JP5992886B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は作業機械に係り、更に詳しくは、油圧ショベル等の旋回体を有する作業機械に関する。

旋回体の駆動に油圧モータと電動モータとを用いたハイブリッド式建設機械（作業機械）において、旋回体と他のアクチュエータとの複合動作時に、電動モータの作動状況に関わらず、その複合動作の操作性を確保できるハイブリッド式建設機械（作業機械）がある(例えば、特許文献１参照)。

特開２０１１−２４１６５３号公報

上述した従来技術によれば、旋回用の油圧モータと電動モータの合計トルクにより旋回体を駆動するので、旋回体の減速時における運動エネルギを、電動モータにより回生することができる。したがって、旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械（作業機械）に比べて、省エネルギ化が図れる。

上述した従来技術において、旋回体は、常に発生する油圧モータのトルクと、必要に応じて付加される電動モータのトルクとで駆動されるが、オペレータの旋回操作量が小さい時や旋回体の旋回速度が低い時は、以下の述べる理由により、エンジン出力から油圧モータ出力までの効率が悪化し、作業機械全体として十分に燃費を低減できないという課題があった。

上述した従来技術においては、その図４に示されているように、油圧ポンプからの圧油は、中立位置ＢからＡ位置（例えば右旋回位置）又はＣ位置（例えば左旋回位置）に連続的に切り替わる旋回用制御弁によって、旋回用油圧モータへ切り替え供給される。また、旋回用制御弁は中立位置Ｂにあるとき、油圧ポンプからの圧油がセンタバイパスカット弁（ブリードオフ絞り）を通ってタンクへ戻るように配管接続されている。

例えば、旋回操作レバーが中立状態の場合は、旋回用制御弁のスプールは中立位置にあり、油圧ポンプから吐出された作動油はセンタバイパスカット弁のブリードオフ絞りを通って全量タンクへ戻る。一方、旋回操作レバーが左旋回を行うように操作された場合は、旋回用制御弁のスプールはＡ位置に切り換わる。このことにより、センタバイパスカット弁のブリードオフ絞りの開口面積が減少し、旋回用制御弁のメータイン絞り、メータアウト絞りの開口面積が増加するので、油圧ポンプから吐出された作動油はこのＡ位置のメータイン絞りを通って旋回油圧モータのＡポートに送られ、旋回油圧モータからの戻り油はＡ位置のメータアウト絞りを通ってタンクへ戻る。このような作動油の制御を行うことで、旋回油圧モータは左方向へ回転する。
右旋回の操作が行われた場合は、旋回用制御弁のスプールがＣ位置に切り換わり、同様の動作から旋回油圧モータを右方向へ回転させる。

ところで、旋回操作量が中立と最大操作量の問の時は、旋回用制御弁のスプールは中立位置ＢとＡ位置の中間、または中立位置ＢとＣ位置の中間に位置している。この時、油圧ポンプが吐出した作動油はセンタバイパスカット弁のブリードオフ絞りと旋回用制御弁のメータイン絞りに分配されるが、旋回操作量が小さいほど、センタバイパスカット弁のブリードオフ絞りの開口面積が広く、旋回用制御弁のメータイン絞りとメータアウト絞りの開口面積は狭くなる。

したがって、旋回操作量が小さいほど、油圧ポンプから吐出された作動油のうち、旋回油圧モータを通らずにタンクへ流出する割合が高くなり、また、旋回用制御弁のメータイン絞りやメータアウト絞りを通過する時の抵抗も大きくなるので、エネルギ損失が多くなる。

また、旋回体の旋回速度が低い状態のときに、旋回操作量を大きくしたとしても、旋回油圧モータのポートに流れ込こめる作動油の流量は限られる。このため、油圧ポンプから吐出された作動油は、旋回油圧モータを通らずにタンクへ流出する割合が高くなり、エネルギ損失が多くなるという課題がある。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、旋回体の駆動に油圧モータと電動モータとを用いた作業機械において、旋回操作量が小さいときなど、油圧モータによる旋回の効率が悪化する領域での燃費を低減できる作業機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、エンジンと、前記エンジンにより駆動さ
れる油圧ポンプと、旋回体と、前記旋回体駆動用の電動モータと、前記油圧ポンプにより
駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、前記旋回体の駆動を指令する旋回用操作レ
バー装置とを備えた作業機械において、前記操作レバー装置の操作量、及び／又は前記旋
回体の旋回速度に基づいて、前記電動モータのトルクを主体として前記旋回体を駆動する
電動旋回モードと、前記油圧モータのトルクを主体として前記旋回体を駆動する油圧旋回
モードのいずれかで制御する制御装置と、前記旋回用操作レバー装置の旋回操作量を検出する旋回用操作レバー操作量検出手段と、前記旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを備え、前記制御装置は、前記旋回用操作レバー操作量検出手段が検出した前記旋回用操作レバー装置の操作量と、前記旋回速度検出手段が検出した前記旋回体の旋回速度とを取込み、前記旋回用操作レバー装置の操作量が予め設定した値より小さいとき、及び／又は前記旋回体の旋回速度が予め設定した値より低いときは、前記電動旋回モードで制御するものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記エンジン出力から前記油圧モータの出力までの効率を演算する油圧旋回効率演算部と、前記エンジン出力から前記電動モータの出力までの効率を演算する電動旋回効率演算部とを有し、前記油圧旋回効率演算部と前記電動旋回効率演算部とがそれぞれ算出した効率に基づいて、前記電動旋回モード又は前記油圧旋回モードのいずれかで制御することを特徴とする。

更に、第３の発明は、第１の発明において、前記電動モータを駆動するための電力を蓄積する蓄電装置と、前記蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、前記制御装置は、前記蓄電量検出手段が検出した前記蓄電装置の蓄電量を取込み、前記蓄電量が予め設定した値より高いときは、前記電動旋回モードで制御することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１の発明において、前記電動モータを駆動するための電力を蓄積する蓄電装置と、前記蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、前記制御装置は、前記蓄電量検出手段が検出した前記蓄電装置の蓄電量を取込み、前記蓄電量が予め設定した値より高く、かつ、前記旋回用操作レバー装置の操作量が予め設定した値より小さいとき、又は、前記旋回体の旋回速度が予め設定した値より低いときは、前記電動旋回モードで制御することを特徴とする。

更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記電動モータの最大出力は、前記油圧モータの最大出力よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、旋回体の駆動に油圧モータと電動モータとを用いた作業機械において、旋回操作量が小さいときなど、油圧モータによる旋回の効率が悪化する領域での燃費を低減できる。

本発明の作業機械の第１の実施の形態を示す側面図である。 本発明の作業機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。 本発明の作業機械の第１の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。 本発明の作業機械の第２の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。 本発明の作業機械の第３の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。 本発明の作業機械の第４の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。 本発明の作業機械の第５の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。

以下、作業機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた作業機械全般に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。

図１は本発明の作業機械の第１の実施の形態を示す側面図、図２は本発明の作業機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図、図３は本発明の作業機械の第１の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。

図１において、油圧ショベルは走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けた旋回体２０及び旋回体２０に装設したショベル機構（フロント装置）３０を備えている。

走行体１０は、一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ，１１ｂを独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３ａ、１３ｂ及びその減速機構等で構成されている。

旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジンにより駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回用電動モータ２５及び旋回用油圧モータ２７と、アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５に接続される電気二重相キャパシタ２４と、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により走行体１０に対して旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。

また、旋回体２０にはショベル機構３０が搭載されている。ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。

さらに、旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３ａ，１３ｂ、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、可変容量型の油圧ポンプ４１（図２参照）と、油圧ポンプ４１の傾転角を変更することで容量を変更するレギュレータ４２（図２参照）と、各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４３（図２参照）とを含む。油圧ポンプ４１はエンジン２２によって回転駆動され、回転数と容量の積に比例した作動油を吐出する。

次に、油圧ショベルの電動・油圧機器のシステム構成について概略説明する。図２に示すように、コントロールバルブ４３は、旋回用操作レバー装置７２からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、旋回用スプールを動作させて、旋回用油圧モータ２７に供給される圧油の流量と方向を制御する。また、コントロールバルブ４３は、旋回用以外の操作レバー装置からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、各種スプールを動作させて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３ａ、１３ｂに供給される圧油の流量と方向を制御する。

電動システムは、上述したアシスト発電モータ２３、キャパシタ２４及び旋回用電動モータ２５と、パワーコントロールユニット５５及びメインコンタクタ５６等から構成されている。パワーコントロールユニット５５はチョッパ５１、インバータ５２，５３、平滑コンデンサ５４等を有し、メインコンタクタ５６はメインリレー５７、突入電流防止回路５８等を有している。また、パワーコントロールユニット５５には、旋回電動モータ２５の回転数を検出する回転数センサ２５ａと、キャパシタ２４の電圧を検出する電圧センサ２４ａと、チョッパ５１の電流を検出する電流センサ５１ａとが設けられていて、検出した各信号をコントローラ８０へ出力している。

キャパシタ２４からの直流電力はチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回用電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の回転軸は結合されており、減速機構２６を介して旋回体２０を駆動する。アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。

コントローラ８０は、旋回用操作レバー装置７２からの旋回操作信号、旋回用電動モータ２５の回転数信号、キャパシタ２４の電圧信号、チョッパ５１の電流信号等を入力する入力部と、これらの入力信号を用いて、旋回用電動モータ２５のトルク指令値、アシスト発電モータ２３のトルク指令値、油圧ポンプ４１の出力減指令値等を演算する演算部と、演算部で算出した各種指令を出力する出力部とを備えている。

コントローラ８０の入力部には、旋回用操作レバー装置７２から出力され、油圧・電気信号変換デバイス（例えば圧力センサ）７３によって電気信号に変換された旋回操作量信号と、回転数センサ２５ａが検出した旋回電動モータ２５の回転数信号と、電圧センサ２４ａが検出したキャパシタ２４の電圧信号と、電流センサ５１ａが検出したチョッパ５１の電流信号とが入力されている。

コントローラ８０の出力部からは、旋回用電動モータ２５へのトルク指令とアシスト発電モータ２３へのトルク指令とが、パワーコントロールユニット５５へ出力され、それぞれのインバータ５２と５３とが制御される。また、コントローラ８０の出力部からは、油圧ポンプ４１への出力減指令が、電気・油圧信号変換デバイス７０を介してレギュレータ４２へ出力され、レギュレータ４２が油圧ポンプ４１の出力（容量）を制御する。電気・油圧信号変換デバイス７０は、コントローラ８０からの電気信号を油圧パイロット信号へ変換するものであり、例えば電磁比例バルブに相当する。

ここで、オペレータが旋回用操作レバー装置７２を操作すると、その操作方向及び操作量に応じた油圧パイロット信号が発生し、コントロールバルブ４３に入力されると共に、油圧・電気信号変換デバイス７３を介してコントローラ８０にも電気信号に変換された旋回操作量信号が入力される。これにより、旋回油圧モータ２７用のコントロールバルブが開放され、旋回油圧モータ２７が駆動されると共に、旋回電動モータ２５がキャパシタ２４からの電力供給を受けて駆動される。

本発明の第１の実施の形態においては、この際に、旋回操作量と旋回回転数とを基に、旋回電動モータ２５へのトルク指令と油圧ポンプ４１の出力減指令値等を演算して出力し、作業機械の燃費を低減するものである。

次に、コントローラ８０で実行する制御について図３を用いて説明する。図３に示すようにコントローラ８０の演算部は、油圧旋回効率演算部１０１と、目標トルク演算部１０２と、電動旋回効率演算部１０３と、減算部１０４と、電動旋回割合演算部１０５と、乗算部１０６とを備えている。

油圧旋回効率演算部１０１は、旋回操作量信号と旋回電動モータ２５の旋回回転数信号とを入力し、これらの信号に基づいて、エンジン出力から旋回油圧モータ２７の出力までの効率(以後、油圧旋回効率という)を演算する。具体的には、例えば、旋回操作量と旋回回転数に基づいたテーブルを参照して、油圧旋回効率を算出する。このテーブルは、予め、旋回操作量と旋回回転数と油圧旋回効率の関係を測定しておき、それに基づいて設定する。油圧旋回効率演算部１０１で算出した油圧旋回効率の信号は、減算部１０４の一端側へ入力される。

目標トルク演算部１０２は、旋回操作量信号と旋回電動モータ２５の旋回回転数信号とを入力し、これらの信号に基づいて、旋回油圧モータ２７と旋回電動モータ２５の合計トルクの目標値（以後、目標トルクという）を演算する。具体的には、例えば、旋回操作量と旋回回転数に基づいたテーブルを参照して、目標トルクを算出する。このテーブルは、予め、従来の（旋回用電動モータを搭載していない）油圧ショベルを使って旋回操作量と旋回回転数と旋回油圧モータトルクの関係を測定しておき、それに基づいて設定する。目標トルク演算部１０２で算出した目標トルクの信号は、電動旋回効率演算部１０３の一端側と乗算部１０６の一端側とへ入力される。

電動旋回効率演算部１０３は、目標トルク演算部１０２で算出した目標トルクの信号と旋回電動モータ２５の旋回回転数信号とを入力し、これらの信号に基づいて、その目標トルクを全て旋回電動モータ２５で発生する場合のエンジン出力から旋回電動モータ出力までの効率（以後、電動旋回効率という）を演算する。この効率は、エンジン出力によってアシスト発電モータ２３で発電し、その発電した電力をキャパシタ２４に蓄電し、その蓄電した電力で旋回電動モータ２５を駆動する場合の効率とする。具体的には、例えば、旋回電動モータトルクと旋回回転数に基づいたテーブルを参照して、電動旋回効率を算出する。このテーブルは、予め、旋回電動モータトルクと旋回回転数と電動旋回効率の関係を測定しておき、それに基づいて設定する。電動旋回効率演算部１０３で算出した電動旋回効率の信号は、減算部１０４の他端側へ入力される。

減算部１０４は、電動旋回効率演算部１０３で算出した電動旋回効率の信号から油圧旋回効率演算部１０１で算出した油圧旋回効率の信号を減算し、算出した差分信号を電動旋回割合演算部１０５へ入力する。

電動旋回割合演算部１０５は、減算部１０４で算出した電動旋回効率と油圧旋回効率の差に応じて電動旋回割合を演算する。具体的には、例えば、電動旋回効率と油圧旋回効率の差に基づいたテーブルを参照して、電動旋回割合を算出する。このテーブルには、図３に示すように、電動旋回効率が油圧旋回効率よりも高いほど、電動旋回割合が高くなる特性線が予め設定されている。電動旋回割合演算部１０５で算出した電動旋回割合の信号は、乗算部１０６の他端側へ入力される。

乗算部１０６は、目標トルク演算部１０２で算出した目標トルクの信号と、電動旋回割合演算部１０５で算出した電動旋回割合の信号とを乗算し、算出した値を、旋回電動モータ２５のトルク指令値としてパワーコントロールユニット５５へ出力する。
また、このとき、旋回電動モータ２５のトルク指令値と同じ値を、旋回油圧モータトルク減指令値として、油圧ポンプ４１への出力減指令が、電気・油圧信号変換デバイス７０を介してレギュレータ４２へ出力され、油圧ポンプ４１の出力（容量）を制御する。

具体的には、例えば、以下のステップで制御する。
（１）旋回油圧モータトルク減指令値から旋回油圧モータ圧力減指令値を計算する。（油圧モータトルク＝油圧モータ圧力×油圧モータ容量／２πの式から計算し、旋回油圧モータの容量は固定値とする）。
（２）（１）で算出された旋回油圧モータ圧力減指令値に予め定めたゲイン（１以上の値）を乗じて、低減ポンプ吐出目標圧を算出する。
（３）油圧ポンプ４１の吐出圧が（２）で算出した低減ポンプ吐出目標圧の分だけ減少するように、油圧ポンプ４１の流量を減少制御する。

若しくは、次のステップで制御しても良い。
（Ａ）旋回油圧モータトルク減指令値から旋回油圧モータ出力減指令値を計算する。（油圧モータ出力＝油圧モータトルク×油圧モータ角速度の式から計算する）。
（Ｂ）（Ａ）で算出された旋回油圧モータ出力減指令値に予め定めたゲイン（１以上の値）を乗じて、低減ポンプ目標出力を算出する。
（Ｃ）油圧ポンプ４１の出力が（Ｂ）で算出した分だけ減少するように、油圧ポンプ４１の出力を制御する。

以上の方法により、電動旋回と油圧旋回のそれぞれの効率を計算し、効率が良い方で駆動することができ、油圧旋回の効率が悪い領域で旋回する時の燃費を低減することができる。

上述した本発明の作業機械の第１の実施の形態によれば、旋回体２０の駆動に旋回油圧モータ２７と旋回電動モータ２５とを用いた作業機械において、旋回操作量が小さいときなど、旋回油圧モータ２７による旋回の効率が悪化する領域での燃費を低減できる。

なお、上述したとおり、旋回操作量が小さい場合は、油圧旋回の効率が悪いため、電動旋回割合は高くなるように設定する。また、旋回操作量が小さい場合は、一般的に、従来の（旋回電動モータを搭載していない）油圧ショベルの旋回油圧モータトルクは小さいため、本実施の形態における制御の目標トルクも小さく設定する。よって、旋回操作量が小さい場合は、旋回電動モータ主体で旋回するが、そのトルクは小さくても良いので、搭載する電動モータのトルク性能（最大トルク）は小さくても良い。具体的には、電動モータの最大出力を、油圧モータの最大出力よりも小さくすることができる。

電動モータのトルク性能を小さくできるので、インバータなどの電気システムの出力性能も小さくすることができる。搭載する電動モータやインバータなどの電気システムの出力性能が小さくできるので、サイズが小さくなり搭載性が向上する。この結果、生産コストを低くすることができる。

以下、本発明の作業機械の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図４は本発明の作業機械の第２の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。図４において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の第２の実施の形態において、電動・油圧機器のシステムの構成は、第１の実施の形態と同じであるが、コントローラ８０の演算部で実行する処理が第１の実施の形態と異なる。

図４において、コントローラ８０の演算部は、旋回電動モータトルク演算部２０１を備えている。旋回電動モータトルク演算部２０１は、旋回操作量信号と旋回電動モータ２５の旋回回転数信号とを入力し、これらの信号に基づいて、旋回電動モータトルク指令値を演算する。具体的には、例えば、旋回操作量と旋回回転数に基づいたテーブルを参照して、旋回電動モータトルク指令値を算出する。このテーブルは、予め、従来の油圧ショベル（油圧モータだけで旋回）を使って旋回操作量と旋回回転数と旋回油圧モータトルクの開係を測定しておき、それに基づいて設定する。

本実施の形態においては、図４に示すように、横軸を操作量、縦軸をトルク指令として、旋回回転数の高低に応じた複数の特性線が、テーブルとして予め設定されている。

旋回電動モータトルク演算部２０１は、算出した値を、旋回電動モータ２５のトルク指令値としてパワーコントロールユニット５５へ出力する。また、このとき、旋回電動モータ２５のトルク指令値と同じ値を、旋回油圧モータトルク減指令値として、油圧ポンプ４１への出力減指令が、電気・油圧信号変換デバイス７０を介してレギュレータ４２へ出力され、油圧ポンプ４１の出力（容量）を制御する。

旋回電動モータトルク演算部２０１で設定する旋回電動モータトルク指令値を、旋回操作量が大きい領域や、旋回速度が高い領域で０近傍に、または、旋回油圧モータ２７のトルクに比べて小さな値に設定すれば、その領域では、旋回油圧モータ２７主体で旋回（油圧旋回モード）できる。

上述した本発明の作業機械の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の第２の実施の形態によれば、旋回操作量が小さいときや旋回回転数が低いときは、電動旋回モードで駆動し、それ以外のときは、油圧旋回モードで駆動することができる。この結果、油圧旋回の効率が悪い領域で旋回する時の燃費を低減することができる。

以下、本発明の作業機械の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明の作業機械の第３の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の第３の実施の形態において、電動・油圧機器のシステムの構成は、第１の実施の形態と同じであるが、コントローラ８０の演算部で実行する処理が第１の実施の形態と異なる。

図５において、コントローラ８０の演算部は、油圧旋回効率演算部１０１と、目標トルク演算部１０２と、電動旋回効率演算部１０３と、減算部１０４と、電動旋回割合演算部１０５と、蓄電量演算部３０１と、アシスト発電モータトルク指令値演算部３０２と、電動旋回割合演算部３０３と、最大値選択演算部３０４と、乗算部３０５とを備えている。ここで、油圧旋回効率演算部１０１から電動旋回割合演算部１０５は、第１の実施の形態と同じなので、その詳細な説明は省略する。

蓄電量演算部３０１は、電圧センサ２４ａが検出したキャパシタ２４の電圧信号Ｖと、電流センサ５１ａが検出したチョッパ５１の電流信号Ｉ（キャパシタ２４に流れ込む方向を正側と規定する）とを基に、キャパシタ２４の蓄電量（蓄電エネルギ）Ｅの計算を行う。具体的には、例えば、次の数式で算出する。
Ｅ＝１／２×Ｃ×（Ｖ−Ｉ×Ｒ）^２
ここで、Ｃはキャパシタの容量を、Ｒはキャパシタの内部抵抗を示す。蓄電量演算部３０１で算出した蓄電量の信号は、アシスト発電モータトルク指令値演算部３０２と電動旋回割合演算部３０３とへ入力される。

アシスト発電モータトルク指令値演算部３０２は、蓄電量演算部３０１で算出した蓄電量に基づいて、アシスト発電モータトルク指令値を演算する。具体的には、例えば、蓄電量に基づいたテーブルを参照して、アシスト発電モータトルク指令値を算出する。このテーブルには、図５に示すように、蓄電量が少なくなった時に、アシスト発電モータのトルク指令値を増加させて発電する特性線が予め設定されている。算出したアシスト発電モータトルク指令値は、パワーコントロールユニット５５に出力される。

電動旋回割合演算部３０３は、蓄電量演算部３０１で算出した蓄電量に基づいて、電動旋回割合を演算する。具体的には、例えば、蓄電量に基づいたテーブルを参照して、電動旋回割合を算出する。このテーブルには、図５に示すように、蓄電量が多い時は電動旋回割合が多くなる特性線が予め設定されている。電動旋回割合演算部３０３で算出された電動旋回割合は、最大値選択演算部３０４の一端側へ入力される。

最大値選択演算部３０４は、他端入力側に電動旋回割合演算部１０５で算出した電動旋回割合の信号を入力し、電動旋回割合演算部３０３で算出した電動旋回割合と電動旋回割合演算部１０５で算出した電動旋回割合との入力値のうち、いずれか大きい方の値を出力する。最大値選択演算部３０４で選択された電動旋回割合の信号は、乗算部３０５の他端側へ入力される。

乗算部３０５は、一端入力側に目標トルク演算部１０２で算出した目標トルクの信号を入力し、この目標トルクの信号と、最大値選択演算部３０４で選択された電動旋回割合の信号とを乗算し、算出した値を、旋回電動モータ２５のトルク指令値としてパワーコントロールユニット５５へ出力する。
また、このとき、旋回電動モータ２５のトルク指令値と同じ値を、旋回油圧モータトルク減指令値として、電気・油圧信号変換デバイス７０を介してレギュレータ４２へ出力され、油圧ポンプ４１の出力（容量）を制御する。

上述した本発明の作業機械の第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の第３の実施の形態によれば、蓄電量が多い時は常に電動旋回モードで駆動するため、蓄電量が多い時の燃費が良くなる。また、蓄電量が少ない時は、電動旋回モードと油圧旋回モードのそれぞれの効率を計算し、効率が良い方のモードで駆動することができ、油圧旋回の効率が悪い領域で旋回する時の燃費を低減することができる。

以下、本発明の作業機械の第４の実施の形態を図面を用いて説明する。図６は本発明の作業機械の第４の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。図６において、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の第４の実施の形態において、電動・油圧機器のシステムの構成は、第１の実施の形態と同じであるが、コントローラ８０の演算部で実行する処理が第１の実施の形態と異なる。

図６において、コントローラ８０の演算部は、目標トルク演算部１０２と、旋回電動モータトルク演算部２０１と、蓄電量演算部３０１と、アシスト発電モータトルク指令値演算部３０２と、電動旋回割合演算部３０３と、乗算部４０１と、最大値選択部４０２とを備えている。ここで、目標トルク演算部１０２は第１の実施の形態と、旋回電動モータトルク演算部２０１は第２の実施の形態と、蓄電量演算部３０１〜電動旋回割合演算部３０３とは第３の実施の形態とそれぞれ同じなので、その詳細な説明は省略する。

乗算部４０１は、一端入力側に目標トルク演算部１０２で算出した目標トルクの信号を入力し、他端入力側に電動旋回割合演算部３０３で算出した電動旋回割合を入力する。これらの入力値を乗算して算出した値は、最大値選択部４０２の一端側へ入力される。

最大値選択部４０２は、他端入力側に旋回電動モータトルク演算部２０１で算出した旋回電動モータトルク指令値の信号を入力し、乗算部４０１で算出した値と旋回電動モータトルク演算部２０１で算出した旋回電動モータトルク指令値とのうち、いずれか大きい方の値を出力する。この選択された値は、旋回電動モータ２５のトルク指令値としてパワーコントロールユニット５５へ出力する。
また、このとき、旋回電動モータ２５のトルク指令値と同じ値を、旋回油圧モータトルク減指令値として、電気・油圧信号変換デバイス７０を介してレギュレータ４２へ出力され、油圧ポンプ４１の出力（容量）を制御する。

上述した本発明の作業機械の第４の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の第４の実施の形態によれば、蓄電量が多い時は常に電動旋回モードで駆動するため、蓄電量が多い時の燃費が良くなる。また、蓄電量が少ない時は、旋回操作量が小さい時や旋回速度が低い時は電動旋回モードで駆動し、そうでない時は油圧旋回モードで駆動することができ、油圧旋回の効率が悪い領域で旋回する時の燃費を低減することができる。

以下、本発明の作業機械の第５の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明の作業機械の第５の実施の形態を構成するコントローラの制御ブロック図である。図７において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の作業機械の第５の実施の形態において、電動・油圧機器のシステムの構成は、第１の実施の形態と同じであるが、コントローラ８０の演算部で実行する処理が第１の実施の形態と異なる。

図７において、コントローラ８０の演算部は、旋回電動モータトルク演算部２０１と、蓄電量演算部３０１と、アシスト発電モータトルク指令値演算部３０２と、旋回電動モータトルク指令値演算部５０１と、最小値選択部５０２とを備えている。ここで、旋回電動モータトルク演算部２０１は第２の実施の形態と、蓄電量演算部３０１とアシスト発電モータトルク指令値演算部３０２とは第３の実施の形態とそれぞれ同じなので、その詳細な説明は省略する。

旋回電動モータトルク指令値演算部５０１は、蓄電量演算部３０１で算出した蓄電量に基づいて、旋回電動モータトルク指令値を演算する。具体的には、例えば、蓄電量に基づいたテーブルを参照して、旋回電動モータトルク指令値を算出する。このテーブルには、図７に示すように、蓄電量が多い時は旋回電動モータ主体で駆動する特性線が予め設定されている。旋回電動モータトルク指令値演算部５０１で算出された旋回電動モータトルク指令値は、最小値選択演算部５０２の一端側へ入力される。

最小値選択演算部５０２は、他端入力側に旋回電動モータトルク演算部２０１で算出した旋回電動モータトルク指令値の信号を入力し、旋回電動モータトルク指令値演算部５０１で算出した値と旋回電動モータトルク演算部２０１で算出した旋回電動モータトルク指令値とのうち、いずれか小さい方の値を出力する。この選択された値は、旋回電動モータ２５のトルク指令値としてパワーコントロールユニット５５へ出力する。
また、このとき、旋回電動モータ２５のトルク指令値と同じ値を、旋回油圧モータトルク減指令値として、電気・油圧信号変換デバイス７０を介してレギュレータ４２へ出力され、油圧ポンプ４１の出力（容量）を制御する。

上述した本発明の作業機械の第５の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の第５の実施の形態によれば、蓄電量が少ない時は電動旋回を行わないので、旋回電動モータトルク指令が出ているにもかかわらず、アシスト発電モータ２３の発電が間に合わないため旋回できないという事態を防ぐことができる。

さらに、上述した本発明の作業機械の第５の実施の形態によれば、蓄電量が多い時であって、かつ旋回操作量が小さい時や旋回速度が低い時は電動旋回モードで駆動し、そうでない時は油圧旋回モードで駆動することができるので、油圧旋回の効率が悪い領域で旋回する時の燃費を低減することができる。

なお、上述した本発明の実施の形態において、アシスト発電モータ２３への発電トルク指令の構成は省略しても良い。アシスト発電モータ２３やアシスト発電モータ用インバータ５３を省略した場合、搭載性が向上するので、生産コストを低くすることができる。

１０ 走行体
１１ クローラ
１２ クローラフレーム
１３ 走行用油圧モータ
２０ 旋回体
２１ 旋回フレーム
２２ エンジン
２３ アシスト発電モータ
２４ キャパシタ
２４ａ 電圧センサ(蓄電量検出手段)
２５ 旋回電動モータ
２５ａ 回転数センサ（旋回速度検出手段）
２６ 減速機
２７ 旋回油圧モータ
２８ Aポート側リリーフ弁
２９ Bポート側リリーフ弁
３０ ショベル機構
３１ ブーム
３２ ブームシリンダ
３３ アーム
３４ アームシリンダ
３５ バケット
３６ バケットシリンダ
４０ 油圧システム
４１ 油圧ポンプ
４２ レギュレータ
４３ コントロールバルブ
４４ 旋回用スプール
５１ チョッパ
５１ａ 電流センサ（蓄電量検出手段）
５２ 旋回電動モータ用インバータ
５３ アシスト発電モータ用インバータ
５４ 平滑コンデンサ
５５ パワーコントロールユニット
５６ メインコンタクタ
５７ メインリレー
５８ 突入電流防止回路
７０ 電気・油圧信号変換デバイス
７２ 旋回用操作レバー装置
７３ 油圧・電気信号変換デバイス（旋回用操作レバー操作量検出手段）
８０ コントローラ（制御装置）
１０１ 油圧旋回効率演算部
１０２ 目標トルク演算部
１０３ 電動旋回効率演算部
２０１ 旋回電動モータトルク演算部
３０１ 蓄電量演算部

Claims (5)

1. エンジンと、前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、旋回体と、前記旋回体駆動用の電動モータと、前記油圧ポンプにより駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、前記旋回体の駆動を指令する旋回用操作レバー装置とを備えた作業機械において、
   前記操作レバー装置の操作量、及び／又は前記旋回体の旋回速度に基づいて、前記電動モータのトルクを主体として前記旋回体を駆動する電動旋回モードと、前記油圧モータのトルクを主体として前記旋回体を駆動する油圧旋回モードのいずれかで制御する制御装置と、
   前記旋回用操作レバー装置の旋回操作量を検出する旋回用操作レバー操作量検出手段と、前記旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出手段とを備え、
   前記制御装置は、前記旋回用操作レバー操作量検出手段が検出した前記旋回用操作レバー装置の操作量と、前記旋回速度検出手段が検出した前記旋回体の旋回速度とを取込み、前記旋回用操作レバー装置の操作量が予め設定した値より小さいとき、及び／又は前記旋回体の旋回速度が予め設定した値より低いときは、前記電動旋回モードで制御する
   ことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記エンジン出力から前記油圧モータの出力までの効率を演算する油圧旋回効率演算部と、前記エンジン出力から前記電動モータの出力までの効率を演算する電動旋回効率演算部とを有し、前記油圧旋回効率演算部と前記電動旋回効率演算部とがそれぞれ算出した効率に基づいて、前記電動旋回モード又は前記油圧旋回モードのいずれかで制御する
   ことを特徴とする作業機械。
3. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記電動モータを駆動するための電力を蓄積する蓄電装置と、前記蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、
   前記制御装置は、前記蓄電量検出手段が検出した前記蓄電装置の蓄電量を取込み、前記蓄電量が予め設定した値より高いときは、前記電動旋回モードで制御する
   ことを特徴とする作業機械。
4. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記電動モータを駆動するための電力を蓄積する蓄電装置と、前記蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、
   前記制御装置は、前記蓄電量検出手段が検出した前記蓄電装置の蓄電量を取込み、前記蓄電量が予め設定した値より高く、かつ、前記旋回用操作レバー装置の操作量が予め設定した値より小さいとき、又は、前記旋回体の旋回速度が予め設定した値より低いときは、前記電動旋回モードで制御する
   ことを特徴とする作業機械。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械において、
   前記電動モータの最大出力は、前記油圧モータの最大出力よりも小さい
   ことを特徴とする作業機械。

Images