(57)【要約】【課題】位相変調回路などからの出力のハンチングを抑制すること。【解決手段】作業車両の動力伝達装置は、内燃機関で発生した動力により電力を発生する発電機と、発電機で発生した電力により駆動力を発生する電動機と、電動機で発生した駆動力により走行する走行装置と、発電機と電動機との間に直列に接続され、コンデンサ及びコンデンサの一端側及び他端側に接続されるスイッチング素子を有する位相変調回路と、スイッチング素子を制御して、コンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えて、発電機から電動機に供給される電流の位相を変調する制御装置と、を備える。発電機の同期インダクタンスをＬ、発電機の基本周波数をｆ０、コンデンサの容量をＣ、としたとき、Ｃ  ＜  １／［Ｌ×（２×π×ｆ０）２］、の条件を満足する。【選択図】図２
2020104819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関で発生した動力により電力を発生する発電機と、
前記発電機で発生した電力により駆動力を発生する電動機と、
前記電動機で発生した駆動力により走行する走行装置と、
前記発電機と前記電動機との間に直列に接続され、コンデンサ及び前記コンデンサの一端側及び他端側に接続されるスイッチング素子を有する位相変調回路と、
前記スイッチング素子を制御して、前記コンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えて、前記発電機から前記電動機に供給される電流の位相を変調する制御装置と、を備え、
前記発電機の同期インダクタンスをＬ、前記発電機の基本周波数をｆ０、前記コンデンサの容量をＣ、としたとき、
Ｃ  ＜  １／［Ｌ×（２×π×ｆ０）２］、
の条件を満足する、
作業車両の動力伝達装置。
【請求項２】
Ｃ  ＜  １／［Ｌ×（２×π×１．０５×ｆ０）２］、
の条件を満足する、
請求項１に記載の作業車両の動力伝達装置。
【請求項３】
前記発電機から出力される交流電流のピーク値をＩｐｅｅｋ、前記スイッチング素子の耐電圧をＶｍａｘとしたとき、
Ｌ×（Ｉｐｅｅｋ／Ｖｍａｘ）２  ＜Ｃ、
の条件を満足する、
請求項１又は請求項２に記載の作業車両の動力伝達装置。
【請求項４】
前記内燃機関は、複数の運転回転数のそれぞれで運転され、
前記基本周波数ｆ０は、複数の前記運転回転数のうち最も高い運転回転数で前記内燃機関が運転されたときの前記基本周波数である、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の作業車両の動力伝達装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記発電機で発生した電圧の位相に対する前記電流の位相の遅れを補償する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の作業車両の動力伝達装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子は、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子、及び第４スイッチング素子を含み、
前記位相変調回路は、前記発電機から前記電動機に向かって前記第４スイッチング素子と前記第１スイッチング素子とが直列に接続された第１部分と、前記第１部分に並列に配置され前記発電機から前記電動機に向かって前記第３スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とが直列に接続された第２部分とを有し、
前記コンデンサの正極は、前記第１部分のうち前記第４スイッチング素子と前記第１スイッチング素子との間の接続部に接続され、前記コンデンサの負極は、前記第２部分のうち前記第３スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間の接続部に接続される、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の作業車両の動力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業車両の動力伝達装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉱山の採掘現場のような作業現場において、ダンプトラックのような作業車両が稼働する。作業車両は、駆動力を走行装置に伝達する動力伝達装置を備える。特許文献１には、内燃機関で発生した動力により発電機を駆動し、発電機で発生した電力により電動機を駆動し、電動機で発生した駆動力により走行装置を走行させる動力伝達装置が開示されている。特許文献１に開示されている動力伝達装置は、コンデンサ及びコンデンサの正極側及び負極側にそれぞれ接続されるスイッチング素子を有する位相変調回路と、スイッチング素子を切り替えてコンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えることで発電機から電動機に供給される電流の位相を変調する制御装置とを備える。また、特許文献２には、回転機と電源、もしくは発電機と負荷との間にスナバエネルギー回生双方向電流スイッチを直列接続し、スイッチを位相にあわせて、オン・オフをすることにより、磁気エネルギーをコンデンサに蓄積し、その電圧を電源電圧に足すことにより、リアクタンス電圧を補償することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−０５２４５８号公報
【特許文献２】特開２００５−０５７９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２には、コンデンサの容量はシステムの要求により選択すべき事項であることが記載されている。しかし、コンデンサの容量が適正な値でないと、位相変調回路からの出力や電動機からの出力が変動する、所謂ハンチングを引き起こす可能性がある。
【０００５】
本発明の態様は、位相変調回路などからの出力のハンチングを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様に従えば、内燃機関で発生した動力により電力を発生する発電機と、前記発電機で発生した電力により駆動力を発生する電動機と、前記電動機で発生した駆動力により走行する走行装置と、前記発電機と前記電動機との間に直列に接続され、コンデンサ及び前記コンデンサの一端側及び他端側に接続されるスイッチング素子を有する位相変調回路と、前記スイッチング素子を制御して、前記コンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えて、前記発電機から前記電動機に供給される電流の位相を変調する制御装置と、を備え、前記発電機の同期インダクタンスをＬ、前記発電機の基本周波数をｆ０、前記コンデンサの容量をＣ、としたとき、
Ｃ  ＜  １／［Ｌ×（２×π×ｆ０）２］、
の条件を満足する、作業車両の動力伝達装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の態様によれば、位相変調回路などからの出力のハンチングが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る作業車両を示す側面図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る作業車両の動力伝達装置を示す構成図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る位相変調回路を示す回路図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る位相変調回路の動作例を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る位相変調回路の動作例を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る位相変調回路の動作例を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る位相変調回路の動作例を示す図である。
【図８】図８は、本実施形態に係る制御装置を示す機能ブロック図である。
【図９】図９は、比較例に係る動力伝達装置の動作を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る動力伝達装置の動作を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本実施形態に係る発電機及びコンデンサを模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、本実施形態に係るコンデンサの効果を確認するために行った実験結果を示すグラフである。
【図１３】図１３は、発電機が発生する誘起電圧とスイッチング素子をスイッチングするタイミングとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
【００１０】
［作業車両］
図１は、本実施形態に係る作業車両１を示す側面図である。本実施形態において、作業車両１は、例えば鉱山の採掘現場のような作業現場において、土砂又は砕石のような積荷を運搬するダンプトラックである。以下の説明においては、作業車両１を適宜、ダンプトラック１、と称する。
【００１１】
ダンプトラック１は、車両本体２と、車両本体２に支持されるベッセル３とを備える。車両本体２は、走行装置４と、走行装置４に支持される車体５とを有する。走行装置４は、車輪６と、車輪６を回転可能に支持する車軸７とを有する。車輪６は、前輪６Ｆと後輪６Ｒとを含む。車軸７は、前輪６Ｆを回転可能に支持する前車軸７Ｆと、後輪６Ｒを回転可能に支持する後車軸７Ｒとを含む。
【００１２】
ベッセル３は、積荷が積載される構造物である。ベッセル３は、ホイストシリンダのような昇降装置により、車両本体２に対して上下に昇降可能である。昇降装置によりベッセル３が上昇することによって、ベッセル３の積荷が排出される。
【００１３】
車体５は、運転室８と、内燃機関１１及び動力伝達装置１０を有する動力発生装置９と、制御装置３０とを有する。運転室８に運転者が搭乗する。本実施形態において、ダンプトラック１は、運転室８に搭乗した運転者の操作に基づいて走行する有人ダンプトラックである。
【００１４】
運転室８にアクセルペダル８ａが設けられる。アクセルペダル８ａは、運転者に操作される。アクセルペダル８ａの操作量に基づいて、内燃機関１１の出力が調整される。
【００１５】
図２は、本実施形態に係るダンプトラック１の動力発生装置９を示す構成図である。動力発生装置９は、電気駆動方式により動力を発生させて走行装置４を駆動する。図２に示すように、動力発生装置９は、内燃機関１１と、動力伝達装置１０とを有する。
【００１６】
内燃機関１１は、ダンプトラック１の動力源である。内燃機関１１として、ディーゼルエンジンが例示される。内燃機関１１は、動力伝達シャフト１７に連結される。内燃機関１１は、動力伝達シャフト１７を回転させる。動力伝達シャフト１７に発電機１２及び油圧ポンプ１８が連結される。油圧ポンプ１８は、ダンプトラック１が有する油圧機器に作動油を供給する。内燃機関１１の動力により油圧ポンプ１８が駆動する。内燃機関１１の回転速度を示すエンジン回転速度を検出するエンジン回転センサ１１ｓが内燃機関１１に設けられる。
【００１７】
［動力伝達装置］
動力伝達装置１０は、内燃機関１１の動力を走行装置４に伝達する。動力伝達装置１０は、発電機１２と、位相変調回路１３と、整流器１４と、インバータ１５と、電動機１６と、角度センサ４０と、制御装置３０とを有する。
【００１８】
発電機１２は、内燃機関１１で発生した動力により電力を発生する。発電機１２は、オルタネータを含む。発電機１２は、ステータ及びロータを有する。発電機１２のステータ及びロータの一方にコイルが配置され、ステータ及びロータの他方に電磁石が配置される。発電機１２のロータは、動力伝達シャフト１７に連結される。動力伝達シャフト１７の回転に伴って発電機１２のロータが回転し、電磁誘導によりコイルに誘起電圧Ｅ及び誘起電流が発生する。発電機１２は、誘起電圧Ｅ及び誘起電流として、三相の交流電圧及び交流電流を発生させる。発電機１２のロータの回転速度を示す発電機回転速度を検出する発電機回転センサ１２ｓが発電機１２に設けられる。
【００１９】
発電機１２は、励磁装置１９を有する。励磁装置１９は、界磁側の電磁石に流す励磁電流を調整することにより、界磁側の電磁石の磁力を調整して、発電機１２の発電量を調整する。
【００２０】
位相変調回路１３は、発電機１２から電動機１６に供給される電流の位相を変調する。位相変調回路１３は、磁気エネルギー回生位相変調回路である。位相変調回路１３は、発電機１２と電動機１６との間に直列に接続される。本実施形態において、位相変調回路１３は、発電機１２と整流器１４との間に直列に接続される。発電機１２から三相の交流電圧及び交流電流が発生する。位相変調回路１３は、三相の交流電圧及び交流電流に対応するように並列に配置された第１位相変調回路１３Ａと第２位相変調回路１３Ｂと第３位相変調回路１３Ｃとを含む。位相変調回路１３から出力される交流電圧を整流する整流器１３ａが位相変調回路１３に接続される。また、整流器１３ａにより整流された三相の直流電圧値の加算値を検出する電圧センサ１３ｓが整流器１３ａに設けられる。
【００２１】
整流器１４は、位相変調回路１３から出力された交流電圧を整流し、直流電圧を出力する。整流器１４とインバータ１５との間に平滑コンデンサ２０が配置される。平滑コンデンサ２０は、整流器１４から出力された直流電流を平滑化する。整流器１４とインバータ１５との間にリターダのような負荷機器２１が配置される。負荷機器２１は、ダンプトラック１の制動時に運動エネルギーを吸収する。また、整流器１４とインバータ１５との間に負荷機器２１を冷却するファンを駆動するブロアモータＢＭが設けられる。
【００２２】
インバータ１５は、整流器１４から出力され、平滑コンデンサ２０により平滑された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。インバータ１５は、前輪６Ｆ側に交流電圧を出力する前輪側出力部１５Ｆと、後輪６Ｒ側に交流電圧を出力する後輪側出力部１５Ｒとを有する。前輪側出力部１５Ｆ及び後輪側出力部１５Ｒのそれぞれは、三相の交流電圧に対応するように３つ並列に配置される。
【００２３】
電動機１６は、発電機１２で発生した電力により駆動力を発生する。電動機１６は、インバータ１５から出力される電力により駆動する。電動機１６は、モータを含む。走行装置４は、電動機１６で発生した駆動力により走行する。電動機１６は、例えば前輪６Ｆ側に配置される前輪側電動機１６Ｆと、後輪６Ｒ側に配置される後輪側電動機１６Ｒとを有する。電動機１６は、伝達機構２２に接続される。伝達機構２２は、電動機１６で発生した駆動力を、車軸７を介して車輪６に伝達する。電動機１６の回転速度を示すモータ回転速度を検出するモータ回転センサ１６ｓが電動機１６に設けられる。
【００２４】
角度センサ４０は、発電機１２の機械角θを検出する。本実施形態において、角度センサ４０は、動力伝達シャフト１７の回転角を検出することによって、発電機１２の機械角θを検出する。角度センサ４０は、例えばレゾルバを含む。
【００２５】
［位相変調回路］
図３は、本実施形態に係る位相変調回路１３を示す回路図である。図３は、１つの位相変調回路１３の一例を示す電気回路図である。図３に示すように、位相変調回路１３は、コンデンサＣｏと、コンデンサＣｏの一端側及び他端側のそれぞれに接続されるスイッチング素子Ｓとを有する。スイッチング素子Ｓは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３、及び第４スイッチング素子Ｓ４を含む。
【００２６】
以下の説明においては、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３、及び第４スイッチング素子Ｓ４のそれぞれを適宜、スイッチング素子Ｓ１、スイッチング素子Ｓ２、スイッチング素子Ｓ３、及びスイッチング素子Ｓ４と称する。
【００２７】
また、位相変調回路１３は、発電機１２に接続される接続部Ｐ１と、整流器１４に接続される接続部Ｐ２とを有する。
【００２８】
スイッチング素子Ｓは、例えばＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor  field-effect  transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等のスイッチング素子である。スイッチング素子Ｓとしては、上記に限定するものではなく、他の種類のスイッチであってもよい。以降はスイッチング素子ＳにＩＧＢＴを用いた実施形態で説明を行う。
【００２９】
第１スイッチング素子Ｓ１及び第４スイッチング素子Ｓ４は、コンデンサＣｏの一端側に接続される。第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３は、コンデンサＣｏの他端側に接続される。位相変調回路１３は、接続部Ｐ１（発電機１２）から接続部Ｐ２（電動機１６）に向かってスイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ１とが直列に接続された第１部分Ａ１と、第１部分Ａ１に並列に配置され、接続部Ｐ１（発電機１２）から接続部Ｐ２（電動機１６）に向かってスイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ２とが直列に接続された第２部分Ａ２とを有する。
【００３０】
スイッチング素子Ｓ４のエミッタ端子は、接続部Ｐ１に接続される。スイッチング素子Ｓ４のコレクタ端子は、スイッチング素子Ｓ１のコレクタ端子に接続される。スイッチング素子Ｓ１のエミッタ端子は、接続部Ｐ２に接続される。スイッチング素子Ｓ３のコレクタ端子は、接続部Ｐ１に接続される。スイッチング素子Ｓ３のエミッタ端子は、スイッチング素子Ｓ２のエミッタ端子に接続される。スイッチング素子Ｓ２のコレクタ端子は、接続部Ｐ２に接続される。
【００３１】
スイッチング素子Ｓ４及びスイッチング素子Ｓ１と、スイッチング素子Ｓ３及びスイッチング素子Ｓ２とは、並列に接続される。
【００３２】
コンデンサＣｏの一端は、第１部分Ａ１のうちスイッチング素子Ｓ４とスイッチング素子Ｓ１との間の接続部Ｐ３に接続される。コンデンサＣｏの他端は、第２部分Ａ２のうちスイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ２との間の接続部Ｐ４に接続される。４つのスイッチング素子Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）及びコンデンサＣｏによりブリッジ回路が形成される。
【００３３】
図４、図５、図６、及び図７のそれぞれは、本実施形態に係る位相変調回路１３の動作例を示す図である。スイッチング素子Ｓは、ＯＮ又はＯＦＦされる。本実施形態においては、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ３とが同時にＯＮ又はＯＦＦされ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ４とが同時にＯＮ又はＯＦＦされる。スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＮされる場合、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＦＦされる。スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＦＦされる場合、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＮされる。
【００３４】
図４は、接続部Ｐ１の電圧が負の状態で、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＮされ、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＦＦされた状態を示す。図４に示す状態の場合、接続部Ｐ２からスイッチング素子Ｓ１を介してコンデンサＣｏの一端に電流が流れ、コンデンサＣｏの他端からスイッチング素子Ｓ３を介して接続部Ｐ１に電流が流れる。この場合、コンデンサＣｏは帯電する。
【００３５】
図５は、接続部Ｐ１の電圧が正の状態で、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＮされ、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＦＦされた状態を示す。図５に示す状態の場合、接続部Ｐ１からスイッチング素子Ｓ３を介してコンデンサＣｏの他端に電流が流れ、コンデンサＣｏの一端からスイッチング素子Ｓ１を介して接続部Ｐ２に電流が流れる。この場合、コンデンサＣｏは放電する。
【００３６】
図６は、接続部Ｐ１の電圧が正の状態で、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＮされ、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＦＦされた状態を示す。図６に示す状態の場合、接続部Ｐ１からスイッチング素子Ｓ２を介してコンデンサＣｏの一端に電流が流れ、コンデンサＣｏの他端からスイッチング素子Ｓ４を介して接続部Ｐ２に電流が流れる。この場合、コンデンサＣｏは帯電する。
【００３７】
図７は、接続部Ｐ１の電圧が負の状態で、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＮされ、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＦＦされた状態を示す。図７に示す状態の場合、接続部Ｐ２からスイッチング素子Ｓ４を介してコンデンサＣｏの他端に電流が流れ、コンデンサＣｏの一端からスイッチング素子Ｓ２を介して接続部Ｐ１に電流が流れる。この場合、コンデンサＣｏは放電する。
【００３８】
［制御装置］
図８は、本実施形態に係る制御装置３０を示す機能ブロック図である。制御装置３０は、発電機１２で発生した電圧の位相に対する電流の位相の遅れを補償する。図８に示すように、制御装置３０は、データ取得部３６と、記憶部３５と、内燃機関制御部３１と、発電機制御部３２と、電動機制御部３３と、位相変調回路制御部３４とを有する。
【００３９】
データ取得部３６は、アクセルペダル８ｓの操作量に基づいて算出されるアクセル開度指令値を取得する。データ取得部３６は、エンジン回転速度を示すエンジン回転センサ１１ｓの検出データ、発電機回転速度を示す発電機回転センサ１２ｓの検出データ、モータ回転速度を示すモータ回転センサ１６ｓの検出データ、直流電圧値の加算値を示す電圧センサ１３ｓの検出データ、及び発電機１２のロータの機械角θを示す角度センサ４０の検出データを取得する。
【００４０】
記憶部３５は、動力伝達装置１０を含むダンプトラック１の制御に使用されるコンピュータプログラム及びデータを記憶する。本実施形態において、記憶部３５は、エンジン回転速度指令値算出データ、直流電圧指令値算出データ、出力指定値算出データ、モータトルク指令値算出データ、及びスイッチング指令値算出データを記憶する。
【００４１】
エンジン回転速度指令値算出データは、アクセル開度指令値とエンジン回転速度指令値との関係を示す相関データである。直流電圧指令値算出データは、エンジン回転速度とモータ回転速度と直流電圧指令値との関係を示す相関データである。出力指定値算出データは、エンジン回転速度とエンジントルクとの関係を示す相関データである。モータトルク指令値算出データは、モータ回転速度とモータトルク指令値との関係を示す相関データである。スイッチング指令値算出データは、発電機１２の機械角θとスイッチング指令値との関係を示す相関データである。
【００４２】
内燃機関制御部３１は、内燃機関１１を制御する。内燃機関制御部３１は、アクセル開度指令値と、記憶部３５に記憶されるエンジン回転速度指令値算出データとに基づいて、エンジン回転速度指令値を算出して、内燃機関１１に出力する。
【００４３】
発電機制御部３２は、発電機１２を制御する。発電機制御部３２は、エンジン回転センサ１１ｓの検出データと、モータ回転センサ１６ｓの検出データと、電圧センサ１３ｓの検出データと、記憶部３５に記憶される直流電圧指令値算出データとに基づいて、励磁電流指令値を算出して、発電機１２に出力する。
【００４４】
電動機制御部３３は、電動機１６を制御する。電動機制御部３３は、アクセル開度指令値と、エンジン回転センサ１１ｓの検出データと、モータ回転センサ１６ｓの検出データと、記憶部３５に記憶される出力指定値算出データと、記憶部３５に記憶されているモータトルク指令値算出データとに基づいて、モータトルク指令値を算出して、電動機１６に出力する。
【００４５】
位相変調回路制御部３４は、位相変調回路１３を制御する。位相変調回路制御部３４は、角度センサ４０の検出データに基づいて、Ｓ１〜Ｓ４に示すスイッチング素子Ｓを制御して、コンデンサＣｏの帯電状態と放電状態とを切り替えて、発電機１２から電動機１６に供給される電流の位相を変調する。位相変調回路制御部３４は、角度センサ４０の検出データと、記憶部３５に記憶されるスイッチング指令値算出データとに基づいて、スイッチング指令値を算出して、位相変調回路１３に出力する。
【００４６】
位相変調回路制御部３４は、発電機１２の機械角θに基づいて、Ｓ１〜Ｓ４に示すスイッチング素子ＳのＯＮとＯＦＦとのタイミングを調整する。Ｓ１〜Ｓ４に示すスイッチング素子ＳのＯＮとＯＦＦとのタイミングが調整されることにより、位相変調回路１３のコンデンサＣｏの帯電状態と放電状態とが切り替えられる。
【００４７】
［位相変調回路の作用］
次に、位相変調回路１３の作用について説明する。図９は、比較例に係る動力伝達装置の動作を示すグラフである。図１０は、本実施形態に係る動力伝達装置１０の動作を示すグラフである。
【００４８】
比較例に係る動力伝達装置は、位相変調回路１３を備えない。図９は、位相変調回路１３が設けられない場合において、発電機１２で発生する電圧、電流、及び力率のそれぞれ示すグラフである。図９（ａ）は、発電機１２で発生する電圧と時刻との関係を示す。図９（ｂ）は、発電機１２で発生する電流と時刻との関係を示す。図９（ｃ）は、力率と時刻との関係を示す。図９（ｄ）は、発電機１２で発生し電圧センサ１３ｓで検出された直流電圧値と時刻との関係を示す。力率は、有効電力／（有効電力^２＋無効電力＾２）＾１/２で表される値である。電圧は有効電圧を示し、電流は有効電流を示す。
【００４９】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、位相変調回路１３が設けられない場合、発電機１２で発生した電力は、発電機１２に設けられるコイルのリアクタンスの影響により、電圧の位相に対して電流の位相がαだけ遅れる。このため、図９（ｃ）に示すように、力率の値が１よりも小さい値となる。この場合、電圧センサ１３ｓで検出される直流電圧値はＶＰとなる。
【００５０】
本実施形態に係る動力伝達装置１０は、位相変調回路１３を備える。図１０は、位相変調回路１３が設けられる場合において、発電機１２で発生し位相変調回路１３の接続部Ｐ２から出力される電圧、電流、及び力率のそれぞれを示すグラフである。図１０（ｂ）は、位相変調回路１３の接続部Ｐ２から出力される電圧と時刻との関係を示す。図１０（ｃ）は、位相変調回路１３の接続部Ｐ２から出力される電流と時刻との関係を示す。図１０（ｄ）は、力率と時刻との関係を示す。図１０（ｂ）のグラフは、位相変調回路１３の接続部Ｐ２から出力される電圧Ｖａｃｏｕｔ、発電機１２から出力される電圧Ｖａｃｉｎ、及び位相変調回路１３のコンデンサＣｏから出力される電圧Ｖｃのそれぞれを示す。図１０（ａ）は、位相変調回路１３のスイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３のＯＮ及びＯＦＦのタイミングと、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４のＯＮ及びＯＦＦのタイミングとを示すタイミングチャートである。図１０（ｅ）は、位相変調回路１３から出力され電圧センサ１３ｓで検出された直流電圧値と時刻との関係を示す。
【００５１】
図１０に示すように、時刻の区間（１）において、発電機１２で発生した電圧Ｖａｃｉｎの値が最小値（負の値）となった場合、位相変調回路制御部３４は、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３をＯＮにし、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４をＯＦＦにする。すなわち、位相変調回路１３は、図４に示した状態になる。この場合、位相変調回路１３の接続部Ｐ１の電圧が負であるため、コンデンサＣｏが帯電する。
【００５２】
区間（１）の後の区間（２）において、電圧Ｖａｃｉｎの値が徐々に増加して正に切り替わるタイミングまで、位相変調回路制御部３４は、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＮであり、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＦＦである状態を維持する。すなわち、位相変調回路１３は、図５に示した状態になる。この場合、位相変調回路１３の接続部Ｐ１の電圧が正であるため、コンデンサＣｏが放電する。
【００５３】
区間（２）の後の区間（３）において、電圧Ｖａｃｉｎの値が最大値（正の値）となるタイミングで、位相変調回路制御部３４は、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３をＯＦＦに切り替え、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４をＯＮに切り替える。すなわち、位相変調回路１３は、図６に示した状態になる。この場合、位相変調回路１３の接続部Ｐ１の電圧が正であるため、コンデンサＣｏが帯電する。
【００５４】
区間（３）の後の区間（４）において、電圧Ｖａｃｉｎの値が徐々に減少して負に切り替わるタイミングまで、位相変調回路制御部３４は、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ３がＯＦＦであり、スイッチング素子Ｓ２及びスイッチング素子Ｓ４がＯＮである状態を維持する。すなわち、位相変調回路１３は、図７に示した状態になる。この場合、位相変調回路１３の接続部Ｐ１の電圧が負であるため、位相変調回路１３のコンデンサＣｏが放電する。
【００５５】
このように、位相変調回路制御部３４が位相変調回路１３のスイッチング素子Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）のＯＮとＯＦＦとを切り替えることにより、コンデンサＣｏの帯電と放電とのタイミングが制御される。発電機１２から出力される電圧Ｖａｃｉｎは、位相変調回路１３から出力される電圧Ｖａｃｏｕｔと、コンデンサＣｏから出力される電圧Ｖｃとの加算値となる。電圧Ｖａｃｉｎの位相は、位相変調回路１３から出力される電流の位相と等しくなる。位相変調回路１３から出力される電力において電圧と電流との位相が等しくなるため、力率は１になる。図１０（ｅ）に示すように、位相変調回路１３から出力される直流電圧値はＶＱとなる。この直流電圧値ＶＱは、位相変調回路１３が設けられない場合の直流電圧値ＶＰよりも大きな値である。
【００５６】
このように、位相変調回路１３が設けられることにより、発電機１２の力率が改善される。力率の改善により、動力伝達装置１０は、内燃機関１１及び発電機１２のサイズが同一であり、アクセル開度を同一とする場合、発電機１２の出力が高められる。このため、動力伝達装置１０の伝達効率が向上する。
【００５７】
［ハンチングの抑制］
図１１は、本実施形態に係る発電機１２及びコンデンサＣｏを模式的に示す図である。本実施形態において、発電機１２の同期インダクタンスをＬ、発電機１２の基本周波数をｆ０、コンデンサＣｏの容量をＣ、としたとき、容量Ｃは、以下の（１）式の条件を満足するように定められる。
【００５８】
【数１】
2020104819.tif 000003
【００５９】
なお、容量Ｃは、以下の（２）式の条件を満足することがより好ましい。
【００６０】
【数２】
2020104819.tif 000004
【００６１】
上述の（１）式及び（２）式は、容量Ｃの上限値を規定する。発電機か２ら出力される交流電流のピーク値をＩｐｅｅｋ、スイッチング素子Ｓの耐電圧をＶｍａｘとしたとき、容量Ｃの下限値は、以下の（３）式を満足することが好ましい。
【００６２】
【数３】
2020104819.tif 000005
【００６３】
発電機１２の同期インダクタンスＬは、発電機１２の固有値である。発電機１２のコイルの誘起電圧をＥ、発電機１２の内部抵抗をｒ、発電機１２の出力部を短絡させたときに発電機１２から出力される電流をＩとしたとき、同期インダクタンスＬとは、以下の（４）式に基づいて算出される値をいう。
【００６４】
【数４】
2020104819.tif 000006
【００６５】
発電機１２の基本周波数ｆ０は、単位時間当たりのロータの回転数をいう。上述のように、発電機１２のロータは、動力伝達シャフト１７を介して内燃機関１１に連結され、内燃機関１１で発生した動力により回転する。すなわち、発電機１２の基本周波数ｆ０は、内燃機関１１の運転回転数に応じて変化する。本実施形態において、内燃機関１１は、複数の運転回転数のそれぞれで運転される。コンデンサＣｏの容量Ｃを決定するための発電機１２の基本周波数ｆ０は、複数の運転回転数のうち最も高い運転回転数で内燃機関１１が運転されたときの基本周波数である。一例として、内燃機関１１が、アイドリングにおいて８００［ｒｐｍ］で回転し、平地走行において１５００［ｒｐｍ］で回転し、登坂走行において１８００［ｒｐｍ］で回転するように制御される場合、１８００［ｒｐｍ］で内燃機関１１が運転されたときの基本周波数である。
【００６６】
本出願の発明者は、コンデンサＣｏの容量Ｃが（１）式の条件を満足することにより、位相変調回路１３からの出力のハンチングが抑制されたり、電動機１６からの出力のハンチングが抑制されたりすることを見出した。位相変調回路１３からの出力のハンチングは、位相変調回路１３から出力される電圧Ｖａｃｏｕｔのハンチング、及び位相変調回路１３から出力される電流のハンチングの少なくとも一つを含む。電動機１６からの出力のハンチングは、電動機１６から出力されるトルクのハンチングを含む。
【００６７】
コンデンサＣｏの容量Ｃと同期インダクタンスＬとの電気的な共振周波数ｆｅは、以下の（５）式で表わされる。
【００６８】
【数５】
2020104819.tif 000007
【００６９】
本出願の発明者は、共振周波数ｆｅが基本周波数ｆ０を下回る場合、すなわち、［ｆｅ＜ｆ０］の条件が成立する場合、自己励磁現象という不安定現象が発生する可能性が高いことを見出した。容量Ｃが（１）式の条件を満足することにより、自己励磁現象の発生が抑制される。位相変調回路１３などからの出力のハンチングが抑制される。
【００７０】
図１２は、本実施形態に係るコンデンサＣｏの効果を確認するために行った実験結果を示すグラフである。図１２に示すグラフにおいて、縦軸は位相変調回路１３の接続部Ｐ２から出力され整流器１４から出力された直流電圧の振幅を示し、横軸はスイッチング位相差を示す。
【００７１】
図１３は、発電機１２が発生する誘起電圧Ｅとスイッチング素子Ｓをスイッチングするタイミングとの関係を示す図である。図１３を参照しながら、スイッチング位相差について説明する。図１３に示すように、スイッチング位相差とは、誘起電圧Ｅに対するスイッチング素子ＳをＯＮとＯＦＦとに切り替えるタイミングのズレをいう。
【００７２】
図１３（ａ１）及び図１３（ａ２）は、誘起電圧と時刻と関係を示すグラフである。図１３（ｂ１）及び図１３（ｂ２）は、スイッチング素子Ｓ１及びＳ３をＯＮとＯＦＦとに切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。図１３（ｃ１）及び図１３（ｃ２）は、スイッチング素子Ｓ２及びＳ４をＯＮとＯＦＦとに切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。図１３（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）は、スイッチング位相差が０°であるときのタイミングチャートである。図１３（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）は、スイッチング位相差が９０°であるときのタイミングチャートである。
【００７３】
図１３は、スイッチング素子ＳのＯＮ及びＯＦＦの一方から他方へのスイッチングが理想的に実行されている状態を示す。図１３（ａ１）及び図１３（ａ２）に示すように、発電機１２が発生する誘起電圧Ｅは、正弦波を描く。誘起電圧Ｅに基づいてスイッチング素子Ｓがスイッチングされれば、位相変調回路１３などからの出力のハンチングは十分に抑制される。
【００７４】
スイッチング素子ＳをＯＮとＯＦＦとに切り替えるタイミングは、誘導電圧に対して任意にずらすことができる。誘起電圧Ｅに対するスイッチング素子ＳをＯＮとＯＦＦとに切り替えるタイミングのズレを、スイッチング位相差という。
【００７５】
図１３（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）は、誘起電圧が負から正に切り替わるタイミング又は誘起電圧が正から負に切り替わるタイミングで、スイッチング素子ＳをＯＮとＯＦＦとに切り替えた場合のタイミングチャートを示す。このときのスイッチング位相差を０°とする。
【００７６】
図１３（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）は、誘起電圧が負から正に切り替わるタイミング又は誘起電圧が正から負に切り替わるタイミングから４分の１周期だけでずれたタイミングで、スイッチング素子ＳをＯＮとＯＦＦとに切り替えた場合のタイミングチャートを示す。このときのスイッチング位相差を９０°とする。
【００７７】
スイッチング位相差を変えることにより、電圧Ｖａｃｉｎに対する電圧Ｖａｃｏｕｔの位相を調整することができる。換言すれば、位相変調回路１３の効果を調整することができる。
【００７８】
なお、スイッチング素子ＳをＯＮとＯＦＦとに切り替えるタイミングは、誘起電圧Ｅや発電機１２の出力電圧Ｖａｃｉｎに基づいて決定されてもよいし、発電機１２の機械角に基づいて決定されてもよい。
【００７９】
図１２に係る実験において、発電機１２の基本周波数ｆ０は６０Ｈｚである。図１２に示すグラフにおいて、ラインＬａはコンデンサＣｏの容量Ｃが１２５μＦであるときの直流電圧の振幅を示し、ラインＬｂはコンデンサＣｏの容量Ｃが２５０μＦであるときの直流電圧の振幅を示し、ラインＬｃはコンデンサＣｏの容量Ｃが５００μＦであるときの直流電圧の振幅を示し、ラインＬｄはコンデンサＣｏの容量Ｃが１０００μＦであるときの直流電圧の振幅を示す。
【００８０】
図１２において、直流電圧の振幅が小さいほどハンチングが小さいことを示す。本実験では、直流電圧の振幅が振幅閾値ＳＨよりも大きい場合をハンチングが大きいと判定し、直流電圧の振幅が振幅閾値ＳＨよりも以下の場合をハンチングが小さいと判定した。
【００８１】
図１２に示すように、容量Ｃが１２５μＦ及び２５０μＦの場合の直流電圧の振幅は、振幅閾値ＳＨ以下であり、容量Ｃが５００μＦ及び１０００μＦの場合の直流電圧の振幅は、振幅閾値ＳＨよりも大きいことが確認できる。容量Ｃが１２５μＦのときの共振周波数ｆｅは１１２．５Ｈｚであり、容量Ｃが２５０μＦのときの共振周波数ｆｅは７９．６Ｈｚであった。すなわち、容量Ｃが１２５μＦ及び２５０μＦの場合、共振周波数ｆｅが基本周波数ｆ０を上回り、自己励磁現象の発生が抑制され、ハンチングの発生を抑制できることが確認できた。一方、容量Ｃが５００μＦのときの共振周波数ｆｅは５６．３Ｈｚであり、容量Ｃが１０００μＦのときの共振周波数ｆｅは３９．８Ｈｚであった。すなわち、容量Ｃが５００μＦ及び１０００μＦの場合、共振周波数ｆｅが基本周波数ｆ０を下回り、自己励磁現象が発生し、ハンチングが発生することが確認できた。
【００８２】
［効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、コンデンサＣｏの容量Ｃが（１）式の条件を満足することにより、自己励磁現象の発生が抑制される。したがって、位相変調回路１３などからの出力のハンチングが抑制される。
【００８３】
また、容量Ｃが（２）式の条件を満足することにより、共振周波数ｆｅと基本周波数ｆ０との差に余裕を持たせることができる。したがって、自己励磁現象の発生が十分に抑制される。
【００８４】
また、容量Ｃが（３）式の条件を満足することにより、例えばスイッチング素子Ｓに耐電圧Ｖｍａｘを超える電圧が印加されることが抑制される。したがって、スイッチング素子Ｓの性能の低下が抑制される。
【００８５】
また、基本周波数ｆ０は、内燃機関１１の複数の運転回転数のうち最も高い運転回転数で内燃機関１１が運転されたときの基本周波数である。登坂走行においては、電動機１６の負荷が大きいため、発電機１２の出力が低下する。最も高い運転回転数で内燃機関１１が運転されたときの基本周波数ｆ０に基づいて、コンデンサＣｏの容量Ｃを決定することで、登坂走行においても、ハンチングの発生が抑制される。
【００８６】
［他の実施形態］
なお、上述の実施形態においては、コンデンサＣｏの一端側及び他端側のそれぞれにスイッチング素子Ｓが２つずつ設けられることとした。例えばコンデンサＣｏの一端側及び他端側の少なくとも一方においてスイッチング素子が１つ設けられてもよい。コンデンサＣｏの一端側及び他端側の少なくとも一方においてスイッチング素子が３つ以上設けられてもよい。
【００８７】
上述の実施形態においては、ダンプトラック１が、運転室８に搭乗した運転者の操作に基づいて走行する有人ダンプトラックであることとした。ダンプトラック１は、運転者の操作によらずに制御指令に基づいて走行する無人ダンプトラックでもよい。また、ダンプトラック１は、リジッド式のダンプトラックでもよいし、アーティキュレート式のダンプトラックでもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１…ダンプトラック（作業車両）、２…車両本体、３…ベッセル、４…走行装置、５…車体、６…車輪、６Ｆ…前輪、６Ｒ…後輪、７…車軸、７Ｆ…前車軸、７Ｒ…後車軸、８…運転室、８ａ…アクセルペダル、９…動力発生装置、１０…動力伝達装置、１１…内燃機関、１１ｓ…エンジン回転センサ、１２…発電機、１２ｓ…発電機回転センサ、１３…位相変調回路、１３ａ…整流器、１３ｓ…電圧センサ、１３Ａ…第１位相変調回路、１３Ｂ…第２位相変調回路、１３Ｃ…第３位相変調回路、１４…整流器、１５…インバータ、１５Ｆ…前輪側出力部、１５Ｒ…後輪側出力部、１６…電動機、１６Ｆ…前輪側電動機、１６Ｒ…後輪側電動機、１６ｓ…モータ回転センサ、１７…動力伝達シャフト、１８…油圧ポンプ、１９…励磁装置、２０…平滑コンデンサ、２１…負荷機器、２２…伝達機構、３０…制御装置、３１…内燃機関制御部、３２…発電機制御部、３３…電動機制御部、３４…位相変調回路制御部、３５…記憶部、３６…データ取得部、４０…角度センサ、Ａ１…第１部分、Ａ２…第２部分、Ｃｏ…コンデンサ、Ｐ１…接続部、Ｐ２…接続部、Ｐ３…接続部、Ｐ４…接続部、Ｓ…スイッチング素子、Ｓ１…第１スイッチング素子（スイッチング素子）、Ｓ２…第２スイッチング素子（スイッチング素子）、Ｓ３…第３スイッチング素子（スイッチング素子）、Ｓ４…第４スイッチング素子（スイッチング素子）。
【図１】
2020104819.tif 000008
【図２】
2020104819.tif 000009
【図３】
2020104819.tif 000010
【図４】
2020104819.tif 000011
【図５】
2020104819.tif 000012
【図６】
2020104819.tif 000013
【図７】
2020104819.tif 000014
【図８】
2020104819.tif 000015
【図９】
2020104819.tif 000016
【図１０】
2020104819.tif 000017
【図１１】
2020104819.tif 000018
【図１２】
2020104819.tif 000019
【図１３】
2020104819.tif 000020