を制御する。なお、マニュアルの設定をすれば、レバ
ー操作で自由に作業を行うこともできる。 （動作態様） （旋回系）制御装置１０は、操作入力装置１１からの操
作指令に基づき、各種センサからのデータを入力し、特
に、荷重検出センサ１６のデータを基に、土砂等の負荷
が軽いときは旋回速度を速くし、重いときは遅くするよ
うに演算する。これは、旋回時の慣性力を制御可能な一
定範囲内に抑えるように制御しているためである。

【００２８】更に、制御装置１０は上記演算結果を電力
コントローラ４に出力し、旋回用電動発電機６を所定の
スピードの範囲内に制御する。旋回終了時に制動をかけ
るときは、今までの慣性力により回転を続けようとする
モータ軸に設けたロータコイルの回転に対して遅れた位
相となる回転磁界を発生するようにステータコイルを通
電制御し、ステータコイルに誘導起電力を発生させる。
このようにステータコイルに誘導起電力を発生させた状
態でも、モータ軸に連結されたロータを回転させると、
電動機軸に制動力が作用するようになる。

【００２９】この誘導起電力は、回生電力としてバッテ
リ３等に給電される。その際、制御装置１０は、旋回終
了直前の所定時間間隔での旋回角度検出センサ１７のデ
ータと荷重検出センサ１６のデータとを基に、制動荷重
およびその制動荷重を発生するための電流位相を演算
し、その演算結果を電力コントローラ４に出力し、旋回
用電動発電機６を発電機として機能させて制動をかけ
る。この結果、慣性力の大きさの程度に応じて電流位相
を変えることによって制動荷重を変えることができ、さ
らには電流位相に応じて発電電力を変えることができ
る。 （作業系）制御装置１０は、操作入力装置１１からの操
作入力に基づいて、作業用電動発電機７を電動機として
機能させ、荷重検出センサ１６のデータを取り込み、作
業系で処理可能な荷重か否かを判断し、処理可能と判断
されたときは、前記荷重データを基に作業用電動発電機
７への供給電流を演算し、その演算データを電力コント
ローラ４に出力して作業用発電電動機７を駆動する。初
期トルクを大きくしたいときは、駆動電流を大きく制御
する。

【００３０】例えば、インバータのデューテイ比制御な
どにより制御する。この系は、伸縮検出センサ１５と制
御装置１０と作業用電動発電機７によってフィードバッ
ク系を構成している。作業用電動発電機７を発電機とし
て機能させるときは、上記旋回用電動発電機６と同じ発
電機としての動作原理に基づいて回生制動させると共に
回生発電する。 （走行系）制御装置１０は、操作入力装置１１からの操
作入力に基づいて、電動機として機能させ、走行スピー
ド検出センサ１８のデータを取り込み、操作入力と検出
データとの偏差に基づいて走行用電動発電機５への供給
電流を演算し、その演算結果を電力コントローラ４に出
力して走行用電動発電機５を制御する。供給電流を連続
的に増減することによって、走行スピードを無段階に連
続的に変えることができる。発電機として機能させると
きは、上記と同じく回生制動と回生発電を行なわせる。 （発電装置・バッテリ）制御装置１０は、バッテリ３の
電圧・電流検出センサ１４の検出データを取り込み、電
圧または電流が所定範囲よりも低下しているときは、エ
ンジン制御装置１９へ指令を出して発電装置２を駆動
し、発生した発電電力を電力コントローラ４を介してバ
ッテリ３に充電する。この系もフィードバック系を構成
する。 （他の実施の態様）図１及び図２における発電装置とエ
ンジンからなる電源装置を、商用電源（交流電源）と変
換器の組み合わせ又は燃料電池、付随的に太陽電池とす
ることができる。

【００３１】このようにすると、エンジン音の発生およ
びエンジンの回転歪みによる出力変動を抑制できる。ま
た、電動発電機に電磁クラッチ、電磁ブレーキを設ける
こともできる。そうすれば、確実な制動および静止位置
の保持が可能になる。

【００３２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００３３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏する。

【００３４】（１）油圧の代わりに電動発電機を用いた
ので、作動油を不要にでき、環境に対する負荷を軽減で
きる。

【００３５】（２）従来の油圧駆動では困難であったエ
ネルギーの回生が電動発電機の使用により実現すること
で省エネルギー化が達成できる （３）流体の特性により制約があった制御を、電動発電
機およびそれらの制御手段により、エネルギー損失の少
ない制御に置き換えることができる。

【００３６】（４）流体の特性により制約のあった複数
アクチュエータの同時制御が、電動発電機の使用により
可能となったことで、操作性が向上した。

【００３７】（５）大きな騒音源であった管路の流体通
過音を抑制できることで、騒音を低減することができ
る。

【００３８】（６）エンジンの能力を回生エネルギー分
小型化可能となり、省エネルギー化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す電動ショベルの模式図で
ある。

【図２】本発明の実施例を示す電動ショベルの電力供給
系ブロック図である。

【図３】本発明の実施例を示す電動ショベルの制御系ブ
ロック図である。

【図４】従来のパワーショベルの機構系の模式図であ
る。

【図５】従来のパワーショベルの油圧系のブロック図で
ある。

【符号の説明】

Ａ 走行部 Ｂ 旋回部 Ｃ 作業部 １ エンジン ２ 発電装置 ３ バッテリ ４ 電力コントローラ ５ 走行用電動発電機 ６ 旋回用電動発電機 ７ 作業用電動発電機 １０ 制御装置 １１ 操作入力装置 １２ モニター装置 １３ 回転数検出センサ １４ 電圧・電流検出センサ １５ 伸縮検出センサ １６ 荷重検出センサ １７ 旋回角度検出センサ １８ 走行スピード検出センサ １９ エンジン制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ６０Ｌ 7/10 Ｂ６０Ｋ 9/00 Ｃ (72)発明者 久保 隆 千葉県千葉市稲毛区長沼原町731−１ 住 友建機株式会社内 Ｆターム(参考） 2D003 AA01 AB01 AB02 AB03 AB04 AC06 BA05 CA10 DA04 DB01 DB03 DB04 3G093 AA10 AA16 BA15 DA01 DB00 DB05 DB19 DB20 EB08 EC02 5H115 PA11 PC06 PG10 PO17 PU01 PU26 QI04 QN03 TB01 TD20 TO12 TO13 TO30

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走行部と旋回部と作業部からなり、前記
   各部の駆動源を電動式にし、前記走行部、旋回部及び作
   業部の駆動源の１つ以上を電動発電機とし、該電動発電
   機を発電機の機能を奏するように制御装置により制御し
   て前記走行部、旋回部及び作業部の１つ以上に制動動作
   を行わせ、前記電動発電機から回生電力を出力するよう
   にしたことを特徴とする電動ショベル。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電動ショベルにおいて、
   前記電動発電機の回生出力を、１つ以上の負荷に接続す
   るとともに制御装置によって制御されて電路の切換を行
   う電力コントローラを介してバッテリに接続したことを
   特徴とする電動ショベル。
3. 【請求項３】 請求項２記載の電動ショベルにおいて、
   前記電力コントローラには、走行用電動発電機、旋回用
   電動発電機、作業用電動発電機を接続するとともに、エ
   ンジンと連結された発電装置を接続したことを特徴とす
   る電動ショベル。