KR101482481B1 - 작업기계 - Google Patents

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유타 스기야마
히데아키 유아사
기미노리 사노
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
스미토모 겐키 가부시키가이샤
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Abstract

신뢰성의 저하가 억제된 구성으로 직류모선(DC버스)의 전압을 저하시킬 수 있는 작업기계를 제공한다.
작업기계로서의 하이브리드형 건설기계는, 인버터회로를 통하여 선회용 전동기에 접속된 DC버스와, 승강압 컨버터 및 스위치를 통하여 DC버스에 접속된 배터리와, 인버터회로 및 승강압 컨버터를 구동하는 컨트롤러와, 펌프모터를 포함하는 냉각액 순환시스템과, DC버스에 접속되고 펌프모터를 구동하는 인버터회로를 구비한다. 컨트롤러는, DC버스의 전압을 저하시키기 위한 모드를 가지고, 그 모드에 있어서, 스위치를 비접속상태로 한 후 인버터회로를 작동시켜서 펌프모터에 전력을 소비시킨다.

Description

작업기계{Working machine}
본 발명은, 작업기계에 관한 것이다.
종래부터, 구동기구의 일부를 전동화한 작업기계가 제안되어 있다. 이러한 작업기계는, 예컨대, 붐, 암, 및 버킷과 같은 가동(可動)부를 유압 구동하기 위한 유압펌프를 구비하고 있고, 이 유압펌프를 구동하기 위한 내연기관 발동기(엔진)에 교류전동기(전동발전기)를 연결하고, 그 엔진의 구동력을 보조함과 함께, 발전에 의하여 얻어지는 전력을 인버터를 통하여 DC버스(직류모선(母線))에 반환한다.
또한, 작업기계는, 예컨대 건설기계에 있어서의 상부선회체(旋回體)와 같은 작업요소를 구비하고 있는 경우가 많다. 이러한 경우, 상기 작업기계는, 작업요소를 구동하기 위한 유압모터에 더하여, 이 유압모터를 보조하기 위한 작업용 전동기를 구비하는 경우가 있다. 예컨대 상부선회체를 선회시킬 때, 가속 선회시에는 교류전동기에 의하여 유압모터의 구동을 보조하고, 감속 선회시에는 교류전동기에 있어서 회생(回生)운전을 행하여, 발전된 전력을 인버터를 통하여 상기 DC버스에 반환한다.
DC버스에는 컨버터를 통하여 축전지(배터리)가 접속되어 있고, 교류전동기의 발전에 의하여 얻어지는 전력은, 배터리에 충전된다. 혹은, DC버스에 접속된 교류전동기 상호간에 전력을 주고 받는다.
이러한 작업기계에 있어서는, 대형의 작업요소를 구동하기 위하여 DC버스의 전압은 예컨대 수백 볼트로 높게 설정되어 있는데, 메인터넌스를 행할 때에는, 작업자의 안전을 위하여 이 DC버스전압을 저하시켜 두는 것이 바람직하다. 예컨대, 특허문헌 1에 기재된 장치에서는, 서로 직렬로 접속된 저항 및 스위치를 DC버스의 플러스측 배선과 마이너스측 배선 사이에 접속시킴으로써, DC버스전압을 저항에 의하여 소비할 수 있도록 하고 있다.
일본 공개특허공보 2005-335695호
저항을 이용하여 DC버스전압을 소비시키는 방식에서는, DC버스전압의 소비를 필요에 따라 행하기 위하여, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 스위치를 저항과 직렬로 삽입할 필요가 있다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이 DC버스전압은 수백 볼트로 높아서, 이러한 용도로 사용되는 스위치에는, 릴레이 등의 기계적 스위치가 채용되는 경우가 많다. 기계적 스위치는 신뢰성이 낮고, 또한 수명도 짧다는 결점이 있어서, 작업기계 자체의 신뢰성에 영향을 미치게 된다.
본 발명의 과제는, 신뢰성의 저하가 억제된 구성으로 직류모선(DC버스)의 전압을 저하시킬 수 있는 작업기계를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 작업기계는, 조작자의 조작에 의하여 구동되는 작업용 전동기와, 제1 인버터회로를 통하여 작업용 전동기에 접속된 직류모선과, 직류전압 변환기 및 스위치를 통하여 직류모선에 접속된 축전지와, 제1 인버터회로, 직류전압 변환기, 및 스위치를 제어하는 제어부와, 제1 인버터회로, 직류전압 변환기, 및 제어부 중 적어도 하나를 냉각하기 위한 냉각용 팬 및/또는 냉각액 순환용 펌프를 구동하는 냉각용 전동기와, 냉각용 전동기와 직류모선 사이에 접속되고, 제어부에 의하여 제어되어 냉각용 전동기를 구동하는 냉각용 전동기 구동회로를 구비하고, 제어부는, 그 작업기계의 운전정지시에 직류모선의 전압을 저하시키기 위한 모선전압 저하모드를 가지고, 그 모선전압 저하모드에 있어서, 스위치를 비접속상태로 한 후 냉각용 전동기 구동회로를 작동시켜서 냉각용 전동기에 전력을 소비시킴으로써 직류모선의 전압을 저하시킨다.
제어부는, 모선전압 저하모드에 있어서, 직류모선의 전압이 소정치 이하가 되었을 경우에 냉각용 전동기 구동회로의 동작을 정지시켜도 좋다.
제어부는, 모선전압 저하모드 개시시에 직류모선의 전압이 축전지의 전압보다 높을 경우에는, 스위치를 비접속상태로 하기 전에, 직류전압 변환기를 구동하여 축전지를 충전시켜도 좋다.
제어부는, 그 작업기계가 운전을 정지할 때마다 모선전압 저하모드를 개시하거나, 또는, 제어부는, 그 작업기계가 운전을 정지하고 있는 상태에서, 작업자로부터의 입력이 있었을 경우에 모선전압 저하모드를 개시하여도 좋다.
작업기계는, 내연기관 발동기와, 내연기관 발동기를 냉각하는 제1 열교환기를 포함하는 제1 냉각액 순환시스템과, 제1 인버터회로 및 직류전압 변환기를 냉각하기 위하여 제1 냉각액 순환시스템과는 별도로 설치된, 제2 열교환기를 포함하는 제2 냉각액 순환시스템을 더욱 구비하여도 좋다.
작업기계는, 내연기관 발동기에 연결되고, 내연기관 발동기의 구동력에 의하여 발전을 행하는 전동발전기와, 전동발전기의 단자에 일단이 접속된 제2 인버터회로를 더욱 구비하고, 제2 냉각액 순환시스템이, 전동발전기 및 제2 인버터회로를 더 냉각하여도 좋다.
제2 냉각액 순환시스템에는 온도센서가 구비되고, 제어부가, 온도센서의 검출치에 근거하여, 전동발전기 및 작업용 전동기 중 적어도 일방의 출력을 제한하여도 좋다.
제2 냉각액 순환시스템이, 작업용 전동기를 더욱 냉각하여도 좋다.
제2 냉각액 순환시스템에 있어서, 냉각액이, 제2 열교환기로부터 송출된 후, 제1 인버터회로, 제2 인버터회로, 및 직류전압 변환기를 통과하고 나서 전동발전기 및 작업용 전동기를 통과하여도 좋다.
작업기계는, 전동발전기 및 작업용 전동기를 냉각하기 위하여 제1 및 제2 냉각액 순환시스템과는 별도로 설치된, 제3 열교환기를 포함하는 제3 냉각액 순환시스템을 더욱 구비하여도 좋다.
전동발전기는, 자신의 구동력에 의하여 내연기관 발동기의 구동력을 보조하여도 좋다.
직류전압 변환기가 리액터를 포함하여 구성되고, 제2 냉각액 순환시스템이 리액터를 냉각하여도 좋다.
작업기계는, 리액터의 온도를 검지하기 위한 온도센서를 더욱 구비하여도 좋다.
제2 냉각액 순환시스템이 냉각용 배관과 열전도 플레이트를 포함하고, 리액터가 열전도 플레이트 상에 배치되어도 좋다.
직류전압 변환기가, 축전지의 충방전을 제어하는 인텔리전트 파워모듈을 포함하고, 인텔리전트 파워모듈은 열전도 플레이트 상에 배치되어도 좋다.
직류전압 변환기가 밀폐된 케이스로 형성되고, 열전도 플레이트가 케이스의 일면에 배치되어도 좋다.
작업기계는, 인텔리전트 파워모듈을 포함하는 제1 인버터회로를 가지는 인버터유닛, 및 인텔리전트 파워모듈을 포함하는 직류전압 변환기를 가지는 승강압 컨버터유닛을 포함하는 복수의 드라이버유닛을 구비하고, 복수의 드라이버유닛은, 인텔리전트 파워모듈에 내장된 제1 온도센서와는 별도로, 인텔리전트 파워모듈의 온도를 검출하기 위한 제2 온도센서를 인텔리전트 파워모듈의 외부에 가지고, 제어부가, 제2 온도센서에 의한 온도검출 결과가, 제1 온도센서에 의하여 인텔리전트 파워모듈의 과열보호기능이 동작하는 온도보다 낮은 소정의 제1 임계치를 넘은 경우에, 그 드라이버유닛이 인버터유닛일 경우에는 작업용 전동기로의 최대 구동전류를 저하시키고, 또한 그 드라이버유닛이 승강압 컨버터유닛일 경우에는 축전지로부터의 최대 방전전류 및/또는 축전지로의 최대 충전전류를 저하시켜도 좋다.
제어부는, 제2 온도센서에 의한 온도검출 결과가, 제1 온도센서에 의하여 인텔리전트 파워모듈의 과열보호기능이 동작하는 온도보다 낮고 또한 제1 임계치보다 큰 제2 임계치를 넘었을 경우, 그 유닛이 인버터유닛일 경우에는 인버터회로의 동작을 정지시키고, 또한 그 유닛이 승강압 컨버터유닛일 경우에는 직류전압 변환기의 동작을 정지시켜도 좋다.
복수의 유닛이, 인텔리전트 파워모듈과 열(熱)적으로 결합된 방열면을 포함하는 열전도 플레이트를 가지고 있고, 제2 온도센서가 열전도 플레이트의 방열면 상에 배치되어도 좋다.
열전도 플레이트가 건설기계의 상하방향을 따라서 뻗어있도록 배치되어 있고, 제2 온도센서가, 열전도 플레이트의 방열면 내에 있어서 인텔리전트 파워모듈의 상측에 배치되어도 좋다.
복수의 드라이버유닛이, 제1 인버터회로 또는 직류전압 변환기를 수용하는 케이스체를 각각 가지고, 소정 방향으로 늘어서도록 배치됨과 함께, 서로 인접하는 드라이버유닛의 케이스체끼리가 체결구에 의하여 착탈 가능하게 고정되어도 좋다.
작업기계의 운전시에, 복수의 드라이버유닛의 내부가 밀폐공간이 되어도 좋다.
작업기계가, 제어부로서의 컨트롤유닛을 구비하고, 컨트롤유닛이, 복수의 드라이버유닛 상에 재치(載置: 올려놓음)되어 있고, 소정 방향과 교차하는 방향에 있어서의 복수의 드라이버유닛의 일단에 있어서 소정 방향을 따라서 형성된 지지축을 중심으로 회전운동 가능하게 장착되어도 좋다.
컨트롤유닛이 복수의 드라이버유닛에 대하여 지지축을 중심으로 열린 상태로 컨트롤유닛을 지지구(具)가 지지하여도 좋다.
복수의 드라이버유닛의 각 케이스체에 있어서의 컨트롤유닛과 대향하는 면이 개구되어 있어도 좋다.
작업기계는, 복수의 드라이버유닛이 재치(載置)되는 바닥판과, 복수의 드라이버유닛을 소정 방향의 양측으로부터 사이에 끼우는 측판을 가지는 대좌(臺座)를 더욱 구비하고, 복수의 드라이버유닛 중 양단에 위치하는 드라이버유닛의 케이스체와, 대좌의 측판이 체결구에 의하여 착탈 가능하게 고정되어도 좋다.
작업기계는, 제어부로서의 컨트롤유닛을 더욱 구비하고, 컨트롤유닛이, 밀폐구조를 가지는 케이스체와, 케이스체 내에 설치되고, 복수의 드라이버유닛의 인버터회로 및 직류전압 변환기를 제어하는 복수의 CPU와, 복수의 CPU와 열(熱)적으로 결합되고, 케이스체의 외부로부터 냉각액을 도입함으로써 복수의 CPU를 냉각하는 냉각용 배관을 가져도 좋다.
컨트롤유닛이 복수의 드라이버유닛 상에 재치되어 있고, 냉각용 배관이, 드라이버유닛과 CPU 사이에 배치되어도 좋다.
CPU와 냉각용 배관 사이에 설치되고, CPU 및 냉각용 배관과 열적으로 결합된 열전도 플레이트를 컨트롤유닛이 더욱 가져도 좋다.
작업기계가 복수의 드라이버유닛을 가지고 있고, CPU가, 케이스체 내에 있어서 복수의 드라이버유닛의 각각에 대응하여 복수 설치되어 있고, 복수의 CPU가 한 장의 기판 상에 실장(實裝)되어도 좋다.
냉각용 배관이, 제1 방향으로 각각 뻗어 있고 그 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 병설(竝設)된 복수의 배관부분이 그 일단측 및 타단측에 있어서 번갈아 연결된 형상을 가지고, 열전도 플레이트가, 제1 방향으로 뻗어 있고 제2 방향으로 늘어선 복수의 냉각영역을 포함하고, 그 복수의 냉각영역의 각각이, 복수의 배관부분 중 서로 이웃하는 2개의 배관부분과 열적으로 결합되어 있고, 복수의 CPU가, 하나의 CPU마다 하나의 냉각영역에 대하여 열적으로 결합되어도 좋다.
작업기계는, 탄성재료를 포함하고, CPU와 열전도 플레이트 사이에 배치된 열전도성 시트를 더욱 구비하여도 좋다.
작업기계는, 열교환기를 포함하는 냉각액 순환시스템을 더욱 구비하고, 냉각액 순환시스템의 냉각액 중 적어도 일부가, 열교환기로부터 송출된 후, 컨트롤유닛, 드라이버유닛, 교류전동기의 순으로 이들을 통과하여도 좋다.
작업기계는, 인버터유닛 및 승강압 컨버터유닛을 고정하기 위한 케이스체를 구비하고, 인버터유닛의 입력단 및 승강압 컨버터유닛의 입력단이, 부스바(bussbar)로 이루어지는 DC버스에 접속되어도 좋다.
인버터유닛 및 승강압 컨버터유닛은, 직육면체 형상의 외관을 가짐과 함께, 제1 방향으로 늘어서도록 고정되어 있고, 인버터유닛 및 승강압 컨버터유닛에 있어서의, 이웃하는 유닛에 인접하는 측판에 절결(cutout)부가 마련되어 있고, DC버스는, 제1 방향을 따라서 절결부에 설치되어도 좋다.
작업기계는, 인버터유닛 및 승강압 컨버터유닛 중 어느 하나로 이루어지는 드라이버유닛을 3개 이상 구비하고, 2개의 다른 드라이버유닛의 사이에 배치되는 하나의 유닛에 있어서, DC버스가, 하나의 유닛을 관통하여 설치되어도 좋다.
DC버스가, 플러스극 및 마이너스극으로 구성되어 있고, 플러스극 및 마이너스극 중 일방의 극은, 타방의 극을 덮도록 구성되어도 좋다.
DC버스가, 완전밀폐 형태의 공간에 배치되어도 좋다.
DC버스가, 각 유닛의 틀체와 비접촉상태이어도 좋다.
인버터유닛이 평활 콘덴서를 구비하고, DC버스가, 평활 콘덴서에 직결되어도 좋다.
바람직하게는, 작업기계가, 제1 인버터회로를 냉각하는 냉각장치와, 냉각장치에 있어서의 냉매의 온도를 검출하는 온도검출수단을 구비하고, 제1 인버터회로가, 그 제1 인버터회로의 온도가 소정의 운전정지온도 이상인 것을 검출하였을 경우에, 작업용 전동기를 구동하기 위한 전류의 공급을 정지하는 기구를 가지고, 제어부가, 온도검출수단으로부터 취득한 냉매의 온도가 소정의 출력억제온도보다 큰 경우에는, 냉매의 온도가 출력억제온도 이하인 경우와 비교하여, 작업용 전동기에 공급되는 전류의 상한치를 작게 하도록 제1 인버터회로를 제어하고, 출력억제온도가 운전정지온도보다 낮다.
제어부는, 작업용 전동기에 발생시키는 토크의 상한치를 제한함으로써, 작업용 전동기에 공급되는 전류의 상한치를 작게 하도록 제1 인버터회로를 제어하여도 좋다.
작업기계는, 내연기관에 접속된 전동발전기와, 전동발전기를 구동제어하는 제2 인버터회로를 더욱 구비하고, 냉각장치가, 제1 및 제2 인버터회로를 냉각하고, 제어부가, 제1 및 제2 인버터회로를 제어함과 함께, 온도검출수단으로부터 취득한 냉매의 온도가 소정의 출력억제온도보다 큰 경우에는, 냉매의 온도가 출력억제온도 이하인 경우와 비교하여, 작업용 전동기 및 전동발전기에 공급되는 전류의 상한치를 작게 하도록 제1 및 제2 인버터회로를 제어하여도 좋다.
본 발명에 의하면, 신뢰성의 저하가 억제된 구성으로 직류모선(DC버스)의 전압을 저하시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명에 관한 작업기계의 제1 실시형태로서, 하이브리드형 건설기계(1)의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 제1 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 도 2에 있어서의 축전수단(120)의 내부구성을 나타내는 도면이다.
도 4(a)는, 하이브리드형 건설기계(1)에 있어서의 제1 냉각액 순환시스템(160)에 대하여 설명하기 위한 블록도이다. 도 4(b)는, 하이브리드형 건설기계(1)에 있어서의 제2 냉각액 순환시스템(170)에 대하여 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는, 서보제어유닛(60)의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 6은, 각 냉각용 배관(62a~66a)을 접속한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 7(a)는, 컨트롤유닛(600)의 평면 단면도이다. 도 7(b)는, 도 7(a)의 I-I선을 따르는 측단면도이다. 도 7(c)는, 도 7(a)의 II-II선을 따르는 측단면도이다. 도 7(d)는, 도 7(a)의 III-III선을 따르는 측단면도이다.
도 8(a)는, 도 7(a)의 IV-IV선을 따르는 측단면도이다. 도 8(b)는, 컨트롤유닛(600)을 도 8(a)와 같은 방향에서 본 측면도이다.
도 9(a)는, 히트싱크(603) 및 냉각용 배관(608)을 나타내는 평면도이다. 도 9(b)는, 도 9(a)에 나타내는 V-V선을 따르는 측단면도이다.
도 10은, 히트싱크(603) 및 냉각용 배관(608)을 덮도록 배치된 컨트롤카드(604)를 나타내는 평면도이다.
도 11은, 도 10에 나타나는 VI-VI선을 따르는 단면의 일부를 나타내는 측단면도이다.
도 12(a)는, 승강압 컨버터유닛(66)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 도 12(b)는, 승강압 컨버터유닛(66)의 내부구성을 나타내는 측면도이다.
도 13(a)는, 인버터유닛(62)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 도 13(b)는, 인버터유닛(62)의 내부구성을 나타내는 측면도이다.
도 14는, IPM(103)의 내부구성을 나타내는 측단면도이다.
도 15는, 냉각액 순환시스템(170)에 의한 선회용 전동기(21)의 냉각방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 하이브리드형 건설기계(1)의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 17은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 DC버스(110)의 전압의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 18은, 컨트롤러(30)에 의한 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)에 대한 전류제한 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 19(a)는, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 구성하는 IPM의 온도의 시간변화의 일례, 및 도 19(b)는, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 흐르는 전류의 시간변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 20(a)는, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 구성하는 IPM의 온도의 시간변화의 일례, 및 도 20(b)는, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 흐르는 전류의 시간변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 21은, 상기 실시형태에 관한 냉각액 순환시스템의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 22는, 한 변형예에 관한 DC버스전압 저하모드에서의 하이브리드형 건설기계(1)의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 23은, 다른 변형예에 관한 DC버스전압 저하모드에서의 하이브리드형 건설기계(1)의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 24(a)는, 작업기계로서의 포크리프트(1A)의 외관을 나타내는 도면이다. 도 24(b)는, 포크리프트(1A)가 구비하는 전기계통의 개략 구성도이다.
도 25는, 작업기계로서의 불도저(1B)의 외관을 나타내는 도면이다.
도 26은, 불도저(1B)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다.
도 27은, 본 발명에 관한 작업기계의 제2 실시형태로서, 쇼벨(1001)의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 28은, 제2 실시형태의 쇼벨(1001)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다.
도 29는, 인버터(1018)의 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 30은, 냉각장치에 있어서의 냉각수의 배관의 일례를 나타내는 도면이다.
도 31은, 컨트롤러(1030)의 기능적 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 32는, 인버터 제어부(1030C)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 33은, 컨트롤러(1030)의 전체 제어부(1030D)에 있어서 실행되는 토크 리미트치(値)의 설정처리에 관한 플로우차트이다.
도 34(a)는, 운전조작에 의하여 시간에 대하여 변화하는 토크의 상태를 나타낸 그래프이다. 도 34(b)는, 선회체(1004)의 선회속도를 나타낸 그래프이다. 도 34(c)는, 선회용 전동기(1021)의 회전속도를 나타낸 그래프이다.
도 35는, DC버스전압 저하모드에 있어서의 쇼벨(1001)의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 36은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 DC버스의 전압의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 37은, 본 발명에 관한 작업기계의 제3 실시형태로서, 리프팅마그넷(lifting magnet) 차량(2001)의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 38은, 제3 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다.
도 39는, 도 38에 있어서의 축전수단(2120)의 내부구성을 나타내는 도면이다.
도 40은, 서보제어유닛(2060)의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 41은, 서보제어유닛(2060) 상측 단면도이다.
도 42는, 도 41에 나타내는 서보제어유닛(2060)의 VII-VII선을 따르는 단면도이다.
도 43(a)는, 인버터유닛(2065)의 일부 및 인버터유닛(2066)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 도 43(b)는, 인버터유닛(2065)의 내부구성을 나타내는 측면도이다.
도 44(a)는, 승강압 컨버터유닛(2062)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 도 44(b)는, 승강압 컨버터유닛(2062)의 내부구성을 나타내는 측면도이다.
도 45는, 서보제어유닛(2060)의 컨트롤유닛(2061)을 연 상태를 나타내는 사시도이다.
도 46은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 리프팅마그넷 차량(2001)의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 47은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 DC버스(2110)의 전압의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 48은, 제3 실시형태에 관한 하이브리드형 건설기계의 다른 일례로서, 휠 로더(2001B)의 외관을 나타내는 측면도이다.
도 49는, 휠 로더(2001B)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 의한 작업기계의 실시형태를 상세하게 설명한다. 다만, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
(제1 실시형태)
도 1은, 본 발명에 관한 작업기계의 일례로서, 하이브리드형 건설기계(1)의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 하이브리드형 건설기계(1)는 이른바 리프팅마그넷(lifting magnet) 차량이며, 무한궤도를 포함하는 주행기구(2)와, 주행기구(2)의 상부에 선회기구(3)를 통하여 회전운동 가능하게 탑재된 선회체(4)를 구비하고 있다. 선회체(4)에는, 붐(5)과, 붐(5)의 선단에 링크접속된 암(6)과, 암(6)의 선단에 링크접속된 리프팅마그넷(7)이 장착되어 있다. 리프팅마그넷(7)은, 강재 등의 매달린 하물(荷物)(G)을 자력에 의하여 흡착하여 포획하기 위한 설비이다. 붐(5), 암(6), 및 리프팅마그넷(7)은, 각각 붐 실린더(8), 암 실린더(9), 및 버킷 실린더(10)에 의하여 유압 구동된다. 또한, 선회체(4)에는, 리프팅마그넷(7)의 위치나 여자(勵磁)동작 및 석방(釋放)동작을 조작하는 조작자를 수용하기 위한 운전실(4a)이나, 유압을 발생시키기 위한 엔진(내연기관 발동기)(11)과 같은 동력원이 설치되어 있다. 엔진(11)은, 예컨대 디젤엔진으로 구성된다.
또한, 하이브리드형 건설기계(1)는 서보제어유닛(60)을 구비하고 있다. 서보제어유닛(60)은, 선회기구(3)나 리프팅마그넷(7) 등의 작업요소를 구동하기 위한 교류전동기나, 엔진(11)을 어시스트하기 위한 전동발전기, 그리고 축전장치(배터리, 커패시터 등)의 충방전을 제어한다. 서보제어유닛(60)은, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 교류전동기나 전동발전기를 구동하기 위한 인버터유닛, 배터리의 충방전을 제어하는 승강압 컨버터유닛과 같은 복수의 드라이버유닛과, 이 복수의 드라이버유닛을 제어하기 위한 컨트롤유닛을 구비하고 있다.
도 2는, 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다. 다만, 도 2에서는, 기계적으로 동력을 전달하는 계통을 이중선으로, 유압계통을 굵은 실선으로, 조종(操縱)계통을 파선으로, 전기계통을 가는 실선으로 각각 나타내고 있다. 또한, 도 3은, 도 2에 있어서의 축전수단(축전부)(120)의 내부구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 하이브리드형 건설기계(1)는 전동발전기(교류전동기)(12) 및 감속기(13)를 구비하고 있고, 엔진(11) 및 전동발전기(12)의 회전축은, 모두 감속기(13)의 입력축에 접속됨으로써 서로 연결되어 있다. 엔진(11)의 부하가 클 때에는, 전동발전기(12)가 이 엔진(11)을 작업요소로서 구동함으로써 엔진(11)의 구동력을 보조(어시스트)하고, 전동발전기(12)의 구동력이 감속기(13)의 출력축을 거쳐서 메인펌프(14)에 전달된다. 한편, 엔진(11)의 부하가 작을 때에는, 엔진(11)의 구동력이 감속기(13)를 거쳐서 전동발전기(12)에 전달됨으로써, 전동발전기(12)가 발전을 행한다. 전동발전기(12)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM(Interior Permanent Magnetic) 모터에 의하여 구성된다. 전동발전기(12)의 구동과 발전의 전환은, 하이브리드형 건설기계(1)에 있어서의 전기계통의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 의하여, 엔진(11)의 부하 등에 따라서 행하여진다.
감속기(13)의 출력축에는 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있고, 메인펌프(14)에는 고압 유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 컨트롤밸브(17)는, 하이브리드형 건설기계(1)에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 장치이다. 컨트롤밸브(17)에는, 도 1에 나타낸 주행기구(2)를 구동하기 위한 유압모터(2a 및 2b) 외에, 붐 실린더(8), 암 실린더(9), 및 버킷 실린더(10)가 고압 유압라인을 통하여 접속되어 있고, 컨트롤밸브(17)는, 이들에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라서 제어한다. 여기서, 감속기(13)는, 엔진의 회전을 증속하여 전동발전기(12)에 전달하고, 전동발전기(12)의 회전을 감속하여 엔진의 회전을 어시스트한다.
전동발전기(12)의 전기적인 단자에는, 인버터회로(18A)의 출력단이 접속되어 있다. 인버터회로(18A)는, 본 실시형태에 있어서의 제2 인버터회로이다. 인버터회로(18A)의 입력단에는, 축전수단(120)이 접속되어 있다. 축전수단(120)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 직류모선인 DC버스(110), 승강압 컨버터(직류전압 변환기)(100) 및 배터리(19)를 구비하고 있다. 즉, 인버터회로(18A)의 입력단은, DC버스(110)를 통하여 승강압 컨버터(100)의 입력단에 접속되게 된다. 승강압 컨버터(100)의 출력단에는, 축전지로서의 배터리(19)가 접속되어 있다. 배터리(19)는, 예컨대 커패시터형 축전지에 의하여 구성된다.
인버터회로(18A)는, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(12)의 운전제어를 행한다. 즉, 인버터회로(18A)가 전동발전기(12)를 역행(力行)운전시킬 때에는, 필요한 전력을 배터리(19)와 승강압 컨버터(100)로부터 DC버스(110)를 통하여 전동발전기(12)에 공급한다. 또한, 전동발전기(12)를 회생(回生)운전시킬 때에는, 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력을 DC버스(110) 및 승강압 컨버터(100)를 통하여 배터리(19)에 충전한다. 다만, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압치, 배터리 전압치, 및 배터리 전류치에 근거하여, 컨트롤러(30)에 의하여 행하여진다. 이로써, DC버스(110)를, 미리 정하여진 일정전압치로 축전된 상태로 유지할 수 있다.
축전수단(120)의 DC버스(110)에는, 인버터회로(20B)를 통하여 리프팅마그넷(7)이 접속되어 있다. 리프팅마그넷(7)은, 금속물을 자기적으로 흡착시키기 위한 자력을 발생하는 전자석을 포함하고 있고, 인버터회로(20B)를 통하여 DC버스(110)로부터 전력이 공급된다. 인버터회로(20B)는, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 전자석을 온으로 할 때에는, 요구된 전력을 DC버스(110)로부터 리프팅마그넷(7)에 공급한다. 또한, 전자석을 오프로 하는 경우에는, 회생된 전력을 DC버스(110)에 공급한다.
또한, 축전수단(120)에는, 인버터회로(20A)가 접속되어 있다. 인버터회로(20A)의 일단에는 작업용 전동기로서의 선회용 전동기(교류전동기)(21)가 접속되어 있고, 인버터회로(20A)의 타단은 축전수단(120)의 DC버스(110)에 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)는, 선회체(4)를 선회시키는 선회기구(3)의 동력원이다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23), 및 선회감속기(24)가 접속된다. 다만, 인버터회로(20A)는, 본 실시형태에 있어서의 제1 인버터회로이다.
선회용 전동기(21)가 역행(力行)운전을 행할 때에는, 선회용 전동기(21)의 회전 구동력의 회전력이 선회감속기(24)에서 증폭되고, 선회체(4)가 가감속 제어되어 회전운동을 행한다. 또한, 선회체(4)의 관성회전에 의하여, 선회감속기(24)에서 회전수가 증가되어 선회용 전동기(21)에 전달되어, 회생(回生)전력을 발생시킨다. 선회용 전동기(21)는, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라서 인버터회로(20A)에 의하여 교류 구동된다. 선회용 전동기(21)로서는, 예컨대, 자석 내장형의 IPM 모터가 적합하다.
리졸버(22)는, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전위치 및 회전각도를 검출하는 센서로서, 선회용 전동기(21)와 기계적으로 연결함으로써 회전축(21A)의 회전각도 및 회전방향을 검출한다. 리졸버(22)가 회전축(21A)의 회전각도를 검출함으로써, 선회기구(3)의 회전각도 및 회전방향이 도출된다. 메카니컬 브레이크(23)는, 기계적인 제동력을 발생시키는 제동장치로서, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 의하여, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)을 기계적으로 정지시킨다. 선회감속기(24)는, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전속도를 감속하여 선회기구(3)에 기계적으로 전달하는 감속기이다.
다만, DC버스(110)에는, 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 통하여, 전동발전기(12), 선회용 전동기(21), 및 리프팅마그넷(7)이 접속되어 있으므로, 전동발전기(12)에서 발전된 전력이 리프팅마그넷(7) 또는 선회용 전동기(21)에 직접적으로 공급되는 경우도 있고, 리프팅마그넷(7)에서 회생된 전력이 전동발전기(12) 또는 선회용 전동기(21)에 공급되는 경우도 있으며, 또한, 선회용 전동기(21)에서 회생된 전력이 전동발전기(12) 또는 리프팅마그넷(7)에 공급되는 경우도 있다.
인버터회로(18A, 20A 및 20B)는 대(大)전력을 제어하므로, 발열량이 매우 커진다. 또한, 승강압 컨버터(100)에 포함되는 리액터(101)(도 3을 참조)에 있어서도 발열량이 매우 많아진다. 따라서, 인버터회로(18A, 20A 및 20B), 및 승강압 컨버터(100)를 냉각할 필요가 생긴다. 그래서, 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)는, 엔진(11)용의 냉각액 순환시스템과는 별도로, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템을 구비하고 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 하이브리드형 건설기계(1)는, 서로 독립한 내연기관 발동기용의 제1 냉각액 순환시스템(160)과 전기계용의 제2 냉각액 순환시스템(170)을 구비하고 있다. 제1 냉각액 순환시스템(160)은, 펌프모터(161)에 의하여 구동되어, 엔진(11)을 냉각한다. 제2 냉각액 순환시스템(170)은, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B) 등에 공급되는 냉각액을 순환시키기 위한 펌프(냉각액 순환용 펌프)(172)와, 이 펌프(172)를 구동하는 펌프모터(냉각용 전동기)(171)를 가지고 있다. 펌프모터(171)는, 인버터회로(20C)를 통하여 축전수단(120)에 접속되어 있다. 인버터회로(20C)는, 본 실시형태에 있어서의 냉각용 전동기 구동회로이며, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 승강압 컨버터(100)를 냉각할 때에 펌프모터(171)에 요구된 전력을 공급한다. 본 실시형태의 냉각액 순환시스템(170)은, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A, 및 20B), 및 컨트롤러(30)를 냉각한다. 이에 더하여, 냉각액 순환시스템(170)은, 전동발전기(12), 감속기(13), 및 선회용 전동기(21)를 냉각한다.
파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속되어 있다. 조작장치(26)는, 선회용 전동기(21), 주행기구(2), 붐(5), 암(6), 및 리프팅마그넷(7)을 조작하기 위한 조작장치이며, 조작자에 의하여 조작된다. 조작장치(26)에는, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되고, 또한, 유압라인(28)을 통하여 압력센서(29)가 접속된다. 조작장치(26)는, 파일럿라인(25)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 조작자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압은, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)에 공급됨과 함께, 압력센서(29)에 의하여 검출된다. 컨트롤밸브(17) 내의 전자(電磁)밸브나 전환밸브가 전환됨으로써, 붐 실린더(8), 암 실린더(9) 등에 보내지는 작동유가 제어된다. 여기에서는, 작업용 전동기로서의 선회용 전동기(21)를 들고 있지만, 또한, 주행기구(2)를 작업용 전동기로 하여 전기로 구동시켜도 된다. 또한 포크리프트에 본원발명을 적용하는 경우에는, 리프팅 장치를 작업용 전동기로 하여 전기로 구동시켜도 된다.
압력센서(29)는, 조작장치(26)에 대하여 선회기구(3)를 선회시키기 위한 조작이 입력되면, 그 조작량을 유압라인(28) 내의 유압의 변화로서 검출한다. 압력센서(29)는, 유압라인(28) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는, 컨트롤러(30)에 입력되어, 선회용 전동기(21)의 구동제어에 이용된다.
컨트롤러(30)는, 본 실시형태에 있어서의 제어부를 구성한다. 컨트롤러(30)는, 중앙연산처리장치(CPU: Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치에 의하여 구성되고, 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 CPU가 실행함으로써 실현된다. 또한, 컨트롤러(30)의 전원은, 배터리(19)와는 별도의 배터리(예컨대 24V 차재(車載) 배터리)이다. 컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 입력되는 신호 중, 선회기구(3)를 선회시키기 위한 조작량을 나타내는 신호를 속도지령으로 변환하고, 이 속도지령에 근거하여 인버터회로(20A)를 구동함으로써 선회용 전동기(21)의 제어를 행한다. 또한, 컨트롤러(30)는, 인버터회로(18A)를 구동함으로써 전동발전기(12)의 운전제어(어시스트 운전 및 발전 운전의 전환)를 행하고, 인버터회로(20B)를 구동함으로써 리프팅마그넷(7)의 구동제어(여자와 소자의 전환)를 행하며, 승강압 컨버터(100)를 구동제어함으로써 배터리(19)의 충방전제어를 행한다.
또한, 본 실시형태의 컨트롤러(30)는, 하이브리드형 건설기계(1)의 메인터넌스 등을 실시할 때에 DC버스(110)의 전압을 저하시키기 (구체적으로는, DC버스(110)에 접속된 평활용 콘덴서 등에 축적된 전하를 소비시키기) 위한 DC버스전압 저하모드(모선전압 저하모드)를 가지고 있다. 컨트롤러(30)는, 이 DC버스전압 저하모드에 있어서, 인버터회로(18A, 20A 및 20B), 및 승강압 컨버터(100)를 모두 정지시키고, 승강압 컨버터(100)와 배터리(19) 사이에 설치된 스위치(후술)를 비접속상태로 한 후, 인버터회로(20C)를 구동하여 펌프모터(171)로 전력을 소비시킴으로써 DC버스(110)의 전압을 저하시킨다. DC버스전압 저하모드는, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 정지되었을 때(구체적으로는, 조작자의 키(40)의 조작에 의하여 엔진(11)이 정지하려고 할 때), 혹은, 운전실(4a)(도 1 참조) 내의 조작패널을 통하여 작업자에 의하여 DC버스전압 저하모드의 개시에 관한 입력이 이루어졌을 때에 개시된다.
또한, 본 실시형태의 컨트롤러(30)는, 인버터회로(18A, 20A 및 20B), 및 승강압 컨버터(100)를 구동할 때에, 이들 회로에 포함되는 IPM의 온도에 따라서, 그 회로를 흐르는 전류의 제한을 행한다. 즉, IPM의 온도가 제1 임계치(T1) 이하인 경우에는, 통상(通常)동작에 지장이 없을 정도의 최대전류치를 설정하고, 이 최대전류치를 넘지 않도록 그 회로(인버터회로(18A, 20A 및 20B), 및 승강압 컨버터(100) 중 어느 하나)를 구동한다. 그리고, IPM의 온도가 제1 임계치(T1)를 넘은 경우(온도이상(異常)시), 그 회로의 최대전류치를 상기 서술한 통상시의 최대전류치보다 작게 설정하고, 이 온도이상(異常)시의 최대전류치를 넘지 않도록 그 회로를 구동한다. 다만, 컨트롤러(30)는, 이러한 온도이상(異常)을 거쳐서 IPM의 온도가 제1 임계치(T1)보다 낮은 제3 임계치(T3)(<T1)) 이하가 되었을 경우에는, 그 회로의 최대전류치를 통상동작에 지장이 없을 정도의 최대전류치로 되돌린다. 이와 같이, 통상동작으로 되돌릴 때의 온도(T3)를 온도이상(異常)으로 판정하는 온도(T1)보다 작게 설정하는 것은, 이상(異常)판정에 히스테리시스를 갖게 하여 안정된 제어를 행하기 위함이다.
또한, 컨트롤러(30)는, IPM의 온도가 제1 임계치(T1)보다 높은 제2 임계치(T2(>T1))를 넘은 경우에는, 그 IPM를 포함하는 회로(인버터회로(18A, 20A 및 20B), 및 승강압 컨버터(100) 중 어느 하나)의 동작을 정지시킨다. 다만, 이 제2 임계치(T2)는, IPM에 내장된 과열보호기능이 동작하는 온도보다 낮게 설정된다.
여기서, 본 실시형태에 있어서의 승강압 컨버터(100)에 대하여 상세하게 설명한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 승강압 컨버터(100)는, 승강압형의 스위칭제어방식을 구비하고 있고, 리액터(101), 트랜지스터(100B 및 100C)를 가진다. 트랜지스터(100B)는 승압용의 스위칭소자이고, 트랜지스터(100C)는 강압용의 스위칭소자이다. 트랜지스터(100B 및 100C)는, 예컨대 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에 의하여 구성되고, 서로 직렬로 접속되어 있다.
구체적으로는, 트랜지스터(100B)의 컬렉터와 트랜지스터(100C)의 이미터가 서로 접속되고, 트랜지스터(100B)의 이미터는 스위치(100F)를 통하여 배터리(19)의 마이너스측 단자 및 DC버스(110)의 마이너스측 배선에 접속되며, 트랜지스터(100C)의 컬렉터는 DC버스(110)의 플러스측 배선에 접속되어 있다. 그리고, 리액터(101)는, 그 일단이 트랜지스터(100B)의 컬렉터 및 트랜지스터(100C)의 이미터에 접속됨과 함께, 타단이 스위치(100E)를 통하여 배터리(19)의 플러스측 단자에 접속되어 있다. 트랜지스터(100B 및 100C)의 게이트에는, 컨트롤러(30)로부터 PWM 전압이 인가된다. 스위치(100E 및 100F)는, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 의하여 그 접속상태가 제어된다.
다만, 트랜지스터(100B)의 컬렉터와 이미터 사이에는, 정류소자인 다이오드(100b)가 역방향으로 병렬접속되어 있다. 마찬가지로, 트랜지스터(100C)의 컬렉터와 이미터 사이에는, 다이오드(100c)가 역방향으로 병렬접속되어 있다. 트랜지스터(100C)의 컬렉터와 트랜지스터(100B)의 이미터 사이(즉, DC버스(110)의 플러스측 배선과 마이너스측 배선 사이)에는, 평활용 콘덴서(110a)가 접속되고, 이 콘덴서(110a)는, 승강압 컨버터(100)로부터의 출력전압, 전동발전기(12)로부터의 발전 전압이나 선회용 전동기(21)로부터의 회생 전압을 평활화한다. DC버스(110)의 플러스측 배선과 마이너스측 배선 사이에는, DC버스(110)의 전압을 검출하기 위한 전압센서(110b)가 설치되어 있다. 전압센서(110b)에 의한 전압검출 결과는, 컨트롤러(30)에 제공된다.
이러한 구성을 구비하는 승강압 컨버터(100)에 있어서, 직류전력을 배터리(19)로부터 DC버스(110)에 공급할 때에는, 스위치(100E, 100F)가 접속된 상태에서, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 의하여 트랜지스터(100B)의 게이트에 PWM 전압이 인가된다. 그리고, 트랜지스터(100B)의 온/오프에 따라서 리액터(101)에 발생하는 유도기전력이 다이오드(100c)를 통하여 전달되고, 이 전력이 콘덴서(110a)에 의하여 평활화된다. 또한, 직류전력을 DC버스(110)로부터 배터리(19)에 공급할 때에는, 스위치(100E, 100F)가 접속된 상태에서, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 의하여 트랜지스터(100C)의 게이트에 PWM 전압이 인가됨과 함께, 트랜지스터(100C)로부터 출력되는 전류가 리액터(101)에 의하여 평활화된다.
도 4는, 하이브리드형 건설기계(1)에 있어서의 냉각액 순환시스템에 대하여 설명하기 위한 블록도이다. 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 제1 냉각액 순환시스템(160)은, 상기 서술한 펌프모터(161)에 의하여 구동되는 펌프(162)와 라디에이터(163)를 구비하고 있고, 펌프(162)에 의하여 순환된 냉각액이 라디에이터(163)에 의하여 방열되어, 엔진(11)의 냉각배관에 공급된다. 다만, 라디에이터(163)는 본 발명에 있어서의 제1 열교환기의 일례이다.
또한, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 제2 냉각액 순환시스템(170)은, 상기 서술한 펌프모터(171)에 의하여 구동되는 펌프(172)와, 라디에이터(173)와, 서보제어유닛(60)을 구비하고 있다. 펌프(172)에 의하여 순환된 냉각액은 라디에이터(173)에 의하여 방열되어, 서보제어유닛(60)에 보내진다. 서보제어유닛(60)은, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A, 20B), 및 컨트롤러(30)를 각각 구성하는 복수의 모듈을 수용함과 함께, 이들 모듈을 냉각하기 위한 배관을 가지는 구조체이다. 서보제어유닛(60)의 배관을 통과한 냉각액은, 선회용 전동기(21), 전동발전기(12), 및 감속기(13)를 이 순으로 냉각한 후, 펌프(172)로부터 라디에이터(173)로 되돌려진다. 다만, 라디에이터(173)는 본 발명에 있어서의 제2 열교환기의 일례이다. 또한, 서보제어유닛(60)의 입구에는, 냉각액의 온도를 검출하기 위한 온도센서(177)가 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 검출한 온도를 표시하는 표시장치를 구비하면 더욱 좋다. 이로써, 라디에이터(173)가 막혀서 냉각성능이 저하되었을 경우에는, 검출치에 근거하여 컨트롤유닛(600)(후술) 내의 제어장치가, 선회용 전동기(21), 혹은, 전동발전기(12)의 적어도 일방의 출력을 제한할 수 있다. 그 결과, 연속적인 운전을 가능하게 할 수 있어서, 하이브리드형 건설기계를 정지하지 않고 계속적인 작업이 가능하여진다.
다음으로, 도 5를 이용하여 서보제어유닛(60)에 대하여 설명한다. 도 5는, 서보제어유닛(60)의 외관을 나타내는 사시도이다. 서보제어유닛(60)은, 전동발전기(12), 선회용 전동기(21) 및 배터리(19)를 제어하는 장치이다. 서보제어유닛(60)은, 대략 직육면체 형상의 외관을 가지고 있고, 컨트롤러(30)를 수용하는 컨트롤유닛(600)과, 승강압 컨버터유닛(66)과, 인버터유닛(62~65)을 구비하고 있다. 승강압 컨버터유닛(66) 및 인버터유닛(62~65)은, 본 실시형태에 있어서의 복수의 드라이버유닛을 구성하고 있다. 승강압 컨버터유닛(66)은 승강압 컨버터(100)를 수용하고 있고, 인버터유닛(62~65)은 예컨대 인버터회로(18A, 20A, 20B) 및 기타 인버터회로를 수용하고 있다.
승강압 컨버터유닛(66) 및 인버터유닛(62~65)은, 각각 깊이방향으로 긴 직육면체 형상의 금속용기를 가진다. 이들 유닛(62~66)은, 그 장변(長邊)방향과 교차하는 방향으로 늘어선 상태로, 금속으로 만든 상면이 열린 판 형상 대좌(臺座)(67) 내에 설치되고, 볼트에 의하여 판 형상 대좌(67)에 각각 고정되어 있다. 그리고, 이들 유닛(62~66) 위에, 유닛(62~66)의 상면을 덮도록 윗덮개로서의 컨트롤유닛 바닥판(61)이 설치되어 있고, 컨트롤유닛 바닥판(61) 위에 컨트롤유닛(600)이 재치(載置)되어 있다. 또한 컨트롤유닛(600)의 상면에는 공냉을 위한 히트싱크(68)가 장착되어 있다. 유닛(62~66)의 상면측은, 컨트롤유닛 바닥판(61)에 의하여 밀폐되어 있다.
컨트롤유닛(600)은, 승강압 컨버터유닛(66) 및 인버터유닛(62~65)을 제어하기 위한 컨트롤러를 수용하고 있다. 컨트롤러는, CPU 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치나 전자회로를 가지고 있고, 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 CPU가 실행함으로써 실현된다.
또한, 컨트롤유닛(600)에는 냉각용 배관(608)이 내장되어 있다. 마찬가지로, 승강압 컨버터유닛(66)에는 냉각용 배관(66a)이, 인버터유닛(62~65)에는 냉각용 배관(62a~65a)이, 각각 내장되어 있다.
도 6은, 각 냉각용 배관(62a~66a)을 접속한 상태를 나타내는 사시도이다. 라디에이터(173)(도 4 참조)로부터 연장되어 설치된 배관(90A)은, 3개의 배관(90B~90D)으로 분기된다. 이들 배관 중, 배관(90B)은 컨트롤유닛(600)의 냉각용 배관(608)의 일단에 연결되고, 냉각용 배관(608)의 타단은, 또 다른 배관(90E)을 통하여 인버터유닛(62)의 냉각용 배관(62a)의 일단에 연결된다. 또한, 배관(90C)은 승강압 컨버터유닛(66)의 냉각용 배관(66a)의 일단에 연결되고, 냉각용 배관(66a)의 타단은, 배관(90F)을 통하여 인버터유닛(64)의 냉각용 배관(64a)의 일단에 연결된다. 또한, 배관(90D)은 인버터유닛(65)의 냉각용 배관(65a)의 일단에 연결되고, 냉각용 배관(65a)의 타단은, 배관(90G)을 통하여 인버터유닛(63)의 냉각용 배관(63a)의 일단에 연결된다.
그리고, 인버터유닛(62~64)의 냉각용 배관(62a~64a)의 타단에는, 각각 배관(90J, 90I 및 90H)이 연결된다. 배관(90J, 90I 및 90H)은 하나의 배관(90K)에 연결되고, 배관(90K)이 예컨대 선회용 전동기(21) 등의 다른 피(被)냉각요소에 연장되어 설치된다.
다음으로, 컨트롤유닛(600)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 도 7(a)는 컨트롤유닛(600)의 평면 단면도이고, 도 7(b)는 도 7(a)의 I-I선을 따르는 측단면도이며, 도 7(c)는 도 7(a)의 II-II선을 따르는 측단면도이고, 도 7(d)는 도 7(a)의 III-III선을 따르는 측단면도이다. 또한, 도 8(a)는 도 7(a)의 IV-IV선을 따르는 측단면도이고, 도 8(b)는 컨트롤유닛(600)을 도 8(a)와 동일 방향으로부터 본 측면도이다.
컨트롤유닛(600)은, 케이스체 용기(601a) 및 케이스체 커버(601b)로 이루어지는 케이스체(601)를 가지고, 컨트롤러의 전자회로 등이, 이 케이스체(601) 내에 수용되어 있다.
컨트롤유닛(600)의 케이스체(601)는, 직육면체 형상의 외관을 가짐과 함께, 복수의 드라이버유닛인 승강압 컨버터유닛(66) 및 인버터유닛(62~65) 위에 설치되어 있다. 또한, 케이스체(601)는, 대략 직사각형의 평면 형상을 가지는 바닥면 상에, 대략 직육면체 형상의 내부공간을 가진다. 이 내부공간은 외기와 차단되어 있고, 컨트롤유닛(600)의 케이스체(601)는, 밀폐구조로 되어 있다. 다만, 유닛(62~66)이 배열된 방향은, 컨트롤유닛(600)의 단변(短邊)방향과 일치하고 있고, 이 방향은, 도 7(a)의 지면(紙面) 상하방향에 상당한다. 또한, 복수의 유닛(62~66)이 배열된 방향과 직교하는 방향은, 컨트롤유닛(600)의 장변방향과 일치하고 있고, 이 방향은, 도 7(a)의 지면 좌우방향에 상당한다.
케이스체(601) 내의 바닥면 상에는, 직사각형의 평면 형상을 가지는 카드 플레이트(602)가 설치되어 있다. 카드 플레이트(602)는, 카드 플레이트(602)의 장변방향 및 단변방향을 각각 컨트롤유닛(600)의 장변방향 및 단변방향과 일치시켜서 배치되어 있다. 카드 플레이트(602)에는, 대략 직사각형의 평면 형상의 개구(開口)가 형성되어 있다.
카드 플레이트(602)의 개구 내에는, 이 개구와 대략 같은 형상의 평면 형상을 가짐과 함께 대략 직육면체 형상의 외관을 가지는 히트싱크(열전도 플레이트)(603)가 케이스체(601) 내의 바닥면 상에 설치되어 있다. 히트싱크(603)는, 케이스체(601) 내에 설치되는 전자부품을 냉각하기 위한 것으로서, 냉각용 배관(608)이, 히트싱크(603)에 대하여 열(熱)적으로 결합하여(예컨대 접촉하여) 설치되어 있다. 히트싱크(603)는, 냉각용 배관(608)을 순환하는 냉각액에 의하여 냉각된다. 이 냉각액은, 예컨대 물이다.
히트싱크(603) 상에는, 대략 직사각형의 평면 형상을 가지는 기판으로서의 컨트롤카드(604)가 설치되어 있다. 컨트롤카드(604)는, 다양한 전자부품이 실장되는 기판으로서, 그 이면이 히트싱크(603)와 대향하도록 배치되어 있다. 컨트롤카드(604)의 이면 상에는, 전자부품의 일종으로서 복수의 CPU(605a~605e)가 실장되어 있다. 복수의 CPU(605a~605e)는, 복수의 유닛(62~66)의 각각과 1:1로 대응하고 있고, 유닛(62~66) 중 각각 대응하는 유닛의 인버터회로 및 컨버터회로에 포함되는 트랜지스터의 온/오프를 제어한다. 또한, 복수의 CPU(605a~605e)는, 히트싱크(603)와 열적으로 결합되어 있다. 즉, 히트싱크(603)는, 복수의 CPU(605a~605e)와 냉각용 배관(608) 사이에 배치된다.
또한, 컨트롤카드(604)의 표면 상에는, 전자부품의 일종으로서 복수의 전계효과 트랜지스터(FET)(620)가 실장되어 있다. 복수의 FET(620)는, 붐(5) 및 암(6) 등의 동작을 제어하기 위하여, 컨트롤밸브(17)의 전자밸브에 전환신호를 보낸다. 복수의 FET(620)는, 컨트롤유닛(600) 내부의 배선을 고려하여, 커넥터(607)의 근방에 배치되어 있다. 각 FET(620)의 배면에는 알루미늄으로 만든 전열(傳熱)플레이트(621)가 접촉되어 있고, 전열플레이트(621)의 단부는, 케이스체 용기(601a)의 내측면에 나사 고정되어 있다.
카드 플레이트(602) 상에는, 복수의 냉각용 팬(606a)이 컨트롤유닛(600)의 단변방향으로 배열되어 있다. 복수의 냉각용 팬(606a)은, CPU(605a~605e)에서 발생한 열에 의하여 가열된 공기를 교반하여 케이스체 내의 온도구배를 해소하기 위하여 CPU(605a~605e)의 각각에 대응하여 설치되어 있고, CPU(605a~605e)의 각각을 향하는 기류를 발생시킨다.
케이스체(601) 내의 바닥면 상에는, 카드 플레이트(602)와 나란히, 직사각형의 평면 형상을 가지는 카드 플레이트(613)가 더욱 설치되어 있다. 이 카드 플레이트(613) 상에는 전원카드(609)가 설치되어 있다. 전원카드(609) 상에는, 2개의 전원 IC(전원유닛)(610)가 설치되어 있다. 각 전원 IC(610)에는, 전원 IC를 공냉하기 위한 히트싱크(611)가 설치되어 있다. 또한, 케이스체(601)의 내측면에 접하여 열전도 플레이트(614)가 설치되어 있고, 전원 IC(610) 및 히트싱크(611)는, 열전도 플레이트(614)와 면접촉하고 있다. 이로 인하여, 전원 IC(610)에서 발생한 열의 일부를 방열하는 것이 가능하여진다. 또한, 카드 플레이트(613) 상에는, 2개의 냉각용 팬(606b)이 설치되어 있다. 이들 냉각용 팬(606b)은, 전원 IC(610)에서 발생한 열에 의하여 가열된 공기를 교반하여 케이스체 내의 온도구배를 해소하기 위하여 설치되어 있고, 전원 IC(610)를 향하는 기류를 발생시킨다.
컨트롤카드(604)에 실장된 전자부품의 입출력부는 커넥터(607)에 접속되어 있고, 예컨대 유닛(62~66)을 동작시키기 위한 명령신호나 전자부품으로부터의 출력신호 등은 커넥터(607)를 통하여 입출력된다. 커넥터(607)는, 예컨대 서보제어유닛(60)을 제어하기 위한 제어부(도시하지 않음)와 배선 접속된다.
커넥터(607)는, 케이스체(601)의 측면에 있어서의 오목 형상의 홈 부분에 설치되어 있고, 이 홈 부분은, 패킹(616)에 의하여 덮여 있다. 패킹(616)은, 케이스체 커버(601b)를 통하여 패킹 가압부재(617)에 의하여 덮여 있다. 패킹(616)에 의하여, 커넥터(607)의 방수 및 방진(防塵)이 실현된다.
여기서, 컨트롤유닛(600)에 있어서의 수냉구조에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 9 내지 도 11은, 냉각구조에 대하여 나타내는 도면이다. 도 9(a)는 히트싱크(603) 및 냉각용 배관(608)을 나타내는 평면도이고, 도 9(b)는 도 9(a)에 나타나는 V-V선을 따르는 측단면도이다. 또한, 도 10은, 히트싱크(603) 및 냉각용 배관(608)을 덮도록 배치된 컨트롤카드(604)를 나타내는 평면도이다. 또한, 도 11은, 도 10에 나타나는 VI-VI선을 따르는 단면의 일부를 나타내는 측단면도이다.
도 9(a) 및 도 9(b)에 나타난 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 냉각용 배관(608)은 헤어핀 파이프 형상으로 성형되어 있고, 히트싱크(603)의 이면 측에 접합되어 고정되어 있다. 보다 상세하게는, 냉각용 배관(608)은, 복수의 배관부분(608a)을 포함하여 구성되어 있다. 이들 복수의 배관부분(608a)은, 히트싱크(603)의 단변방향(본 실시형태에 있어서의 제1 방향)으로 각각 뻗어 있고, 또한 그 방향과 교차하는 히트싱크(603)의 장변방향(본 실시형태에 있어서의 제2 방향)으로 소정의 간격을 두고 나란히 설치(병설)되어 있다. 그리고, 복수의 배관부분(608a)은, 그 일단측 및 타단측이 U자 형상 배관부분(608b)에 의하여 번갈아 연결됨으로써, 전체적으로 단일의 배관을 구성하고 있다.
히트싱크(603)는, 히트싱크(603)의 단변방향(제1 방향)으로 뻗어 있고 히트싱크(603)의 장변방향(제2 방향)으로 늘어서는 복수의 직사각 형상의 냉각영역(603a~603e)을 포함하고 있다. 복수의 냉각영역(603a~603e)의 각각은, 복수의 배관부분(608a) 중 서로 이웃하는 2개의 배관부분(608a)과 열적으로 결합되어 있다. 바꾸어 말하면, 복수의 냉각영역(603a~603e)은, 윗쪽에서 보아 각각이 2개의 배관부분(608a)을 포함하도록 획정(구획 결정)되어 있다.
또한, 도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 서술한 바와 같이, 컨트롤카드(604)의 이면 상에는 복수의 CPU(605a~605e)가 실장되고, 표면 상에는 전자(電磁)밸브나 전환밸브 등으로의 전기신호를 생성하는 전기접점(618) 등의 전기부품이 복수 배치되어 있다. 그리고, 복수의 CPU(605a~605e)는, 컨트롤카드(604)에 형성된 패턴배선에 의하여 접속되어, 통신을 행하고 있다. 이들 CPU(605a~605e)는 히트싱크(603)의 장변방향(제2 방향)으로 늘어서도록 배치되어 있고, 각각 히트싱크(603)의 냉각영역(603a~603e) 상에 배치되어 있다. 그리고, CPU(605a)는 열전도성 시트(612)를 통하여 히트싱크(603)의 냉각영역(603a)과 열적으로 결합되어 있고, CPU(605b)는 열전도성 시트(612)를 통하여 냉각영역(603b)과 열적으로 결합되어 있다(도 11 참조). CPU(605c~605e)도 마찬가지로, 열전도성 시트를 통하여 냉각영역(603c~603e)과 열적으로 결합되어 있다. 즉, 본 실시형태에 있어서는, 복수의 CPU(605a~605e)가, 하나의 CPU마다 하나의 냉각영역에 대하여 열적으로 결합되어 있다.
다만, 컨트롤카드(604)에는, 예컨대 도 10에 나타내는 바와 같이 CPU(605c~605e)와는 별도의 CPU(615)가 실장되어 있는 경우가 있다. 이 CPU(615)는, 예컨대 복수의 CPU(605a~605e)를 통합적으로 제어하기 위한 상위 CPU이다. 이러한 CPU는, 인버터회로 등을 제어하는 CPU(605c~605e)와 비교하여 발열량이 크지 않기 때문에, 냉각영역(603c~603e)과는 관계없이 컨트롤카드(604) 상의 임의의 위치에 배치된다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, CPU(605a~605e)는, CPU(605a~605e)와 히트싱크(603) 사이에 배치된 열전도성 시트(612)를 통하여 히트싱크(603)와 열적으로 결합되어 있다. 열전도성 시트(612)는, 히트싱크(603)로부터 CPU(605a~605e)에 전하여지는 진동을 흡수할 수 있는 탄성재료를 포함하는 것이 바람직하고, 예컨대 실리콘고무로 이루어진다.
계속하여, 승강압 컨버터유닛(66) 및 인버터유닛(62~65)에 있어서의 수냉구조에 대하여 상세하게 설명한다. 도 12(a)는, 승강압 컨버터유닛(66)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 또한, 도 12(b)는, 승강압 컨버터유닛(66)의 내부구성을 나타내는 측면도이다. 다만, 이들 도면에 있어서는, 승강압 컨버터유닛(66)의 내부구성을 알 수 있도록 케이스의 천판(天板)이나 측판(側板)을 떼어낸 상태를 나타내고 있다.
승강압 컨버터유닛(66)의 내부에는, 승강압 컨버터(100)의 트랜지스터(100B 및 100C)(도 3 참조)를 장착한 인텔리전트 파워모듈(IPM: Intelligent Power Module)(103)과, 리액터(101)와, 냉각용 배관(66a)이 내장되어 있다. IPM(103)은, 배선기판(104) 상에 실장되어 있다. 냉각용 배관(66a)은, 승강압 컨버터유닛(66)의 측면을 따라 이차원 형상으로 배치되어 있다. 구체적으로는, 냉각용 배관(66a)은, 승강압 컨버터유닛(66)의 내부에서 가능한 한 길게 배치되도록 여러 겹으로 절곡된 상태로 직사각형 단면의 금속용기(66b)에 수용되어 있고, 또한 이 금속용기(66b)의 내측면에 접하고 있다. 금속용기(66b)는 본 실시형태에 있어서의 열전도 플레이트를 구성하고 있고, 그 하이브리드형 건설기계(1)의 상하방향을 따라서 뻗어 있도록 배치되어 있다. 금속용기(66b)의 외측면에는, 도 12(a)에 나타내는 바와 같이 리액터(101) 및 IPM(103)이 접촉 배치되어 있고, 이 금속용기(66b)의 외측면은, 리액터(101) 및 IPM(103)과 열적으로 결합된 방열면으로서 기능한다. 즉, 금속용기(66b)는, 리액터(101) 및 IPM(103)으로부터의 열을 냉각용 배관(66a)에 전한다. 이로써, 리액터(101) 및 IPM(103)이 냉각된다. 여기서, 금속용기(66b)는, 리액터(101)보다 넓은 면적을 가지고 있다. 또한, IPM(103)에 대해서도 넓은 면적을 가지고 있다. 이와 같이, 금속용기(66b)가 리액터(101) 및 IPM(103)에 대하여 충분히 넓은 접촉면적을 가지고 있으므로, 리액터(101) 및 IPM(103)에서 발생되는 열을 충분히 열전달시킬 수 있다.
다만, 리액터(101)에는, 리액터(101)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(107)가 설치되는 것이 바람직하다. 이로써, 리액터(101)의 온도이상(異常)의 감시를 행할 수 있다. 이로써, 리액터(101)가 과잉으로 발열되고 있는 경우에는, 배터리(19)의 충방전을 제한할 수 있다. 그 결과, 리액터(101)의 단락을 방지함으로써, 연속적인 운전을 가능하게 할 수 있어서, 하이브리드형 건설기계를 정지하지 않고 계속적인 작업이 가능하여진다.
또한, 승강압 컨버터유닛(66)은, IPM(103)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(109)를 가진다. 온도센서(109)는, 본 실시형태에 있어서의 제2 온도센서로서, IPM(103)에 내장된 온도센서(제1 온도센서)와는 별도로 IPM(103)의 외부에 설치된 것이다. 온도센서(109)는, 금속용기(66b)의 외측면 상에 있어서 IPM(103)의 근방에 (바람직하게는 IPM(103)에 인접하여) 배치되어 있고, 구체적으로는 금속용기(66b)의 외측면 내에 있어서 IPM(103)의 상측(즉, IPM(103)과 컨트롤유닛(600) 사이)에 위치하는 영역 상에 배치되어 있다.
도 13(a)는, 인버터유닛(62)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 또한, 도 13(b)는, 인버터유닛(62)의 내부구성을 나타내는 측면도이다. 다만, 이들 도면에 있어서는, 도 12와 마찬가지로, 인버터유닛(62)의 내부구성을 알 수 있도록 케이스의 천판이나 측판을 떼어낸 상태를 나타내고 있다. 또한, 인버터유닛(63~65)의 내부구성은, 내장하는 인버터회로의 구성을 제외하고, 도 13에 나타내는 인버터유닛(62)의 내부구성과 마찬가지이다.
인버터유닛(62)의 내부에는, 인버터회로(20A)의 트랜지스터를 장착한 IPM(105)과, 냉각용 배관(62a)이 내장되어 있다. IPM(105)은, 배선기판(106) 상에 실장되어 있다. 냉각용 배관(62a)은, 승강압 컨버터유닛(66)에 있어서의 냉각용 배관(66a)과 마찬가지 형태로 배치되어 있다. 냉각용 배관(62a)은 직사각형 단면의 금속용기(62b)에 수용되어 있고, 또한 이 금속용기(62b)의 내측면에 접하고 있다. 금속용기(62b)는 본 실시형태에 있어서의 열전도 플레이트를 구성하고 있고, 그 하이브리드형 건설기계(1)의 상하방향을 따라서 뻗어 있도록 배치되어 있다. 금속용기(62b)의 외측면에는, 도 13(a)에 나타내는 바와 같이 IPM(105)이 접촉 배치되어 있고, 이 금속용기(62b)의 외측면은, IPM(105)과 열적으로 결합된 방열면으로서 기능한다. 즉, 금속용기(62b)는, IPM(105)으로부터의 열을 냉각용 배관(62a)에 전한다. 이로써, IPM(105)이 냉각된다.
또한, 인버터유닛(62)은, IPM(105)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(108)를 가진다. 온도센서(108)는, 본 실시형태에 있어서의 제2 온도센서로서, IPM(105)에 내장된 온도센서(제1 온도센서)와는 별도로 IPM(105)의 외부에 설치된 것이다. 온도센서(108)는, 금속용기(62b)의 외측면 상에 있어서 IPM(105)의 근방에 (바람직하게는 IPM(105)에 인접하여) 배치되어 있고, 구체적으로는 금속용기(62b)의 외측면 내에 있어서 IPM(105)의 상측(즉, IPM(105)과 컨트롤유닛(600) 사이)에 위치하는 영역 상에 배치되어 있다.
여기서, IPM(103, 105) 등의 IPM의 내부구성의 예에 대하여 설명한다. 도 14는, IPM(103)의 내부구성을 나타내는 측단면도이다. 다만, IPM(105)의 내부구성은 IPM(103)과 거의 마찬가지이므로 상세한 설명을 생략한다.
IPM(103)은, 예컨대 구리나 알루미늄과 같은 전열(傳熱)성이 높은 금속으로 이루어지는 평판 형상의 금속베이스(131)와, 금속베이스(131)의 일방의 면 상에 부설된 절연기판(132)과, 절연기판(132) 상에 실장된 트랜지스터(100B, 100C)를 가진다. 트랜지스터(100B, 100C)는, 절연기판(132) 상에 배치된 패턴배선이나 본딩와이어(133)에 의하여 서로 접속된다. 또한, 트랜지스터(100B, 100C)의 일부의 단자는, 트랜지스터(100B, 100C)의 상방에 배치된 배선기판(134)에, 본딩와이어(135)를 통하여 접속된다. 배선기판(134) 상에는, 트랜지스터(100B, 100C)에 접속되는 다이오드(100b, 100c)와 같은 각종 전자부품이 실장되어 있다.
절연기판(132), 트랜지스터(100B 및 100C), 배선기판(134), 및 다이오드(100b, 100c) 등의 전자부품은, 패키지(136)에 의하여 봉하여져 있다. 그리고, 금속베이스(131)의 타방의 면이 이 패키지(136)로부터 노출되어 있고, 그 면이 금속용기(66b)에 접촉한 상태로 IPM(103)이 고정된다.
또한, 절연기판(132) 상에는, 트랜지스터(100B, 100C)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(137)가 배치되어 있다. 이 온도센서(137)는 본 실시형태에 있어서의 제1 온도센서로서, IPM(103)은, 자기(自己)보호기능으로서의 과열보호기능에 있어서, 이 온도센서(137)에서의 온도검출 결과에 근거하여 자기의 동작을 정지할지 여부를 판단한다. 다만, IPM(103)의 외부에 배치되는 온도센서(109)(제2 온도센서)는, 예컨대 도 14에 나타내는 바와 같이 금속베이스(131)에 인접하여 배치된다.
도 15는, 냉각액 순환시스템(170)에 의한 선회용 전동기(21)의 냉각방식을 설명하기 위한 도면이다. 다만, 전동발전기(12)에 있어서의 냉각방식도 선회용 전동기(21)에 있어서의 방식과 마찬가지이므로, 여기에서는 선회용 전동기(21)에 대하여서만 대표하여 설명한다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 선회용 전동기(21)는, 구동부 케이스(201)와, 구동부 케이스(201)에 장착된 스테이터(202)와, 스테이터(202)의 직경방향 내측에 있어서 회전 가능하게 배치된 로터(203)와, 로터(203)를 관통하여 뻗어 있고, 구동부 케이스(201)에 대하여 베어링(204, 205)에 의하여 회전 가능하게 배치된 출력축(206)을 구비하고 있다. 구동부 케이스(201)는, 측판(207 및 208)과, 측판(207 및 208) 사이에 장착되고, 축방향으로 뻗는 통 형상의 모터프레임(209)에 의하여 구성되고, 베어링(204)은 측판(207)에, 베어링(205)은 측판(208)에, 스테이터(202)는 모터프레임(209)에 장착되어 있다.
스테이터(202)는 도시하지 않은 코일을 구비하고 있고, 그 코일에 소정의 전류를 공급하면, 선회용 전동기(21)가 구동되어, 로터(203)가 전류의 크기에 대응하는 회전속도로 회전한다. 그리고, 로터(203)의 회전은, 로터(203)가 장착된 출력축(206)에 전달된다.
선회용 전동기(21)의 구동에 따라 발생한 열을 방열하고, 선회용 전동기(21)를 냉각하기 위하여, 구동부 케이스(201)의 외주에는 재킷(211)이 장착되어 있다. 재킷(211)은, 냉각액이 공급되는 냉각액 공급구(212), 선회용 전동기(21)를 냉각한 후의, 온도가 높아진 냉각액을 배출하는 냉각액 배출구(213), 및 냉각액 공급구(212)와 냉각액 배출구(213)를 연결하고, 나선 또는 사행시켜 뻗어 있는 하나의 냉각액 유로(214)를 가진다. 펌프(172)로부터 라디에이터(173) 및 서보제어유닛(60)을 통과하여 냉각액 공급구(212)에 공급된 냉각액은, 냉각액 유로(214) 내를 사행하면서 흐르고, 그동안에 선회용 전동기(21)를 냉각한 후, 냉각액 배출구(213)로부터 배출된다. 다만, 제2 냉각액 순환시스템에는, 도 15에 나타내는 바와 같이 냉각액을 보충하기 위한 보조탱크(175)가 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 컨트롤러(30)의 DC버스전압 저하모드에 대하여 더욱 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, DC버스전압 저하모드란, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 정지된 상태에 있어서 DC버스(110)의 전압을 저하시키기 위한 동작모드로서, 인버터회로(18A, 20A 및 20B), 및 승강압 컨버터(100)를 모두 정지시키고, 승강압 컨버터(100)와 배터리(19) 사이에 설치된 스위치(100E, 100F)를 비접속상태로 한 후, 인버터회로(20C)를 구동하여 펌프모터(171)에 전력을 소비시킴으로써, DC버스(110)의 전압을 저하시키는 모드이다.
도 16은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 하이브리드형 건설기계(1)의 동작을 나타내는 플로우차트이다. 먼저, 작업자에 의하여, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전을 정지시키기 위하여 이그니션 키(40)가 조작된다(스텝 S11). 본 실시형태에서는, 이와 같이 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 정지될 때마다, 컨트롤러(30)가 DC버스전압 저하모드를 개시한다. 즉, 컨트롤러(30)는, 상기 키(40)의 조작을 받아서, 인버터회로(18A, 20A 및 20B)의 구동을 정지한다(스텝 S12). 이로써, 전동발전기(12), 선회용 전동기(21), 및 리프팅마그넷(7)으로의 전력공급이 정지된다. 다음으로, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)의 구동을 정지한다(스텝 S13). 그리고, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)와 배터리(19) 사이의 스위치(100E, 100F)(도 3 참조)를 비도통(非導通)상태로 한다(스텝 S14). 이로써, DC버스(110)와 배터리(19)가 전기적으로 분리된다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 엔진(11)의 ECU 등에 지시하여 엔진(11)을 정지시킨다(스텝 S15).
이때, 인버터회로(20C)는 냉각용 전동기인 펌프모터(171)의 구동을 계속하고 있고, 펌프모터(171)에 의하여 냉각액 순환시스템(170)의 내부를 냉각액이 계속 순환하고 있다. 컨트롤러(30)는, 인버터회로(20C)의 구동을 계속하여, 펌프모터(171)의 동작을 계속시킨다(스텝 S16). 인버터회로(20C)의 구동은, 도 3에 나타낸 전압센서(110b)에 의하여 검출되는 DC버스(110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 될 때까지 계속된다(스텝 S17; No).
그리고, DC버스(110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 되면(스텝 S17; Yes), 컨트롤러(30)는 인버터회로(20C)의 구동을 정지한다(스텝 S18). 이로써, 펌프모터(171)의 동작이 정지되어 DC버스전압 저하모드가 종료되고, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 완전히 정지된다.
도 17은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 DC버스(110)의 전압의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다. 펌프모터(171)의 구동이 계속된 채로 스위치(100E, 100F)(도 3을 참조)가 비도통상태가 되면(도면 중 시각(T1)), DC버스(110)의 전압(Vdc)은 직전의 전압(Vact)으로부터 서서히 저하된다. 이 저하속도는 펌프모터(171)의 소비전력에 의존한다. 그리고, DC버스(110)의 전압(Vdc)이 소정의 임계치(Vth)를 하회하면(도면 중 시각(T2)), 펌프모터(171)의 동작이 정지하므로 전압(Vdc)의 저하속도는 완만하여진다.
본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)에 의하여 얻어지는 효과에 대하여 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, 하이브리드형 건설기계(1)는, 인버터유닛(62~65)이나 승강압 컨버터유닛(66), 컨트롤유닛(600)을 냉각하기 위한 냉각액 순환용의 펌프(172)를 구비하고 있다. 그리고, 메인터넌스 등의 필요에 따라서 DC버스(110)의 전압을 저하시킬 때, 펌프(172)를 구동하기 위한 펌프모터(171)를 컨트롤러(30)가 DC버스(110)의 전압에 의하여 구동시킴으로써, DC버스(110)의 전압이 소비된다. 본래, 펌프(172)는 인버터유닛(62~65)이나 승강압 컨버터유닛(66)을 냉각하기 위하여 하이브리드형 건설기계(1)에 탑재된 것이므로, 이러한 방식에 의하면, DC버스전압 저하모드만을 위하여 저항이나 스위치 등의 부품을 새로이 추가할 필요는 없다. 따라서, 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)에 의하면, 신뢰성의 저하가 억제된 구성으로, DC버스(110)의 전압을 저하시킬 수 있다.
또한, 펌프모터(171)는, 예컨대 유압펌프를 구동하는 전동발전기(12)나, 선회체(4) 등의 작업요소를 구동하는 선회용 전동기(21) 등의 작업용 전동기와는 달리, 가동부나 작업요소 등에 대하여 구동력을 부여하는 것이 아니고, 이 펌프모터(171)가 구동하여도 배관 내부를 냉각액이 순환하기만 할 뿐이다. 따라서, 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)에 의하면, 작업요소 등에 대하여 구동력을 부여하지 않고 DC버스(110)의 전압을 저하시킬 수 있으므로, DC버스(110)의 전압을 안전하게 저하시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 컨트롤러(30)가, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 정지될 때마다 DC버스전압 저하모드를 개시하고 있다. 이로써, 하이브리드형 건설기계(1)가 운전을 정지하고 있을 때에는 반드시 DC버스(110)의 전압이 저하되어 있게 되고, 메인터넌스시에 DC버스(110)의 전압을 저하시키기 위한 작업을 생략할 수 있다.
다만, 본 실시형태에서는, 펌프모터(171) 및 펌프(172)를 포함하는 냉각액 순환시스템(170)이, 인버터유닛(62~65)(인버터회로(18A, 20A 및 20B)), 승강압 컨버터유닛(66)(승강압 컨버터(100)), 및 컨트롤유닛(600)(컨트롤러(30))을 냉각하고 있지만, 이들 중 적어도 하나의 유닛을 냉각하기 위한 펌프 및 펌프모터이더라도, 그 펌프모터를 구동함으로써 DC버스(110)의 전압을 적절히 저하시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 펌프모터(171)를 구동함으로써 DC버스(110)의 전압을 저하시키고 있지만, 도 7에 나타낸 냉각용 팬(606a, 606b)을 회전시킴으로써 DC버스(110)의 전압을 저하시켜도 좋고, 이들 방식을 병용하여도 좋다. 구체적으로는, 냉각용 팬(606a, 606b)을 구동하기 위한 모터(즉 냉각용 전동기)를 구동하는 회로(냉각용 전동기 구동회로)를 DC버스(110)와 그 모터 사이에 설치하고, 이 회로를 컨트롤러(30)가 제어하는 구성으로 한다. 그리고, DC버스전압 저하모드에 있어서, 컨트롤러(30)가 상기 회로에 의하여 모터를 회전시킴으로써, DC버스(110)의 전압이 소비된다. 또한, 본 실시형태에서는 컨트롤유닛(600)에만 냉각용 팬이 설치되어 있지만, 냉각용 팬은, 인버터유닛(62~65)(인버터회로(18A, 20A 및 20B)), 승강압 컨버터유닛(66)(승강압 컨버터(100)), 및 컨트롤유닛(600)(컨트롤러(30)) 중 적어도 하나에 내장되어 있으면 좋다.
또한, 종래의 하이브리드형 건설기계에 있어서는, 전동발전기에 의하여 얻어지는 교류전력을, 축전지에 충전하기 위하여 직류전력으로 변환할 필요가 있었다. 혹은, 전동발전기를 구동하기 위하여, 축전지의 직류전력을 교류전력으로 변환할 필요가 있었다. 따라서, 전동발전기의 후단에는 인버터회로가 접속된다. 또한, 축전지의 충방전을 제어하기 위하여서는, 이 인버터회로와 축전지 사이에 직류전압 변환기(승강압 컨버터)를 설치할 필요가 있다. 또한, 선회용의 전동기의 역행(力行)동작 및 회생(回生)동작을 제어하기 위하여, 이 전동기와 전동발전기의 인버터회로 사이에는 또 다른 인버터회로가 설치된다.
이들 인버터회로나 직류전압 변환기는, 대(大)전력용의 트랜지스터를 각각 복수 가지고 있기 때문에, 그 발열이 커진다. 따라서, 이러한 회로부품을 냉각할 필요가 생기지만, 히트싱크를 사용한 공냉방식으로는 충분한 냉각능력을 확보하는 것이 어렵다. 또한, 엔진의 냉각수는 엔진의 배기열에 의하여 고온으로 되어 있으므로, 이 냉각수를 이용하여 회로부품을 냉각하는 것은 곤란하고, 또한 엔진이 정지하면 라디에이터의 팬이 정지하므로 사용할 수 없게 된다.
본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)는, 엔진(11)을 냉각하기 위한 제1 냉각액 순환시스템(160)과는 별도로, 승강압 컨버터(100)나 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 냉각하기 위한 제2 냉각액 순환시스템(170)을 구비하고 있다. 따라서, 공냉방식과 비교하여 충분한 냉각성능을 확보할 수 있고, 또한 엔진 냉각용의 냉각액과 비교하여 냉각액을 저온으로 할 수 있으므로, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 효과적으로 냉각할 수 있다. 또한, 엔진(11)이 정지하였을 경우에도, 펌프모터(171) 및 라디에이터(173)가 동작하는 한 이들을 계속 냉각할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 제2 냉각액 순환시스템(170)이, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B) 뿐 아니라, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 더욱 냉각하고 있다. 본 발명에 있어서는 이러한 형태가 보다 바람직하고, 이로써 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)까지도 효과적으로 냉각할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 제2 냉각액 순환시스템(170)에 있어서, 냉각액이, 라디에이터(173)로부터 송출된 후, 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 수용하는 서보제어유닛(60)의 드라이버유닛(62~66)을 통과하고 나서 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 통과하고 있다. 이와 같이, 비교적 저온인 드라이버유닛(62~66)을 먼저 냉각하고, 그 후에 비교적 고온인 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 냉각함으로써, 제2 냉각액 순환시스템(70)의 냉각효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 직류전압 변환기가 리액터를 포함하는 경우, 축전지의 충방전을 반복하면 리액터가 발열한다. 그리고, 리액터의 온도가 너무 높아지면, 리액터의 저항율이 증대되고, 직류전압 변환기의 변환효율이 저하되어 버린다. 이로 인하여, 종래부터 히트싱크 등을 접촉시켜서 리액터를 공냉하고 있었지만, 건설기계에 있어서 이러한 냉각방식으로는 리액터를 충분히 냉각하는 것은 곤란하다.
즉, 건설기계나 운반하역기계와 같은 작업기계는, 열대지역에서 한대지역까지 다양한 기후의 토지에서 사용되고, 또한, 모래먼지가 많은 장소에서도 사용된다. 따라서, 직류전압 변환기와 같은 전기설비는, 밀폐용기에 수용되어 외기로부터 차단되는 것이 바람직하다. 그러나, 이와 같이 직류전압 변환기(특히 리액터)를 밀폐용기에 수용하면, 종래의 공냉방식으로는 리액터를 충분히 냉각하는 것은 곤란하여져 버린다.
이상에서 설명한 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)는, 승강압 컨버터(100)의 리액터(101)를 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템(170)을 구비하고 있다. 이로써, 리액터(101)가 승강압 컨버터유닛(66)의 밀폐된 케이스 내에 수용되었을 경우에도, 리액터(101)를 효과적으로 냉각할 수 있고, 리액터(101)의 저항율 상승을 억제하여 승강압 컨버터(100)의 변환효율을 유지할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)는, 승강압 컨버터(100)의 리액터(101)를 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템(170)을, 엔진(11)을 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템(160)과는 별도로 구비하고 있다. 따라서, 충분한 냉각성능을 확보할 수 있고, 또한 엔진 냉각용의 냉각액과 비교하여 냉각액을 저온으로 할 수 있으므로, 리액터(101)를 효과적으로 냉각할 수 있다. 또한, 엔진(11)이 정지된 경우에도, 펌프모터(171) 및 라디에이터(173)가 동작하는 한 리액터(101)를 계속 냉각할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 냉각액 순환시스템(170)이, 리액터(101) 뿐 아니라, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 더욱 냉각하고 있다. 본 발명에 있어서는 이러한 형태가 보다 바람직하고, 이로써 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)까지도 효과적으로 냉각할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 냉각액 순환시스템(170)에 있어서, 냉각액이, 라디에이터(173)로부터 송출된 후, 승강압 컨버터(100)를 수용하는 드라이버유닛(174)을 통과하고 나서 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 통과하고 있다. 이와 같이, 비교적 저온인 승강압 컨버터(100)를 먼저 냉각하고, 그 후에 비교적 고온인 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 냉각함으로써, 냉각액 순환시스템(170)의 냉각효율을 더욱 높일 수 있다.
여기서, 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)의 동작 중, 컨트롤러(30)에 의한 승강압 컨버터(100) 및 인버터회로(18A, 20A 및 20B)에 대한 전류제한 동작에 대하여 상세하게 설명한다. 도 18은, 컨트롤러(30)에 의한 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)에 대한 전류제한 동작을 나타내는 플로우차트이다. 또한, 도 19 및 도 20은, (a) 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 구성하는 IPM의 온도의 시간변화의 일례, 및 (b) 승강압 컨버터(100), 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 흐르는 전류의 시간변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
우선, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100) 및 인버터회로(18A, 20A 및 20B)를 작동시키면서, 온도센서(107, 108, 109)로부터의 온도검출 결과를 모니터한다. 그리고, 온도센서(107, 108, 109)로부터의 온도검출 결과 즉 IPM(103, 105)의 온도가 제1 임계치(T1)를 넘는지 여부를 항상 판정하고(스텝 S1), IPM(103, 105)의 온도가 T1 이하인 경우에는(스텝 S1; No), 통상동작에 지장이 없을 정도의 최대전류치(I1)를 설정하고, 이 최대전류치(I1)를 넘지 않도록 그 회로(인버터회로(18A, 20A 및 20B) 및 승강압 컨버터(100))를 구동한다(스텝 S2, 도 19 및 도 20에 있어서의 시각(t1)까지). 즉, 인버터회로(20A)에 있어서는 선회용 전동기(21)로의 최대 구동전류로서 I1을 설정하고, 또한 승강압 컨버터(100)에 있어서는 배터리(19)로부터의 최대 방전전류로서 I1을 설정한다. 다만, 제1 임계치(T1)는, 온도센서(137)에 의하여 IPM(103, 105)의 과열보호기능이 동작하는 온도(TA)(예컨대 100℃)보다 낮은 온도, 예컨대 80℃로 설정된다.
또한, 컨트롤러(30)는, IPM(103, 105)의 온도가 제1 임계치(T1)를 넘은 경우(스텝 S1; Yes), 그 회로(승강압 컨버터(100) 및 인버터회로(18A, 20A 및 20B) 중 어느 하나)의 최대전류치를 상기 서술한 통상시의 최대전류치(I1)보다 작은 값 I2로 설정하고, 이 최대전류치(I2)를 넘지 않도록 그 회로를 구동한다(스텝 S3, 도 19 및 도 20에 있어서의 시각(t1~t2)). 즉, 인버터회로(20A)에 있어서는 선회용 전동기(21)로의 최대 구동전류를 I1로부터 I2로 저하시키고, 또 승강압 컨버터(100)에 있어서는 배터리(19)로부터의 최대 방전전류를 I1로부터 I2로 저하시킨다.
다만, 컨트롤러(30)는, 이러한 온도이상(異常)을 거쳐서 IPM(103, 105)의 온도가 제1 임계치(T1)보다 낮은 제3 임계치(T3)(<T1)) 이하가 되었을 경우에는, 그 회로의 최대전류치를 I1로 되돌리고, 이 최대전류치(I1)를 넘지 않도록 인버터회로(18A, 20A 및 20B) 및 승강압 컨버터(100)를 구동한다(스텝S4; Yes, 도19에 있어서의 시각(t2) 이후).
한편, IPM(103, 105)의 온도가 제3 임계치(T3) 이하가 되지 않는 경우에는, 컨트롤러(30)는 전류치가 I2를 넘지 않도록 그 회로를 구동하면서, IPM(103, 105)의 온도가 제1 임계치(T1)보다 높은 제2 임계치(T2(>T1))를 넘는지 여부를 판정한다(스텝 S5). 그리고, IPM(103, 105)의 온도가 제2 임계치(T2)를 넘은 경우에는(스텝 S5; Yes), 그 IPM(103)(또는 105)을 포함하는 회로(인버터회로(18A, 20A 및 20B), 및 승강압 컨버터(100) 중 어느 하나)의 동작을 정지시킨다(스텝 S6, 도 20에 있어서의 시각(t2) 이후). 다만, 이 제2 임계치(T2)는 IPM(103, 105)에 내장된 과열보호기능이 동작하는 온도(TA)보다 낮게 설정된다.
건설기계에서는, 작업용 전동기의 구동 또는 회생을 행하는 인버터회로나, 배터리의 충방전을 행하는 승강압 컨버터에 있어서, IPM이 이용되는 경우가 있다. IPM은, 파워 MOSFET이나 절연게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT)와 같은 파워 디바이스를 포함하는 구동회로에 더하여, 이 파워 디바이스를 보호하기 위한 자기보호기능(예컨대, 과열보호기능, 단락 보호기능, 과전류 보호기능 등)이 하나의 패키지 내에 내장되어 구성된다.
일반적으로 IPM은, 상기 서술한 자기보호기능에 의하여 이상을 검지하면, 그 동작을 정지한다. 그러나, 건설기계는, 열대지역부터 한대지역까지 다양한 기후의 토지에서 사용되므로, 기온이 높은 지역에서는 IPM의 과열보호기능이 빈번하게 작용하여, IPM이 종종 정지되는 경우도 생각할 수 있다. 이러한 상태에서의 사용은, 그 건설기계에 있어서의 신뢰성의 관점에서 바람직하지 않다.
이 문제점에 대하여, 하이브리드형 건설기계(1)에서는, 인버터유닛(62~65)이나 승강압 컨버터유닛(66) 등의 각 유닛에 있어서, IPM(103, 105)에 내장된 온도센서(137)와는 별도로, IPM(103, 105)의 온도를 검출하기 위한 온도센서(109, 108)가 IPM(103, 105)의 외부에 설치되어 있다. 그리고, 이 온도센서(109, 108)에 의한 온도검출 결과가, 온도센서(137)에 의하여 IPM(103, 105)의 과열보호기능이 동작하는 온도, 즉 IPM(103, 105)이 자동적으로 정지되는 온도(TA)보다 낮은 소정의 제1 임계치(T1)를 넘은 경우에는, 그 이상 IPM(103, 105)이 과열되어 정지하는 것을 막기 위하여, 컨트롤러(30)는, IPM(103, 105)을 흐르는 전류량의 저감을 도모한다. 즉, 그 유닛이 인버터유닛(62)인 경우에는 선회용 전동기(21)로의 최대 구동전류를 저하시키고, 또 승강압 컨버터유닛(66)인 경우에는 배터리(19)로부터의 최대 방전전류를 저하시킨다. 이로써, 기온이 높은 지역이나 장소이더라도 IPM(103, 105)의 과열보호기능이 빈번하게 작용하는 것을 억제할 수 있어서, 하이브리드형 건설기계(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 특히, 본 실시형태와 같이, 인버터유닛(62~65)이나 승강압 컨버터유닛(66)이 밀폐공간을 형성하고 있는 경우에는, IPM(103, 105)이 고온 상태가 되기 쉽다. 이러한 조건 하라 하더라도, 상기 구성과 같이 IPM(103, 105)의 과열보호기능이 작용하기 전에 미리 IPM(103, 105)의 출력을 저하시킴으로써, 이상의 발생을 막아, 작업을 계속시킬 수 있다.
다만, 본 실시형태에서는, 유닛이 승강압 컨버터유닛(66)인 경우에 배터리(19)로부터의 최대 방전전류를 저하시키는 방식에 대하여 설명하였지만, 배터리(19)로의 최대 충전전류를 저하시키도록 하여도 좋고, 혹은 최대 방전전류 및 최대 충전전류의 쌍방을 저하시켜도 좋다.
또한, 본 실시형태와 같이, 컨트롤러(30)는, 온도센서(109, 108)에 의한 온도검출 결과가, 온도센서(137)에 의하여 IPM(103, 105)의 과열보호기능이 동작하는 온도(TA)보다 낮고 또한 제1 임계치(T1)보다 큰 제2 임계치(T2)를 넘은 경우, 그 유닛이 인버터유닛(62)인 경우에는 인버터회로(20A)의 동작을 정지시키고, 또한 그 유닛이 승강압 컨버터유닛(66)인 경우에는 승강압 컨버터(100)의 동작을 정지시키는 것이 바람직하다. 이로써, 온도센서(137)가 고장나거나 온도센서(137)와 컨트롤러(30)를 연결하는 배선이 단선되었거나 등의 경우이더라도, IPM(103, 105)의 과열을 확실히 검지하여 IPM(103, 105)의 동작을 정지시킬 수 있으므로, 하이브리드형 건설기계(1)의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태와 같이, 인버터유닛(62)이나 승강압 컨버터유닛(66)은, IPM(103, 105)과 열적으로 결합된 방열면을 포함하는 금속용기(62b, 66b)를 가지고, 온도센서(109, 108)가 금속용기(62b, 66b)의 방열면 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, IPM(103, 105)의 온도를 보다 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 이 경우, 본 실시형태와 같이, 열전도 플레이트로서의 금속용기(62b, 66b)가 서보제어유닛(60)의 상하방향을 따라서 뻗어 있도록 배치되어 있고, 온도센서(109, 108)가, 금속용기(62b, 66b)의 방열면 내에 있어서 IPM(103, 105)의 상측에 배치되어 있는 것이 더욱 바람직하다. IPM(103, 105)으로부터 방출된 열은 금속용기(62b, 66b)를 통하여 상방에 전하여지기 쉽기 때문에, 온도센서(109, 108)가 IPM(103, 105)의 상측에 배치됨으로써, IPM(103, 105)의 온도를 더욱 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
하이브리드형 건설기계에서는, 교류전동기를 구동하기 위하여, 배터리의 직류전력을 교류전력으로 변환할 필요가 있다. 또한, 교류전동기에 있어서의 회생 발전에 의하여 얻어지는 전력을 배터리에 축전하기 위하여, 교류전력을 직류전력으로 변환할 필요가 있다. 따라서, 하이브리드형 건설기계에는, 직류전력과 교류전력을 서로 변환하기 위한 인버터회로를 가지는 복수의 드라이버유닛을 구비한 서보제어유닛이 설치되는 경우가 있다.
서보제어유닛의 하나의 구성으로서, 복수의 드라이버유닛에 내장된 전력변환회로를, 복수의 드라이버유닛과는 별도로 설치된 컨트롤유닛에 의하여 제어하는 방식이 있다. 이러한 컨트롤유닛에는, 각 드라이버유닛의 전력변환회로를 개별적으로 제어하기 위하여, 복수의 드라이버유닛의 각각에 대응하는 복수의 CPU가 내장되는 경우가 있다. CPU는, 발열량이 많은 한편으로 동작온도범위가 엄격하여, 그 온도를 일정범위 내로 제어할 것이 요구된다.
한편, 엄격한 환경 하에서 사용되는 경우가 많은 건설기계에 탑재되는 서보제어유닛에 있어서는, CPU 등의 내부회로의 방수 및 방진(防塵)을 위하여 컨트롤유닛을 밀폐구조로 할 것이 요구된다. 컨트롤유닛을 밀폐구조로 하였을 경우, 컨트롤유닛 내에서 발생한 열이 외부로 방열되기 어려워서, CPU의 온도상승을 억제하는 것이 곤란하여진다. 상기와 같은, 복수의 드라이버유닛의 각각에 대응하는 복수의 CPU를 컨트롤유닛이 내장하는 경우에는, 이 문제가 한층 현저하게 된다.
이러한 문제에 대하여, 하이브리드형 건설기계(1)에 있어서는, 밀폐구조를 가지는 컨트롤유닛(600)이 냉각용 배관(608)을 가지고 있다. 그리고 이 냉각용 배관(608)은, 복수의 CPU(605a~605e)와 열적으로 결합되고, 케이스체(601)의 외부로부터 냉각액을 도입함으로써 복수의 CPU(605a~605e)를 냉각할 수 있다. 본 실시형태의 하이브리드형 건설기계(1)에 의하면, 이러한 구조에 의하여, 밀폐구조이더라도 복수의 CPU(605a~605e)를 효율적으로 냉각할 수 있으므로, 복수의 CPU(605a~605e)의 온도상승을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 컨트롤유닛(600)은 승강압 컨버터유닛(66) 및 인버터유닛(62~65) 상에 재치(載置)되어 있고, 컨트롤유닛(600) 내에 있어서 복수의 CPU(605a~605e)는 냉각용 배관(608) 상에 배치되어 있다. 즉, 냉각용 배관(608)은, 유닛(62~66)과 복수의 CPU(605a~605e) 사이에 배치되어 있다.
유닛(62~66)의 각각에는 인버터회로나 승강압 컨버터회로가 내장되어 있는데, 일반적으로 이들 회로의 발열량은 CPU 등과 비교하여 크다. 그리고, 본 실시형태와 같이 컨트롤유닛(600)이 유닛(62~66) 상에 재치되어 있게 되는 경우, 인버터회로의 열이 컨트롤유닛(600) 내의 CPU(605a~605e)에 전하여지기 쉬워진다. 이에 대하여, 본 실시형태에서는 상기 서술한 바와 같이 유닛(62~66)과 CPU(605a~605e) 사이에 냉각용 배관(608)이 배치되어 있으므로, 인버터회로의 열이 CPU(605a~605e)에 전하여지기 어려워져서, CPU(605a~605e)를 보다 효율적으로 냉각하는 것이 가능하여진다.
또한, 본 실시형태와 같이, 컨트롤유닛(600)은, CPU(605a~605e)와 냉각용 배관(608) 사이에 설치되어 CPU(605a~605e) 및 냉각용 배관(608)과 열적으로 결합된 히트싱크(603)를 가지는 것이 바람직하다. 이로써, CPU(605a~605e)로부터의 열이 냉각용 배관(608)에 전하여지기 쉬워져서, CPU(605a~605e)를 더욱 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 냉각용 배관(608)은, 복수의 배관부분(608a)이 그 일단측 및 타단측에 있어서 번갈아 연결된 형상을 가지고, 히트싱크(603)의 복수의 냉각영역(603a~603e)의 각각이, 복수의 배관부분(608a) 중 서로 이웃하는 2개의 배관부분(608a)과 열적으로 결합되어 있고, CPU(605a~605e)는, 하나의 CPU마다 하나의 냉각영역에 대하여 열적으로 결합되어 있는 것이 바람직하다. 냉각용 배관(608) 및 CPU(605a~605e)를 이러한 상호관계가 되도록 배치함으로써, CPU 하나당의 냉각용 배관(608)의 길이를 충분히 확보하여, CPU(605a~605e)를 더욱 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 본 실시형태와 같이, CPU(605a~605e)와 히트싱크(603) 사이에, 탄성재료를 포함하는 열전도성 시트(612)가 배치되는 것이 바람직하다. 이로써, CPU(605a~605e)로부터의 열이 히트싱크(603)에 전하여지기 쉬워져서, CPU(605a~605e)를 더욱 효율적으로 냉각할 수 있다.
다만, 예컨대 복수의 CPU가 서로 별개의 기판 상에 실장되고, 케이블 배선에 의하여 서로 접속되어 있는 경우에는, 케이블의 손상에 의한 신뢰성의 저하가 염려된다. 그러나, 본 실시형태에서는, 하나의 컨트롤카드(604)에 복수의 CPU가 구비되고, 컨트롤카드(604)에 형성된 패턴배선에 의하여 서로 접속되어 있다. 이로써, 배선의 손상이 적어져서 서보제어유닛(60)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 서보제어유닛(60)은, 인버터유닛(62~65), 승강압 컨버터유닛(66) 및 컨트롤유닛(600)이 일체로 된 구성을 구비하고 있지만, 서보제어유닛(60)은 반드시 이와 같이 구성될 필요는 없고, 예컨대 인버터유닛(62~65), 승강압 컨버터유닛(66)과 분리한 상태로 컨트롤유닛(600)을 배치하여도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, 컨트롤카드(604)와 히트싱크(603) 사이에 복수의 CPU(605a~605e)를 설치한 예를 나타내었지만, CPU가 하나이더라도 본 실시형태의 상기 효과를 적합하게 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태와 같이, 하이브리드형 건설기계(1)는, 라디에이터(173)를 포함하는 냉각액 순환시스템을 구비하는 것이 바람직하다. 그리고 이 경우, 냉각액 순환시스템의 냉각액 중 적어도 일부가, 라디에이터(173)로부터 송출된 후, 컨트롤유닛(600), 유닛(62~66) 중 어느 하나, 및 교류전동기(12(21))의 순으로 이들을 통과하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 비교적 저온인 컨트롤유닛(600)을 먼저 냉각하고, 그 후에, 비교적 고온인 유닛(62~66), 그리고 더욱 고온인 교류전동기(12, 21)의 순으로 냉각함으로써, 컨트롤유닛(600)을 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템의 냉각효율을 높일 수 있다.
(제1 변형예)
도 21은, 상기 실시형태에 관한 냉각액 순환시스템의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 본 변형예에서는, 리프팅마그넷 차량은 도 4에 나타낸 제1 냉각액 순환시스템(160)에 더하여, 제2 냉각액 순환시스템(170A) 및 제3 냉각액 순환시스템(130)을 구비하고 있다. 제2 냉각액 순환시스템(170A)은, 상기 실시형태의 제2 냉각액 순환시스템(170)으로부터 선회용 전동기(21), 전동발전기(12), 및 감속기(13)를 생략한 것으로서, 상기 실시형태와 마찬가지의 구성을 가지는 펌프(172), 라디에이터(173), 및 서보제어유닛(60)을 구비하고 있다.
제3 냉각액 순환시스템(130)은, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 냉각하기 위하여 제1 및 제2 냉각액 순환시스템(160 및 170A)과는 별도로 설치된 냉각액 순환시스템이다.
제3 냉각액 순환시스템(130)은, 도시하지 않은 펌프모터에 의하여 구동되는 펌프(122)와, 라디에이터(123)를 구비하고 있다. 펌프(122)에 의하여 순환된 냉각액은 라디에이터(123)에 의하여 방열되어, 선회용 전동기(21)에 보내진다. 선회용 전동기(21)에서는 도 15에 있어서 설명한 바와 같이 냉각액 유로(214)를 냉각액이 흐르고, 그 후, 전동발전기(12) 및 감속기(13)를 이 순으로 냉각하여 펌프(122)로 되돌려진다. 다만, 라디에이터(123)는, 본 발명에 있어서의 제3 열교환기의 일례다.
다만, 제2 및 제3 냉각액 순환시스템(170A, 130)에는, 도 21에 나타내는 바와 같이 냉각액을 보충하기 위한 공통의 보조탱크(176)가 설치되는 것이 바람직하다.
본 실시예와 같이, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 냉각하기 위하여, 제1 및 제2 냉각액 순환시스템(160 및 170A)과는 별도의 냉각액 순환시스템(130)이 설치되어도 좋다. 이와 같이, 비교적 저온인 서보제어유닛(60)의 드라이버유닛(62~66)(특히 리액터(101))과, 비교적 고온인 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 각각 독립하여 냉각함으로써, 냉각효율을 더욱 높일 수 있다.
(제2 변형예)
계속하여, 상기 실시형태에 있어서의 DC버스전압 저하모드의 변형예에 대하여 설명한다. 도 22는, 일 변형예에 관한 DC버스전압 저하모드에서의 하이브리드형 건설기계(1)의 동작을 나타내는 플로우차트이다. 먼저, 작업자에 의하여, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전을 정지시키기 위하여 이그니션 키(40)가 조작된다(스텝 S21). 다만, 본 변형예에 있어서도, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 정지될 때마다, 컨트롤러(30)가 DC버스전압 저하모드를 개시한다. 즉, 컨트롤러(30)는, 상기 키(40)의 조작을 받아서, 인버터회로(18A, 20A 및 20B)의 구동을 정지한다(스텝 S22). 이로써, 전동발전기(12), 선회용 전동기(21), 및 리프팅마그넷(7)으로의 전력공급이 정지된다.
다음으로, 컨트롤러(30)는, 도 3에 나타낸 전압센서(110b)에 의하여 검출되는 DC버스(110)의 전압치와, 배터리(19)의 양단전압을 비교한다(스텝 S23). 그리고, DC버스(110)의 전압치가 배터리(19)의 양단전압보다 큰 경우(스텝 S23; Yes), 승강압 컨버터(100)에 있어서의 DC버스(110) 측의 목표전압을 배터리(19)의 양단전압과 동일하게 설정하고(스텝 S24), 승강압 컨버터(100)의 구동을 계속한다(스텝 S25). 그리고, DC버스(110)의 전압치가 배터리(19)의 양단전압보다 큰 동안은(스텝 S26; Yes), 승강압 컨버터(100)를 구동하여 배터리(19)를 충전한다.
DC버스(110)의 전압치가 배터리(19)의 양단전압 이하가 되면(스텝 S26; No, 또는 스텝 S23; No), 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)의 구동을 정지한다(스텝 S27). 그리고, 컨트롤러(30)는, 승강압 컨버터(100)와 배터리(19) 사이의 스위치(100E, 100F)(도 3을 참조)를 비도통상태로 한다(스텝 S28). 이로써, DC버스(110)와 배터리(19)가 전기적으로 분리된다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 엔진(11)의 ECU 등에 지시하여 엔진(11)을 정지시킨다(스텝 S29).
이때, 인버터회로(20C)는 냉각용 전동기인 펌프모터(171)의 구동을 계속하고 있고, 펌프모터(171)에 의하여 냉각액 순환시스템(170)의 내부를 냉각액이 계속 순환하고 있다. 컨트롤러(30)는, 인버터회로(20C)의 구동을 계속하여, 펌프모터(171)의 동작을 계속시킨다(스텝 S30). 인버터회로(20C)의 구동은, 전압센서(110b)에 의하여 검출되는 DC버스(110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 될 때까지 계속된다(스텝 S31; No). 다만, 이 소정의 임계치의 적절한 값은, 상기 실시형태와 동일하다.
그리고, DC버스(110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 되면(스텝 S31; Yes), 컨트롤러(30)는 인버터회로(20C)의 구동을 정지한다(스텝 S32). 이로써, 펌프모터(171)의 동작이 정지되어 DC버스전압 저하모드가 종료되고, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 완전히 정지된다.
본 변형예에서는, 상기 실시형태와 마찬가지로, DC버스전압 저하모드에 있어서, 컨트롤러(30)가 펌프모터(171)를 DC버스(110)의 전압에 의하여 구동시킴으로써, DC버스(110)의 전압이 소비된다. 따라서, DC버스전압 저하모드만을 위하여 저항이나 스위치 등의 부품을 새로이 추가할 필요가 없고, 신뢰성의 저하가 억제된 구성으로, DC버스(110)의 전압을 저하시킬 수 있다. 또한, 펌프모터(171)는 가동부나 작업요소 등에 대하여 구동력을 부여하는 것은 아니므로, DC버스(110)의 전압을 안전하게 저하시킬 수 있다.
또한, 본 변형예와 같이, DC버스전압 저하모드 개시시에 DC버스(110)의 전압이 배터리(19)의 양단전압보다 높은 경우에는, 스위치(100E 및 100F)를 비접속상태로 하기 전에, 승강압 컨버터(100)를 구동하여 배터리(19)를 충전시키는 것이 바람직하다. 이로써, DC버스(110)의 전압을 조금이라도 배터리(19)에 축적하여, 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 실시형태에 있어서의 DC버스전압 저하모드의 다른 변형예에 대하여 설명한다. 도 23은, 다른 변형예에 관한 DC버스전압 저하모드에서의 하이브리드형 건설기계(1)의 동작을 나타내는 플로우차트이다. 본 변형예에서는, 하이브리드형 건설기계(1)가 운전을 정지하고 있는 상태에 있어서, 운전실(4a)(도 1 참조) 내의 조작패널을 통하여 작업자에 의하여 DC버스전압 저하모드의 개시에 관한 입력이 이루어졌을 때에, 컨트롤러(30)가 DC버스전압 저하모드를 개시한다.
먼저, 작업자에 의하여 이그니션 키(40)가 조작되고, 하이브리드형 건설기계(1)가 통전(通電)상태로 된다(스텝 S41). 다만, 이때 엔진(11)은 정지한 그대로이고, 인버터회로(18A, 20A~20C)도 정지한 상태이다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 작업자에 의한 DC버스전압 저하모드의 개시에 관한 입력을 받아서(스텝 S42), 인버터회로(20C)의 구동을 개시한다(스텝 S43). 즉, 인버터회로(20C)는 냉각용 전동기인 펌프모터(171)의 구동을 개시하고, 펌프모터(171)에 의하여 냉각액 순환시스템(170)의 내부를 냉각액이 순환하기 시작한다. 컨트롤러(30)는, 인버터회로(20C)의 구동을 계속하여 펌프모터(171)의 동작을 계속시키고(스텝 S44), 이 인버터회로(20C)의 구동은, 전압센서(110b)에 의하여 검출되는 DC버스(110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 될 때까지 계속된다(스텝 S45; No). 다만, 이 소정의 임계치의 적절한 값은, 상기 실시형태와 마찬가지이다.
그리고, DC버스(110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 되면(스텝 S45; Yes), 컨트롤러(30)는 인버터회로(20C)의 구동을 정지한다(스텝 S46). 이로써, 펌프모터(171)의 동작이 정지되어 DC버스전압 저하모드가 종료된다.
본 변형예에서는, 상기 실시형태와 마찬가지로, DC버스전압 저하모드에 있어서, 컨트롤러(30)가 펌프모터(171)를 DC버스(110)의 전압에 의하여 구동시킴으로써, DC버스(110)의 전압이 소비된다. 따라서, DC버스전압 저하모드만을 위하여 저항이나 스위치 등의 부품을 새로이 추가할 필요가 없고, 신뢰성의 저하가 억제된 구성으로, DC버스(110)의 전압을 저하시킬 수 있다. 또한, 펌프모터(171)는 가동부나 작업요소 등에 대하여 구동력을 부여하는 것은 아니므로, DC버스(110)의 전압을 안전하게 저하시킬 수 있다.
또한, 본 변형예와 같이, 하이브리드형 건설기계(1)가 운전을 정지하고 있는 상태에서, 작업자로부터의 입력이 있었을 경우에 컨트롤러(30)가 DC버스전압 저하모드를 개시하여도 좋다. 이로써, 작업자가 필요에 따라서 DC버스(110)의 전압을 저하시킬 수 있다.
여기서, 상기 실시형태에서는, 서보제어유닛(60), 선회용 전동기(21), 전동발전기(12), 감속기(13) 등의 발열체 모두를 키 오프 후에 냉각하는 형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명에 관한 작업기계에 있어서는, 냉각용 전동기가 적어도 컨트롤유닛(600)을 냉각하면 좋다. 컨트롤유닛(600)은 밀폐구조를 가지므로, 컨트롤유닛(600) 내에 배치된 전자부품은 외기에 의하여서는 냉각되지 않는다. 이로 인하여, 키 오프 후에 즉시 컨트롤유닛(600)에서의 냉각액의 순환을 정지시키면, 운전에 의하여 고온이 된 컨트롤유닛(600) 내의 전자부품으로부터 히트싱크를 통하여 열을 제거하지 못하여, 컨트롤유닛(600) 내의 전자부품의 온도나 케이스체(601) 내의 공기의 온도가 상승되어 버린다. 이에 대하여, 키 오프 후에 컨트롤유닛(600)의 냉각액의 순환을 지속시킴으로써, 컨트롤유닛(600) 내의 전자부품의 수명을 늘릴 수 있다.
본 발명을 다른 작업기계에 적용한 예에 대하여 설명한다. 도 24(a)는, 작업기계로서의 포크리프트(1A)의 외관을 나타내는 도면이다. 도 24(a)에 나타내는 바와 같이, 포크리프트(1A)는, 그 차체 후방에 추를 다는 것에 의하여 그 차체의 밸런스를 잡도록 구성된, 이른바 카운터식의 포크리프트이다.
포크리프트(1A)는, 운전자가 승차하여 착석하기 위한 운전석(31), 포크(32), 차륜(34, 38) 등을 가지고 구성되어 있다. 포크(32)는, 짐(하물(荷物))을 승강시키기 위한 것으로서, 이 포크(32)는, 운전석(31)보다 전방측에 설치되어 있다. 차륜(34, 38)은, 운전석(31)보다 전방과 후방에 2개씩 배치되어 있고, 운전석(31)보다 후방에 배치된 차륜(38)은, 조타용 차륜이다. 한편, 운전석(31)보다 전방에 배치된 차륜(34)은, 구동륜이다.
도 24(b)는, 포크리프트(1A)가 구비하는 전기계통의 개략 구성도이다. 포크리프트(1A)는, 인버터회로(42, 43)를 가지고 있고, 인버터회로(42, 43)는, 축전수단(축전부)(41)으로부터의 직류전력에 의하여 구동된다. 인버터회로(42)는, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 하역모터(35)를 구동한다. 한편, 인버터회로(43)는, 주행모터(36)를 구동한다. 하역모터(35)는, 포크(32)를 승강시키기 위한 작업용 전동기이고, 주행모터(36)는, 차륜(34)을 구동하기 위한 작업용 전동기이다. 인버터회로(42, 43)는, 도시하지 않은 컨트롤러에 의하여 구동된다. 다만, 축전수단(41), 인버터회로(42, 43)를 내장하는 인버터유닛, 및 컨트롤러를 내장하는 컨트롤유닛의 구성은, 상기 서술한 축전수단(120), 인버터유닛(62~65) 및 컨트롤유닛(600)과 마찬가지로 할 수 있다.
또한, 포크리프트(1A)는, 인버터회로(42, 43) 및 축전수단(41)의 승강압 컨버터를 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템을 구비하고 있다. 즉, 포크리프트(1A)는, 냉각액을 순환시키는 펌프(178)와, 펌프(178)를 구동하는 펌프모터(냉각용 전동기)(179)와, 펌프모터(79)와 축전수단(41) 사이에 접속된 인버터회로(44)를 구비하고 있다. 인버터회로(44)는, 인버터회로(42, 43)와 마찬가지로 도시하지 않은 컨트롤러에 의하여 구동된다.
그리고, 이 컨트롤러는, 축전수단(41)의 DC버스의 전압을 저하시키기 위한 DC버스전압 저하모드를 가지고 있고, 그 DC버스전압 저하모드에 있어서, 인버터회로(42, 43)를 정지시킴과 함께, 인버터회로(44)를 구동하여 펌프모터(179)에 전력을 소비시킴으로써 DC버스의 전압을 저하시킨다.
또한, 포크리프트(1A)는, 운전자가 승차하여 착석하기 위한 운전석(31), 포크(32), 차륜(34, 38) 등을 가지고 구성되어 있다. 포크(32)는, 짐(하물(荷物))을 승강시키기 위한 것으로서, 이 포크(32)는, 운전석(31)보다 전방 측에 설치되어 있다. 차륜(34, 38)은, 운전석(31)보다 전방과 후방에 2개씩 배치되어 있고, 운전석(31)보다 후방에 배치된 차륜(38)은, 조타용 차륜이다. 한편, 운전석(31)보다 전방에 배치된 차륜(34)은, 구동륜이다.
또한, 도 25는, 작업기계로서의 불도저(1B)의 외관을 나타내는 도면이다. 불도저(1B)는, 운전자가 승차하여 착석하기 위한 운전석(91), 리프트 실린더(92), 블레이드(93), 틸트 실린더(94), 무한궤도(95), 좌측 구동륜(96), 및 우측 구동륜(도시생략) 등을 가지고 구성되어 있다.
도 26은, 불도저(1B)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다. 도 26에 나타내는 바와 같이, 불도저(1B)는 전동발전기(412) 및 변속기(413)를 구비하고 있고, 엔진(411) 및 전동발전기(412)의 회전축은, 모두 변속기(413)의 입력축에 접속됨으로써 서로 연결되어 있다. 엔진(411)의 부하가 클 때에는, 전동발전기(412)가 이 엔진(411)을 작업요소로서 구동함으로써 엔진(411)의 구동력을 보조(어시스트)하고, 전동발전기(412)의 구동력이 변속기(413)의 출력축을 거쳐서 메인펌프(414)에 전달된다. 한편, 엔진(411)의 부하가 작을 때에는, 엔진(411)의 구동력이 변속기(413)를 거쳐서 전동발전기(412)에 전달됨으로써, 전동발전기(412)가 발전을 행한다. 전동발전기(412)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM 모터에 의하여 구성된다. 전동발전기(412)의 구동과 발전의 전환은, 불도저(1B)에 있어서의 전기계통의 구동제어를 행하는 컨트롤러(430)에 의하여, 엔진(411)의 부하 등에 따라서 행하여진다.
변속기(413)의 출력축에는 메인펌프(414) 및 파일럿펌프(415)가 접속되어 있고, 메인펌프(414)에는 고압 유압라인(416)을 통하여 컨트롤밸브(417)가 접속되어 있다. 컨트롤밸브(417)는, 불도저(1B)에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 장치이다. 컨트롤밸브(417)에는, 리프트 실린더(92) 및 틸트 실린더(94)가 고압 유압라인을 통하여 접속되어 있고, 컨트롤밸브(417)는, 이들에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라서 제어한다.
전동발전기(412)의 전기적인 단자에는, 인버터회로(418A)의 출력단이 접속되어 있다. 인버터회로(418A)의 입력단에는, 축전수단(축전부)(520)이 접속되어 있다. 축전수단(520)의 구성은, 상기 실시형태의 축전수단(120)과 마찬가지이다. 또한, 인버터회로(418A)의 동작은, 상기 실시형태의 인버터회로(18A)와 마찬가지이다.
축전수단(520)에는, 2개의 인버터회로(420A)가 접속되어 있다. 각 인버터회로(420A)의 일단에는 작업용 전동기로서의 주행용 전동기(교류전동기)(421)가 접속되어 있고, 인버터회로(420A)의 타단은 축전수단(520)에 접속되어 있다. 주행용 전동기(421)는, 좌측 구동륜(96) 및 우측 구동륜(97)의 동력원이다. 주행용 전동기(421)의 회전축(421A)에는, 감속기(424)가 접속된다. 감속기(424)는, 주행용 전동기(421)의 회전축(421A)의 회전속도를 감속하여 좌측 구동륜(96) 및 우측 구동륜(97)에 기계적으로 전달하는 감속기이다. 다만, 주행용 전동기(421)의 동작은, 상기 서술한 선회용 전동기(21)와 마찬가지이다.
불도저(1B)는, 전기계용의 냉각액 순환시스템을 구비하고 있다. 이 냉각액 순환시스템은, 승강압 컨버터, 인버터회로(418A, 420A) 등에 공급되는 냉각액을 순환시키기 위한 펌프(572)와, 이 펌프(572)를 구동하는 펌프모터(571)를 가지고 있다. 펌프모터(571)는, 인버터회로(420C)를 통하여 축전수단(520)에 접속되어 있다. 인버터회로(420C)는, 컨트롤러(430)로부터의 지령에 근거하여, 펌프모터(571)에 요구된 전력을 공급한다. 이 냉각액 순환시스템은, 인버터회로(418A, 420A) 및 컨트롤러(430)를 냉각한다. 이에 더하여, 냉각액 순환시스템은, 전동발전기(412), 변속기(413), 및 주행용 전동기(421)를 냉각한다.
파일럿펌프(415)에는, 파일럿라인(425)을 통하여 조작장치(426)가 접속되어 있다. 조작장치(426)는, 주행용 전동기(421), 리프트 실린더(92), 틸트 실린더(94)를 조작하기 위한 조작장치이며, 조작자에 의하여 조작된다. 조작장치(426)에는, 유압라인(427)을 통하여 컨트롤밸브(417)가 접속되고, 또한, 유압라인(428)을 통하여 압력센서(429)가 접속된다. 조작장치(426)는, 파일럿라인(425)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 조작자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(426)로부터 출력되는 2차측의 유압은, 유압라인(427)을 통하여 컨트롤밸브(417)에 공급됨과 함께, 압력센서(429)에 의하여 검출된다.
컨트롤러(제어부)(430)의 구성 및 기능은, 상기 서술한 컨트롤러(30)와 마찬가지이다. 다만, 축전수단(520), 인버터회로(418A, 420A)를 내장하는 인버터유닛, 및 컨트롤러(430)를 내장하는 컨트롤유닛의 구성은, 상기 서술한 축전수단(120), 인버터유닛(62~65) 및 컨트롤유닛(600)과 마찬가지로 할 수 있다.
그리고, 컨트롤러(430)는, 축전수단(520)의 DC버스의 전압을 저하시키기 위한 DC버스전압 저하모드를 가지고 있고, 그 DC버스전압 저하모드에 있어서, 인버터회로(418A, 420A)를 정지시킴과 함께, 인버터회로(420C)를 구동하여 펌프모터(571)에 전력을 소비시킴으로써 DC버스의 전압을 저하시킨다.
본 발명에 의한 작업기계는, 상기 서술한 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는 작업기계로서 리프팅마그넷 차량 및 포크리프트의 경우를 예시하여 설명하였지만, 다른 작업기계(예컨대, 쇼벨이나 휠 로더, 크레인, 불도저)에도 본 발명을 적용하여도 된다.
(제2 실시형태)
전동발전기 및 선회를 위한 교류전동기 및 이들 장치를 구동제어하는 구동제어장치(인버터 등)는, 동작시의 전력소비에 기인하여 발열하기 때문에, 하이브리드형 건설기계는, 이들 장치를 냉각하기 위한 냉각기구를 구비하고 있다. 또한, 이들 장치의 온도이상에 의한 소손을 방지하기 위하여, 구동제어장치 등은, 그 구동제어장치 등이 임계치 이상의 온도가 되었을 경우에 동작을 정지시키기 위한 구성을 구비하고 있다. 한편, 건설기계가 사용되는 현장에 있어서는, 작업효율 향상을 위하여, 연속운전이 가능한 것이 바람직하다. 온도상승에 의하여 구동제어장치 등이 정지하면, 연속운전이 불가능하게 되어, 작업효율의 저하를 초래한다. 이하, 연속운전을 실현함으로써, 작업효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드형 건설기계에 대하여 설명한다.
도 27은, 본 발명에 관한 작업기계의 일례로서, 쇼벨(1001)의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 27에 나타내는 바와 같이, 쇼벨(1001)은, 무한궤도를 포함하는 주행기구(1002)와, 주행기구(1002)의 상부에 선회기구(1003)를 통하여 회전운동 가능하게 탑재된 선회체(1004)를 구비하고 있다. 선회체(1004)에는, 붐(1005)과, 붐(1005)의 선단에 링크접속된 암(1006)과, 암(1006)의 선단에 링크접속된 버킷(1010)이 장착되어 있다. 붐(1005), 암(1006), 및 버킷(1010)은, 각각 붐 실린더(1007), 암 실린더(1008), 및 버킷 실린더(1009)에 의하여 유압 구동된다. 또한, 선회체(1004)에는, 버킷(1010)의 위치를 조작하는 조작자를 수용하기 위한 운전실(1004a)이나, 유압을 발생시키기 위한 엔진(1011)과 같은 동력원이 설치되어 있다. 엔진(1011)은, 예컨대 디젤엔진으로 구성된다.
도 28은, 본 실시형태의 쇼벨(1001)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다. 다만, 도 28에서는, 기계적으로 동력을 전달하는 계통을 이중선으로, 유압계통을 굵은 실선으로, 조종계통을 파선으로, 전기계통을 가는 실선으로 각각 나타내고 있다.
도 28에 나타내는 바와 같이, 쇼벨(1001)은 전동발전기(1012) 및 감속기(1013)를 구비하고 있고, 엔진(1011) 및 전동발전기(1012)의 회전축은, 모두 감속기(1013)의 입력축에 접속됨으로써 서로 연결되어 있다. 엔진(1011)의 부하가 클 때에는, 전동발전기(1012)가 자신의 구동력에 의하여 엔진(1011)의 구동력을 보조(어시스트)하고, 전동발전기(1012)의 구동력이 감속기(1013)의 출력축을 거쳐서 메인펌프(1014)에 전달된다. 한편, 엔진(1011)의 부하가 작을 때에는, 엔진(1011)의 구동력이 감속기(1013)를 거쳐서 전동발전기(1012)에 전달됨으로써, 전동발전기(1012)가 발전을 행한다. 전동발전기(1012)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM(Interior Permanent Magnetic) 모터에 의하여 구성된다. 전동발전기(1012)의 구동과 발전의 전환은, 쇼벨(1001)에 있어서의 전기계통의 구동제어를 행하는 컨트롤러(제어부)(1030)에 의하여, 엔진(1011)의 부하 등에 따라서 행하여진다.
감속기(1013)의 출력축에는 메인펌프(1014) 및 파일럿펌프(1015)가 접속되어 있고, 메인펌프(1014)에는 고압 유압라인(1016)을 통하여 컨트롤밸브(1017)가 접속되어 있다. 컨트롤밸브(1017)는, 쇼벨(1001)에 있어서의 유압계를의 제어를 행하는 장치이다. 컨트롤밸브(1017)에는, 도 27에 나타낸 주행기구(1002)를 구동하기 위한 유압모터(1002A 및 1002B) 외에, 붐 실린더(1007), 암 실린더(1008), 및 버킷 실린더(1009)가 고압 유압라인을 통하여 접속되어 있고, 컨트롤밸브(1017)는, 이들에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라서 제어한다.
전동발전기(1012)의 전기적인 단자에는, 인버터(1018A)(제2 구동제어수단)의 출력단이 접속되어 있다. 인버터(1018A)의 입력단에는, 축전수단(축전부)(1100)이 접속되어 있다. 축전수단(1100)은, 예컨대 축전지인 배터리와, 배터리의 충방전을 제어하는 승강압 컨버터와, 플러스극 및 마이너스극의 직류배선으로 이루어지는 DC버스를 구비하고 있다(도시하지 않음). 여기서, DC버스는 일정전압 축전부를 구성하고, 배터리는 변동전압 축전부를 구성한다. 즉, 인버터(1018A)의 입력단은, DC버스를 통하여 승강압 컨버터의 입력단에 접속되게 된다. 승강압 컨버터의 출력단에는, 배터리가 접속되어 있다.
인버터(1018A)는, 컨트롤러(1030)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(1012)의 운전제어를 행한다. 즉, 인버터(1018A)가 전동발전기(1012)를 역행(力行)운전시킬 때에는, 필요한 전력을 배터리 및 승강압 컨버터로부터 DC버스를 통하여 전동발전기에 공급한다. 또한, 전동발전기(1012)를 회생(回生)운전시킬 때에는, 전동발전기(1012)에 의하여 발전된 전력을 DC버스 및 승강압 컨버터를 통하여 배터리에 충전한다. 다만, 승강압 컨버터의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압치, 배터리 전압치, 및 배터리 전류치에 근거하여, 컨트롤러(1030)에 의하여 행하여진다. 이로써, DC버스를, 미리 정하여진 일정전압치로 축전된 상태로 유지할 수 있다.
축전수단(1100)에는, 인버터(1018B)를 통하여 붐 회생용 발전기(1300)가 접속되어 있다. 붐 실린더(1007)에 유압모터(1310)가 접속되어 있고, 붐 회생용 발전기(1300)의 회전축은, 유압모터(1310)에 의하여 구동된다. 붐 회생용 발전기(1300)는, 붐(1005)이 중력의 작용에 의하여 내려갈 때, 위치에너지를 전기에너지로 변환하는 전동 작업요소이다.
유압모터(1310)는, 붐(1005)이 내려갈 때 붐 실린더(1007)로부터 토출되는 오일에 의하여 회전되도록 구성되어 있고, 붐(1005)이 중력에 의하여 내려갈 때의 에너지를 회전력으로 변환하기 위하여 설치되어 있다. 유압모터(1310)는, 컨트롤밸브(1017)와 붐 실린더(1007) 사이의 유압관(1007A)에 설치되어 있다. 붐 회생용 발전기(1300)에서 발전된 전력은, 회생에너지로서 인버터(1018B)를 거쳐서 축전수단(1100)에 공급된다.
또한, 축전수단(1100)에는, 인버터(1018C)(제1 구동제어수단)를 통하여 작업용 전동기로서의 선회용 전동기(1021)가 접속되어 있다. 선회용 전동기(1021)는, 선회체(1004)를 선회시키는 선회기구(1003)의 동력원이다. 선회용 전동기(1021)의 회전축(1021A)에는, 리졸버(1022), 메카니컬 브레이크(1023), 및 선회감속기(1024)가 접속된다.
선회용 전동기(1021)가 역행(力行)운전을 행할 때에는, 선회용 전동기(1021)의 회전 구동력의 회전력이 선회감속기(1024)에서 증폭되어, 선회체(1004)가 가감속 제어되어 회전운동을 행한다. 또한, 선회체(1004)의 관성회전에 의하여, 선회감속기(1024)에서 회전수가 증가되어 선회용 전동기(1021)에 전달되고, 회생(回生)전력을 발생시킨다. 선회용 전동기(1021)는, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라서 인버터(1018C)에 의하여 교류 구동된다. 선회용 전동기(1021)로서는, 예컨대, 자석 내장형의 IPM 모터가 적합하다.
리졸버(1022)는, 선회용 전동기(1021)의 회전축(1021A)의 회전위치 및 회전각도를 검출하는 센서로서, 선회용 전동기(1021)와 기계적으로 연결함으로써 회전축(1021A)의 회전각도 및 회전방향을 검출한다. 리졸버(1022)가 회전축(1021A)의 회전각도를 검출함으로써, 선회기구(1003)의 회전각도 및 회전방향이 도출된다. 메카니컬 브레이크(1023)는, 기계적인 제동력을 발생시키는 제동장치로서, 컨트롤러(1030)로부터의 지령에 의하여, 선회용 전동기(1021)의 회전축(1021A)을 기계적으로 정지시킨다. 선회감속기(1024)는, 선회용 전동기(1021)의 회전축(1021A)의 회전속도를 감속하여 선회기구(1003)에 기계적으로 전달하는 감속기이다.
파일럿펌프(1015)에는, 파일럿라인(1025)을 통하여 조작장치(1026)(조작수단)가 접속되어 있다. 조작장치(1026)는, 선회용 전동기(1021), 주행기구(1002), 붐(1005), 암(1006), 및 버킷(1010)을 조작하기 위한 조작장치이며, 조작자에 의하여 조작된다. 조작장치(1026)에는, 유압라인(1027)을 통하여 컨트롤밸브(1017)가 접속되고, 또한, 유압라인(1028)을 통하여 압력센서(1029)가 접속된다. 조작장치(1026)는, 파일럿라인(1025)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 조작자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(1026)로부터 출력되는 2차측의 유압은, 유압라인(1027)을 통하여 컨트롤밸브(1017)에 공급됨과 함께, 압력센서(1029)에 의하여 검출된다.
압력센서(1029)는, 조작장치(1026)에 대하여 선회기구(1003)를 선회시키기 위한 조작이 입력되면, 이 조작량을 유압라인(1028) 내의 유압의 변화로서 검출한다. 압력센서(1029)는, 유압라인(1028) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는, 컨트롤러(1030)에 입력되어, 선회용 전동기(1021)의 구동제어에 이용된다.
컨트롤러(1030)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치에 의하여 구성되고, 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 CPU가 실행함으로써 실현된다. 컨트롤러(1030)는, 각종 센서 및 조작장치(1026) 등으로부터의 조작입력을 받아서, 인버터(1018A, 1018B, 1018C) 및 축전수단(1100) 등의 구동제어를 행한다.
또한, 본 실시형태의 컨트롤러(1030)는, 쇼벨(1001)의 메인터넌스 등을 실시할 때에 DC버스의 전압을 저하시키기 (구체적으로는, DC버스에 접속된 평활용 콘덴서 등에 축적된 전하를 소비시키기) 위한 DC버스전압 저하모드(모선전압 저하모드)를 가지고 있다. 컨트롤러(1030)는, 이 DC버스전압 저하모드에 있어서, 인버터회로(1018A, 1018B 및 1018C), 및 승강압 컨버터(1102)를 모두 정지시키고, 승강압 컨버터(1102)와 배터리 사이에 설치된 스위치를 비접속상태로 한 후, 별도의 인버터회로를 구동하여 펌프모터에 전력을 소비시킴으로써 DC버스의 전압을 저하시킨다. DC버스전압 저하모드는, 쇼벨(1001)의 운전이 정지되었을 때(구체적으로는, 조작자의 키의 조작에 의하여 엔진(1011)이 정지하려고 할 때), 혹은, 운전실(1004a) 내의 조작패널을 통하여 작업자에 의하여 DC버스전압 저하모드의 개시에 관한 입력이 이루어졌을 때에 개시된다.
다음으로, 도 29를 참조하여, 인버터(1018)에 대하여 설명한다. 도 29는, 인버터(1018)의 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
인버터(1018)는, 컨트롤러(1030)로부터의 PWM신호에 의하여 제어되고, 선회용 전동기(1021) 등의 모터를 구동하기 위한 모터 구동신호를 생성하여 출력한다. 인버터(1018)의 내부에는, 인버터의 회로를 구성하는 트랜지스터를 내장한 IPM(1018a)이 구성되어 있다. IPM(1018a)은, 온도센서 등의 각종 센서(1018b)를 탑재하고 있다. 각종 센서(1018b)는, 과전류, 제어전원전압 저하, 출력단락, 온도이상과 같은 사상(事象; event)을 검출하고, 이러한 사상을 검출하였을 경우에는, IPM 에러신호를 출력한다. 여기서, 온도이상의 사상은, 인버터(1018)의 온도가 소정의 운전정지온도(TIh) 이상이 된 것을 의미한다. 운전정지온도는, 예컨대 100℃로 설정된다. IPM(1018a)은, IPM 에러신호를 검출하면, 구동대상인 모터나 인버터(1018)의 소손방지를 위하여, 구동대상인 모터를 구동하기 위한 전류의 공급을 정지한다. 이 경우에는, 쇼벨(1001)의 동작 자체도 정지되어, 연속운전이 중단된다.
계속하여 도 30을 참조하여, 쇼벨(1001)이 구비하는 냉각장치에 대하여 설명한다. 도 30은, 냉각장치에 있어서의 냉각수의 배관의 일례를 나타내는 도면이다.
도 30에 나타내는 바와 같이 냉각장치는, 탱크(1400), 펌프(1401), 펌프모터(1402), 라디에이터(1403) 및 수온계(1404)(온도검출수단)를 구비한다. 이 냉각장치에 있어서의 냉각수(냉매)는, 탱크(1400)에 축적되어 있고, 펌프모터(1402)에 의하여 구동되는 펌프(1401)에 의하여 라디에이터(1403)에 보내진다. 라디에이터(1403)에서 냉각된 냉각수는, 배관에 의하여 컨트롤러(1030)를 경유하여, 인버터(1018A, 1018B, 1018C), 승강압 컨버터(1102), 배터리(1101)에 보내진다. 냉각수는, 더욱 선회용 전동기(1021), 전동발전기(1012), 감속기(1013)를 경유하여 탱크(1400)로 되돌려진다. 수온계(1404)는, 라디에이터(1403)로부터 송출된 냉각수의 온도를 검출하고, 검출한 온도에 관한 정보를 컨트롤러(1030)에 송출한다.
또한, 컨트롤러(1030)에의 냉각수의 배관은, 라디에이터(1403)와 직결되어 있다. 이로써, 컨트롤러(1030) 내의 CPU에 대한 냉각성능을 확보할 수 있으므로, 쇼벨(1001)의 신뢰성이 확보된다. 도 30에서는, 컨트롤러(1030)의 냉각에 사용한 냉각수가 인버터(1018A~1018C), 승강압 컨버터(1102) 등의 냉각에 이용되도록 배관이 접속되어 있지만, 라디에이터(1403)로부터의 배관이, 컨트롤러(1030), 인버터(1018A~1018C), 승강압 컨버터(1102) 등에 병렬접속되는 것으로 하여도 좋다.
계속하여, 도 31을 참조하여, 컨트롤러(1030)에 대하여 설명한다. 도 31은, 컨트롤러(1030)의 기능적 구성을 나타내는 개략 구성도이다.
도 31에 나타내는 바와 같이 컨트롤러(1030)는, 전체 제어부(1030D), 인버터 제어부(1030A, 1030B, 1030C)를 포함한다. 전체 제어부(1030D)는, 쇼벨(1001)이 구비하는 각 구성요소의 전체적인 제어를 실행하는 부분으로서, 인버터 제어부(1030A, 1030B, 1030C)에 대하여 속도지령, 토크 리미트치(値)와 같은 각종 정보를 송출한다. 또한, 전체 제어부(1030D)는, 수온계(1404)로부터 송출된 냉각수의 온도에 관한 정보를 취득한다.
전체 제어부(1030D)가 인버터 제어부(1030A, 1030B, 1030C)에 송출하는 토크 리미트치는, 인버터(1018A, 1018B, 1018C)로부터, 전동발전기(1012), 붐 회생용 발전기(1300), 선회용 전동기(1021)에 공급되는 전류의 상한치를 설정하기 위하여 이용된다. 즉, 전체 제어부(1030D)는, 수온계(1404)로부터 취득한 냉각수의 온도(T)가 소정의 출력억제온도(Tth) 이상인 경우에는, 냉각수의 온도(T)가 출력억제온도(Tth)보다 낮은 경우와 비교하여, 전동발전기(1012), 붐 회생용 발전기(1300), 선회용 전동기(1021)에 공급되는 전류의 상한치를 작게 하도록 인버터(1018A, 1018B, 1018C)를 제어한다. 여기서, 냉각수는 컨트롤러(1030) 내의 CPU에 대한 냉각성능을 유지할 필요가 있기 때문에, 출력억제온도(Tth)는, 인버터의 운전정지온도(TIh)보다 낮게 설정된다. 구체적으로는, 출력억제온도(Tth)는, 인버터(1018)의 IPM(1018a)에 있어서, IPM 에러신호가 출력되는 사상의 하나인 온도이상의 기준온도인 운전정지온도보다 낮게 설정된다. 이로써, 인버터(1018A, 1018B, 1018C)가 전동발전기(1012), 붐 회생용 발전기(1300), 선회용 전동기(1021)로의 전류의 공급을 정지시키는 기구의 동작을 개시하기 전에, 공급되는 전류의 상한치를 작게 하게 되는 제어가 컨트롤러(1030)에 의하여 행하여진다. 따라서, 전동발전기(1012), 붐 회생용 발전기(1300), 선회용 전동기(1021)의 온도이상에 의한 운전정지가 방지되어, 쇼벨(1001)의 연속운전이 실현된다. 여기서 컨트롤러(1030)에 의하여 행하여지는 제어의 상세에 대하여는 후술한다.
인버터 제어부(1030A, 1030B, 1030C)는 각각, 인버터(1018A, 1018B, 1018C)를 제어하는 부분이다. 여기서, 도 32를 참조하여, 인버터 제어부(1030A~1030C)에 대하여 설명한다. 도 32는 인버터 제어부(1030C)의 구성을 나타내는 블록도이다. 다만, 인버터 제어부(1030A, 1030B)는, 인버터 제어부(1030C)와 마찬가지의 구성을 가진다.
도 32에 나타내는 바와 같이, 인버터 제어부(1030C(1030))는, 감산기(1031), PI제어부(1032), 토크 제한부(1033), 감산기(1034), PI제어부(1035), 전류 변환부(1037), 선회동작 검출부(1038) 및 PWM신호생성부(1040)를 구비한다.
감산기(1031)는, 선회용 전동기(1021)로 구동되는 작업요소의 선회속도의 속도지령치로부터, 선회동작 검출부(1038)에 의하여 검출되는 선회속도치를 감산하여 편차를 출력한다. 선회속도의 속도지령치는, 예컨대 조작장치(1026)의 조작량에 따른 지령치이며(도 28 참조), 컨트롤러(1030)의 전체 제어부(1030D)로부터 송출된다.
리졸버(1022)는, 선회용 전동기(1021)의 회전위치의 변화를 검출한다. 선회동작 검출부(1038)는, 선회용 전동기(1021)의 회전위치의 변화에 근거하여 선회속도치를 산출하여, 감산기(1031)에 출력한다.
PI제어부(1032)는, 감산기(1031)로부터 출력된 편차에 근거하여, 선회용 전동기(1021)의 회전속도를 속도지령치에 근접시켜서 편차가 작아지도록 PI제어를 행하고, 그 제어를 위한 토크전류 지령치를 생성한다. PI제어부(1032)는, 토크전류 지령치를 토크 제한부(1033)에 출력한다.
토크 제한부(1033)는, PI제어부(1032)로부터 출력된 토크전류 지령치에 의하여 선회용 전동기(1021)에 발생되는 토크가, 선회용 전동기(1021)의 허용 토크치 이하가 되도록, 토크전류 지령치를 소정의 토크 리미트치(토크의 상한치)의 범위로 제한한다. 이 토크 리미트치는, 전체 제어부(1030D)로부터 송출되고, 토크 제한부(1033)는, 송출된 토크 리미트치를 취득한다. 인버터(1018C)를 제어하는 인버터 제어부(1030C)에서는, 통상시에는, 예컨대 가속시 토크 리미트치(XU)는 구동대상인 선회용 전동기(1021)에 있어서의 정격토크의 150%, 감속시 토크 리미트치(XD)는 정격토크의 250%로 설정된다.
여기서, 도 33의 플로우차트를 참조하여, 컨트롤러(1030)의 전체 제어부(1030D)에 있어서 실행되는 토크 리미트치의 설정처리를 설명한다.
스텝 S1001에 있어서, 전체 제어부(1030D)는, 수온계(1404)로부터 취득한 냉각수의 온도(T)가 소정의 출력억제온도(Tth)보다 큰지 여부를 판정한다. 출력억제온도(Tth)는, 예컨대 60℃로 설정된다. 냉각수의 온도(T)가 소정의 출력억제온도(Tth)보다 큰 경우에는, 처리는 스텝 S1002로 진행되고, 냉각수의 온도(T)가 소정의 출력억제온도(Tth)보다 크지 않은 경우에는, 스텝 S1001의 판정처리가 반복된다.
스텝 S1002에 있어서, 전체 제어부(1030D)는, 인버터 제어부(1030)의 토크 제한부(1033)를 위한 토크 리미트치를, 가속시 토크 리미트치(XU) 및 감속시 토크 리미트치(XD)로부터, 가속시 억제 토크 리미트치(XU*) 및 감속시 억제 토크 리미트치(XD*)로 변경한다. 가속시 억제 토크 리미트치(XU*)는, 예컨대 선회용 전동기(1021)에 있어서의 정격토크의 100%로 설정되고, 감속시 억제 토크 리미트치(XD*)는, 예컨대 선회용 전동기(1021)에 있어서의 정격토크의 150%로 설정된다. 이로써, 선회용 전동기(1021)에 공급되는 전류의 상한치를 작게 하도록 인버터(1018C)를 제어할 수 있다. 다만, 설정의 기준으로 하는 정격토크는, 전동발전기(1012), 붐 회생용 발전기(1300), 선회용 전동기(1021) 등의 구동대상에 따른 값이 이용된다.
스텝 S1003에 있어서, 전체 제어부(1030D)는, 수온계(1404)로부터 취득한 냉각수의 온도(T)가 출력억제온도(Tth) 이하로 돌아왔는지 여부를 판정한다. 냉각수의 온도(T)가 출력억제온도(Tth) 이하가 되었을 경우에는, 처리는 스텝 S1004로 진행되고, 냉각수의 온도(T)가 출력억제온도(Tth) 이하가 아닌 경우에는, 스텝 S1003의 판정처리가 반복되고, 토크 리미트치는, 가속시 억제 토크 리미트치(XU*) 및 감속시 억제 토크 리미트치(XD*)가 설정된 그대로가 된다.
스텝 S1004에 있어서, 전체 제어부(1030D)는, 토크 제한부(1033)를 위한 토크 리미트치를, 가속시 억제 토크 리미트치(XU*) 및 감속시 억제 토크 리미트치(XD*)로부터, 가속시 토크 리미트치(XU) 및 감속시 토크 리미트치(XD)로 되돌린다.
여기서 다시 도 32를 참조하여, 감산기(1034)는, 토크 제한부(1033)로부터 출력된 토크전류 지령치로부터, 전류 변환부(1037)로부터의 출력치를 감산하여 편차를 출력한다.
전류 변환부(1037)는, 선회용 전동기(1021)의 모터 구동신호의 전류치를 검출하고, 검출한 모터 구동신호의 전류치를 토크전류 지령치에 상당하는 값으로 변환하여, 감산기(1034)에 출력한다.
PI제어부(1035)는, 감산기(1034)로부터 출력된 편차를 취득하고, 이 편차가 작아지게 되는 PI제어를 행하고, 인버터(1018C)를 구동하기 위한 구동지령을 생성한다. PI제어부(1035)는, 구동지령을 PWM신호생성부(1040)에 출력한다.
PWM신호생성부(1040)는, PI제어부(1035)로부터의 구동지령에 근거하여, 인버터(1018C)의 트랜지스터를 스위칭제어하기 위한 PWM신호를 생성하여, 인버터(1018C)에 출력한다.
다음으로, 컨트롤러(1030)의 전체 제어부(1030D)에 의하여 토크 리미트치의 설정이 행하여졌을 때의, 토크, 선회체(1004)의 선회속도 및 선회용 전동기(1021)의 회전속도를 도 34에 나타낸다. 도 34(a)는, 운전조작에 의하여 시간에 대하여 변화하는 토크의 상태를 나타낸 그래프이고, 도 34(b)는, 선회체(1004)의 선회속도를 나타낸 그래프이며, 도 34(c)는, 선회용 전동기(1021)의 회전속도를 나타낸 그래프이다. 이들 그래프에 있어서, 통상시는 실선으로 나타내고, 토크 리미트치가 변경된 경우는 파선으로 나타내고 있다.
도 34(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 통상시에는, 시각(t0~t1)에 있어서, 선회용 전동기(1021)의 정격토크의 150%의 토크로 선회체(1004)의 선회가 가속된다. 이에 대하여, 토크 리미트치가 변경된 경우에는, 시각(t0~t2)에 있어서, 정격토크의 100%의 토크로 선회체(1004)의 선회가 가속된다. 토크 리미트치가 변경된 경우에 있어서의 가속도는, 통상시와 비교하여 작게 되어 있다. 또한, 토크 리미트치가 변경된 경우에 있어서의 가속의 결과 도달하는 선회속도는, 통상시와 비교하여 늦게 되어 있고, 통상시의 60% 정도이다.
시각(t3)으로부터 감속조작을 행하면, 통상시에는, 시각(t3~t4)에 있어서, 선회용 전동기(1021)의 정격토크의 250%의 토크로 선회체(1004)의 선회가 감속된다. 한편, 토크 리미트치가 변경된 경우에는, 시각(t3~t5)에 있어서, 정격토크의 150%의 토크로 선회체(1004)의 선회가 감속된다. 토크 리미트치가 변경된 경우에 있어서의 가속도는, 통상시와 비교하여 작게 되어 있다. 또한, 토크 리미트치가 변경된 경우에는, 통상시와 비교하여, 정지하기 위한 시간이 많이 필요하게 된다.
또한, 도 34(c)에 나타내는 바와 같이, 엔진(1011)의 회전수가 일정한 것에 기인하여, 선회용 전동기(1021)의 회전속도는, 토크 리미트치가 변경되었을 경우 및 통상시 모두 일정하게 된다. 이로 인하여, 선회용 전동기(1021)에 대한 부하의 상황에 따라서 토크가 변동하게 되고, 변동하는 토크에 대응하여, 인버터(1018C)로부터 선회용 전동기(1021)에 전류가 공급된다. 따라서, 토크 리미트치를 설정함으로써, 선회용 전동기(1021)에 공급되는 전류의 상한을 제어하는 것이 가능하여진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 쇼벨(1001)에서는, 인버터(1018)를 냉각하기 위한 냉각수의 온도가 출력억제온도(Tth) 이상이 되었을 경우에는, 선회용 전동기(1021) 등의 교류전동기에 공급되는 전류의 상한치가 작아지므로, 인버터(1018)에 있어서의 온도상승이 억제된다. 출력억제온도(Tth)는, IPM(1018a)에 있어서의 운전정지온도(TIh)보다 낮기 때문에, 인버터(1018)가 교류전동기로의 전류의 공급을 정지하는 기구의 동작을 개시시키기 전에, 인버터(1018)가 교류전동기에 공급하는 전류의 상한치를 작게 하는 제어가 컨트롤러에 의하여 실시된다. 이와 같이, 인버터(1018A) 내의 온도센서의 검출치가 운전정지온도(TIh) 이상이 되면 쇼벨(1001)의 기계를 정지시키는 것이 가능하기 때문에, 냉각수의 온도가 상승되어도 즉시 기계를 정지시킬 필요는 없다. 이로써, 인버터(1018)의 온도이상에 의한 정지가 방지되어, 쇼벨(1001)의 연속운전이 실현된다.
여기서, 컨트롤러(1030)의 DC버스전압 저하모드에 대하여 더욱 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, DC버스전압 저하모드란, 쇼벨(1001)의 운전이 정지된 상태에 있어서 DC버스의 전압을 저하시키기 위한 동작모드로서, 인버터회로(1018A, 1018B 및 1018C), 및 승강압 컨버터(1102)를 모두 정지시키고, 승강압 컨버터(1102)와 배터리(1101) 사이에 설치된 스위치(도 3의 스위치(100E, 100F)와 마찬가지의 것)를 비접속상태로 한 후, 인버터회로를 구동하여 펌프모터(도 2의 펌프모터(171)와 마찬가지의 것)에 전력을 소비시킴으로써, DC버스의 전압을 저하시키는 모드이다.
도 35는, DC버스전압 저하모드에 있어서의 쇼벨(1001)의 동작을 나타내는 플로우차트이다. 먼저, 작업자에 의하여, 쇼벨(1001)의 운전을 정지시키기 위하여 이그니션 키가 조작된다(스텝 S1011). 본 실시형태에서는, 이와 같이 쇼벨(1001)의 운전이 정지될 때마다, 컨트롤러(1030)가 DC버스전압 저하모드를 개시한다. 즉, 컨트롤러(1030)는, 상기 키의 조작을 받아서, 인버터회로(1018A, 1018B 및 1018C)의 구동을 정지한다(스텝 S1012). 이로써, 전동발전기(1012), 선회용 전동기(1021)로의 전력공급이 정지된다. 다음으로, 컨트롤러(1030)는, 승강압 컨버터(1102)의 구동을 정지한다(스텝 S1013). 그리고, 컨트롤러(1030)는, 승강압 컨버터(1102)와 배터리(1101) 사이의 스위치(도 3을 참조)를 비도통상태로 한다(스텝 S1014). 이로써, DC버스와 배터리(1101)가 전기적으로 분리된다. 그리고, 컨트롤러(1030)는, 엔진(1011)의 ECU 등에 지시하여 엔진(1011)을 정지시킨다(스텝 S1015).
이때, 인버터회로는 냉각용 전동기인 펌프모터의 구동을 계속하고 있고, 펌프모터에 의하여 냉각액 순환시스템의 내부를 냉각액이 계속 순환하고 있다. 컨트롤러(1030)는, 인버터회로의 구동을 계속하여, 펌프모터의 동작을 계속시킨다(스텝 S1016). 인버터회로의 구동은, 전압센서에 의하여 검출되는 DC버스의 전압이 소정의 임계치 이하가 될 때까지 계속된다(스텝 S1017; No). 다만, 이 소정의 임계치는, 예컨대 “인체가 현저하게 젖어 있는 상태, 또는 금속으로 만든 전기기계설비나 구조물에 인체의 일부가 상시 접촉하고 있는 상태”에서도 안전하다고 하는 25V가 적합하다(일본전기협회 지침·종별 제2종).
그리고, DC버스의 전압이 소정의 임계치 이하가 되면(스텝 S1017; Yes), 컨트롤러(1030)는 인버터회로의 구동을 정지한다(스텝 S1018). 이로써, 펌프모터의 동작이 정지되어 DC버스전압 저하모드가 종료되고, 쇼벨(1001)의 운전이 완전히 정지된다.
도 36은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 DC버스의 전압의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다. 펌프모터의 구동이 계속된 채로 스위치가 비도통상태가 되면(도면 중 시각(T1)), DC버스의 전압(Vdc)은 직전의 전압(Vact)으로부터 서서히 저하된다. 이 저하속도는 펌프모터의 소비전력에 의존한다. 그리고, DC버스의 전압(Vdc)이 소정의 임계치(Vth)를 하회하면(도면 중 시각(T2)), 펌프모터의 동작이 정지하므로 전압(Vdc)의 저하속도는 완만하여진다.
상기 서술한 바와 같이, 쇼벨(1001)은, 메인터넌스 등의 필요에 따라서 DC버스의 전압을 저하시킬 때, 펌프를 구동하기 위한 펌프모터를 컨트롤러(1030)가 DC버스의 전압에 의하여 구동시킴으로써, DC버스의 전압이 소비된다. 본래, 펌프는 인버터유닛이나 승강압 컨버터유닛을 냉각하기 위하여 쇼벨(1001)에 탑재된 것이므로, 이러한 방식에 의하면, DC버스전압 저하모드만을 위하여 저항이나 스위치 등의 부품을 새로이 추가할 필요는 없다. 따라서, 본 실시형태의 쇼벨(1001)에 의하면, 신뢰성의 저하가 억제된 구성으로, DC버스의 전압을 저하시킬 수 있다.
또한, 펌프모터는, 예컨대 유압펌프를 구동하는 전동발전기(1012)나, 선회체(1004) 등의 작업요소를 구동하는 선회용 전동기(1021) 등의 작업용 전동기와는 달리, 가동부나 작업요소 등에 대하여 구동력을 부여하는 것이 아니고, 이 펌프모터가 구동하여도 배관 내부를 냉각액이 순환하기만 할 뿐이다. 따라서, 본 실시형태의 쇼벨(1001)에 의하면, 작업요소 등에 대하여 구동력을 부여하지 않고 DC버스의 전압을 저하시킬 수 있으므로, DC버스의 전압을 안전하게 저하시킬 수 있다.
다만, 이상의 실시형태에서는, 본 발명에 관한 작업기계의 일례로서 쇼벨(1001)을 나타내었지만, 본 발명의 작업기계의 다른 예로서는, 리프팅마그넷 차량, 휠 로더 및 크레인 등을 들 수 있다.
(제3 실시형태)
일반적으로, 하이브리드형 건설기계에 있어서는, 교류전동기를 구동하기 위하여 배터리의 직류전력을 교류전력으로 변환하고, 또한, 교류전동기에 있어서의 회생전력을 배터리에 축전하기 위하여 교류전력을 직류전력으로 변환한다. 이로 인하여, 적어도 하나의 인버터회로가 필요하다. 또한, 배터리의 충방전을 제어하기 위하여, 승강압 컨버터가 필요하다. 그리고, 배터리의 축전량에 따라서 어시스트 동작이나 발전동작 등을 효율적으로 행하기 위하여, 이들 인버터회로 및 승강압 컨버터회로를 통합적으로 제어하는 서보제어 시스템이 설치되는 경우가 있다.
그러나, 건설기계는, 가혹한 작업환경 하에서 사용되는 경우도 있다. 따라서, 건설기계에 탑재되는 서보제어 시스템에는, 진동이나 충격에 대한 신뢰성이 높은 레벨로 요구된다. 특히, 건설기계에서는 교류전동기의 소비전력이 비교적 크기 때문에, 서보제어 시스템에 탑재되는 파워트랜지스터의 출력이나 콘덴서의 용량 등을 크게 할 필요가 있고, 서보제어 시스템이 대형화·중량화되어 버리기 때문에, 내진성이나 내충격성을 확보하기 위해서는 충분한 구조강도가 요구된다.
한편, 가혹한 환경하에서 이용되는 건설기계에는, 높은 메인터넌스성도 요구된다. 즉, 어떤 인버터회로에 이상이 발생하였을 경우, 그 자리에서 검사·수리하는 것은 곤란하므로, 다른 장소에 운반하여 수리 등을 행하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이, 교류전동기의 소비전력이 큰 기기에서는 서보제어 시스템이 대형화·중량화되어 버려서, 서보제어 시스템을 운반하는 것이 곤란하여진다.
이하, 축전지의 전력을 이용하여 복수의 교류전동기를 구동하는 서보제어 시스템에 있어서 높은 내진성이나 내충격성과 높은 메인터넌스성을 양립할 수 있는 하이브리드형 건설기계에 대하여 설명한다.
도 37은, 본 발명에 관한 작업기계의 일례로서, 리프팅마그넷 차량(2001)의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 37에 나타내는 바와 같이, 리프팅마그넷 차량(2001)은, 무한궤도를 포함하는 주행기구(2002)와, 주행기구(2002)의 상부에 선회기구(2003)를 통하여 회전운동 가능하게 탑재된 선회체(2004)를 구비하고 있다. 선회체(2004)에는, 붐(2005)과, 붐(2005)의 선단에 링크접속된 암(2006)과, 암(2006)의 선단에 링크접속된 리프팅마그넷(2007)이 장착되어 있다. 리프팅마그넷(2007)은, 강재 등의 매달린 하물(G)을 자력에 의하여 흡착하여 포획하기 위한 설비이다. 붐(2005), 암(2006), 및 리프팅마그넷(2007)은, 각각 붐 실린더(2008), 암 실린더(2009), 및 버킷 실린더(2010)에 의하여 유압 구동된다. 또한, 선회체(2004)에는, 리프팅마그넷(2007)의 위치나 여자(勵磁)동작 및 석방(釋放)동작을 조작하는 조작자를 수용하기 위한 운전실(2004a)이나, 유압을 발생시키기 위한 엔진(내연기관 발동기)(2011) 등의 동력원이 설치되어 있다. 엔진(2011)은, 예컨대 디젤엔진으로 구성된다.
또한, 리프팅마그넷 차량(2001)은 서보제어유닛(2060)을 구비하고 있다. 서보제어유닛(2060)은, 선회기구(2003)나 리프팅마그넷(2007) 등의 작업요소를 구동하기 위한 교류전동기나, 엔진(2011)을 어시스트하기 위한 전동발전기, 및 축전지(배터리)의 충방전을 제어한다. 서보제어유닛(2060)은, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 교류전동기나 전동발전기를 구동하기 위한 인버터유닛, 배터리의 충방전을 제어하는 승강압 컨버터유닛 등의 복수의 드라이버유닛과, 그 복수의 드라이버유닛을 제어하기 위한 컨트롤유닛을 구비하고 있다.
도 38은, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다. 다만, 도 38에서는, 기계적으로 동력을 전달하는 계통을 이중선으로, 유압계통을 굵은 실선으로, 조종계통을 파선으로, 전기계통을 가는 실선으로 각각 나타내고 있다. 또한, 도 39는, 도 38에 있어서의 축전수단(축전부)(2120)의 내부구성을 나타내는 도면이다.
도 38에 나타내는 바와 같이, 리프팅마그넷 차량(2001)은 전동발전기(2012) 및 감속기(2013)를 구비하고 있고, 엔진(2011) 및 전동발전기(2012)의 회전축은, 모두 감속기(2013)의 입력축에 접속됨으로써 서로 연결되어 있다. 엔진(2011)의 부하가 클 때에는, 전동발전기(2012)가 이 엔진(2011)을 작업요소로서 구동함으로써 엔진(2011)의 구동력을 보조(어시스트)하고, 전동발전기(2012)의 구동력이 감속기(2013)의 출력축을 거쳐서 메인펌프(2014)에 전달된다. 한편, 엔진(2011)의 부하가 작을 때에는, 엔진(2011)의 구동력이 감속기(2013)를 거쳐서 전동발전기(2012)에 전달됨으로써, 전동발전기(2012)가 발전을 행한다. 전동발전기(2012)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM(Interior Permanent Magnetic) 모터에 의하여 구성된다. 전동발전기(2012)의 구동과 발전의 전환은, 리프팅마그넷 차량(2001)에 있어서의 전기계통의 구동제어를 행하는 컨트롤러(2030)에 의하여, 엔진(2011)의 부하 등에 따라서 행하여진다.
감속기(2013)의 출력축에는 메인펌프(2014) 및 파일럿펌프(2015)가 접속되어 있고, 메인펌프(2014)에는 고압 유압라인(2016)을 통하여 컨트롤밸브(2017)가 접속되어 있다. 컨트롤밸브(2017)는, 리프팅마그넷 차량(2001)에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 장치이다. 컨트롤밸브(2017)에는, 도 37에 나타낸 주행기구(2002)를 구동하기 위한 유압모터(2002a 및 2002b) 외에, 붐 실린더(2008), 암 실린더(2009), 및 버킷 실린더(2010)가 고압 유압라인을 통하여 접속되어 있고, 컨트롤밸브(2017)는, 이들에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라서 제어한다.
전동발전기(2012)의 전기적인 단자에는, 인버터회로(2018A)의 출력단이 접속되어 있다. 인버터회로(2018A)의 입력단에는, 축전수단(2120)이 접속되어 있다. 축전수단(2120)은, 도 39에 나타내는 바와 같이, 직류모선인 DC버스(2110), 승강압 컨버터(직류전압 변환기)(2100) 및 배터리(2019)를 구비하고 있다. 즉, 인버터회로(2018A)의 입력단은, DC버스(2110)를 통하여 승강압 컨버터(2100)의 입력단에 접속되게 된다. 승강압 컨버터(2100)의 출력단에는, 축전지로서의 배터리(2019)가 접속되어 있다. 배터리(2019)는, 예컨대 커패시터형 축전지에 의하여 구성된다. 배터리(2019)의 크기의 일례로서는, 전압 2.5V, 용량 2400F의 커패시터가 144개 직렬로 접속된 것(즉, 양단전압 360V)이 적합하다.
인버터회로(2018A)는, 컨트롤러(2030)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(2012)의 운전제어를 행한다. 즉, 인버터회로(2018A)가 전동발전기(2012)를 역행(力行)운전시킬 때에는, 필요한 전력을 배터리(2019)와 승강압 컨버터(2100)로부터 DC버스(2110)를 통하여 전동발전기(2012)에 공급한다. 또한, 전동발전기(2012)를 회생(回生)운전시킬 때에는, 전동발전기(2012)에 의하여 발전된 전력을 DC버스(2110) 및 승강압 컨버터(2100)를 통하여 배터리(2019)에 충전한다. 다만, 승강압 컨버터(2100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압치, 배터리 전압치, 및 배터리 전류치에 근거하여, 컨트롤러(2030)에 의하여 행하여진다. 이로써, DC버스(2110)를, 미리 정하여진 일정전압치로 축전된 상태로 유지할 수 있다.
축전수단(2120)의 DC버스(2110)에는, 인버터회로(2020B)를 통하여 리프팅마그넷(2007)이 접속되어 있다. 리프팅마그넷(2007)은, 금속물을 자기적으로 흡착시키기 위한 자력을 발생하는 전자석을 포함하고 있고, 인버터회로(2020B)를 통하여 DC버스(2110)로부터 전력이 공급된다. 인버터회로(2020B)는, 컨트롤러(2030)로부터의 지령에 근거하여, 전자석을 온으로 할 때에는, 리프팅마그넷(2007)에 요구된 전력을 DC버스(2110)로부터 공급한다. 또한, 전자석을 오프로 하는 경우에는, 회생된 전력을 DC버스(2110)에 공급한다.
또한, 축전수단(2120)에는, 인버터회로(2020A)가 접속되어 있다. 인버터회로(2020A)의 일단에는 작업용 전동기로서의 선회용 전동기(교류전동기)(2021)가 접속되어 있고, 인버터회로(2020A)의 타단은 축전수단(2120)의 DC버스(2110)에 접속되어 있다. 선회용 전동기(2021)는, 선회체(2004)를 선회시키는 선회기구(2003)의 동력원이다. 선회용 전동기(2021)의 회전축(2021A)에는, 리졸버(2022), 메카니컬 브레이크(2023), 및 선회감속기(2024)가 접속된다.
선회용 전동기(2021)가 역행(力行)운전을 행할 때에는, 선회용 전동기(2021)의 회전 구동력의 회전력이 선회감속기(2024)에서 증폭되어, 선회체(2004)가 가감속 제어되어 회전운동을 행한다. 또한, 선회체(2004)의 관성회전에 의하여, 선회감속기(2024)에서 회전수가 증가되어 선회용 전동기(2021)에 전달되어, 회생(回生)전력을 발생시킨다. 선회용 전동기(2021)는, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라서 인버터회로(2020A)에 의하여 교류 구동된다. 선회용 전동기(2021)로서는, 예컨대, 자석 내장형의 IPM 모터가 적합하다.
리졸버(2022)는, 선회용 전동기(2021)의 회전축(2021A)의 회전위치 및 회전각도를 검출하는 센서로서, 선회용 전동기(2021)와 기계적으로 연결함으로써 회전축(2021A)의 회전각도 및 회전방향을 검출한다. 리졸버(2022)가 회전축(2021A)의 회전각도를 검출함으로써, 선회기구(2003)의 회전각도 및 회전방향이 도출된다. 메카니컬 브레이크(2023)는, 기계적인 제동력을 발생시키는 제동장치로서, 컨트롤러(2030)로부터의 지령에 의하여, 선회용 전동기(2021)의 회전축(2021A)을 기계적으로 정지시킨다. 선회감속기(2024)는, 선회용 전동기(2021)의 회전축(2021A)의 회전속도를 감속하여 선회기구(2003)에 기계적으로 전달하는 감속기이다.
다만, DC버스(2110)에는, 인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B)를 통하여, 전동발전기(2012), 선회용 전동기(2021), 및 리프팅마그넷(2007)이 접속되어 있으므로, 전동발전기(2012)에서 발전된 전력이 리프팅마그넷(2007) 또는 선회용 전동기(2021)에 직접적으로 공급되는 경우도 있고, 리프팅마그넷(2007)에서 회생된 전력이 전동발전기(2012) 또는 선회용 전동기(2021)에 공급되는 경우도 있고, 또한, 선회용 전동기(2021)에서 회생된 전력이 전동발전기(2012) 또는 리프팅마그넷(2007)에 공급되는 경우도 있다.
인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B)는 대(大)전력을 제어하므로, 발열량이 매우 커진다. 또한, 승강압 컨버터(2100)에 포함되는 리액터(2101)(도 39를 참조)에 있어서도 발열량이 매우 많아진다. 따라서, 인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B), 및 승강압 컨버터(2100)를 냉각할 필요가 생긴다. 그래서, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)은, 엔진(2011)용의 냉각액 순환시스템과는 별도로, 승강압 컨버터(2100), 인버터회로(2018A, 2020A, 및 2020B)를 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템을 구비하고 있다.
냉각액 순환시스템은, 승강압 컨버터(2100), 인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B) 등에 공급되는 냉각액을 순환시키기 위한 펌프(냉각액 순환용 펌프)(2072)와, 이 펌프(2072)를 구동하는 펌프모터(냉각용 전동기)(2071)를 가지고 있다. 펌프모터(2071)는, 인버터회로(2020C)를 통하여 축전수단(2120)에 접속되어 있다. 인버터회로(2020C)는, 컨트롤러(2030)로부터의 지령에 근거하여, 승강압 컨버터(2100)를 냉각할 때에 펌프모터(2071)에 요구된 전력을 공급한다. 본 실시형태의 냉각액 순환시스템은, 승강압 컨버터(2100), 인버터회로(2018A, 2020A, 및 2020B), 및 컨트롤러(2030)를 냉각한다. 이에 더하여, 냉각액 순환시스템은, 전동발전기(2012), 감속기(2013), 및 선회용 전동기(2021)를 냉각한다.
파일럿펌프(2015)에는, 파일럿라인(2025)을 통하여 조작장치(2026)가 접속되어 있다. 조작장치(2026)는, 선회용 전동기(2021), 주행기구(2002), 붐(2005), 암(2006), 및 리프팅마그넷(2007)을 조작하기 위한 조작장치이며, 조작자에 의하여 조작된다. 조작장치(2026)에는, 유압라인(2027)을 통하여 컨트롤밸브(2017)가 접속되고, 또한, 유압라인(2028)을 통하여 압력센서(2029)가 접속된다. 조작장치(2026)는, 파일럿라인(2025)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 조작자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(2026)로부터 출력되는 2차측의 유압은, 유압라인(2027)을 통하여 컨트롤밸브(2017)에 공급됨과 함께, 압력센서(2029)에 의하여 검출된다. 여기에서는, 작업용 전동기로서의 선회용 전동기(2021)를 들고 있지만, 또한, 주행기구(2002)를 작업용 전동기로 하여 전기로 구동시켜도 좋다.
압력센서(2029)는, 조작장치(2026)에 대하여 선회기구(2003)를 선회시키기 위한 조작이 입력되면, 이 조작량을 유압라인(2028) 내의 유압의 변화로서 검출한다. 압력센서(2029)는, 유압라인(2028) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는, 컨트롤러(2030)에 입력되어, 선회용 전동기(2021)의 구동제어에 이용된다.
컨트롤러(2030)는, 본 실시형태에 있어서의 제어회로를 구성한다. 컨트롤러(2030)는, CPU 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치에 의하여 구성되고, 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 CPU가 실행함으로써 실현된다. 또한, 컨트롤러(2030)의 전원은, 배터리(2019)와는 별도의 배터리(예컨대 24V 차재(車載) 배터리)이다. 컨트롤러(2030)는, 압력센서(2029)로부터 입력되는 신호 중, 선회기구(2003)를 선회시키기 위한 조작량을 나타내는 신호를 속도지령으로 변환하고, 선회용 전동기(2021)의 구동제어를 행한다. 또한, 컨트롤러(2030)는, 전동발전기(2012)의 운전제어(어시스트 운전 및 발전 운전의 전환), 리프팅마그넷(2007)의 구동제어(여자와 소자의 전환), 및, 승강압 컨버터(2100)를 구동제어하는 것에 의한 배터리(2019)의 충방전제어를 행한다.
또한, 본 실시형태의 컨트롤러(2030)는, 하이브리드형 건설기계(1)의 메인터넌스 등을 실시할 때에 DC버스(2110)의 전압을 저하시키기 (구체적으로는, DC버스(2110)에 접속된 평활용 콘덴서 등에 축적된 전하를 소비시키기) 위한 DC버스전압 저하모드(모선전압 저하모드)를 가지고 있다. 컨트롤러(2030)는, 이 DC버스전압 저하모드에 있어서, 인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B), 및 승강압 컨버터(2100)를 모두 정지시키고, 승강압 컨버터(2100)와 배터리(2019) 사이에 설치된 스위치(도 3의 스위치(100E, 100F)와 마찬가지의 것)를 비접속상태로 한 후, 인버터회로(2020C)를 구동하여 펌프모터(2071)에 전력을 소비시킴으로써 DC버스(2110)의 전압을 저하시킨다. DC버스전압 저하모드는, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 정지되었을 때(구체적으로는, 조작자의 키 조작에 의하여 엔진(2011)이 정지하려고 할 때), 혹은, 운전실(2004a) 내의 조작패널을 통하여 작업자에 의하여 DC버스전압 저하모드의 개시에 관한 입력이 이루어졌을 때에 개시된다.
여기서, 다시 도 39를 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 승강압 컨버터(2100)에 대하여 상세하게 설명한다. 도 39에는, 승강압 컨버터(2100)의 회로구성이 개략적으로 나타나 있다. 승강압 컨버터(2100)는, 리액터(2101), 트랜지스터(2100B 및 2100C), 및 평활용 콘덴서(2100d)를 구비하고 있다. 트랜지스터(2100B 및 2100C)는, 예컨대 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에 의하여 구성되고, 서로 직렬로 접속되어 있다. 구체적으로는, 트랜지스터(2100B)의 컬렉터와 트랜지스터(2100C)의 이미터가 서로 접속되고, 트랜지스터(2100B)의 이미터는 배터리(2019)의 마이너스측 단자 및 DC버스(2110)의 마이너스측 배선에 접속되고, 트랜지스터(2100C)의 컬렉터는 DC버스(2110)의 플러스측 배선에 접속되어 있다. 그리고, 리액터(2101)는, 그 일단이 트랜지스터(2100B)의 컬렉터 및 트랜지스터(2100C)의 이미터에 접속됨과 함께, 타단이 배터리(2019)의 플러스측 단자에 접속되어 있다. 트랜지스터(2100B 및 2100C)의 게이트에는, 컨트롤러(2030)로부터 PWM 전압이 인가된다. 다만, 트랜지스터(2100B)의 컬렉터와 이미터 사이에는, 정류소자인 다이오드(2100b)가 역방향으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 트랜지스터(2100C)의 컬렉터와 이미터 사이에는, 다이오드(2100c)가 역방향으로 접속되어 있다. 평활용 콘덴서(2100d)는, 트랜지스터(2100C)의 컬렉터와 트랜지스터(2100B)의 이미터 사이에 접속되고, 승강압 컨버터(2100)로부터의 출력전압을 평활화한다.
이러한 구성을 구비하는 승강압 컨버터(2100)에 있어서, 직류전력을 배터리(2019)로부터 DC버스(2110)에 공급할 때에는, 트랜지스터(2100B)의 게이트에 PWM 전압을 인가하고, 트랜지스터(2100B)의 온/오프에 따라서 리액터(2101)에 발생하는 유도기전력을 다이오드(2100c)를 통하여 전달하고, 이 전력을 콘덴서(2100d)에 의하여 평활화한다. 또한, 직류전력을 DC버스(2110)로부터 배터리(2019)에 공급할 때에는, 트랜지스터(2100C)의 게이트에 PWM 전압을 인가함과 함께, 트랜지스터(2100C)로부터 출력되는 전류를 리액터(2101)에 의하여 평활화한다.
여기서, 트랜지스터(2100B 및 2100C)는 대(大)전력을 제어하므로, 발열량이 매우 커진다. 또한, 리액터(2101)에 있어서도 발열량이 매우 많아진다. 따라서, 트랜지스터(2100B 및 2100C), 및 리액터(2101)을 냉각할 필요가 생긴다. 또한, 인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B)도 또한 승강압 컨버터(2100)와 마찬가지로 대(大)전력용의 트랜지스터를 가지므로, 냉각할 필요가 있다. 그래서, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)은, 승강압 컨버터(2100), 인버터회로(2018A, 2020A, 및 2020B)를 냉각하기 위한 냉각액 순환시스템을 구비하고 있다.
도 40은, 서보제어유닛(2060)의 외관을 나타내는 사시도이다. 본 실시형태의 서보제어유닛(2060)은, 축전지(배터리(2019))의 전력을 이용하여 복수의 교류전동기(전동발전기(2012), 선회용 전동기(2021), 펌프모터(2071) 등)를 구동하기 위한 장치이다. 서보제어유닛(2060)은, 대략 직육면체 형상의 외관을 가지고 있고, 배터리(2019)의 충방전을 행하기 위한 승강압 컨버터(2100)를 가지는 승강압 컨버터유닛(2062)과, 전동발전기(2012), 선회용 전동기(2021), 및 펌프모터(2071) 중 하나의 교류전동기, 혹은 리프팅마그넷(2007)을 구동하는 인버터회로(2018A 및 2020A~2020C)를 각각 가지는 복수의 인버터유닛(2063~2066)과, 승강압 컨버터유닛(2062)의 승강압 컨버터(2100), 및 인버터유닛(2063~2066)의 각 인버터회로(2018A, 2020A~2020C)를 제어하기 위한 컨트롤러(2030)를 가지는 컨트롤유닛(2061)을 구비하고 있다. 다만, 승강압 컨버터유닛(2062) 및 인버터유닛(2063~2066)은, 본 실시형태에 있어서 복수의 드라이버유닛을 구성하고 있다.
승강압 컨버터유닛(2062) 및 인버터유닛(2063~2066)은, 각각 깊이방향으로 긴 직육면체 형상의 외관의 금속으로 만든 케이스체를 가진다. 이들 유닛(2062~2066)은, 금속으로 만든 바닥판(2067a)을 포함하는 대좌(臺座)(2067)의 바닥판(2067a) 상에 재치(載置)되어 있고, 서로 소정 방향(횡방향)으로 늘어서도록 배치되어 있다. 다만, 대좌(2067)는, 유닛(2062~2066)을 상기 소정 방향의 양측으로부터 끼우는 측판(2067b)을 더욱 가진다.
유닛(2062~2066)의 위에는, 이들 유닛의 상면을 덮도록 윗덮개로서의 컨트롤유닛 바닥판(2061b)이 설치되어 있고, 컨트롤유닛 바닥판(2061b) 상에 컨트롤유닛(2061)이 재치(載置)되어 있다. 또한 컨트롤유닛(2061)의 상면에는, 공냉을 위한 히트싱크(2068)가 장착되어 있다.
또한, 컨트롤유닛(2061)에는 냉각용 배관(2061a)이 내장되어 있다. 마찬가지로, 승강압 컨버터유닛(2062)에는 냉각용 배관(2062a)이, 인버터유닛(2063~2066)에는 냉각용 배관(2063a~2066a)이, 각각 내장되어 있다.
도 41은, 서보제어유닛(2060)의 상단면도이다. 또한, 도 42는, 도 41에 나타내는 서보제어유닛(2060)의 VII-VII선을 따르는 단면도이다. 다만, 도 41 및 도 42에 있어서는, 도 40에서 나타낸 히트싱크(2068)는 생략되어 있다.
승강압 컨버터유닛(2062)은, 대략 직육면체 형상의 외관을 가지는 케이스체(2062h)의 내부에, 승강압 컨버터를 구성하기 위한 IPM 및 리액터 등의 전자부품을 수용하여 구성되어 있고, 전기적인 입력단 및 출력단을 가진다. 승강압 컨버터유닛(2062)의 출력단에는 배터리(2019)(도 39 참조)가 접속되어 있고, 승강압 컨버터유닛(2062)은 배터리(2019)의 충방전을 제어한다.
인버터유닛(2063~2066)은, 대략 직육면체 형상의 외관을 가지는 케이스체(2063h~2066h)의 내부에, 인버터회로(2018A, 2020A~2020C)를 구성하기 위한 IPM 및 평활 콘덴서 등의 전자부품을 수용하여 구성되어 있고, 각각 전기적인 입력단 및 출력단을 가진다. 인버터유닛(2063~2066)의 출력단 각각에는, 전동발전기(2012), 선회용 전동기(2021), 리프팅마그넷(2007), 및 펌프모터(2071) 각각이 접속된다. 이러한 교류전동기는, 인버터유닛(2063~2066)으로부터 출력되는 PWM 제어신호에 따라 교류 구동된다.
각 유닛(2062~2066)의 케이스체(2062h~2066h) 각각의 바닥면은, 볼트(2080)와 같은 체결구에 의하여, 대좌(2067)의 바닥판(2067a)에 대하여 착탈 가능하도록 고정되어 있다. 또한, 유닛(2062~2066)이 늘어선 방향에 있어서 양단에 위치하는 유닛(2062 및 2066)의 케이스체(2062h 및 2066h)의 측면은, 볼트 및 너트로 이루어지는 체결구(2081)에 의하여, 대좌(2067)의 측판(2067b)에 대하여 착탈 가능하도록 고정되어 있다. 또한, 유닛(2062~2066) 중 서로 인접하는 유닛의 케이스체는, 그 측면끼리가, 볼트 및 너트로 이루어지는 체결구(2082)에 의하여 서로 착탈 가능하도록 고정되어 있다. 그리고, 각 유닛(2062~2066)의 케이스체(2062h~2066h)의 상면(즉, 컨트롤유닛(2061)과 대향하는 면)은, 체결구(2081, 2082) 등으로의 액세스를 용이하게 하기 위하여 개구되어 있고, 컨트롤유닛 바닥판(2061b)에 의하여 닫혀져 있다.
또한, 서보제어유닛(2060)은, DC버스(2110)(도 39를 참조)를 더욱 구비하고 있다. DC버스(2110)는, 가늘고 긴 금속판인 부스바로 이루어지고, 각 유닛(2062~2066)이 늘어선 방향(소정 방향)을 따라서 각 유닛(2062~2066)을 횡단하도록 설치되어 있다. 각 인버터유닛(2063~2066)의 입력단, 및 승강압 컨버터유닛(2062)의 입력단은 각각 DC버스(2110)에 접속되어 있고, 각 유닛(2062~2066) 사이에 있어서의 직류전력의 수수(주고 받음)는, DC버스(2110)를 통하여 행하여진다. 승강압 컨버터유닛(2062)은, 배터리(2019)의 충방전의 제어를 행함으로써 DC버스(2110)의 전압을 일정하게 제어한다.
또한, 각 유닛(2062~2066)은, 복수의 CPU(2605a~2605e)를 내장하고 있다. 복수의 CPU(2605a~2605e)는, 이격하여 배치된 상위 CPU(도시하지 않음)의 지령을 받아서, 유닛(2062~2066) 중 대응하는 유닛의 인버터회로에 포함되는 트랜지스터의 온/오프를 제어하는 것이다.
다음으로, 각 유닛(2062~2066)의 내부구성, 및 각 유닛(2062~2066)과 DC버스(2110)의 접속구조에 대하여 상세하게 설명한다.
도 43(a)는, 인버터유닛(2065)의 일부 및 인버터유닛(2066)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 또한, 도 43(b)는, 인버터유닛(2065)의 내부구성을 나타내는 측면도이다. 다만, 이들 도면에 있어서는, 인버터유닛(2065, 2066)의 내부구성을 알 수 있도록 케이스의 천판이나 측판을 떼어낸 상태를 나타내고 있다. 또한, 인버터유닛(2063, 2064)의 내부구성은, 내장하는 인버터회로의 구성을 제외하고, 도 41에 나타내는 인버터유닛(2065, 2066)의 내부구성과 마찬가지이다.
인버터유닛(2065, 2066)의 내부에는, 인버터회로를 구성하는 트랜지스터를 장착한 IPM(2105)과, 냉각용 배관(2065a, 2066a)이 내장되어 있다. IPM(2105)은, 배선기판(2106) 상에 실장되어 있다. 냉각용 배관(2065a, 2066a)은 각각, 인버터유닛(2065, 2066)의 내측면을 따라서 이차원 형상으로 배치되어 있다. 구체적으로는, 냉각용 배관(2065a, 2066a)은, 인버터유닛(2065, 2066)의 내부에서 가능한 한 길게 배치되도록 여러 겹으로 절곡된 상태로 직사각형 단면의 금속용기(2065b, 2066b)에 수용되어 있고, 또한 이 금속용기(2065b, 2066b)의 내측면에 접하고 있다. 금속용기(2065b, 2066b)의 외측면에는, 도 43(a)에 나타내는 바와 같이 IPM(2105)이 접촉 배치되어 있고, 금속용기(2065b, 2066b)는 IPM(2105)으로부터의 열을 냉각용 배관(2065a, 2066a)에 전한다.
인버터유닛(2065, 2066)의 케이스체(2065h, 2066h)의 측판(2065d, 2066d)의 상변에는, DC버스(2110)를 배치하기 위한 직사각형 절결(cutout)부(2065e, 2066e)가 형성되어 있다. 평활 콘덴서(2071a, 2071b)는, 케이스체(2065h, 2066h)의 측판(2065d, 2066d)의 내측면에 접촉 배치되어 있고, 평활 콘덴서(2071a, 2071b)의 플러스측 및 마이너스측의 단자는, 케이스체(2065h, 2066h)의 측판 상변의 직사각형 절결부(2065e)의 높이로부터 상방으로 돌출되어 있다. 또한, 다른 인버터유닛(2063, 2064)의 케이스체(2063h, 2064h)도 마찬가지의 구조를 가지고 있고, DC버스(2110)는, 인버터유닛(2063~2066)을 횡단하도록 배치되어 있다.
다른 인버터유닛(2063, 2064)에 있어서의, 이웃 유닛에 인접하는 측판의 상변에도, DC버스(2110)를 배치하기 위한 직사각형 절결부가 형성되어 있다(도시하지 않음). 인버터유닛(2064)에 있어서의 인버터유닛(2065)에 인접하는 측판의 내측면, 및 인버터유닛(2063)에 있어서의 인버터유닛(2064)에 인접하는 측판의 내측면에는, 인버터유닛(2065, 2066)과 마찬가지로, 평활 콘덴서가 접촉 배치되어 있다. 이와 같이 하여 DC버스(2110)는, 각 유닛의 사이에 끼워진 인버터유닛(2063~2065)을 관통하도록 배치되어 있다. 또한, 각 유닛의 직사각형 절결부와 금속용기 속은, 윗덮개로서의 컨트롤유닛 바닥판(2061b)에 의하여 밀폐상태를 형성하고 있다. 이로써, 각 인버터에 있어서, 방진(防塵) 및 방수가 실현된다.
DC버스(2110)는, 판 형상의 플러스극 부스바(2070a) 및 마이너스극 부스바(2070b)로 구성되어 있다. 플러스극 부스바(2070a)는, 횡방향(소정 방향)으로 가늘고 긴 대략 직육면체 형상을 가진다. 마이너스극 부스바(2070b)는, 플러스극 부스바(2070a)와 접하지 않고, 플러스극 부스바(2070a)의 상방에 배치되어 있고, 플러스극 부스바(2070a)의 상면측을 감싸는 형상을 가지고, 플러스극 부스바(2070a)를 덮도록 구성된다. 여기서, 플러스극과 마이너스극의 배치를 반대로 하여도 좋다. 플러스극 부스바(2070a) 및 마이너스극 부스바(2070b)는, 인버터유닛(2065, 2066)의 평활 콘덴서(2071a, 2071b), 및 인버터유닛(2063, 2064)의 평활 콘덴서의 단자와 직결하도록, 볼트 등의 체결구에 의하여 착탈 가능하게 고정되어 있다.
플러스극 부스바(2070a)는, 인버터유닛(2065, 2066)의 평활 콘덴서(2071a, 2071b) 및 인버터유닛(2063, 2064)의 평활 콘덴서의 플러스측 단자에 직결하도록 볼트에 의하여 고정되어 있다. 또한, 마이너스극 부스바(2070b)는, 인버터유닛(2065, 2066)의 평활 콘덴서(2071a, 2071b) 및 인버터유닛(2063, 2064)의 평활 콘덴서의 마이너스측 단자에 직결하도록 볼트에 의하여 고정되어 있다. 이와 같이, DC버스(2110)는, 각 인버터유닛(2063~2066)의 금속용기에 대하여 비접촉상태로, 평활 콘덴서에 고정되어 있다.
IPM(2105)의 플러스극 단자(입력단)(2105a)와 플러스극 부스바(2070a)는 배선에 의하여 접속되어 있고, 마이너스극 단자(입력단)(2105b)와 마이너스극 부스바(2070b)는 배선에 의하여 접속되어 있다. 또한, 인버터회로(2018A)의 3상 출력단자(출력단)(2105c)는 각각, 단자대(2066c)에 배선에 의하여 접속되어 있다. 단자대(2066c)는, 전동발전기(2012)를 접속하기 위한 것이다.
도 44(a)는, 승강압 컨버터유닛(2062)의 내부구성을 나타내는 평면도이다. 또한, 도 44(b)는, 승강압 컨버터유닛(2062)의 내부구성을 나타내는 측면도이다. 다만, 도 44(b)에 있어서는, 승강압 컨버터유닛(2062)의 내부구성을 알 수 있도록 케이스체(2062h)의 측판을 떼어낸 상태를 나타내고 있다.
승강압 컨버터유닛(2062)의 내부에는, 승강압 컨버터(2100)를 구성하는 트랜지스터(2100B, 2100C)를 장착한 IPM(2103)과, 리액터(2101)와, 냉각용 배관(2062a)이 내장되어 있다. IPM(2103)은, 배선기판(2104) 상에 실장되어 있다. 냉각용 배관(2062a)은, 승강압 컨버터유닛(2062)의 측면을 따라서 이차원 형상으로 배치되어 있다. 구체적으로는, 냉각용 배관(2062a)은, 승강압 컨버터유닛(2062)의 내부에서 가능한 한 길게 배치되도록 여러 겹으로 절곡된 상태로 직사각형 단면의 금속용기(2062b)에 수용되어 있고, 또한 이 금속용기(2062b)의 내측면에 접하고 있다. 금속용기(2062b)의 외측면에는, 도 44(a)에 나타내는 바와 같이 리액터(2101) 및 IPM(2103)이 접촉 배치되어 있고, 금속용기(2062b)는 리액터(2101) 및 IPM(2103)으로부터의 열을 냉각용 배관(2062a)에 전한다. 이로써, 리액터(2101) 및 IPM(2103)이 냉각된다.
승강압 컨버터유닛(2062)에 있어서의 케이스체(2062h)의 측판 상변에는, DC버스(2110)를 배치하기 위한 직사각형 절결부(2062e)가 형성되어 있다. 이 직사각형 절결부(2062e) 및 승강압 컨버터유닛(2062)의 금속용기 속은, 윗덮개로서의 컨트롤유닛 바닥판에 의하여 밀폐상태를 형성하고 있다. 이로써, 승강압 컨버터에 있어서, 방진(防塵) 및 방수가 실현된다. IPM(2103)의 플러스극 단자(입력단)(2103a)와 플러스극 부스바(2070a)는 배선에 의하여 접속되어 있고, 마이너스극 단자(입력단)(2103b)와 마이너스극 부스바(2070b)는 배선에 의하여 접속되어 있다. 또한, IPM(2103)의 단자(2103c)는, 리액터(2101)의 단자(2101a)와 배선에 의하여 접속되어 있고, 리액터(2101)의 단자(2101b)는, 단자대(2062c)와 배선에 의하여 접속되어 있고, IPM(2103)의 단자(2103d)는, 단자대(2062d)와 배선에 의하여 접속되어 있다. 단자대(2062c, 2062d)는, 배터리(2019)를 접속하기 위한 것이다.
여기서, 도 45는, 서보제어유닛(2060)의 컨트롤유닛(2061)을 연 상태를 나타내는 사시도이다. 도 45에 나타내는 바와 같이, 컨트롤유닛(2061)은, 각 유닛(2062~2066)이 늘어선 방향(소정 방향)과 교차하는 방향(본 실시형태에서는 각 유닛(2062~2066)의 장변방향)에 있어서의 각 유닛(2062~2066)의 후단에 있어서 상기 소정 방향을 따라서 설치된 지지축을 중심으로 회전운동 가능하게 장착되어 있다. 구체적으로는, 각 유닛(2062~2066)의 케이스체(2062h~2066h)의 배면과 접하도록 대좌(2067)의 일부가 배치되어 있고(예컨대 도 41을 참조), 이 대좌(2067)의 부분에 고정된 경첩(지지축)을 통하여 컨트롤유닛 바닥판(2061b)이 대좌(2067)에 장착되어 있다. 컨트롤유닛(2061)은 컨트롤유닛 바닥판(2061b)에 고정되어 있으므로, 컨트롤유닛(2061)은 컨트롤유닛 바닥판(2061b)과 함께 상기 지지축을 중심으로 회전운동(개폐)한다. 이러한 기구에 의하여, 각 유닛(2062~2066)의 케이스체(2062h~2066h)의 개구가 외부에 노출되어, 체결구(2081, 2082)(도 41 참조) 등으로의 액세스가 가능하여진다. 이와 같이, 유닛(2062~2066)은, 리프팅마그넷 차량(2001)의 운전시에는 컨트롤유닛(2061)이 재치(載置)됨으로써 그 내부가 밀폐공간이 되고, 서보제어유닛(2060)의 메인터넌스시에는 개구된다.
또한, 서보제어유닛(2060)은, 컨트롤유닛(2061)이 유닛(2062~2066)에 대하여 상기 지지축을 중심으로 열린 상태로 컨트롤유닛(2061)을 지지하는 지지구(2090)를 더욱 구비하고 있다. 지지구(2090)는 예컨대 금속으로 만든 막대 형상의 부재로 이루어지고, 그 일단이 대좌(2067)의 측판(2067b) 부근에 계합(걸어맞춤)되고, 타단이 컨트롤유닛 바닥판(2061b)에 계합된다. 이 지지구(2090)는, 컨트롤유닛(2061)이 닫힌 상태에서는 서보제어유닛(2060)의 어딘가의 부위에 수납된다.
다만, 상기 설명에서는, 컨트롤유닛 바닥판(2061b)을 인버터유닛(2063~2066)이나 승강압 컨버터유닛(2062)의 윗덮개로서 이용한 예를 나타내었지만, 인버터유닛(2063~2066)이나 승강압 컨버터유닛(2062)의 윗덮개는, 반드시 컨트롤유닛(2061)의 구성부재가 아니어도 좋고, 방수기능을 가지고 있으면 다른 부재(예컨대 철판)이더라도 좋다. 또한, 인버터유닛(2063~2066)이나 승강압 컨버터유닛(2062)을 컨트롤유닛 바닥판(2061b) 같은 공통의 부재로 막는 방식 대신에, 각 유닛(2062~2066)마다 설치된 부재에 의하여 이들을 막도록 하여도 좋다.
여기서, 컨트롤러(2030)의 DC버스전압 저하모드에 대하여 더욱 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, DC버스전압 저하모드란, 하이브리드형 건설기계(1)의 운전이 정지된 상태에 있어서 DC버스(2110)의 전압을 저하시키기 위한 동작모드로서, 인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B), 및 승강압 컨버터(2100)를 모두 정지시키고, 승강압 컨버터(2100)와 배터리(2019) 사이에 설치된 스위치를 비접속상태로 한 후, 인버터회로(2020C)를 구동하여 펌프모터(2071)에 전력을 소비시킴으로써, DC버스(2110)의 전압을 저하시키는 모드이다.
도 46은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 리프팅마그넷 차량(2001)의 동작을 나타내는 플로우차트이다. 먼저, 작업자에 의하여, 리프팅마그넷 차량(2001)의 운전을 정지시키기 위하여 이그니션 키가 조작된다(스텝 S2011). 본 실시형태에서는, 이와 같이 리프팅마그넷 차량(2001)의 운전이 정지될 때마다, 컨트롤러(2030)가 DC버스전압 저하모드를 개시한다. 즉, 컨트롤러(2030)는, 상기 키 조작을 받아서, 인버터회로(2018A, 2020A 및 2020B)의 구동을 정지한다(스텝 S2012). 이로써, 전동발전기(2012), 선회용 전동기(2021), 및 리프팅마그넷(2007)으로의 전력공급이 정지된다. 다음으로, 컨트롤러(2030)는, 승강압 컨버터(2100)의 구동을 정지한다(스텝 S2013). 그리고, 컨트롤러(2030)는, 승강압 컨버터(2100)와 배터리(2019) 사이의 스위치를 비도통상태로 한다(스텝 S2014). 이로써, DC버스(2110)와 배터리(2019)가 전기적으로 분리된다. 그리고, 컨트롤러(2030)는, 엔진(2011)의 ECU 등에 지시하여 엔진(2011)을 정지시킨다(스텝 S2015).
이때, 인버터회로(2020C)는 냉각용 전동기인 펌프모터(2071)의 구동을 계속하고 있어, 펌프모터(2071)에 의하여 냉각액 순환시스템의 내부를 냉각액이 계속 순환하고 있다. 컨트롤러(2030)는, 인버터회로(2020C)의 구동을 계속하여, 펌프모터(2071)의 동작을 계속시킨다(스텝 S2016). 인버터회로(2020C)의 구동은, 도 3에 나타낸 전압센서(110b)와 마찬가지의 전압센서에 의하여 검출되는 DC버스(2110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 될 때까지 계속된다(스텝 S2017; No).
그리고, DC버스(2110)의 전압이 소정의 임계치 이하가 되면(스텝 S2017; Yes), 컨트롤러(2030)는 인버터회로(2020C)의 구동을 정지한다(스텝 S2018). 이로써, 펌프모터(2071)의 동작이 정지되어 DC버스전압 저하모드가 종료되고, 리프팅마그넷 차량(2001)의 운전이 완전히 정지된다.
도 47은, DC버스전압 저하모드에 있어서의 DC버스(2110)의 전압의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다. 펌프모터(2071)의 구동이 계속된 채로 스위치가 비도통상태가 되면(도면 중 시각(T1)), DC버스(2110)의 전압(Vdc)은 직전의 전압(Vact)으로부터 서서히 저하된다. 이 저하속도는 펌프모터(2071)의 소비전력에 의존한다. 그리고, DC버스(2110)의 전압(Vdc)이 소정의 임계치(Vth)를 하회하면(도면 중 시각(T2)), 펌프모터(2071)의 동작이 정지하므로 전압(Vdc)의 저하속도는 완만하여진다.
본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)에 의하여 얻어지는 효과에 대하여 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, 리프팅마그넷 차량(2001)은, 인버터유닛(2063~2066)이나 승강압 컨버터유닛(2062), 컨트롤유닛(2060)을 냉각하기 위한 냉각액 순환용의 펌프(2072)를 구비하고 있다. 그리고, 메인터넌스 등의 필요에 따라서 DC버스(2110)의 전압을 저하시킬 때, 펌프(2072)를 구동하기 위한 펌프모터(2071)를 컨트롤러(2030)가 DC버스(2110)의 전압에 의하여 구동시킴으로써, DC버스(2110)의 전압이 소비된다. 본래, 펌프(2072)는 인버터유닛(2063~2066)이나 승강압 컨버터유닛(2062)을 냉각하기 위하여 리프팅마그넷 차량(2001)에 탑재된 것이므로, 이러한 방식에 의하면, DC버스전압 저하모드만을 위하여 저항이나 스위치 등의 부품을 새로이 추가할 필요는 없다. 따라서, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)에 의하면, 신뢰성의 저하가 억제된 구성으로, DC버스(2110)의 전압을 저하시킬 수 있다.
또한, 펌프모터(2071)는, 예컨대 유압펌프를 구동하는 전동발전기(2012)나, 선회체(2004)와 같은 작업요소를 구동하는 선회용 전동기(2021) 등의 작업용 전동기와는 달리, 가동부나 작업요소 등에 대하여서 구동력을 부여하는 것은 아니고, 이 펌프모터(2071)가 구동하여도 배관 내부를 냉각액이 순환하기만 할 뿐이다. 따라서, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)에 의하면, 작업요소 등에 대하여 구동력을 부여하지 않고 DC버스(2110)의 전압을 저하시킬 수 있으므로, DC버스(2110)의 전압을 안전하게 저하시킬 수 있다.
다음으로, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)에 관하여, 특히 서보제어유닛(2060)에 의한 효과에 대하여 설명한다. 서보제어유닛(2060)에 있어서는, 복수의 교류전동기(전동발전기(2012), 선회용 전동기(2021), 펌프모터(2071) 등) 중 하나의 교류전동기를 구동하는 인버터회로(인버터회로(2018A, 2020A~2020C) 중 어느 하나), 혹은 배터리(2019)의 충방전을 행하는 승강압 컨버터(2100)와 같은 드라이버회로마다 케이스체(2062h~2066h)가 설치되어 있고, 이들 회로와 케이스체(2062h~2066h)가, 승강압 컨버터유닛(2062) 및 인버터유닛(2063~2066)으로서 각각 독립되어 있다. 그리고, 이들 유닛(2062~2066)의 케이스체(2062h~2066h)가, 서보제어유닛(2060)에 있어서 개별적으로 착탈 가능하도록 고정되어 있다. 따라서, 작업현장 등에 있어서 개개의 유닛(2062~2066)을 서보제어유닛(2060)으로부터 떼어내는 것을 용이하게 할 수 있으므로, 어느 하나의 회로에 이상이 발생하였을 경우 등에 높은 메인터넌스성을 확보할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 서보제어유닛(2060)에 있어서는, 각 유닛(2062~2066)이 소정 방향으로 늘어서도록 배치되고, 이들 케이스체(2062h~2066h)끼리가 체결구(2082)에 의하여 고정되어 있다. 이러한 구성에 의하여, 서보제어유닛(2060) 전체의 구조 강도를 효과적으로 높일 수 있어서, 높은 내진성이나 내충격성을 확보할 수 있다.
이상으로부터, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)에 의하면, 서보제어유닛(2060)의 높은 내진성이나 내충격성과 높은 메인터넌스성을 양립하는 것이 가능하여진다.
또한, 본 실시형태와 같이, 유닛(2062~2066)의 각 회로를 제어하기 위한 컨트롤러(2030)를 가지는 컨트롤유닛(2061)을 서보제어유닛(2060)이 구비하고, 이 컨트롤유닛(2061)이 복수의 유닛(2062~2066) 상에 재치(載置)되어 있는 경우, 컨트롤유닛(2061)은, 유닛(2062~2066)의 일단에 있어서 소정 방향을 따라서 설치된 지지축을 중심으로 회전운동(개폐) 가능하게 장착되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 유닛(2062~2066)의 내부로의 액세스가 용이하여져서, 보다 높은 메인터넌스성을 확보할 수 있다. 또한, 이 경우, 컨트롤유닛(2061)이 유닛(2062~2066)에 대하여 지지축을 중심으로 열린 상태로 컨트롤유닛(2061)을 지지하는 지지구(2090)를 서보제어유닛(2060)이 더욱 구비함으로써, 유닛(2062~2066)의 꺼내기 작업을 더욱 용이하게 할 수 있어, 메인터넌스성을 더욱 높일 수 있다.
또한, 본 실시형태와 같이, 컨트롤유닛(2061)이 회전운동 가능한 상태로 복수의 유닛(2062~2066) 위에 재치(載置)되어 있는 경우에는, 유닛(2062~2066)의 각 케이스체(2062h~2066h)에 있어서의 컨트롤유닛(2061)과 대향하는 면이 개구되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 유닛(2062~2066)의 케이스체(2062h~2066h)끼리를 고정하는 체결구(2082)나, 케이스체(2062h~2066h)와 대좌(2067)를 고정하는 체결구(2080, 2081)로의 액세스가 용이하여져서, 메인터넌스성을 더욱 높일 수 있다.
또한, 본 실시형태와 같이, 서보제어유닛(2060)은, 유닛(2062~2066)이 재치(載置)되는 바닥판(2067a)과, 유닛(2062~2066)을 소정 방향의 양측으로부터 끼우는 측판(2067b)을 가지는 대좌(2067)를 구비하고, 유닛(2062~2066) 중 양단에 위치하는 유닛(2062, 2066)의 케이스체(2062h, 2066h)와, 대좌(2067)의 측판(2067b)이 체결구(2081)에 의하여 착탈 가능하게 고정되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 메인터넌스성을 해치지 않고, 서보제어유닛(2060) 전체의 구조강도를 더욱 증가시켜서, 내진성이나 내충격성을 보다 높일 수 있다.
또한, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)에서는, 승강압 컨버터유닛(2062) 및 복수의 인버터유닛(2063~2066)의 입력단은, 공통의 DC버스(2110)에 접속된다. 이로 인하여, DC버스(2110)를 위한 스페이스를 삭감하는 것이 가능하여지고, 또한, 메인터넌스성의 향상에도 기여한다. 또한, DC버스(2110)를 구성하는 플러스극 부스바(2070a) 및 마이너스극 부스바(2070b)는, 가늘고 긴 대략 직육면체 형상의 금속판으로 이루어지므로, 배선 접속과 비교하여, 각 유닛(2062~2066)의 입력단 사이를, 짧은 전류경로로, 또한 큰 단면적으로 접속할 수 있다. 따라서, 저(低)저항으로 각 유닛(2062~2066)을 접속하는 것이 가능하여진다.
또한, 본 실시형태의 리프팅마그넷 차량(2001)에서는, DC버스(부스바)(2110)는, 각 유닛(2062~2066)이 배열된 방향을 따라서, 각 유닛(2062~2066)에 있어서의, 이웃 유닛에 인접하는 측판에 형성된 직사각형 절결부에 설치되어 있으므로, DC버스(부스바)(2110)를 공간 절약하여 배치하는 것이 가능하여진다.
계속하여, 본 실시형태에 관한 하이브리드형 건설기계의 다른 예에 대하여 설명한다. 도 48은, 본 실시형태에 관한 하이브리드형 건설기계의 다른 일례로서, 휠 로더(2001B)의 외관을 나타내는 측면도이다. 도 48에 나타내는 바와 같이, 휠 로더(2001B)는, 평탄로를 주행하기 위한 차륜(2201)과, 차륜(2201)의 차축에 지지된 차체(2202)와, 차체(2202)의 전방에 배치된 버킷(2203)을 구비하고 있다. 버킷(2203)을 들어올리기 위한 기구는 리프트 암(2204) 및 리프트 실린더(2205)에 의하여 구성되고, 버킷(2203)을 후방으로 기울이거나 토사 등의 방출동작을 시키기 위한 기구는 버킷 실린더(2206)에 의하여 구성되어 있다. 차체(2202)에는, 버킷(2203)을 조작하는 조작자를 수용하기 위한 운전실(2207)이나, 유압을 발생시키기 위한 엔진(도시생략)과 같은 동력원이 설치되어 있다.
도 49는, 휠 로더(2001B)의 전기계통과 유압계통 등의 내부구성을 나타내는 블록도이다. 다만, 도 49에서는, 기계적으로 동력을 전달하는 계통을 이중선으로, 전기계통을 가는 실선으로 각각 나타내고 있다.
도 49에 나타내는 바와 같이, 휠 로더(2001B)는 엔진(2301)을 구비하고 있고, 이 엔진(2301)의 회전축은, 토크 스플리터(2301a)를 통하여 전동발전기(2302) 및 클러치(2303)에 연결되어 있다. 클러치(2303)는 차축(2304)에 연결되어 있고, 엔진(2301)의 동력을 차축(2304)에 전달한다. 전동발전기(2302)는, 엔진(2301)의 구동력을 보조(어시스트)함과 함께, 엔진(2301)의 구동력을 이용하여 발전을 행한다. 전동발전기(2302)에 의하여 생긴 교류전력은, 인버터유닛(2305)이 가지는 인버터회로에 의하여 직류전력으로 변환되어, 승강압 컨버터 장착 배터리(2306)에 축적된다.
또한, 승강압 컨버터 장착 배터리(2306)는, 인버터유닛(2307)이 가지는 다른 인버터회로를 통하여, 교류전동기인 펌프모터(2308)에 접속되어 있다. 인버터유닛(2307)의 인버터회로는, 배터리(2306)로부터 출력된 직류전력을 교류전력으로 변환하고, 펌프모터(2308)를 구동한다. 펌프모터(2308)의 회전축은 유압펌프(2309)에 연결되어 있고, 이 유압펌프(2309)로부터 생긴 유압이, 리프트 실린더(2205) 및 버킷 실린더(2206)(도 48)에 공급된다. 또한, 승강압 컨버터 장착 배터리(2306)는, 인버터유닛(2310)이 가지는 또 다른 인버터회로를 통하여, 교류전동기인 냉각용 모터(2311)에 접속되어 있다. 냉각용 모터(2311)는, 인버터유닛(2305 및 2307)에 설치된 수냉용 배관(도 43에 나타낸 배관(2065a, 2066a)과 마찬가지의 것)에 냉각액을 공급하기 위한 펌프를 구동한다.
이러한 구성에 있어서, 인버터유닛(2305, 2307, 및 2310)은, 서보제어유닛(2060A)을 구성할 수 있다. 이 서보제어유닛(2060A)은, 상기 서술한 서보제어유닛(2060)과 마찬가지의 구성을 구비하고 있다. 즉, 인버터유닛(2305, 2307, 및 2310)은, 도 40 내지 도 45에 나타낸 유닛(2062~2066)과 마찬가지로, 소정 방향으로 늘어서도록 배치됨과 함께, 서로 인접하는 인버터유닛의 케이스체끼리가 체결구에 의하여 착탈 가능하게 고정되어 있다. 또한, 서보제어유닛(2060A)은, 인버터유닛(2305, 2307, 및 2310)의 각 인버터회로를 제어하기 위한 제어회로를 가지는 컨트롤유닛(도시생략)을 더욱 구비하고 있고, 이 컨트롤유닛은, 인버터유닛(2305, 2307, 및 2310) 상에 재치(載置)되어, 지지축을 중심으로 회전운동(개폐) 가능하게 장착되어 있다. 또한, 서보제어유닛(2060A)은, 도 40에 나타낸 대좌(2067)에 상당하는 부재, 및 도 45에 나타낸 지지구(2090)에 상당하는 부재를 구비하고 있다.
본 발명에 의한 하이브리드형 건설기계는, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는 하이브리드형 건설기계로서 리프팅마그넷 차량 및 휠 로더를 예시하여 설명하였지만, 다른 하이브리드형 건설기계(예컨대, 쇼벨이나 크레인 등)에도 본 발명을 적용하여도 좋다.
본 발명은, 특히 하이브리드형 건설기계 등의 작업기계에 이용 가능하다.
1…하이브리드형 건설기계, 1A…포크리프트, 1B…불도저, 2…주행기구, 2a…유압모터, 3…선회기구, 4…선회체, 5…붐, 6…암, 7…리프팅마그넷, 8…붐 실린더, 9…암 실린더, 10…버킷 실린더, 11…엔진, 12…전동발전기(교류전동기), 13…감속기, 14…메인펌프, 15…파일럿펌프, 16…고압 유압라인, 17…컨트롤밸브, 18A, 20A, 20B, 20C…인버터회로, 19…배터리, 21…선회용 전동기, 22…리졸버, 23…메카니컬 브레이크, 24…선회감속기, 25…파일럿라인, 26…조작장치, 27, 28…유압라인, 29…압력센서, 30…컨트롤러, 31…운전석, 32…포크, 34, 38…차륜, 35…하역모터, 36…주행모터, 40…이그니션 키, 41…축전수단, 42~44…인버터회로, 60…서보제어유닛, 61…컨트롤유닛 바닥판, 62~65…인버터유닛, 62a~66a…냉각용 배관, 62b, 66b…금속용기, 66…승강압 컨버터유닛, 67…판 형상 대좌, 68…히트싱크, 70…냉각액 순환시스템, 75…보조탱크, 78…펌프, 79…펌프모터, 100…승강압 컨버터, 101…리액터, 103, 105…IPM, 104, 106…배선기판, 107~109…온도센서, 110…DC버스, 120…축전수단, 160…제1 냉각액 순환시스템, 170…제2 냉각액 순환시스템, 600…컨트롤유닛, 601…케이스체, 601a…케이스체 용기, 601b…케이스체 커버, 602…카드 플레이트, 603…히트싱크, 603a, 603b…냉각영역, 604…컨트롤카드, 605a, 605b, 615…CPU, 606a, 606b…냉각용 팬, 607…커넥터, 608…냉각용 배관, 609…전원카드, 611…히트싱크, 612…열전도성 시트, 613…카드 플레이트, 614…열전도 플레이트, 1001…쇼벨, 1030…컨트롤러, 1030A, 1030B, 1030C…인버터 제어부, 1030D…전체 제어부, 1031, 1034…감산기, 1032, 1035…제어부, 1033…토크 제한부, 1037…전류 변환부, 1038…선회동작 검출부, 1040…신호생성부, 1100…축전수단, 1101…배터리, 1102…승강압 컨버터, 1300…붐 회생용 발전기, 1310…유압모터, 2001…리프팅마그넷 차량, 2001B…휠 로더, 2030…컨트롤러, 2060…서보제어유닛, 2061…컨트롤유닛, 2062…승강압 컨버터유닛, 2063~2066…인버터유닛, 2068…히트싱크, 2070a…플러스극 부스바, 2070b…마이너스극 부스바, 2080~2082…체결구, 2090…지지구, G…매달린 하물

Claims (7)

  1. 내연기관 발동기와, 조작자의 조작에 의하여 구동되는 작업용 전동기를 구비하는 하이브리드형 건설기계로서,
    상기 내연기관 발동기를 냉각하는 제1 열교환기를 포함하는 제1 냉각액 순환시스템과,
    상기 작업용 전동기의 단자에 일단이 접속된 제1 인버터회로와,
    상기 제1 인버터회로의 타단에 직류전압 변환기를 통하여 접속된 축전장치와,
    상기 제1 인버터회로 및 상기 직류전압 변환기를 냉각하기 위하여 상기 제1 냉각액 순환시스템과는 별도로 설치된, 제2 열교환기를 포함하는 제2 냉각액 순환시스템
    을 구비하는 하이브리드형 건설기계.
  2. 조작자의 조작에 의하여 구동되는 작업용 전동기를 구비하는 하이브리드형 건설기계로서,
    상기 작업용 전동기의 단자에 일단이 접속된 인버터회로와,
    리액터를 포함하여 구성되고, 상기 인버터회로의 타단에 일단이 접속된 직류전압 변환기와,
    상기 직류전압 변환기의 타단에 접속된 축전장치와, 열교환기를 포함하여 구성되고, 상기 리액터를 냉각하는 냉각액 순환시스템을 구비하는 하이브리드형 건설기계.
  3. 작업요소를 구동하기 위한 교류전동기와,
    상기 교류전동기를 제어하는 서보제어유닛을 구비하고,
    상기 서보제어유닛이, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 교류전동기를 구동하기 위한 인버터회로를 가지는 드라이버유닛과, 상기 드라이버유닛의 상기 인버터회로를 제어하는 컨트롤유닛을 가지고 있으며,
    상기 컨트롤유닛이, 밀폐구조를 가지는 케이스체와, 상기 케이스체 내에 설치되고, 상기 드라이버유닛의 상기 인버터회로를 제어하는 CPU와, 상기 CPU와 열(熱)적으로 결합되고, 상기 케이스체의 외부로부터 냉각액을 도입함으로써 상기 CPU를 냉각하는 냉각용 배관을 가지는 하이브리드형 건설기계.
  4. 조작자의 조작에 의하여 구동되는 작업용 전동기를 구비하는 건설기계로서,
    축전장치와,
    인텔리전트 파워모듈(이하, ＩＰＭ이라 함)을 포함하여 상기 작업용 전동기를 구동하는 인버터회로를 가지는 인버터유닛, 및ＩＰＭ을 포함하여 상기 축전장치의 충방전을 행하는 직류전압 변환기를 가지는 승강압 컨버터유닛 중 적어도 일방의 유닛을 포함하는 하나 또는 복수의 유닛과,
    상기 인버터회로 및 상기 직류전압 변환기 중 적어도 일방을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 하나 또는 복수의 유닛은, 상기 ＩＰＭ에 내장된 제1 온도센서와는 별도로, 상기 ＩＰＭ의 온도를 검출하기 위한 제2 온도센서를 상기 ＩＰＭ의 외부에 가지며,
    상기 제어부는, 상기 제2 온도센서에 의한 온도검출 결과가, 상기 제1 온도센서에 의하여 상기 ＩＰＭ의 과열보호기능이 동작하는 온도보다 낮은 소정의 제1 임계치를 넘은 경우에, 상기 유닛이 상기 인버터유닛일 경우에는 상기 작업용 전동기로의 최대 구동전류를 저하시키고, 또한 상기 유닛이 상기 승강압 컨버터유닛일 경우에는 상기 축전장치로부터의 최대 방전전류 및/또는 상기 축전장치로의 최대 충전전류를 저하시키는 건설기계.
  5. 작업요소를 구동하기 위한 교류전동기와,
    상기 교류전동기를 구동제어하는 제1 구동제어수단과,
    상기 제1 구동제어수단을 냉각하는 냉각장치와,
    상기 냉각장치에 있어서의 냉매의 온도를 검출하는 온도검출수단과,
    상기 제1 구동제어수단을 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 제1 구동제어수단은, 상기 제1 구동제어수단의 온도가 소정의 운전정지온도 이상인 것을 검출한 경우에, 상기 교류전동기를 구동하기 위한 전류의 공급을 정지하는 기구를 가지며,
    상기 컨트롤러는, 상기 온도검출수단으로부터 취득한 상기 냉매의 온도가 미리 정해져 있는 출력억제온도보다 큰 경우에는, 상기 냉매의 온도가 상기 출력억제온도 이하인 경우와 비교하여, 상기 교류전동기에 공급되는 전류의 상한치를 작게 하도록 상기 제1 구동제어수단을 제어하고,
    상기 출력억제온도는, 상기 운전정지온도보다 낮은 하이브리드형 건설기계.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
    작업요소를 구동하기 위한 제2 교류전동기와,
    축전장치와,
    상기 제2 교류전동기 및 상기 축전장치를 제어하는 서보제어유닛을 구비하고,
    상기 서보제어유닛은, 출력단이 상기 제2 교류전동기에 접속되어 있고, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 상기 제2 교류전동기를 구동하는 제2 인버터유닛과, 출력단이 상기 축전장치에 접속되어 있고, 상기 축전장치의 충전 및 방전을 행하는 승강압 컨버터유닛과,
    상기 제2 인버터유닛 및 상기 승강압 컨버터유닛을 고정하기 위한 케이스체를 구비하고,
    상기 제2 인버터유닛의 입력단 및 상기 승강압 컨버터유닛의 입력단이, 부스바(bussbar)로 이루어지는 DC버스에 접속되어 있는
    하이브리드형 건설기계.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
    축전장치의 전력을 이용하여 복수의 교류전동기를 구동하는 서보제어시스템을 구비하는 하이브리드형 건설기계로서,
    상기 서보제어시스템은,
    직류전력을 교류전력으로 변환하여 하나의 상기 교류전동기를 구동하는 인버터회로, 및 상기 축전장치의 충방전을 행하는 승강압 컨버터회로 중 어느 하나의 회로와, 상기 회로를 수용하는 케이스체를 각각 가지는 복수의 드라이버유닛을 구비하고,
    상기 복수의 드라이버유닛은, 소정 방향으로 늘어서도록 배치됨과 함께, 서로 인접하는 상기 드라이버유닛의 상기 케이스체끼리가 체결구에 의하여 착탈 가능하게 고정되어 있는 하이브리드형 건설기계.
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