KR20120097641A - 하이브리드 굴삭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 굴삭기에 관한 것으로, 그 구성은 하이브리드 굴삭기에 있어서, 엔진과 연결되어 에너지를 발생하는 전동기 발전기; 선회시 발생하는 에너지를 회수하는 선회 전동기 발전기; 주행시 발생하는 에너지를 회수하는 주행 전동기 발전기; 상기 전동기 발전기와 선회 및 주행 전동기 발전기 사이에서 전기적으로 연결되어 선회 전동기 발전기와 주행 전동기 발전기를 제어하는 인버터; 및 상기 인버터에 전기적으로 연결되어 발생되는 회수 에너지를 저장하는 축전기;를 포함하여 이루어진다.

Description

하이브리드 굴삭기{hybrid Excavator}

본 발명은 하이브리드 굴삭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주행 또는 선회에서 제동시 엔진 출력의 불필요한 손실을 최소화하기 위하여 주행 및 선회 측에 전동기 발전기를 이용함으로써 동작에 따른 회생 에너지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 하는 하이브리드 굴삭기에 관한 것이다.

일반적으로, 굴삭기는 건축 및 토목 공사시 땅을 파거나 메우는 굴삭작업, 경토암반 파쇄 등의 브레이커 작업, 흙다짐과 같은 컴팩터 작업, 절단 등의 크라샤 작업과 같은 다양한 작업 기능을 가진 건설기계를 말한다.

이러한 굴삭기는 보통 주행 동력을 얻기 위해 디젤 엔진 등의 엔진을 탑재하고 있고, 이 엔진의 힘을 이용하여 유압 펌프를 구동하며, 유압 펌프에서 토출되는 작동유를 유압 모터나 유압 실린더 등의 유압 액추에이터로 공급함으로써 주행용 크롤러 또는 타이어의 회전이나 붐, 아암, 버켓 등의 각 작업 부위를 동작시키고 있다.

이와 같이 주지된 굴삭기는 디젤 엔진과 같은 엔진을 탑재하고 있기 때문에 작업장소에 제한을 받지 않고 자유롭게 작업할 수 있는 장점을 가진다.

하지만, 화석연료인 경유는 갈수록 고갈되어 가고 있어 대체 에너지의 필요성이 심각하게 대두되고 있을 뿐만 아니라, 연료값이 비싸고, 중장비라는 특수성 때문에 특히 연료 소모량이 많아 운전비용이 증대되는 단점이 있어 왔다.

이러한 단점을 보완하기 위해 근래에 개발되는 것이 하이브리드 굴삭기이며, 도 1은 일반적인 하이브리드 굴삭기에 대한 블록도이다. 이를 보면, 엔진(1)에서 출력된 에너지를 전동기 발전기(2)를 통해 유압 펌프(3)를 동작시키기고 동작된 유압 펌프는 콘트롤 밸브(4)를 거쳐 붐(8), 암, 버켓(7) 실린더와 유압 모터(5)를 동작시켜 주행부 구동과 실린더를 작동하는 구조이며, 전동기 발전기(2)에서 발생된 전기 에너지를 인버터(9)를 통해 제어하며 전동 모터(11)를 동작시켜 선회부(12)를 구동하는 구조이다. 또한 전동기 발전기에서 발생되는 에너지는 축전기(10)에 저장하여 엔진 효율을 증대시키도록 하고 있다.

그러나 주행 동작시 제동을 위해서는 유압 모터에서 릴리프 밸브를 이용해 제어하는데, 이때 릴리프 밸브에서 압력에 의한 불필요한 에너지 낭비를 초래하는 문제점이 있었다. 즉, 주행시 엔진에서 전달되는 에너지가 그대로 소모되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 주행 또는 선회에서 제동시 엔진 출력의 불필요한 손실을 최소화하기 위하여 주행 및 선회 측에 전동기 발전기를 이용함으로써 동작에 따른 회생 에너지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 하는 하이브리드 굴삭기를 제공함에 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 하이브리드 굴삭기에 있어서, 엔진과 연결되어 에너지를 발생하는 전동기 발전기; 선회시 발생하는 에너지를 회수하는 선회 전동기 발전기; 주행시 발생하는 에너지를 회수하는 주행 전동기 발전기; 상기 전동기 발전기와 선회 및 주행 전동기 발전기 사이에서 전기적으로 연결되어 선회 전동기 발전기와 주행 전동기 발전기를 제어하는 인버터; 및 상기 인버터에 전기적으로 연결되어 발생되는 회수 에너지를 저장하는 축전기;를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 주행 전동기 발전기는 주행부에 대해 한 축당 하나 이상이 배치되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 주행부는 선택 스위치에 의해 2륜 또는 4륜 구동이 가능하게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 주행 또는 선회에서 제동시 엔진 출력의 불필요한 손실을 최소화하기 위하여 주행 및 선회 측에 전동기 발전기를 이용함으로써 동작에 따른 회생 에너지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 하는 효과가 있다.

특히 본 발명에 따르면, 주행 작업이 많은 휠 방식의 굴삭기의 경우 효율을 극대화시킬 수 있는 기대 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 하이브리드 굴삭기를 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 하이브리드 굴삭기를 나타내는 블록도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

도 2에 도시된 바에 의하면 본 발명의 하이브리드 굴삭기는 엔진(20)에 의해 유압 펌프(22)가 구동되어 생성된 유량 및 유압이 메인 콘트롤 밸브(23)를 거쳐 붐(24), 암, 버켓(25)의 실린더에 유량을 공급하여 움직인다. 여기서 상기 구성들은 종래의 일반적인 구성이다. 이러한 구성들의 동작은 운전자가 조이스틱을 이용해 신호를 발생시키면 메인 콘트롤 밸브에서 스풀을 전환하여 동작하게 되는 것이다.

또한 전기 시스템 구성을 위해서는 발전 및 엔진 동력 보조를 위한 전동기 발전기(21)가 엔진(20)과 유압 펌프(22) 사이에 위치한다. 발전이 필요한 때 전동기 발전기(21)는 엔진의 동력을 전달받아 전기를 생성하고, 인버터(26)를 거쳐 필요한 에너지를 축전기(29)에 저장하게 된다. 축적된 전기 에너지는 엔진 동작시 엔진에 과부하가 불생하였을 때 전동기로 공급하여 동력 발생의 보조 역할로 이용할 수도 있고, 하이브리드 굴삭기의 전기 계통 구성들을 동작시키는데 이용되기도 한다.

그리고 인버터(26)는 전동기 발전기(21)로부터 발생한 AC 전력을 DC로 변환해서 축전기(29)에 저장하고, 저장된 에너지를 AC로 변환해서 주행 전동기 발전기(28) 및 선회 전동기 발전기(27)를 구동한다.

또한 인버터(26)는 축전기의 전압 레벨을 측정해서 전동기 발전기(21)를 발전 제어하고, 엔진(20)에 보조 동력이 필요할 때는 전동기 발전기(21)를 토크 제어하여 전동 제어한다. 즉, 인버터를 통해 전동기 발전기에서 발생되는 에너지를 저장하거나 출력하여 엔진에 무리가 발생하지 않게 하고 축적된 에너지를 이용해 불필요한 에너지 소모를 방지하게 하는 구성이다.

그리고 축전기는 전동기 발전기의 발전 에너지와 선회 전동기 발전기, 주행 전동기 발전기의 회생 에너지를 저장하는 것 외에 모터들을 구동하기 위한 전기 에너지를 저장한다. 에너지 레벨은 인버터에 의해 실시간으로 확인되며, 필요시 엔진에 연결된 전동기 발전기(21)를 통해 에너지를 공급받아 축전한다.

한편 선회 전동기 발전기를 구동하기 위해서는, 인버터는 축전기에 저장된 DC 에너지를 AC 변환하여 속도 및 토크 제어하고, 제어장치(미도시)는 운전자가 조작한 조이스틱의 신호에 의해 인버터에서 계산한다.

예컨대 본 발명에서는 엔진과 연결된 전동기 발전기에서 발생된 전기 에너지를 축전기에 충전시켜 충전된 전기 에너지를 이용해 엔진의 보조적인 동력원으로 이용하고 있으며, 선회 전동기 발전기(27)는 선회부(27a)를 동작시키며 발생되는 전기 에너지를 다시 회수하여 인버터를 통해 축전기에 저장하고, 주행 전동기 발전기(28)는 주행부(28a)가 엔진 출력에 의해 동작하며 주행 발전기 모터에 의해 발생되는 전기 에너지를 축전기에 저장하고, 제동시에는 축전된 에너지를 이용함으로 전동기 발전기에 의해 회수되는 회생 에너지에 의해 엔진 연료 소모를 최소화할 수 있게 된다.

특히 주행이 휠 방식의 굴삭기의 경우 주행 동작이 빈번하기 때문에 제동시에 에너지를 회생하면 높은 연비를 얻을 수 있게 된다.

한편 도면상에는 도시하고 있지 않지만 주행부(28a) 측의 각 축에 주행 전동기 발전기(28)를 각각 구비시키며 구동축의 회전에 의해 각각 발전되게 하며 각각을 작업 상황에 따라 2륜 또는 4륜 구동 가능하도록 조작 스위치를 조이스틱 측에 구비시켜 선택적으로 적용함으로써 많은 힘이 필요할 때와 작은 힘이 필요할 때에 각각 변화하여 사용할 수 있게 하는 것도 가능하다.

본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

20 : 엔진 21 : 전동기 발전기
22 : 유압 펌프 23 : 메인 콘트롤 밸브
26 : 인버터 27 : 선회 전동기 발전기
28 : 주행 전동기 발전기 29 : 축전기

Claims (3)

1. 하이브리드 굴삭기에 있어서,
   엔진과 연결되어 에너지를 발생하는 전동기 발전기;
   선회시 발생하는 에너지를 회수하는 선회 전동기 발전기;
   주행시 발생하는 에너지를 회수하는 주행 전동기 발전기;
   상기 전동기 발전기와 선회 및 주행 전동기 발전기 사이에서 전기적으로 연결되어 선회 전동기 발전기와 주행 전동기 발전기를 제어하는 인버터; 및
   상기 인버터에 전기적으로 연결되어 발생되는 회수 에너지를 저장하는 축전기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 주행 전동기 발전기는 주행부에 대해 한 축당 하나 이상이 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 주행부는 선택 스위치에 의해 2륜 또는 4륜 구동이 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.

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