JP2011032942A - 電動式油圧作業機におけるポンプ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】油圧アクチュエータに圧油供給する油圧ポンプを電動機で駆動せしめるように構成された電動式油圧作業機において、電動機の温度上昇により電動機の出力が低下してしまうことを防止すると共に、作動油の温度が低い場合に電動機に過電流が流れてしまうことを防止する。
【解決手段】ポンプトルク制御部２０に、電動機の温度上昇に応じて油圧ポンプのトルクを低く設定する第一ポンプトルク設定器２５と、作動油の温度低下に応じて油圧ポンプのトルクを低く設定する第二ポンプトルク設定器２６とを設け、上記第一、第二ポンプトルク設定器２５、２６により設定された設定トルクのうち低い方の設定トルクに基づいて、電動機の温度上昇及び作動油の温度低下に応じて油圧ポンプのトルクを低下させるポンプトルク低下制御を行うように構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動機により油圧ポンプを駆動させ、該油圧ポンプからの圧油供給で各種油圧アクチュエータを駆動させるように構成された電動式油圧作業機におけるポンプ制御システムの技術分野に関するものである。

一般に、トンネル内で作業を行なうような場合には、排気ガスを発生する作業機械の使用は好ましくなく、そこで、従来から、例えば電動式油圧ショベルのように、電動機により油圧ポンプを駆動させ、該油圧ポンプからの圧油供給で各種油圧アクチュエータを駆動させるように構成された電動式油圧作業機が知られている。この様な電動式油圧作業機は、排ガス問題に対応できるばかりか、低騒音化も図ることができるため、近年、種々の作業現場での重要が増加している。
ところで、前記電動式油圧作業機において、長時間連続して重負荷作業をしたような場合に、電動機の温度（コイル温度）が上昇してコイル抵抗が大きくなり、これにより電動機に流れる電流値が小さくなって電動機の出力トルクが低下してしまうことがある。この様に電動機の温度が上昇して出力トルクが低下した場合、電動機が過負荷状態になって、電動機のファンによる冷却が追いつかず、コイル温度が異常に上昇して焼損しまう惧れが生じる。これを防止するために、コイル温度が異常に上昇した場合に電動機を停止させる温度プロテクタが設けられるが、該温度プロテクタが作動すると、作業の途中、例えば電動式油圧ショベルにおいてバケットが空中に位置しているような場合であっても電動機が停止してしまうため、作業を続行することができないという問題がある。
一方、電動機によって駆動される油圧ポンプは、作動油の温度が低いと、ポンプ効率が低下してポンプ駆動トルクが大きくなる。このため、作動油温度が低い場合には、電動機が過負荷状態になって過電流が流れ、これにより過電流時に電動機を停止させる過電流保護回路が作動してしまう惧れが生じる。該過電流保護回路が作動した場合にも、前述した温度プロテクタが作動した場合と同様に電動機が停止して、作業を行なうことができないという問題がある。
そこで、従来、電動機（電動モータ）の温度が所定温度を越えると、電動機の最大出力トルクを、電動機の温度に応じて制限する最大出力トルク制限手段を設けた技術（例えば、特許文献１参照。）や、電動機の起動時に、作動油温度が低い場合には、始動時目標周波数から最終目標周波数に至るまでの変化時間を長くするようにした技術（例えば、特許文献２参照。）が提唱されている。

特開２００８−１０４２９９号公報 特開２００４−３５０４４３号公報

しかしながら、前記従来のものは、何れもインバータ制御により電動機を制御するものであって、構成が複雑になりコストも高くつくという問題がある。さらに、電動機の制御だけでは、該電動機にかかる負荷の制御はできないため、油圧ポンプのトルク制御も別途必要であり、制御が複雑になるという問題があって、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、電動機により駆動される可変容量型の油圧ポンプと、該油圧ポンプから供給される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、油圧ポンプのトルクを制御するポンプトルク制御手段とを備えてなる電動式油圧作業機において、該電動式油圧作業機に、前記電動機の温度を検出する電動機温度検出手段を設けると共に、前記ポンプトルク制御手段は、前記電動機温度検出手段により検出される電動機の温度の上昇に応じて、油圧ポンプのトルクを予め設定される基準トルクよりも低下させるポンプトルク低下制御を行なうことを特徴とする電動式油圧作業機におけるポンプ制御システムである。
請求項２の発明は、請求項１において、電動式油圧作業機に、さらに、作動油の温度を検出する作動油温度検出手段を設けると共に、ポンプトルク制御手段は、前記電動機温度検出手段により検出される電動機の温度の上昇に応じて油圧ポンプのトルクを基準トルクよりも低く設定する第一ポンプトルク設定手段と、前記作動油温度検出手段により検出される作動油の温度の低下に応じて油圧ポンプのトルクを基準トルクよりも低く設定する第二ポンプトルク設定手段とを有し、前記第一、第二ポンプトルク設定手段により設定された設定トルクのうち低い方の設定トルクに基づいて、電動機の温度上昇及び作動油の温度低下に応じて油圧ポンプのトルクを基準トルクよりも低下させるポンプトルク低下制御を行なうことを特徴とする電動式油圧作業機におけるポンプ制御システムである。
請求項３の発明は、請求項１または２において、電動機は、電動式油圧作業機の外部に設けられた外部電源から電力供給されると共に、ポンプトルク制御手段は、外部電源の周波数に応じて油圧ポンプの基準トルクを設定することを特徴とする電動式油圧作業機におけるポンプ制御システムである。

請求項１の発明とすることにより、電動機の温度が上昇した場合には、油圧ポンプのトルクは基準トルクよりも低くなるように制御されることになり、これにより電動機にかかる負荷が軽減して、電動機の温度上昇を抑制できることになる。この結果、長時間連続して作業を行なうような場合であっても、電動機を定格出力で駆動せしめることができて、作業性の向上に大きく貢献できると共に、電動機や電動機用制御回路の故障の低減、長寿命化に貢献できる。しかもこのものは、電動機の制御ではなく油圧ポンプのトルク制御によって電動機の温度上昇を抑制するものであるから、インバータ等の機器を必要とせず、制御および構成が簡単であって、コストの抑制に貢献できる。
請求項２の発明とすることにより、電動機の温度上昇及び作動油の温度低下に応じてポンプトルク低下制御が行なわれることになり、而して、作業開始時等に作動油温度が低くてポンプ効率が悪い場合であっても、電動機が過負荷状態になって過電流が流れてしまうことを防止できると共に、長時間連続して作業を行うような場合であっても、電動機の温度上昇を抑制して定格出力で駆動せしめることができることになり、よって、電動機の制御ではなく油圧ポンプ１１のトルク制御によって、常時安定した状態で電動機を駆動させることができて、制御及び構成の簡素化が図れると共に、作業性の向上、電動機や電動器用制御回路の故障の低減、長寿命化を達成できる。
請求項３の発明とすることにより、外部電源の周波数の違いにより電動機の出力トルクが変化しても、該電動機の出力トルクに対応した基準トルクの設定を行うことができる。

電動式油圧ショベルの側面図である。 電動式油圧ショベルの回路図である。 ポンプトルク制御部の制御を示す制御ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は電動式油圧ショベル（本発明の電動式油圧作業機に相当する）であって、該電動式油圧ショベル１は、クローラ式の下部走行体２、該下部走行体２に旋回自在に支持される上部旋回体３、該上部旋回体３に装着されるフロントアタッチメント４等から構成されると共に、該フロントアタッチメント４を形成するブーム５、アーム６、バケット７をそれぞれ揺動せしめるためのブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０や、下部走行体２を走行せしめるための左右の走行モータ（図１には図示せず）、上部旋回体３を旋回せしめるための旋回モータ（図１には図示せず）等の各種の油圧アクチュエータＡを備えている。さらに上部旋回体３には、これら油圧アクチュエータＡに作動油を供給する可変容量型の油圧ポンプ１１と、該油圧ポンプ１１を駆動せしめるべく油圧ポンプ１１の駆動軸に連動連結される電動機１２とが搭載されていると共に、該電動機１２は、電源ケーブル１３を介して、電動式油圧ショベル１の外部に設けられた外部電源１４から電力供給されるように構成されている。尚、電動機１２は三相誘導電動機であって、その回転数は電源周波数に比例する。また、図１中、１５は前記電源ケーブル１３が巻装されるケーブルリールである。

次いで、図２に前記電動式油圧ショベル１の回路図を示すが、該図２において、Ａ、１１、１２、１４はそれぞれ前述した油圧アクチュエータ、油圧ポンプ、電動機、外部電源である。また、１５は油タンク、１６は各油圧アクチュエータＡの油給排制御をそれぞれ行なう各種制御バルブが組込まれたコントロールバルブ、１７はパイロット圧力源である。さらに、１８は前記電動機１２の制御盤であって、該制御盤１８には、電動機１２の始動・停止制御回路や過電流保護回路等が組み込まれている。

一方、１１ａは前記油圧ポンプ１１の容量可変手段、１９は該容量可変手段１１ａに接続される電磁比例弁であって、該電磁比例弁１９は、後述するポンプトルク制御部２０からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ１１のトルクを制御するべく容量可変手段１１ａにトルク制御用の信号圧を出力するように構成されている。

前記ポンプトルク制御部２０は、マイクロコンピュータ等を用いて構成されるものであって、外部電源１４の周波数（例えば、東日本では５０Ｈｚ、西日本では６０Ｈｚ）を入力する周波数入力器２１、電動機１２の温度（コイル温度）を検出する電動機温度センサ（本発明の電動機温度検出手段に相当する）２２、作動油の温度を検出する作動油温度センサ（本発明の作動油温度検出手段に相当する）２３からの信号を入力し、これら入力信号に基づいて油圧ポンプ１１のトルクを設定して、前記電磁比例弁１９に制御信号を出力する。尚、前記ポンプトルク制御部２０は、本発明のポンプトルク制御手段を構成する。

次いで、前記ポンプトルク制御部２０における油圧ポンプ１１のトルクの設定について、図３に示す制御ブロック図に基づいて説明すると、該図３に示す如く、ポンプトルク制御部２０は、基準トルク設定器２４、第一ポンプトルク設定器（本発明の第一ポンプトルク設定手段に相当する）２５、第二ポンプトルク設定器（本発明の第二ポンプトルク設定手段に相当する）２６、及び最小値選択器２７を有している。

前記基準トルク設定器２４は、油圧ポンプ１１のトルクを電動機１２の出力トルク範囲内に保持するための基準トルクＴｓを設定するが、この場合に、外部電源１４の周波数の違いにより電動機１２の出力トルクが変化することに対応させて油圧ポンプ１１の基準トルクＴｓを設定するべく、周波数入力器２１から入力される外部電源１４の周波数に応じて油圧ポンプ１１の基準トルクＴｓを設定する。例えば、外部電源１４の周波数が６０Ｈｚの場合は、５０Ｈｚの場合よりも電動機１２の出力トルクが小さくなるため、６０Ｈｚのときの基準トルクＴｓは、５０Ｈｚのときの基準トルクＴｓよりも小さな値が設定される。

一方、第一ポンプトルク設定器２５は、前記基準トルク設定器２４により設定された基準トルクＴｓと、電動機温度センサ２２から入力される電動機１２の温度ｔｍとを入力し、該電動機１２の温度ｔｍに応じて油圧ポンプ１１のトルクを設定する。つまり、第一ポンプトルク設定器２５は、該第一ポンプトルク設定器２５により設定される油圧ポンプ１１のトルクを第一設定トルクＴ１とすると、電動機１２の温度ｔｍが予め設定される電動機設定温度ｔｍｓ以下の場合（ｔｍ≦ｔｍｓ）には、基準トルクＴｓを第一設定トルクＴ１として設定（Ｔ１＝Ｔｓ）し、また、電動機１２の温度ｔｍが前記電動機設定温度ｔｍｓよりも高い場合（ｔｍ＞ｔｍｓ）には、基準トルクＴｓよりも低い値を第一設定トルクＴ１として設定（Ｔ１＜Ｔｓ）するが、この場合、電動機１２の温度ｔｍｔが上昇するほど第一設定トルクＴ１が低下するように設定する。尚、前記電動機設定温度ｔｍｓは、電動機１２が出力低下してしまうことのない適切なコイル温度の上限値として予め設定される値である。

また、第二ポンプトルク設定器２６は、前記基準トルク設定器２４により設定された基準トルクＴｓと、作動油温度センサ２３から入力される作動油の温度ｔｏとを入力し、該作動油の温度ｔｏに応じて油圧ポンプ１１のトルクを設定する。つまり、第二ポンプトルク設定器２６は、該第二ポンプトルク設定器２６により設定される油圧ポンプ１１のトルクを第二設定トルクＴ２とすると、作動油の温度ｔｏが予め設定される作動油設定温度ｔｏｓ以上の場合（ｔｏ≧ｔｏｓ）には、基準トルクＴｓを第二設定トルクＴ２として設定（Ｔ２＝Ｔｓ）し、また、作動油の温度ｔｏが前記作動油設定温度ｔｏｓよりも低い場合（ｔｏ＜ｔｏｓ）には、基準トルクＴｓよりも低い値を第二設定トルクＴ２として設定（Ｔ２＜Ｔｓ）するが、この場合、作動油の温度ｔｏが低下するほど第二設定トルクＴ２も低下するように設定する。尚、前記作動油設定温度ｔｏｓは、油圧ポンプ１１の駆動トルクが増大してしまうことのない適切な作動油温度の下限値として予め設定される値である。

さらに、最小値選択器２７は、前記第一ポンプトルク設定器２５により設定された第一設定トルクＴ１と、第二ポンプトルク設定器２６により設定された第二設定トルクＴ２とを入力して、これらのうち低い方の設定トルクを選択し、該選択した設定トルクを油圧ポンプ１１の設定トルクＴとして出力する。

そして、ポンプトルク制御部２０は、油圧ポンプ１１のトルクを前記最小値選択器２７から出力された設定トルクＴにするべく、図示しない電磁比例弁制御回路を介して前記電磁比例弁１９に制御信号を出力する。これにより、電磁比例弁１９から油圧ポンプ１１の容量可変手段１１ａに対して、油圧ポンプ１１のトルクを前記設定トルクＴにするための信号圧が出力される。そして、容量可変手段１１ａは、上記電磁比例弁１９から入力される信号圧と油圧ポンプ１１の吐出圧とに基づいて、油圧ポンプのトルクが前記設定トルクＴになるように油圧ポンプ１１の吐出量を制御するようになっている。

つまり、ポンプトルク制御部２０は、外部電源１４の周波数に応じて基準トルクＴｓを設定する基準トルク設定器２４と、電動機１２の温度の上昇に応じて油圧ポンプ１１のトルクを上記基準トルクＴｓよりも低く設定する第一ポンプトルク設定器２５と、作動油の温度の低下に応じて油圧ポンプ１１のトルクを基準トルクＴｓよりも低く設定する第二ポンプトルク設定器２６と、上記第一、第二ポンプトルク設定器２５、２６により設定された第一、第二設定トルクＴ１、Ｔ２のうち低い方の設定トルクを選択する最小値選択器２７とを有し、そして、該最小値選択器２７により選択された設定トルクＴに基づいて、電動機１２の温度上昇及び作動油の温度低下に応じて油圧ポンプ１１のトルクを基準トルクＴｓよりも低下させるポンプトルク低下制御を行なう構成になっている。

叙述の如く構成された本形態において、電動式油圧ショベル１は、電動機１２により駆動される可変容量型の油圧ポンプ１１と、該油圧ポンプ１１から供給される作動油により駆動される各種油圧アクチュエータＡと、油圧ポンプ１１のトルクを制御するポンプトルク制御部２０を備えて構成されているが、さらに電動式油圧ショベル１には、前記電動機１２の温度を検出する電動機温度センサ２２が設けられている。そして、前記ポンプトルク制御部２０は、電動機温度センサ２２により検出される電動機１２の温度の上昇に応じて油圧ポンプ１１のトルクを予め設定される基準トルクＴｓよりも低く設定する第一ポンプトルク設定器２５を有すると共に、該第一ポンプトルク制御器２５により設定された第一設定トルクＴ１に基づいて、電動機１２の温度の上昇に応じて油圧ポンプ１１のトルクを基準トルクＴｓよりも低下させるポンプトルク低下制御を行なうことになる。

而して、電動機１２の温度が上昇した場合に、油圧ポンプ１１のトルクは、予め設定される基準トルクＴｓよりも低くなるように制御されることになり、これにより電動機１２にかかる負荷が軽減して、電動機１２の温度上昇を抑制できることになる。この結果、長時間連続して作業を行なうような場合であっても、電動機１２が温度上昇により出力低下してしまうようなことなく、定格出力で駆動せしめることができることになって、作業性の向上に大きく貢献できると共に、電動機１２や制御盤１８の故障の低減、長寿命化に貢献できる。しかも、しかもこのものは、電動機１２の制御ではなく油圧ポンプ１１のトルク制御によって電動機１２の温度上昇を抑制するものであるから、インバータ等の機器を必要とせず、制御および構成が簡単であって、コストの抑制に貢献できる。

さらにこのものにおいて、電動式油圧ショベル１には、作動油の温度を検出する作動油温度センサ２３が設けられていると共に、ポンプトルク制御部２０は、前記第一ポンプトルク設定器２５に加えて、作動油温度センサ２３により検出される作動油温度の低下に応じて油圧ポンプ１１のトルクを基準トルクＴｓよりも低く設定する第二ポンプトルク設定器２６を有しており、そして、前記第一ポンプトルク設定器２５により設定された第一設定トルクＴ１と第二ポンプトルク設定器２６により設定された第二設定トルクＴ２とのうち低い方を設定トルクＴとして選択し、該設定トルクＴに基づいて油圧ポンプのトルク制御を行なうことになる。

この結果、電動機１２の温度上昇だけでなく、作動油の温度低下にも応じて油圧ポンプ１１のトルクを基準トルクＴｓよりも低下させるポンプトルク低下制御が行なわれることになり、而して、作業開始時等に作動油温度が低くてポンプ効率が悪い場合であっても、電動機１２が過負荷状態になって過電流が流れてしまうことを防止できると共に、前述したように、長時間連続して作業を行うような場合であっても、電動機１２の温度上昇を抑制して定格出力で駆動せしめることができ、よって、電動機１２の制御ではなく油圧ポンプ１１のトルク制御によって、常時安定した状態で電動機１２を駆動させることができて、制御及び構成の簡素化が図れると共に、作業性の向上、電動機１２や制御盤１８の故障の低減、長寿命化を達成することができる。

また、前記電動機１２は、電動式油圧ショベル１の外部に設けられた外部電源１４から電力供給されることになるが、この場合に、ポンプトルク制御部２０は、外部電源１４の周波数に応じて油圧ポンプ１１の基準トルクＴｓを設定する構成になっており、而して、外部電源１４の周波数の違いにより電動機１２の出力トルクが変化しても、該電動機１２の出力トルクに対応した基準トルクＴｓの設定を行えることになる。尚、本実施の形態では、周波数入力器２１によって外部電源１４の周波数をポンプトルク制御部２０に入力する構成になっているが、これに限定されることなく、例えば、制御盤１８に外部電源１４の周波数を検出する周波数検出器を設け、該周波数検出器からの検出信号をポンプトルク制御部２０に入力するように構成することもできる。

本発明は、油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧源として、電動機により駆動される可変容量型の油圧ポンプを備えた各種の電動式油圧作業機に利用することができる。

１ 電動式油圧ショベル
１１ 油圧ポンプ
１２ 電動機
１４ 外部電源
１９ 電磁比例弁
２０ ポンプトルク制御部
２１ 周波数入力器
２２ 電動機温度センサ
２３ 作動油温度センサ
２４ 基準トルク設定器
２５ 第一ポンプトルク設定器
２６ 第二ポンプトルク設定器
２７ 最小値選択器
Ａ 油圧アクチュエータ

Claims (3)

1. 電動機により駆動される可変容量型の油圧ポンプと、該油圧ポンプから供給される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、油圧ポンプのトルクを制御するポンプトルク制御手段とを備えてなる電動式油圧作業機において、該電動式油圧作業機に、前記電動機の温度を検出する電動機温度検出手段を設けると共に、前記ポンプトルク制御手段は、前記電動機温度検出手段により検出される電動機の温度の上昇に応じて、油圧ポンプのトルクを予め設定される基準トルクよりも低下させるポンプトルク低下制御を行なうことを特徴とする電動式油圧作業機におけるポンプ制御システム。
2. 請求項１において、電動式油圧作業機に、さらに、作動油の温度を検出する作動油温度検出手段を設けると共に、ポンプトルク制御手段は、前記電動機温度検出手段により検出される電動機の温度の上昇に応じて油圧ポンプのトルクを基準トルクよりも低く設定する第一ポンプトルク設定手段と、前記作動油温度検出手段により検出される作動油の温度の低下に応じて油圧ポンプのトルクを基準トルクよりも低く設定する第二ポンプトルク設定手段とを有し、前記第一、第二ポンプトルク設定手段により設定された設定トルクのうち低い方の設定トルクに基づいて、電動機の温度上昇及び作動油の温度低下に応じて油圧ポンプのトルクを基準トルクよりも低下させるポンプトルク低下制御を行なうことを特徴とする電動式油圧作業機におけるポンプ制御システム。
3. 請求項１または２において、電動機は、電動式油圧作業機の外部に設けられた外部電源から電力供給されると共に、ポンプトルク制御手段は、外部電源の周波数に応じて油圧ポンプの基準トルクを設定することを特徴とする電動式油圧作業機におけるポンプ制御システム。

Images