JP6004853B2 - Work machine - Google Patents
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Description
本発明は、電源電圧を変換して、電気負荷に必要とされる直流電圧を発生する電源装置を搭載した作業機械に関する。 The present invention relates to a work machine equipped with a power supply device that converts a power supply voltage to generate a DC voltage required for an electric load.
ショベル等の作業機械に搭載される複数の電気機器を動作させるために、蓄電装置の出力電圧を、各電気機器に所要の電圧に変換して出力する直流電圧変換器(DC−DCコンバータ)が用いられる。蓄電装置から、エンジン起動用のセルモータに直流電力が供給される。このため、エンジンの起動時に、蓄電装置の放電電流が一時的に大きくなる。 In order to operate a plurality of electric devices mounted on a work machine such as an excavator, a DC voltage converter (DC-DC converter) that converts the output voltage of the power storage device into a required voltage and outputs the voltage to each electric device. Used. DC power is supplied from the power storage device to the cell motor for starting the engine. For this reason, when the engine is started, the discharge current of the power storage device temporarily increases.
蓄電装置の放電電流が一時的に増大すると、直流電圧変換器の一次巻線に与えられる電圧が低下する。この電圧低下が大きくなると、各電気機器に供給される電圧が規格値を満たさなくなる場合がある。
本発明の目的は、蓄電装置の出力電圧が低下しても、各電気機器に供給される電圧を所要の範囲に維持することが可能な電源装置を搭載した作業機械を提供することである。
When the discharge current of the power storage device temporarily increases, the voltage applied to the primary winding of the DC voltage converter decreases. If this voltage drop increases, the voltage supplied to each electrical device may not meet the standard value.
An object of the present invention is to provide a work machine equipped with a power supply device capable of maintaining the voltage supplied to each electric device within a required range even when the output voltage of the power storage device decreases.
本発明の一観点によると、
直流電源と、
一次巻線、及び第1の二次巻線を含むトランスと、
前記直流電源からの電流をスイッチングして、前記トランスの前記一次巻線に与えるスイッチング回路と、
前記第1の二次巻線に現れる交流を整流する第1の整流回路と、
前記第1の整流回路の出力を昇圧して、アナログ回路用の電源電圧を発生する昇圧回路と、
前記直流電源に接続されたセルモータと、
前記セルモータで起動されるエンジンと、
を有する作業機械が提供される。
According to one aspect of the invention,
DC power supply,
A transformer including a primary winding and a first secondary winding;
A switching circuit that switches current from the DC power source and applies the current to the primary winding of the transformer;
A first rectifier circuit for rectifying alternating current appearing in the first secondary winding;
A booster circuit for boosting the output of the first rectifier circuit and generating a power supply voltage for an analog circuit ;
A cell motor connected to the DC power source;
An engine activated by the cell motor;
Is provided.
昇圧回路を配置することにより、直流電源の出力電圧が一時的に低下しても、アナログ回路用の電源電圧を目標の定格値に維持することが可能になる。 By arranging the booster circuit, the power supply voltage for the analog circuit can be maintained at the target rated value even if the output voltage of the DC power supply temporarily decreases.
図1に、実施例による作業機械に搭載される電源装置のブロック図を示す。電源装置50の入力端子Tinに、直流電源41が接続されている。直流電源41には、例えば鉛蓄電池が用いられる。
FIG. 1 is a block diagram of a power supply device mounted on a work machine according to an embodiment. A
電源装置50は、スイッチング回路43、トランス44、第1の整流回路45、昇圧回路46、第2の整流回路47、及び制御回路48を含む。トランス44は、一次巻線44A、第1の二次巻線44B、及び第2の二次巻線44Cを含む。スイッチング回路43は、直流電源41からの電流をスイッチングして、トランス44の一次巻線44Aに与える。
The
スイッチング回路43は、一次巻線44Aに直列に接続されたスイッチング素子43A、及び一次巻線44Aに並列に接続されたバリスタダイオード43Bを含む。スイッチング素子43Aには、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が用いられる。直流電源41の出力電圧が、一次巻線44Aとスイッチング素子43Aとの直列回路に印加される。制御回路48が、スイッチング素子43Aのオンオフを制御する。
The
スイッチング素子43Aのオンオフ制御を行うことにより、一次巻線44Aに流れる電流がスイッチングされる。制御回路48によって、一次巻線44Aに流れる脈流のデューティ比が制御される。第1の二次巻線44B及び第2の二次巻線44Cに、脈流のデューティ比及び巻線比に応じて、交流電圧が発生する。
By performing on / off control of the
第1の二次巻線44Bに現れる交流電圧が、第1の整流回路45に印加される。第1の整流回路45で整流された直流電圧が、昇圧回路46により昇圧され、第1の出力端子Tout1に出力される。第2の二次巻線44Cに現れる交流電圧が、第2の整流回路47により整流される。第2の整流回路47によって整流された直流電圧が第2の出力端子Tout2に出力される。
The AC voltage appearing at the first
第1の出力端子Tout1が、アナログ素子であるセンサ55の電源端子に接続され、第2の出力端子Tout2が、デジタル素子である制御装置56の電源端子に接続される。すなわち、第1の出力端子Tout1は、アナログ回路用の電源電圧を発生し、第2の出力端子Tout2は、デジタル回路用の電源電圧を発生する。センサ55は、例えば高圧油圧ラインの油圧を計測する油圧センサ、圧油の温度を計測する温度センサ、外気温を計測する温度センサ等を含む。制御装置56は、例えば中央処理装置(CPU)、半導体メモリ等を含む。
The first output terminal Tout1 is connected to the power supply terminal of the
第2の出力端子Tout2に出力されるデジタル回路用の電源電圧は、第1の出力端子Tout1に出力されるアナログ回路用の電源電圧よりも低い。一例として、直流電源41の出力電圧v1は24Vであり、第1の整流回路45の出力電圧v2は5V、昇圧回路46の出力電圧v4、すなわちアナログ回路用の電源電圧は12Vである。第2の整流回路47の出力電圧v3、すなわちデジタル回路用の電源電圧は5Vである。
The power supply voltage for the digital circuit output to the second output terminal Tout2 is lower than the power supply voltage for the analog circuit output to the first output terminal Tout1. As an example, the output voltage v1 of the
第2の整流回路47の出力電圧v3が制御回路48に入力される。制御回路48は、第2の整流回路47の出力電圧v3が目標値、例えば5Vになるように、一次巻線44Aに流れる脈流のデューティ比を制御する。具体的には、スイッチング素子43Aがオンになっている時間を変化させる。
The output voltage v3 of the
直流電源41に、リレー36を介してセルモータ35が接続されている。リレー36を
導通させることにより、直流電源41からセルモータ35に直流電力が供給される。
A
図2に、昇圧回路46(図1)の等価回路図を示す。昇圧回路46は、リアクトル46A、スイッチング素子46B、ダイオード46C、及び平滑コンデンサ46Dを含む。リアクトル46Aとスイッチング素子46Bとの直列回路が、第1の整流回路45の出力端子の間に接続されている。リアクトル46Aが第1の整流回路45の正極端子に接続され、スイッチング素子46Bのエミッタが負極端子に接続される。
FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the booster circuit 46 (FIG. 1).
リアクトル46Aとスイッチング素子46Bとの相互接続点が、ダイオード46Cを介して、第1の出力端子Tout1の正極端子に接続される。リアクトル46Aから第1の出力端子Tout1に向かって、ダイオード46Cに順方向電流が流れる。第1の出力端子Tout1の正極端子と負極端子との間に平滑コンデンサ46Dが接続されている。
The interconnection point between the
制御回路48がスイッチング素子46Bを周期的にオンオフすることにより、整流回路45の出力電圧が昇圧されて、第1の出力端子Tout1に印加される。
When the
図3に、実施例による作業機械に搭載される電源装置の各部の電圧の時間変化の一例を示す。横軸は経過時間を表し、縦軸は電圧を表す。一例として、定常状態では、直流電源41の出力電圧v1が24V、第1の整流回路45の出力電圧v2、及び第2の整流回路47の出力電圧v3が5V、昇圧回路の出力電圧v4が12Vである。第1の二次巻線44Bの巻き数と、第2の二次巻線44Cの巻き数とを等しくすることにより、出力電圧v2とv3とを等しくすることができる。
FIG. 3 shows an example of a temporal change in voltage of each part of the power supply device mounted on the work machine according to the embodiment. The horizontal axis represents elapsed time, and the vertical axis represents voltage. As an example, in a steady state, the output voltage v1 of the
時刻t1において、セルモータ35(図1)が起動されると、直流電源41からの放電電流が増大し、電圧v1が一時的に低下する。例えば、電圧v1が10V程度まで低下する。第2の整流回路47の出力電圧v3が目標値5Vに維持されるように、制御回路48がスイッチング回路43を制御する。このため、トランス44(図1)の一次巻線44Aに印加される電圧が10V程度まで低下しても、出力電圧v3は目標値5Vに維持される。第1の二次巻線44Vと第2の二次巻線44Cとの巻き数が等しいため、第1の整流回路45の出力電圧v2も目標値5Vに維持される。
When the cell motor 35 (FIG. 1) is started at time t1, the discharge current from the
昇圧回路46(図1)に与えられる電圧が目標値5Vに維持されるため、その出力電圧v4も、目標値12Vに維持される。 Since the voltage applied to the booster circuit 46 (FIG. 1) is maintained at the target value 5V, the output voltage v4 is also maintained at the target value 12V.
図4Aに、比較例による電源装置のブロック図を示す。比較例においては、第1の整流回路45の出力電圧v2が目標値12Vになるように、トランス44の一次巻線44Aと第1の二次巻線44Bとの巻線比が調整されている。第1の整流回路45の出力電圧v2が目標値12Vに設定されているため、実施例による作業機械に搭載される電源装置50の昇圧回路46は不要である。第1の出力端子Tout1に出力される電圧v4が、第1の整流回路45の出力電圧v2と等しくなる。
FIG. 4A shows a block diagram of a power supply device according to a comparative example. In the comparative example, the winding ratio between the primary winding 44A of the
図4Bに、比較例による電源装置の各部の電圧の時間変化の一例を示す。時刻t1において、セルモータ35(図4A)が起動されると、電圧v1が一時的に低下する。電圧v1が10Vまで低下した場合について説明する。第2の整流回路47の出力電圧v3が目標値5Vになるように、制御回路48がスイッチング回路43を制御するため、第2の整流回路47の出力電圧v3は目標値5Vに維持される。
FIG. 4B shows an example of a temporal change in voltage of each part of the power supply device according to the comparative example. When the cell motor 35 (FIG. 4A) is activated at time t1, the voltage v1 temporarily decreases. A case where the voltage v1 decreases to 10V will be described. Since the
ところが、トランス44の一次巻線44Aに印加される電圧が10Vまで低下すると、スイッチング回路43により、一次巻線44Aに流れる脈流のデューティ比を制御したとしても、第1の整流回路45の出力電圧v2を、一次巻線44Aに印加される電圧10V
以上に維持することはできない。このため、第1の整流回路45の出力電圧v2、及び第1の出力端子Tout1に出力される電圧v4が、一時的に10V程度まで低下する。
However, when the voltage applied to the primary winding 44A of the
It cannot be maintained above. For this reason, the output voltage v2 of the
実施例においては、第1の整流回路45の出力電圧v2の目標値を、直流電源41の出力電圧v1の想定される下限値、例えば10Vよりも低く設定しておくことにより、第1の整流回路45の出力電圧v2を目標値に維持することができる。目標値に維持された出力電圧v2を昇圧回路46で昇圧することにより、第1の出力端子Tout1に出力される電圧を、目標値12Vに維持することができる。
In the embodiment, the target value of the output voltage v2 of the
図5に、実施例による作業機械の例として、ショベルの側面図を示す。下部走行体20に、上部旋回体21が搭載されている。上部旋回体21にブーム23が連結され、ブーム23にアーム25が連結され、アーム25にバケット27が連結されている。ブームシリンダ24の伸縮により、ブーム23の姿勢が変化する。アームシリンダ26の伸縮により、アーム25の姿勢が変化する。バケットシリンダ28の伸縮により、バケット27の姿勢が変化する。ブームシリンダ24、アームシリンダ26、及びバケットシリンダ28は、油圧駆動される。
FIG. 5 shows a side view of an excavator as an example of the working machine according to the embodiment. An upper turning body 21 is mounted on the lower traveling
上部旋回体21に、旋回電動機22、エンジン30、電動発電機31、及び電源装置50が搭載されている。電源装置50として、図1に示した電源装置50が採用される。
A swing motor 22, an
図6に、実施例による作業機械の例として、ショベルのブロック図を示す。図6において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気制御系を細い実線で表し、電力系を中間の太さの実線で表し、パイロットラインを破線で表す。 FIG. 6 shows a block diagram of an excavator as an example of the working machine according to the embodiment. In FIG. 6, the mechanical power system is represented by a double line, the high-pressure hydraulic line is represented by a thick solid line, the electric control system is represented by a thin solid line, the power system is represented by a solid line of intermediate thickness, and the pilot line is represented by a broken line. Represent.
エンジン30の駆動軸がトルク伝達機構32の入力軸に連結されている。エンジン30には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン30は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。
The drive shaft of the
電動発電機31の駆動軸が、トルク伝達機構32の他の入力軸に連結されている。電動発電機31は、電動(アシスト)運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機31には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型(IPM)モータが用いられる。
The drive shaft of the
トルク伝達機構32は、2つの入力軸と1つの出力軸とを有する。この出力軸には、メインポンプ75の駆動軸が連結されている。
The
エンジン30に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機31がアシスト運転を行い、電動発電機31の駆動力がトルク伝達機構32を介してメインポンプ75に伝達される。これにより、エンジン30に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン30に加わる負荷が小さい場合には、エンジン30の駆動力がトルク伝達機構32を介して電動発電機31に伝達されることにより、電動発電機31が発電運転される。
When the load applied to the
三相交流配線60が、インバータ51と電動発電機31とを接続する。直流配線(バスライン)61が、インバータ51と蓄電回路40とを接続する。三相交流配線62が、旋回電動機22とインバータ52とを接続する。直流配線(バスライン)63が、インバータ52と蓄電回路40とを接続する。インバータ51、52、及び蓄電回路40は、制御装置56により制御される。制御装置56は、図1に示したように、電源装置50から電力の供給を受ける。
Three-
インバータ51は、制御装置56からの指令に基づき、電動発電機31の運転制御を行
う。電動発電機31のアシスト運転と発電運転との切り替えが、インバータ51により行われる。
The
電動発電機31がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路40からインバータ51を通して電動発電機31に供給される。電動発電機31が発電運転されている期間は、電動発電機31によって発電された電力が、インバータ51を通して蓄電回路40に供給される。
During the period in which the
電源装置50に、リレー36を介してセルモータ35が接続されている。蓄電回路40は、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン二次電池等の蓄電装置、及び蓄電装置の充放電を制御する昇降圧コンバータを含む。
A
旋回電動機22は、インバータ52によって交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回電動機22には、例えばIPMモータが用いられる。旋回電動機22の力行動作中は、蓄電回路40からインバータ52を介して旋回電動機22に電力が供給される。旋回電動機22が、減速機80を介して、上部旋回体21(図1)を旋回させる。回生運転時には、上部旋回体21の回転運動が、減速機80を介して旋回電動機22に伝達されることにより、旋回電動機22が回生電力を発生する。発生した回生電力は、インバータ52を介して蓄電回路40に供給される。これにより、蓄電回路40内の蓄電装置(図1に示した直流電源)が充電される。
The swing electric motor 22 is AC driven by the
レゾルバ81が、旋回電動機22の回転軸の回転方向の位置を検出する。レゾルバ81の検出結果が、制御装置56に入力される。旋回電動機22の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。
The
メカニカルブレーキ82が、旋回電動機22の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ82の制動状態と解除状態とは、制御装置56からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。
A
メインポンプ75が、高圧油圧ライン76を介して、コントロールバルブ77に油圧を供給する。コントロールバルブ77は、運転者からの指令により、油圧モータ29A、29B、ブームシリンダ24、アームシリンダ26、及びバケットシリンダ28に油圧を分配する。油圧モータ29A及び29Bは、それぞれ図1に示した下部走行体20に備えられた左右の2本のクローラを駆動する。
The
パイロットポンプ78が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン79を介して操作装置83に供給される。操作装置83は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置83は、パイロットライン79から供給される1次側の油圧を、運転者の操作に応じて、2次側の油圧に変換する。2次側の油圧は、油圧ライン84を介してコントロールバルブ77に伝達されると共に、他の油圧ライン85を介して圧力センサ86に伝達される。
The
圧力センサ86で検出された圧力の検出結果が、制御装置56に入力される。これにより、制御装置56は、下部走行体20、旋回電動機22、ブーム23、アーム25、及びバケット27(図1)の操作の状況を検知することができる。
The pressure detection result detected by the
複数のセンサ55による検出結果が制御装置56に入力される。センサ55は、図1に示したように、電源装置50から電力の供給を受ける。
Detection results from the plurality of
図4Aに示した比較例による電源装置を採用した場合には、セルモータ35を起動した
ときに、センサ55に供給されている直流電源の電圧v4(図4A、図4B)が定格値よりも低くなる。一方、制御装置56に供給されている直流電源の電圧v3(図4A、図4B)は、定格値に維持される。制御装置56は正常に動作するが、センサ55からの測定結果の正常性が保証されないため、センサ55の測定結果が異常値を示す場合がある。
When the power supply device according to the comparative example shown in FIG. 4A is adopted, when the
電源電圧の一時的な低下に起因して計測された異常値を、測定対象の物理量の異常値であると誤判定しないように、制御装置56は、セルモータ35の始動時から一定時間内に検出されたセンサの異常値を無視する処理を行う。このため、異常値を無視する期間内に、真の異常が発生しても、その異常を検出することができない。
The
電源装置50(図6)として、図1に示した電源装置50を採用すると、図3に示したように、セルモータ35(図6)の始動時にも、センサ55に供給される直流電源の電圧がほぼ定格値に維持される。このため、セルモータ35の始動時にも、センサ55による異常検出を行うことが可能である。
When the
上記実施例では、電源装置50が搭載された作業機械の例として、ショベルを示したが、上述の電源装置50は、その他の作業機械、例えば荷役作業用車両(フォークリフト)、ブルドーザー、クレーン等にも適用可能である。
In the above-described embodiment, an excavator is shown as an example of a work machine on which the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
20 下部走行体
21 上部旋回体
22 旋回電動機
23 ブーム
24 ブームシリンダ
25 アーム
26 アームシリンダ
27 バケット
28 バケットシリンダ
29A、29B 油圧モータ
30 エンジン
31 電動発電機
32 トルク伝達機構
35 セルモータ
36 リレー
40 蓄電回路
41 直流電源
43 スイッチング回路
43A スイッチング素子
43B バリスタダイオード
44 トランス
44A 一次巻線
44B 第1の二次巻線
44C 第2の二次巻線
45 第1の整流回路
46 昇圧回路
46A リアクトル
46B スイッチング素子
46C ダイオード
46D 平滑コンデンサ
47 第2の整流回路
48 制御回路
50 電源装置
51、52 インバータ
55 センサ
56 制御装置
60、62 三相交流配線
61、63 直流配線
75 メインポンプ
76 高圧油圧ライン
77 コントロールバルブ
78 パイロットポンプ
79 パイロットライン
80 減速機
81 レゾルバ
82 メカニカルブレーキ
83 操作装置
84、85 油圧ライン
86 圧力センサ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
一次巻線、及び第1の二次巻線を含むトランスと、
前記直流電源からの電流をスイッチングして、前記トランスの前記一次巻線に与えるスイッチング回路と、
前記第1の二次巻線に現れる交流を整流する第1の整流回路と、
前記第1の整流回路の出力を昇圧して、アナログ回路用の電源電圧を発生する昇圧回路と、
前記直流電源に接続されたセルモータと、
前記セルモータで起動されるエンジンと、
を有する作業機械。 DC power supply,
A transformer including a primary winding and a first secondary winding;
A switching circuit that switches current from the DC power source and applies the current to the primary winding of the transformer;
A first rectifier circuit for rectifying alternating current appearing in the first secondary winding;
A booster circuit for boosting the output of the first rectifier circuit and generating a power supply voltage for an analog circuit ;
A cell motor connected to the DC power source;
An engine activated by the cell motor;
Having working machine.
前記トランスは、さらに第2の二次巻線を含み、
さらに、前記第2の二次巻線に現れる交流を整流して、前記アナログ回路用の電源電圧よりも低いデジタル回路用の電源電圧を発生する第2の整流回路を有する請求項2に記載の作業機械。 (Claiming claim 2 down)
The transformer further includes a second secondary winding,
3. The second rectifier circuit according to claim 2 , further comprising a second rectifier circuit that rectifies an alternating current appearing in the second secondary winding to generate a power supply voltage for a digital circuit lower than the power supply voltage for the analog circuit. Work machine.
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