JP2007204924A

JP2007204924A - 電動機故障時停止装置

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Publication number: JP2007204924A
Application number: JP2006021775A
Authority: JP
Inventors: Madoka Binnaka; 円備中; Takashi Iguchi; 高志井口
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-01-31
Also published as: JP5008051B2

Abstract

【課題】電動機の回生ブレーキ機能の故障時に電動機を自動的に停止できる電動機故障時停止装置を提供する。
【解決手段】メカブレーキ23を備え作動体を作動する電動機と、この電動機を発電機として用いるときの回生ブレーキ機能の故障を判別処理する故障判別器20と、この故障判別器20による故障判別によりメカブレーキ23を作動させるメカブレーキ作動制御機器22とを具備する。故障判別器20は、温度センサ24により検出された電動機またはインバータの温度が、設定された温度上限リミットから逸脱した場合、速度検出器26により検出された作動速度から演算された減速度が、操作出力に応じて設定した減速度下限リミットから逸脱した場合などに、メカブレーキ作動制御機器22にオン信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の回生ブレーキ機能の故障により作動する電動機故障時停止装置に関する。

電動機を発電機として用いるときの回生ブレーキ機能により停止補助とエネルギ回収を図ったハイブリッドシステムを備えたハイブリッド式建設車両がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１３３３１９号公報（第４−５頁、図１）

このようなハイブリッド式建設車両では、運転者がペダルを踏むなどして別のブレーキ機構を作動させることで停止機能を確保しているが、電動機の回生ブレーキ機能に、機能低下、使用範囲逸脱などの故障が生じたときは、これらの不具合に対応して電動機を停止させることはできない。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、電動機の回生ブレーキ機能の故障時に電動機を停止できる電動機故障時停止装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、メカブレーキを備え作動体を作動する電動機と、この電動機を発電機として用いるときの回生ブレーキ機能の機能低下を含む故障を判別処理する故障判別器と、この故障判別器による故障判別によりメカブレーキを作動させるメカブレーキ作動制御機器とを具備した電動機故障時停止装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動機故障時停止装置における故障判別器が、電動機およびその電動機を制御するインバータの少なくとも一方の温度を検出する温度センサと、この温度センサにより検出された温度が、設定された温度上限リミットから逸脱したことを判別してオン信号を出力する温度上限リミット逸脱判別器とを具備したものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の電動機故障時停止装置における故障判別器が、電動機およびこの電動機により作動される作動体のいずれか一方の作動速度を検出する速度検出器と、作動体を操作する操作出力に応じて減速度下限リミットを設定し、その減速度下限リミットから、作動速度より演算された減速度が逸脱したと判別したときにオン信号を出力する減速度下限リミット逸脱判別器と、電動機およびインバータを構成する機器の故障を検出してオン信号を出力する構成機器故障検出器と、温度上限リミット逸脱判別器、減速度下限リミット逸脱判別器および構成機器故障検出器の少なくとも１つからのオン信号により、メカブレーキ作動制御機器にオン信号を出力するオア回路とを具備したものである。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の電動機故障時停止装置における故障判別器が、作動体を操作する操作出力に応じて加速度上限リミットを設定し、その加速度上限リミットから、作動速度より演算された加速度が逸脱したと判別したときにオン信号を出力する加速度上限リミット逸脱判別器と、温度上限リミット逸脱判別器、減速度下限リミット逸脱判別器、加速度上限リミット逸脱判別器および構成機器故障検出器の少なくとも１つからのオン信号により、メカブレーキ作動制御機器にオン信号を出力するオア回路とを具備したものである。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか記載の電動機故障時停止装置を、ハイブリッド式作業機械の電動機に適用したものである。

請求項１記載の発明によれば、電動機の回生ブレーキ機能の機能低下を含む故障時は、故障判別器による回生ブレーキ機能の故障判別により、メカブレーキ作動制御機器が電動機のメカブレーキを作動させるので、電動機を回生ブレーキ機能の機能低下を含む故障に応じて作動するメカブレーキにより停止できる。そして、安全上の停止機能を自動化することで、安全性を確保しながら回生ブレーキ機能のみで通常の減速操作を行なうことが可能になり、回生エネルギの回収による効率アップに寄与できる。

請求項２記載の発明によれば、温度センサにより検出された電動機、インバータの温度が、設定された温度上限リミットから逸脱したことを判別してオン信号を出力する温度上限リミット逸脱判別器を設けることにより、機器の使用条件をある範囲に限定でき、使用条件外の運転時にも停止機能を確保できるので、使用条件をむやみに厳しくすることによる機器容量増加の必要がなくなり、機器容量を合理的な範囲に設定できる。

請求項３記載の発明によれば、故障判別器の温度上限リミット逸脱判別器、減速度下限リミット逸脱判別器および構成機器故障検出器の少なくとも１つからのオン信号により、オア回路からメカブレーキ作動制御機器にオン信号を出力するので、電動機およびインバータの少なくとも一方の温度が、設定された温度上限リミットを超えて上昇した場合、電動機により作動される作動体の減速度が、設定された減速度下限リミットから逸脱して減速された場合、電動機およびインバータを構成する機器に故障が発生した場合のいずれの場合も、電動機をメカブレーキにより停止できる。

請求項４記載の発明によれば、加速度上限リミット逸脱判別器が、操作出力に応じて設定した加速度上限リミットから逸脱した加速度を判別したときは、この加速度上限リミット逸脱判別器からオン信号を出力して、オア回路からメカブレーキ作動制御機器にオン信号を出力するので、作動体の暴走故障を判別して、電動機をメカブレーキにより停止させることができる。

請求項５記載の発明によれば、ハイブリッド式作業機械の電動機が有する回生ブレーキ機能の故障時は、故障判別器による回生ブレーキ機能の故障判別により、メカブレーキ作動制御機器が電動機のメカブレーキを作動させるので、電動機を回生ブレーキ機能の故障に応じて作動するメカブレーキにより停止できる。

以下、本発明を図１乃至図４に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図２は、ハイブリッド式作業機械としてのハイブリッド式油圧ショベル１に搭載されたハイブリッドシステムを示し、左右の走行用電動機2mにより左右の履帯をそれぞれ駆動する下部走行体２に、上部旋回体３が旋回用電動機3mにより旋回可能に設けられ、この上部旋回体３には動力装置４および作業装置５が搭載されている。左右の走行用電動機2mおよび旋回用電動機3mには、一般的に非常停止時などに用いられる電磁ブレーキ（図示せず）などのメカブレーキが設けられている。

作業装置５は、上部旋回体３に対してブームシリンダ6cにより上下方向に回動されるブーム６が軸支され、このブーム６の先端にアームシリンダ7cにより回動されるアーム７が回動自在に軸支され、このアーム７の先端にバケットシリンダ8cにより回動されるバケット８が軸支されている。

動力装置４は、エンジン11と電動機12とが動力伝達装置13を介してメインポンプ14に接続され、左右の走行用電動機2m、旋回用電動機3mおよび電動機12には、インバータ15およびコンバータ16を介してバッテリなどの蓄電装置17が接続されている。

左右の走行用電動機2m、旋回用電動機3mおよび電動機12は、蓄電装置17から電力の供給を受けてそれぞれの作動体（下部走行体２、上部旋回体３、メインポンプ14）を駆動するが、外力（降坂自重走行力、旋回慣性力、エンジン出力）により駆動されるときは発電機として制御でき、回生エネルギを蓄電装置17に回収でき、その際の走行用電動機2mおよび旋回用電動機3mは、回生ブレーキ機能を有するので、回生ブレーキを効かせることができる。

図１は、走行用電動機2mまたは旋回用電動機3m（以下、単に「電動機2m，3m」という）の回生ブレーキ機能が正常であるか故障（この「故障」には、「機能低下」も含む）しているかを判別して、故障時は電動機2m，3mを停止させる電動機故障時停止装置を示し、電動機2m，3mを発電機として用いるときの回生ブレーキ機能の故障を判別処理する故障判別器20と、この故障判別器20からの故障判別信号を受けて作動される処理回路21とを具備し、この処理回路21は、電動機2m，3mの非常用電磁ブレーキなどのメカブレーキ23を作動制御するメカブレーキ作動制御機器22を具備している。

故障判別器20は、電動機2m，3mまたは電動機2m，3mを制御するインバータ15の温度を検出する温度センサとしての電動機/インバータ温度センサ24を備え、この電動機/インバータ温度センサ24は、温度上限リミット逸脱判別器25に接続されている。この温度上限リミット逸脱判別器25は、上記電動機/インバータ温度センサ24により検出された温度が、設定された温度上限リミットを超えて逸脱したか否かを判定し、検出された温度が、設定された温度上限リミットを超えて上昇したと判定したときは、オン信号「１」を出力する。

また、故障判別器20は、電動機2m，3mの作動速度または電動機2m，3mにより作動される下部走行体２、上部旋回体３などの作動体（以下、作動体2,3とする）の作動速度のいずれか一方を検出する速度検出器26と、この速度検出器26により検出される作動速度から加速度および減速度を演算する加減速度演算装置27と、減速度下限リミット逸脱判別器28とを備えている。

この減速度下限リミット逸脱判別器28は、作動体2,3を操作するキャブ内の操作器（操作レバーなど）から出力された操作出力に応じて減速度下限リミットを設定するとともに、加減速度演算装置27により作動速度より演算された減速度が、操作出力に応じて設定された減速度下限リミットから逸脱したと判別したときにオン信号「１」を出力するものである。

さらに、故障判別器20は、加速度上限リミット逸脱判別器31を備えている。この加速度上限リミット逸脱判別器31は、作動体2,3を操作する操作出力に応じて加速度上限リミットを設定するとともに、速度検出器26により検出された作動体2,3または電動機2m，3mの作動速度より加減速度演算装置27により演算された加速度が、操作出力に応じて設定された加速度上限リミットから逸脱したと判別したときにオン信号「１」を出力するものである。

この加速度上限リミット逸脱判別器31は、作動体2,3を操作する操作出力が設定器32で設定された所定の設定値より小さい条件のときにも、加速度上限リミットから逸脱した加速度を判別したときにオン信号「１」を出力できるように、操作出力に応じてリミット値を自動設定できる機能を有している。

さらに、故障判別器20は、電動機2m，3mまたはインバータ15を構成する機器の故障を検出してオン信号「１」を出力する構成機器故障検出器34を備えている。この構成機器故障検出器34は、例えば電動機2m，3mへの電圧、電流の所定範囲外への逸脱などで故障判定をする装置である。

また、故障判別器20は、温度上限リミット逸脱判別器25、減速度下限リミット逸脱判別器28、加速度上限リミット逸脱判別器31および構成機器故障検出器34の少なくとも１つからのオン信号「１」により、メカブレーキ作動制御機器22にオン信号「１」を出力するオア回路35を備えている。

このように、電動機2m，3mの力行/回生で作動体2,3を駆動/停止する装置において、電動機2m，3mの回生ブレーキ機能の故障（機能低下、使用範囲逸脱）時はメカブレーキ23により停止する回生ブレーキ故障判別処理装置と、力行時は一般には（装置が安全防護機器として作動する場合を除いて）暴走故障以外は故障による安全上の問題はないので暴走故障を判別処理してメカブレーキ23により停止する暴走故障判別処理装置とを、回生機能の低下を検出する温度上限リミット逸脱判別器25、減速度下限リミット逸脱判別器28、加速度上限リミット逸脱判別器31などを備えた故障判別器20と、メカブレーキ作動制御機器22および電動機のメカブレーキ23を備えた処理回路21とで構成している。

次に、図３に示されたフローチャートを参照しながら、回生ブレーキ故障対処機能の一例を説明する。

（ステップS1）
電動機/インバータ温度センサ24により、電動機2m，3mまたはそれらのインバータ15の温度を検出する。

（ステップS2）
温度上限リミット逸脱判別器25により、上記センサにより検出された温度が、設定された温度上限リミットを超えて逸脱したか否かを判定する。

（ステップS3）
温度上限リミット逸脱判別器25は、検出された温度が、設定された温度上限リミットを超えて上昇したと判定した場合は、電動機2m，3mやインバータ15が機能低下して回生電流が流れ難くなっている現象を判別できるので、回生ブレーキ機能が故障または低下したと判別して、オア回路35にオン信号「１」を出力する。

（ステップS4）
オア回路35は、メカブレーキ作動制御機器22にオン信号「１」を出力し、メカブレーキ作動制御機器22は、電動機2m，3mの非常用電磁ブレーキに作動信号を出力し、電動機2m，3mを強制的に停止させる。

次に、図４に示されたフローチャートを参照しながら、作動速度異常対処機能の一例を説明する。

（ステップS5）
速度検出器26は、電動機2m，3mにより作動される作動体2,3の作動速度を検出する。

（ステップS6）
加減速度演算装置27は、電動機2m，3mまたは作動体2,3の作動速度から、それらの加速度または減速度を演算する。

（ステップS7）
キャブ内の操作器（操作レバーなど）から出力された操作出力を検出する。

（ステップS8）
操作出力に応じた減速度下限リミットおよび加速度上限リミットを演算して設定する。

（ステップS９）
減速度下限リミット逸脱判別器28は、加減速度演算装置27により演算された減速度が、操作出力に応じて設定された減速度下限リミットを逸脱して下回っているか否かを判定し、下回っている場合は、電動機2m，3mやインバータ15の回生ブレーキ機能が故障または低下していると判別して、オア回路35にオン信号「１」を出力する。

（ステップS10）
オア回路35は、メカブレーキ作動制御機器22にオン信号「１」を出力し、メカブレーキ作動制御機器22は、電動機2m，3mのメカブレーキ23に作動信号を出力し、電動機2m，3mを強制的に停止させる。

（ステップS11）
加速度上限リミット逸脱判別器31は、加減速度演算装置27により演算された加速度が、操作出力に応じて設定された加速度上限リミットを逸脱して上回っているか否かを判定する。

このとき、作動体2,3を操作する操作出力（走行速度指令値、旋回速度指令値）が所定の設定値より小さいときにも、加速度上限リミット逸脱判別器31が、操作出力に応じて設定した加速度上限リミットから逸脱した加速度を判別したときは（ステップS11でYES）、走行または旋回用の電動機2m，3mやインバータ15において暴走故障が発生していると判定して、オン信号「１」を出力し、オア回路35よりメカブレーキ作動制御機器22にメカブレーキ作動信号を出力する。

同様に、構成機器故障検出器34が、電動機2m，3mまたはインバータ15を構成する機器の故障を検出してオン信号「１」を出力したときも、オア回路35よりメカブレーキ作動制御機器22にメカブレーキ作動信号を出力する。

次に、この実施の形態の効果を説明する。

ハイブリッド式油圧ショベル１の電動機2m，3mが有する回生ブレーキ機能の故障時は、故障判別器20による回生ブレーキ機能の故障判別により、メカブレーキ作動制御機器22が電動機2m，3mのメカブレーキ23を作動させるので、電動機2m，3mを回生ブレーキ機能の故障に応じて作動するメカブレーキ23により自動的にかつ確実に停止できる。そして、安全上の停止機能を自動化することで、安全性を確保しながら回生ブレーキ機能のみで通常の減速操作を行なうことが可能になり、回生エネルギの回収による効率アップに寄与できる。

電動機/インバータ温度センサ24により検出された電動機2m，3mまたはインバータ15の温度が、設定された温度上限リミットから逸脱したことを判別してオン信号を出力する温度上限リミット逸脱判別器25を設けることにより、機器の使用条件をある範囲に限定でき、使用条件外の運転時にも停止機能を確保できるので、使用条件をむやみに厳しくすることによる機器容量増加の必要がなくなり、機器容量を合理的な範囲に設定できる。

故障判別器20の温度上限リミット逸脱判別器25、減速度下限リミット逸脱判別器28および構成機器故障検出器34の少なくとも１つからのオン信号「１」により、オア回路35からメカブレーキ作動制御機器22にオン信号「１」を出力するので、電動機2m，3mおよびインバータ15の少なくとも一方の温度が、設定された温度上限リミットを超えて上昇した場合、電動機2m，3mにより作動される作動体2,3の減速度が、設定された減速度下限リミットから逸脱して減速された場合、電動機2m，3mおよびインバータ15を構成する機器に故障が発生した場合のいずれの場合も、電動機2m，3mをメカブレーキ23により自動的に停止できる。

作動体2,3を操作する操作レバーなどの操作出力が所定の設定値より小さい場合であっても、加速度上限リミット逸脱判別器31が、操作出力に応じて設定した加速度上限リミットから逸脱した大きな加速度を判別したときは、この加速度上限リミット逸脱判別器31からオン信号「１」を出力して、オア回路35からメカブレーキ作動制御機器22にオン信号「１」を出力するので、走行系または旋回系などの作動体2,3の暴走故障を判別して、電動機2m，3mをメカブレーキ23により自動的に停止させることができる。

要するに、電動機2m，3mの回生ブレーキ機能の故障（機能低下、運転範囲逸脱）を判別して、電動機2m，3mに非常用電磁ブレーキなどとして組み込まれているメカブレーキ23を作動させる故障判別機能を組み込むことで、暴走防止を別のブレーキシステムを設置することなく実現できる。

また、作動体2,3を油圧駆動する方式では回生機能はなく、油圧機器は実績の多いブレーキング方式であり特別の故障検出処理装置は設けていないので、これを電気駆動式に変える場合には、停止機能の確保を担保することは必須であるが、本方式はシンプルで確実な方法で停止機能を実現している。

特に、メカブレーキ23を除いて電動機2m，3mの回生ブレーキ機能がメインのまたは唯一のブレーキとなっているシステムでは、本方式はシンプルで確実な方法である。

なお、上記実施の形態では、油圧駆動および電気駆動式のハイブリッド式油圧ショベル１に適用した例を説明したが、本発明は、油圧を用いない電気駆動式作業機械にも適用できる。

本発明に係る電動機故障時停止装置の一実施の形態を示すブロック図である。同上停止装置が組込まれたハイブリッド式作業機械の側面図および回路図である。同上停止装置の回生ブレーキ故障対処機能の一例を示すフローチャートである。同上停止装置の作動速度異常対処機能の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ハイブリッド式作業機械としてのハイブリッド式油圧ショベル
2,3 作動体
2m，3m 電動機
15 インバータ
20 故障判別器
22 メカブレーキ作動制御機器
23 メカブレーキ
24 温度センサとしての電動機/インバータ温度センサ
25 温度上限リミット逸脱判別器
26 速度検出器
28 減速度下限リミット逸脱判別器
31 加速度上限リミット逸脱判別器
34 構成機器故障検出器
35 オア回路

Claims

メカブレーキを備え作動体を作動する電動機と、
この電動機を発電機として用いるときの回生ブレーキ機能の機能低下を含む故障を判別処理する故障判別器と、
この故障判別器による故障判別によりメカブレーキを作動させるメカブレーキ作動制御機器と
を具備したことを特徴とする電動機故障時停止装置。
故障判別器は、
電動機およびその電動機を制御するインバータの少なくとも一方の温度を検出する温度センサと、
この温度センサにより検出された温度が、設定された温度上限リミットから逸脱したことを判別してオン信号を出力する温度上限リミット逸脱判別器と
を具備したことを特徴とする請求項１記載の電動機故障時停止装置。
故障判別器は、
電動機およびこの電動機により作動される作動体のいずれか一方の作動速度を検出する速度検出器と、
作動体を操作する操作出力に応じて減速度下限リミットを設定し、その減速度下限リミットから、作動速度より演算された減速度が逸脱したと判別したときにオン信号を出力する減速度下限リミット逸脱判別器と、
電動機およびインバータを構成する機器の故障を検出してオン信号を出力する構成機器故障検出器と、
温度上限リミット逸脱判別器、減速度下限リミット逸脱判別器および構成機器故障検出器の少なくとも１つからのオン信号により、メカブレーキ作動制御機器にオン信号を出力するオア回路と
を具備したことを特徴とする請求項２記載の電動機故障時停止装置。
故障判別器は、
作動体を操作する操作出力に応じて加速度上限リミットを設定し、その加速度上限リミットから、作動速度より演算された加速度が逸脱したと判別したときにオン信号を出力する加速度上限リミット逸脱判別器と、
温度上限リミット逸脱判別器、減速度下限リミット逸脱判別器、加速度上限リミット逸脱判別器および構成機器故障検出器の少なくとも１つからのオン信号により、メカブレーキ作動制御機器にオン信号を出力するオア回路と、
を具備したことを特徴とする請求項３記載の電動機故障時停止装置。
ハイブリッド式作業機械の電動機に適用された
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の電動機故障時停止装置。