JP6004853B2

JP6004853B2 - 作業機械

Info

Publication number: JP6004853B2
Application number: JP2012202690A
Authority: JP
Inventors: 英昭湯浅
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP2014060820A

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。

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。

特開２０１１−１５５８３７号公報

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。

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。

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。

図１は、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である。図２は、実施例による作業機械に搭載される電源装置に用いられている昇圧回路の等価回路図である。図３は、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グラフである。図４Ａは、比較例による電源装置のブロック図であり、図４Ｂは、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グラフである。図５は、実施例による作業機械の一例としてのショベルの側面図である。図６は、実施例による作業機械の一例としてのショベルのブロック図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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。
さらに、前記昇圧回路の出力端子に接続され、油圧または温度を計測するセンサを有する請求項１に記載の作業機械。
(請求項２を繰り下げ)
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。
さらに、前記第２の整流回路の出力端子に接続され、前記センサの検出結果が入力され、入力された検出結果に基づいて異常検出を行う制御装置を有する請求項３に記載の作業機械。