(57)【要約】【課題】押し当て作業時で負荷が大きい場合に押し当て作業の効率をあげることができるとともに、必要のないときはインバータや電動モータの寿命への影響も少ない建設機械を提供することにある。【解決手段】建設機械である油圧ショベルは、上部旋回体２０を旋回駆動するための電動アクチュエータである旋回電動モータ２５を有する。旋回電動モータ２５に設けた巻線は、少なくとも二系統以上の巻線を有し、コントローラ８０は、電動モータ２５に加わる負荷に応じて、二系統以上の巻線の内の一つに切り替える。押し当て作業で負荷が大きいと判定したときは、巻線を切り替えることで低遠高トルク特性にし、押し当て作業性を改善する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動駆動により被駆動体を駆動する電動アクチュエータを有する建設機械であって、
前記電動アクチュエータに設けた巻線は、少なくとも二系統以上の巻線を有し、
前記電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、前記二系統以上の巻線の内の一つに切り替える巻線切替部を備えることを特徴とする建設機械。
【請求項２】
請求項１記載の建設機械において、
前記二系統以上の巻線のうち、第２の系統の巻線は、第１の系統の巻線に比べて巻線数が多く、前記巻線切替部により第２の系統の巻線に切り替えられたときは、第１の巻線に切り替えられた時の、前記電動アクチュエータの回転速度−トルク特性に対して、低速ー高トルクの特性となることを特徴とする建設機械。
【請求項３】
請求項２記載の建設機械において、
前記電動アクチュエータは、三相交流電動モータであり、
３相の各相を構成する巻線は、第１の巻線と第２の巻線とを有し、
前記第１の巻線単独で、前記第１の系統の巻線を構成し、
前記第１の巻線と前記第２の巻線が直列接続されて、前記第２の系統の巻線を構成することを特徴とする建設機械。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の建設機械において、
前記負荷として旋回パイロット圧と前記電動アクチュエータの回転速度の大きさにより、前記旋回体の一部を作業対象に押し当てる押し当て作業状態と判定したときに、前記状態の保持時間により、前記二系統の巻線の内、前記電動アクチュエータの巻線を、高トルクを出力することのできる系統に切り替えることを特徴とする建設機械。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の建設機械において、
前記負荷として前記旋回パイロット圧と前記電動アクチュエータの回転速度の大きさにより、前記旋回体の一部を作業対象に押し当てる押し当て作業状態と判定したときに、前記旋回パイロット圧の時間積分値により、前記二系統の巻線の内、前記電動アクチュエータの巻線を、高トルクを出力することのできる系統に切り替えることを特徴とする建設機械。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の建設機械において、
前記電動アクチュエータに加えて、油圧駆動により前記旋回体を旋回駆動する油圧アクチュエータを備え、前記電動アクチュエータが磁極位置検出センサを備えていない場合において、負荷として前記旋回パイロット圧と前記油圧アクチュエータの入口、出口の圧力差から求められる油圧トルクの大きさにより、前記旋回体の一部を作業対象に押し当てる押し当て作業状態と判定したときに、前記二系統の巻線の内、前記電動アクチュエータの巻線を、高トルクを出力することのできる系統に切り替えることを特徴とする建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械に係り、特に、旋回アクチュエータに三相交流電動モータを用いるものに好適な建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば油圧ショベルのような建設機械においては、動力源として、ガソリン、軽油等の燃料を用い、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生することにより油圧モータ、油圧シリンダといった油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは、小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。
【０００３】
一方で、近年、電動モータ及び蓄電デバイス（バッテリや電気二重層キャパシタ等）を用いることにより、油圧回路及び油圧アクチュエータのみを用いた従来の建設機械よりエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている（例えば、特許文献１参照）。電動アクチュエータは油圧アクチュエータに比べてエネルギ効率が良い、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして回生できる（油圧アクチュエータの場合は熱にして放出）といったエネルギ的に優れた特徴がある。
【０００４】
例えば、特許文献１では、エンジンを駆動源とし、蓄電デバイス及び、旋回体の駆動アクチュエータとしての電動モータを搭載したハイブリッド型油圧ショベルが示されている。油圧ショベルの上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動するアクチュエータ（従来は油圧モータを使用）は、使用頻度が高く、作業において起動停止、加速減速を頻繁に繰り返す。このとき、減速時（制動時）における旋回体の運動エネルギは、油圧アクチュエータの場合は油圧回路上で熱として捨てられるが、電動アクチュエータの場合は電気エネルギとしての回生が見込めることから、省エネルギの観点からは、電動モータを使用することが効果的である。
【０００５】
このように旋回体の駆動に電動モータを使用する場合、普通は電動モータの制御方式として速度フィードバック制御が使用される。速度フィードバック制御では、レバーに代表されるような操作手段による操作量に応じた速度目標値とセンサで取得する実速度との偏差を求め、ＰＩＤ制御によりトルク指令が演算され、偏差が小さくなるように制御が行われる。オペレータが所定の場所に旋回をする場合は、速度フィードバック制御によりオペレータの目標とする速度で問題なく旋回を行うことができる。
【０００６】
しかしながら、建設機械の作業の中には、速度フィードバック制御だけでは不都合が生じるものもある。例えば、バケットの側面を土砂に押し当てて旋回を行うことで、土砂をならしたり壁面を形成したりする、いわゆる押し当て作業が挙げられる。押し当て作業ではレバーを入力しても実速度が上がらないため、目標値と実速度の偏差が大きくなり、ＰＩＤ制御によりわずかなレバー入力でも最大トルクが出力され、オペレータの操作性が損なわれる。
【０００７】
このような問題に対処するため、押し当て作業と判定するロジックを設け、押し当て作業と判定された場合は、速度フィードバック制御からトルク制御に制御方式を切り替えることで、操作性を改善するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。また、特許文献２には、制御方式は速度フィードバック制御のまま切り替えずに、トルク演算部に対してレバー操作に応じたトルク制限をかけることで、操作性を改善することも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３６４７３１９号公報
【特許文献２】特許第３９４２９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載されている方式には以下の問題がある。建設機械の旋回体駆動のために使用される電動モータは、一般的に次のような回転数トルク特性を有している。すなわち、大きな慣性を有する旋回体を駆動するために、低速域でのトルクを大きくし、ある速度域以降では定出力特性（トルクと速度の積が一定）になるようにトルクを減少させる。低速域でトルクが制限されているのは、過剰な電流が流れて電動モータやインバータが損傷するのを防ぐためである。なお、回転数の制限は、速度の上昇に伴う電動モータの逆起電力の大きさによって決まる。
【００１０】
ここで、特許文献２では、特性制御方式を切り替えているだけで、出力できるトルクを大きくしているわけではない。それゆえ、押し当て時の負荷が大きい場合には、オペレータがレバーを最大に入力しても出力できるトルクは特性で決まっているため、作業効率は改善されない。また、押し当て状態を維持したままだと電動モータは停止状態で最大トルクを出し続けることになる。この場合は制御方式に関係なくインバータ、電動モータに大きな電流が流れる。さらに、電動モータが停止しているのに等しい速度でトルクを出し続けるということは、インバータと電動モータを結ぶ三相のラインのうちの一相に集中して電流が流れ続けているということであり、発熱やそれに伴う寿命への影響が懸念される。押し当て作業を優先して、低速で高トルクを出すことが可能な電動モータを使用することも有効であるが、通常の旋回速度領域のトルク特性が悪化し、旋回時に目標となる速度まで到達しなくなる。
【００１１】
本発明の目的は、押し当て作業時で負荷が大きい場合に押し当て作業の効率をあげることができるとともに、必要のないときはインバータや電動モータの寿命への影響も少ない建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）上記課題を解決するために、本発明は、電動駆動により被駆動体を駆動するアクチュエータを有する建設機械であって、前記電動アクチュエータに設けた巻線は、少なくとも二系統以上の巻線を有し、前記電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、前記二系統以上の巻線の内の一つに切り替える巻線切替部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、押し当て作業時で負荷が大きい場合に押し当て作業の効率をあげることができるとともに、必要のないときはインバータや電動モータの寿命への影響も少なくなし得るものとなる。
【００１３】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記二系統以上の巻線のうち、第２の系統の巻線は、第１の系統の巻線に比べて巻線数が多く、前記巻線切替部により第２の系統の巻線に切り替えられたときは、第１の巻線に切り替えられた時の、前記電動アクチュエータの回転速度−トルク特性に対して、低速ー高トルクの特性となる。
【００１４】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記電動アクチュエータは、三相交流電動モータであり、３相の各相を構成する巻線は、第１の巻線と第２の巻線とを有し、前記第１の巻線単独で、前記第１の系統の巻線を構成し、前記第１の巻線と前記第２の巻線が直列接続されて、前記第２の系統の巻線を構成するようにしたものである。
【００１５】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、好ましくは、前記負荷として旋回パイロット圧と前記電動アクチュエータの回転速度の大きさにより、前記旋回体の一部を作業対象に押し当てる押し当て作業状態と判定したときに、前記状態の保持時間により、前記二系統の巻線の内、前記電動アクチュエータの巻線を、高トルクを出力することのできる系統に切り替えるようにしたものである。
【００１６】
（５）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、好ましくは、前記負荷として前記旋回パイロット圧と前記電動アクチュエータの回転速度の大きさにより、前記旋回体の一部を作業対象に押し当てる押し当て作業状態と判定したときに、前記旋回パイロット圧の時間積分値により、前記二系統の巻線の内、前記電動アクチュエータの巻線を、高トルクを出力することのできる系統に切り替えるようにしたものである。
【００１７】
（６）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、好ましくは、前記電動アクチュエータに加えて、油圧駆動により前記旋回体を旋回駆動する油圧アクチュエータを備え、前記電動アクチュエータが磁極位置検出センサを備えていない場合において、負荷として前記旋回パイロット圧と前記油圧アクチュエータの入口、出口の圧力差から求められる油圧トルクの大きさにより、前記旋回体の一部を作業対象に押し当てる押し当て作業状態と判定したときに、前記二系統の巻線の内、前記電動アクチュエータの巻線を、高トルクを出力することのできる系統に切り替えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、押し当て作業時で負荷が大きい場合に押し当て作業の効率をあげることができるとともに、必要のないときはインバータや電動モータの寿命への影響も少なくできるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態による建設機械の全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による建設機械の主要電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムの構成を示す電気回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータの巻線の構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータの回転数トルク特性の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作内容を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替え時の動作内容を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作内容を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替え時の動作内容を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作内容を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替え時の動作内容を示すタイミングチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替え時の動作内容を示すタイミングチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作内容を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータの他の巻線の構成図である。
【図１５】本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータの他の回転数トルク特性の説明図である。
【図１６】本発明の他の実施形態による建設機械の全体構成を示すシステム構成図である。
【図１７】本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータのその他の巻線の構成図である。
【図１８】本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータのその他の回転数トルク特性の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図１〜図９を用いて、本発明の第１の実施形態による建設機械の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による建設機械の全体構成について説明する。なお、ここでは、建設機械として、油圧ショベルを例にとって説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般に適用が可能であり、本発明の適用が油圧ショベルに限定されるものではない。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態による建設機械の全体構成を示すシステム構成図である。
【００２２】
図１において、下部走行体１０は、一対のクローラ１１及びクローラフレーム１２（図では片側のみを示す）、各クローラ１１を独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ（図２で後述する走行用油圧モータ１３，１４）及びその旋回輪２８等で構成されている。
【００２３】
上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回用電動モータ２５と、アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５に接続される電気二重層キャパシタ２４と、旋回用電動モータ２５の回転を減速する減速機２６を含み、旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させるための旋回装置２９等で構成されている。なお、図１では旋回用油圧モータ２７と旋回用電動モータ２５の両方を搭載しているが、旋回用電動モータ２５のみを搭載した構成でも良い。
【００２４】
また、上部旋回体２０の前側には、作業機としてのフロント装置３０が搭載されている。フロント装置３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。さらに、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、前記の走行用油圧モータ、旋回用油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧を発生する油圧ポンプ（図２に示す油圧ポンプ４１）、及び各アクチュエータを駆動制御するための、コントロールバルブ（図２に示すコントロールバルブ４２）を含む油圧システム４０が搭載されている。油圧源となる油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。
【００２５】
次に、図２を用いて、本実施形態による建設機械の主要電動・油圧機器の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による建設機械の主要電動・油圧機器のシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００２６】
エンジン２２の駆動力は、油圧ポンプ４１に伝達される。油圧ポンプ４１は、コントロールバルブ４２に油圧を供給する。コントロールバルブ４２は、旋回操作レバー９０からの指令に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４への動作油の吐出量及び吐出方向を制御する。また、コントロールバルブ４２は、操作レバー９０からの指令に応じて、旋向用油圧モータ２７への動作油の吐出量及び吐出方向を制御する。旋回操作レバー９０の指令は、油圧−電気信号変換デバイス７７（例えば、圧力センサ）によって電気信号に変換され、コントローラ８０に入力する。
【００２７】
コントローラ８０が、出力する電気制御信号は、電気−油圧信号変換デバイス７５により、油圧制御信号に変換され、コントロールバルブ４２に供給される。
【００２８】
なお、旋回操作レバー９０と、コントロールバルブ４２との間には、パイロット圧信号遮断弁７９が設けられている。通常、この遮断弁７９は開いており、旋回操作レバー９０の操作量に応じて、コントロールバルブ４２が制御される。ロックレバー９２がロック状態となるように操作されると、遮断弁７９が閉じて、旋回操作レバー９０と、コントロールバルブ４２との間は遮断される。
【００２９】
アシスト発電モータ２３は、発電機として機能する場合は、エンジン２２により回転されることで発電し、アシストモータとして機能する場合は、後述の電気二重層キャパシタに蓄電された電力により駆動しエンジンをアシストするように構成されている。上部旋回体２０を旋回駆動するモータとしては、旋回用油圧モータ２７の他に、旋回用電動モータ２５を備えている。旋回用電動モータ２５と旋回用油圧モータ２７の駆動力は、減速機２６により減速して上部旋回体２０に伝達され、上部旋回体２０（図１に示した旋回フレーム２１）は、図１に示した下部走行体１０に対して旋回駆動される。
【００３０】
アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５としては、三相交流電動モータ（３相同期モータ）を用いている。アシスト発電モータ２３及び旋回用電動モータ２５は、パワーコントロールユニット５５及びメインコンタクタ５６を介して、電気二重層キャパシタ２４に接続されている。パワーコントロールユニット５５は、コントローラ８０によって制御される。旋回用電動モータ２５は、レゾルバ等の回転速度検出手段２５Ａを備えている。回転速度検出手段２５Ａがレゾルバの場合、レゾルバは、旋回用電動モータ２５の磁極位置を検出する。パワーコントロールユニット５５は、検出された磁極位置に基づいて、旋回用電動モータ２５の回転速度を算出する。パワーコントロールユニット５５が旋回用電動モータ２５を速度制御する場合、パワーコントロールユニット５５は、旋回用電動モータ２５の回転速度が、コントローラ８０からの速度指令値となるように、インバータ５２を制御して、旋回用電動モータ２５の回転速度を制御する。なお、パワーコントロールユニット５５によって算出された旋回用電動モータ２５の回転速度の値は、コントローラ８０に入力する。
【００３１】
パワーコントロールユニット５５は、インバータ５２，５３と、平滑コンデンサ５４と、チョッパ５１とを備えている。また、メインコンタクタ５６は、メインリレー５７を備えている。なお、これらの詳細については、図３を用いて後述する。
【００３２】
なお、ＯＮ／ＯＦＦするスイッチ２０３及びモニタ２０２については、他の実施形態で用いられるものであり、後述する。
【００３３】
次に、図３を用いて、本実施形態による建設機械の電動システムの構成について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムの構成を示す電気回路図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００３４】
インバータ５３は、例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子６個からなるブリッジ回路を備える。電気二重層キャパシタ２４に蓄積された電圧は、チョッパ５１により昇圧されてインバータ５３に入力する。インバータ５３は、コントローラ８０からの指令を受けて、電流のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、パルス幅を変動させることで疑似的に三相交流を作り出し、アシスト発電モータ２３を駆動する。なお、アシスト発電モータ２３がエンジン２２により駆動されて発電機として動作するときは、発電された交流電力は、インバータ５３により整流され、チョッパ５１により降圧されて、電気二重層キャパシタ２４に蓄積される。
【００３５】
インバータ５２も６個のスイッチング素子からなるブリッジ回路を備え、三相交流を電動モータ２５に供給して駆動する。
【００３６】
チョッパ５１は、例えば、２個のスイッチング素子とリアクトルからなり、コントローラ８０からの指令を受けて２個のスイッチング素子を交互に開閉させることにより、キャパシタ２４の電圧をインバータ５３，５２が動作可能な母線電圧に昇圧すると共に、母線電圧を所定の一定値付近に制御する動作を行う。母線電圧を安定させるために、平滑コンデンサ５４が母線電圧のラインに設けられている。
【００３７】
キャパシタ２４とチョッパ５１の間の回路はメインコンタクタ５６内のリレー５７により開閉される。リレー５７の開閉は、図２に示したコントローラ８０からの指令により行われる。車体をキーＯＦＦして停止させているような状態ではリレー５７は開いている。また、メインコンタクタ５６は、リレー動作時の突入電流を防止するための、抵抗などからなる突入電流防止回路５８を備えている。
【００３８】
なお、モータの種類によっては、図３に示すインバータ回路５２，５３とは異なるスイッチング素子の構成が用いられることがあり、図３はあくまで例示である。
【００３９】
次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータの巻線の構成について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータの巻線の構成図である。図５は、本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムに用いる電動モータの回転数トルク特性の説明図である。
【００４０】
図４に示すように、旋回用電動モータ２５は、スター結線された固定子巻線１０１，１０２を備えている。本実施形態では、旋回用電動モータ２５は、巻線切り替え機能を備えている。
【００４１】
旋回用電動モータ２５の各相の固定子巻線は、第１の巻線１０１と、第２の巻線１０２とから構成される。第１の巻線１０１と第２の巻線１０２は直列に接続され、さらに第２の巻線にはリレー１０３が並列に接続されている。リレー１０３にはノーマルクローズ型（Ｂ接点）を使用する。
【００４２】
図３に示したコントローラ８０の巻線切替信号２０１がＯＦＦの場合はリレー１０３は導通状態となり、第１の巻線１０１にのみ電流が流れることになる。
【００４３】
この状態の旋回用電動モータ２５の回転数トルク特性は、図５に符号Ａで示す通常特性となり、通常の旋回作業で使用する。通常特性の回転トルク特性では、大きな慣性を有する旋回体を駆動するために、低速域でのトルクを大きくし、ある速度域以降では定出力特性（トルクと速度の積が一定）になるようにトルクを減少させる。低速域でトルクが制限されているのは、過剰な電流が流れて旋回用電動モータ２５やインバータが損傷するのを防ぐためである。なお、回転数の制限は、速度の上昇に伴う旋回用電動モータ２５の逆起電力の大きさによって決まる。
【００４４】
一方、巻線切替信号２０１がＯＮの場合はリレー１０３は非導通状態となり、第１の巻線１０１と第２の巻線１０２は直列に接続され、巻線数が増えることになるため、旋回用電動モータ２５の回転数トルク特性は、図５に符号Ｂで示す低速‐高トルク特性になる。低速‐高トルク特性では、符号Ａで示す通常特性に比べて、低速時のトルクが高トルクとなっている。その一方で、高回転側の回転数は低く抑えられている。
【００４５】
なお、リレー１０３をノーマルクローズ型にしておくと、巻線切替信号２０１のラインが断線した場合には通常の回転数トルク特性になるため、車体としては普通に旋回を行うことができる。
【００４６】
次に、図６〜図９を用いて、本実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作について説明する。
図６及び図８は、本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作内容を示すフローチャートである。図７及び図９は、本発明の第１の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替え時の動作内容を示すタイミングチャートである。
【００４７】
図６及び図７は、押し当て作業開始時における巻線切り替え処理の内容を示している。
【００４８】
図６において、コントローラ８０は、押し当て時間判定用の変数Ｔｉｍｅｒを初期化し（ステップＳ１０１）、制御周期ｄｔ毎にオペレータが旋回用のレバーを入力した際に発生する旋回パイロット圧Ｐと旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎが比較されるとともに、旋回電動モータの実速度Ｎと０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎが比較される（ステップＳ１０２，ステップＳ１０３，ステップＳ１０４）。
【００４９】
旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以上で、かつ実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の場合は、ステップＳ１０５に移り、タイマーの値Ｔｉｍｅｒがカウントアップされる。ステップＳ１０６では、カウントアップされた押し当て時間判定用の変数Ｔｉｍｅｒと押し当て判定時間Ｔｃを比較し、押し当て時間判定用の変数Ｔｉｍｅｒが押し当て判定時間Ｔｃ以下である場合は、ステップＳ１０６からステップＳ１０２に戻る。ここで、押し当て判定時間Ｔｃは、例えば、１，２秒としている。
【００５０】
旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以上で、かつ実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の状態が続き、ステップＳ１０６において、押し当て時間判定用の変数Ｔｉｍｅｒが押し当て判定時間Ｔｃ以上となった場合は押し当て状態でかつ負荷が大きいと判断して、巻線切替信号をＯＮにして自動的に低速‐高トルク特性に切り替わる（ステップＳ１０７）。
【００５１】
ステップＳ１０３において、旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以下、もしくはステップＳ１０４において、実速度Ｎが速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の場合は、ステップＳ１１０において押し当て時間判定用の変数Ｔｉｍｅｒがリセットされて、ステップＳ１０２に戻る。
【００５２】
図７は、オペレータが押し当て作業をするためにレバーを操作した時の、旋回用電動モータの実速度Ｎと電動モータの出力するトルクＴを示している。
図７において、横軸は時間を示している。図７（Ａ）の縦軸は旋回パイロット圧Ｐを示し、図７（Ｂ）の縦軸は電動モータ実速度Ｎを示し、図７（Ｃ）の縦軸は電動モータトルクＴを示している。
【００５３】
時刻ｔ０において、押し当て作業をするためにレバーを操作して、バケットの側面を対象物に押し当てた場合に、負荷が大きい場合はレバーを入力しているにも関わらず、旋回体は停止している。そのため、旋回用電動モータの実速度Ｎは上がらない。この時に旋回用電動モータの出力しているトルクは、通常のトルク特性で出力することのできる最大トルクＴ１までになる。
【００５４】
時刻ｔ１において、旋回パイロット圧Ｐが設定パイロット圧値Ｐｍｉｎ以上となると、押し当て判定時間Ｔｃの計測を開始する。そして、この状態が押し当て判定時間Ｔｃ以上続くと、時刻ｔ２において、低速−高トルク特性に切り替わり、電動モータトルクは、トルクＴ１よりも大きいトルクＴ２まで出力できるようになるため、押し当て作業性が改善される。
【００５５】
このように、押し当て判定時間を設けることで、作業中に大きな負荷が加わっていると判断できるとともに、頻繁に巻線が切り替わるのを防止することが可能となる。低速高トルク特性に切り替わった場合は、オペレータにその事を知らせるために、モニタに特性が切り替わったことを表示するか、もしくはブザーのような音を出すような構成にしても良い。
【００５６】
図８及び図９は、押し当て作業終了後における巻線切り替え処理の内容を示している。
【００５７】
図８は、コントローラ８０が、押し当て作業終了後に、低速‐高トルク特性から通常特性に巻線を戻す場合のフローチャートを示している。
【００５８】
ステップＳ１２１で押し当て作業終了判定用の変数Ｔｉｍｅｒを初期化した後、制御周期ｄｔ毎に最初にロックレバー９２が解除されているのかを判定する（ステップＳ１２２，ステップＳ１２３）。ロックレバー９２がロック状態ということは、油圧信号が遮断されており、オペレータは作業を行うことができないことを意味している。そのため、最初にロックレバーの状態を判定し、ロック状態の場合は通常特性に巻線を切り替える。
【００５９】
ロックレバーが解除状態の場合は、旋回パイロット圧Ｐと旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎが比較されるとともに、旋回電動モータの実速度Ｎと０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎが比較される（ステップＳ１２４，１２５）。
【００６０】
旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以下で、かつ実速度Ｎが０に近い速度Ｎｍｉｎ以下の場合は、押し当て作業は終了していると考えられ、ステップＳ１２６に移り、押し当て作業終了判定用の変数Ｔｉｍｅｒがカウントアップされる。そうでない場合は、ステップＳ１３０で作業終了判定用の変数Ｔｉｍｅｒをリセットする。
【００６１】
ステップＳ１２７では、カウントアップされた押し当て作業終了判定用の変数Ｔｉｍｅｒと押し当て作業終了判定時間Ｔｆを比較する。旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以下で、かつ実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の状態が続き、ステップＳ１２７において、押し当て作業終了判定用の変数Ｔｉｍｅｒが押し当て作業終了判定時間Ｔｆ以上となった場合は、押し当て作業終了と判断して、巻線切替信号をＯＦＦにして自動的に通常特性に切り替える（ステップＳ１２８）。
【００６２】
図９は、押し当て作業が終了した時の、旋回用電動モータの実速度Ｎと旋回用電動モータの出力するトルクＴを示している。
【００６３】
図９において、横軸は時間を示している。図９（Ａ）の縦軸は旋回パイロット圧Ｐを示し、図９（Ｂ）の縦軸は旋回用電動モータ実速度Ｎを示し、図９（Ｃ）の縦軸は旋回用電動モータトルクＴを示している。
【００６４】
レバー操作を止めると、コントローラ８０の制御により、時刻ｔ１０において、図９（Ｃ）に示すように、旋回用電動モータは制動側のトルクを出す。これにより、図９（Ｂ）に示すように、旋回用電動モータの速度は減少する。
【００６５】
時刻ｔ１１において、図９（Ｂ）に示すように、実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の状態となり、押し当て作業終了判定用の変数Ｔｉｍｅｒが押し当て作業終了判定時間Ｔｆ以上となった場合は、押し当て作業終了と判断して、時刻ｔ１２において、巻線切替信号をＯＦＦにして自動的に通常特性に切り替える。通常特性への切り替えは、旋回用電動モータがほぼ停止していると考えられる速度になってから行う。
【００６６】
図６にて説明したように、本実施形態では、旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以上で、かつ実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の状態が続いた時、押し当て状態でかつ負荷が大きいと判断して、巻線切替信号をＯＮにして自動的に低速‐高トルク特性に切り替えている。
【００６７】
ここで、旋回パイロット圧Ｐは、旋回用電動モータ（電動アクチュエータ）に加わる負荷の指令値である。また、旋回用電動モータの実速度Ｎは、旋回用電動モータ（電動アクチュエータ）に加わる負荷の測定値である。従って、本実施形態では、旋回用電動モータ（電動アクチュエータ）に加わる負荷に応じて、低速‐高トルク特性に切り替えている。
【００６８】
また、図４にて説明したように、本実施形態では、３相同期電動モータの各相の巻線として、巻線１０１と巻線１０２とを備えている。通常特性を得るときは、巻線１０１からなる第１の系統の巻線を使用する。また、低速‐高トルク特性とするときは、直列接続された巻線１０１と巻線１０２とからなる第２の系統の巻線を使用する。
【００６９】
以上のように、本実施形態では、コントローラ８０は、電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、二系統の巻線の内の一つに切り替えるようにしている。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態によれば、電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、二系統の巻線の内の一つに切り替えて、電動アクチュエータの特性を低速‐高トルク特性とすることができ、押し当て作業時で負荷が大きい場合に、低速‐高トルク特性に切り替えることで、押し当て作業の効率をあげることができる。また、必要のないときは低速‐高トルク特性には切り替えないため、インバータや旋回用電動モータの寿命への影響も少ない。
【００７１】
次に、図１０〜図１２を用いて、本発明の第２の実施形態による建設機械の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による建設機械の全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の主要電動・油圧機器の構成は、図２に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の電動システムの構成は、図３に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの巻線の構成は、図４に示しものと同様である。さらに、本実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図５に示したものと同様である。
【００７２】
図１０は、本発明の第２の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作内容を示すフローチャートである。図１１及び図１２は、本発明の第２の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替え時の動作内容を示すタイミングチャートである。
【００７３】
本実施形態において、図６及び図７に示した第１の実施形態との相違点は次の通りである。本実施形態においては、押し当て時間Ｔｃにより判定するのではなく、旋回パイロット圧の時間積分値により低速‐高トルク特性への切り替えを判定する。
【００７４】
その詳細を図１０に示すフローチャートにより説明する。なお、図６と同じステップ番号は、同じ処理内容を示している。本実施形態では、ステップ２０５，Ｓ２０６及びＳ２１０が図６と異なる点である。
【００７５】
図１０のステップＳ１０３〜Ｓ１０４において、旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以上で、かつ実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の場合は、ステップＳ２０５において旋回パイロット圧Ｐの積分値Ａを求める。ステップＳ２０６では積分値Ａと押し当て判定積分値Ａｃを比較し、旋回パイロット圧Ｐの積分値Ａが押し当て判定積分値Ａｃ以下である場合は、ステップＳ２０６からステップＳ１０２に戻る。
【００７６】
旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以上で、かつ実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の状態が続き、ステップＳ２０６においてＡが押し当て判定積分値Ａｃ以上となった場合は、押し当て状態でかつ負荷が大きいと判断して、巻線切替信号をＯＮにして自動的に低速‐高トルク特性に切り替わる（ステップＳ１０７）。
【００７７】
ステップＳ１０３において旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以下、もしくはステップＳ１０４において実速度Ｎが速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の場合は、ステップＳ２１０において旋回パイロット圧Ｐの積分値Ａがリセットされて、ステップＳ１０２に戻る。
【００７８】
図１１は、オペレータが押し当て作業をするためにレバーを操作した時の、旋回用電動モータの実速度Ｎと旋回用電動モータの出力するトルクＴを示している。
【００７９】
図１１において、横軸は時間を示している。図１１（Ａ）の縦軸は旋回パイロット圧Ｐを示し、図１１（Ｂ）の縦軸は旋回用電動モータ実速度Ｎを示し、図１１（Ｃ）の縦軸は旋回用電動モータトルクＴを示している。
【００８０】
時刻ｔ０において、押し当て作業をするためにレバーを操作して、バケットの側面を対象物に押し当てた場合に、負荷が大きい場合はレバーを入力しているにも関わらず、旋回体は停止している。そのため、旋回用電動モータの実速度Ｎは上がらない。この時に旋回用電動モータの出力しているトルクは、通常のトルク特性で出力することのできる最大トルクＴ１までになる。
【００８１】
時刻ｔ１において、旋回パイロット圧Ｐが設定パイロット圧値Ｐｍｉｎ以上となると、積分値Ａの積分を開始する。そして、積分値Ａが押し当て判定積分値Ａｃになると、時刻ｔ２において、低速−高トルク特性に切り替わり、電動モータトルクは、トルクＴ１よりも大きいトルクＴ２まで出力できるようになるため、押し当て作業性が改善される。
【００８２】
次に、図１２を用いて、本実施形態の利点を第１の実施形態と比較して説明する。図１２は、二つのパターンの旋回パイロット圧Ｐ１とＰ２の時間変化に対して、巻線を切り替えるタイミングを第１の実施形態と第２の実施形態とで比較したものを示している。図１２では、実速度ＮはＮｍｉｎ以下であるとする。
【００８３】
図１２（Ａ）に示すように、第１実施形態では旋回パイロット圧がＰｍｉｎ以上であれば、保持時間の判定を始めてからのレバーの入れ方に関係なく（符号Ｐ１で示すレバーの入れ方の場合も、符号Ｐ２で示すレバーの入れ方の場合も）、切り替えタイミングは同じになる。
【００８４】
それに対して、図１２（Ｂ）に示すように、本実施形態では、積分値Ａの計算を始めてからのレバーの入れ方（符号Ｐ１で示すレバーの入れ方の場合と、符号Ｐ２で示すレバーの入れ方の場合と）により、切り替えまでのタイミングが変わる。符号Ｐ１で示す入れ方の場合、切り替えタイミングは時刻ｔｘ１となり、符号Ｐ２で示す入れ方の場合、切り替えタイミングは時刻ｔｘ２となる。
【００８５】
レバーを最大まで入力してから弱めた状態を保持する場合は、オペレータの意図する油圧ショベルの動作として、押し当て作業をするのにも大きなトルクを必要としていないと考えられるため、直ぐに巻線を切り替える必要はない。このように本実施形態では、レバー操作に伴うオペレータの意図する油圧ショベルの動作を考慮したうえで巻線を切り替えることができる。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態によれば、電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、二系統の巻線の内の一つに切り替えて、電動アクチュエータの特性を低速‐高トルク特性とすることができ、押し当て作業時で負荷が大きい場合に、低速‐高トルク特性に切り替えることで、押し当て作業の効率をあげることができる。また、必要のないときは低速‐高トルク特性には切り替えないため、インバータや電動モータの寿命への影響も少ない。
【００８７】
次に、図１３を用いて、本発明の第３の実施形態による建設機械の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による建設機械の全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の主要電動・油圧機器の構成は、図２に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の電動システムの構成は、図３に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの巻線の構成は、図４に示しものと同様である。さらに、本実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図５に示したものと同様である。
【００８８】
図１３は、本発明の第３の実施形態による建設機械の電動システムにおける巻線切り替えの動作内容を示すフローチャートである。
【００８９】
本実施形態は、旋回用電動モータに速度を検出できるセンサがない場合の巻線切替方法である。一般的に電動モータにはレゾルバやエンコーダといった磁極位置検出センサが使用される。これらのセンサは磁極を検出するだけでなく、電動モータの速度の検出にも使用される。旋回用電動モータの始動時にはこれらのセンサによりステータに対するロータの磁極位置を検出することで、電動モータを停止状態からでも制御することが可能となる。しかし、これらのセンサを取り付けることは、電動モータの大型化、コストアップなどの影響を生じる。エアコン等の回転を持続させる用途で一般化している、磁極位置センサなしで電動モータを駆動するセンサレス制御の導入も考えられるが、センサレス制御を採用する場合停止状態からの起動時にどのように電動モータの磁極と位置とを検出するかといった検討を必要とする。このような検討課題は、図２に示すような旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の駆動力によって旋回を行う構成の揚合は、以下の方法で解決することができる。旋回始動時は油圧モータのみでトルクを出し、電動モータの速度が磁極位置を検出可能な値まで大きくなったところで、電動モータのセンサレス制御を行い、最終的には油圧モータと電動モータの合計トルクで旋回体を駆動する。
【００９０】
図１３は、上記構成の建設機械において、押し当て判定時に巻線を切り替える際のフローチャートを示している。本実施形態では、旋回用電動モータの速度の代わりに、油圧モータの入口圧力Ｐａ、出口圧力Ｐｂ、押し除け容積ｑから演算可能な油圧モータのトルクＴ０を判定に使用する。
【００９１】
その詳細を図１３に示すフローチャートにより説明する。なお、図６と同じステップ番号は、同じ処理内容を示している。本実施形態では、ステップＳ３０４及びＳ３０５が図６と異なる点である。
【００９２】
第１の実施形態と同様に、先ずは旋回パイロット圧Ｐと旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎが比較される（Ｓ１０３）。旋回パイロット圧によりコントロールバルブが制御され、油圧ポンプから油圧モータへ油が導かれる。
【００９３】
次に、コントローラ８０は、ステップＳ３０４に移り、電動モニタが磁極位置を検出可能かを判定する。油圧モータにより磁極位置を検出可能な速度まで旋回用電動モータを駆動することができれば、旋回用電動モータのセンサレス制御が可能となり、油圧モータのトルクに通常特性で旋回用電動モータが出すことが可能なトルクを加えることができる。
【００９４】
次に、ステップＳ３０５に移り計算により求めた油圧モータのトルクＴ０と、油圧モータの出力可能な最大トルクに近いトルク判定値Ｔｍｉｎが比較される。圧モータのトルクＴ０は、「（Ｐａ−Ｐｂ）ｑ／２π」として算出できる。ここで、油圧モータの入口圧力Ｐａ、出口圧力Ｐｂ、押し除け容積ｑである。通常の旋回動作であれば、始動時に大きなトルクが必要となり、旋回体が動き出した後は大きなトルクは必要としない。逆に押し当て作業中で負荷が大きい場合は、旋回操作レバーを操作している間は、油圧モータは最大に近いトルクを出し続けることになる。
【００９５】
ステップＳ３０３〜ステップＳ３０５でＹＥＳの条件が全て成立するのは、旋回用電動モータの磁極位置が検出可能な速度で旋回体が駆動できる負荷の押し当て作業時で、かつ旋回用電動モータが通常特性で出すことのできるトルクを出力してもトルクが不足している時である。
【００９６】
なお、負荷が大きすぎて、旋回体が停止しているような状況では、旋回用電動モータのセンサレス制御が行えないため、本実施形態では巻線を切り替えることはできない。
【００９７】
ステップＳ３０５でＹＥＳの条件が成立した後は、ステップＳ３０６に移り第１実施形態と同様にＴｉｍｅｒをカウントアップし、Ｔｉｍｅｒが押し当て判定時間Ｔｃ以上となった場合に巻線切替信号をＯＮにして、低速‐高トルク特性に切り替える。最終的に旋回体は油圧モータの出力するトルクに、低速‐高トルク特性で出力可能な旋回用電動モータのトルクを加えることができるため、押し当て作業性が改善される。
【００９８】
図６にて説明したように、本実施形態では、旋回パイロット圧Ｐが旋回パイロット圧の判定値Ｐｍｉｎ以上で、かつ油圧モータのトルクＴ０がトルク判定値Ｔｍｉｎ以上の状態が続いた時、押し当て状態でかつ負荷が大きいと判断して、巻線切替信号をＯＮにして自動的に低速‐高トルク特性に切り替えている。
【００９９】
ここで、旋回パイロット圧Ｐは、旋回用電動モータ（電動アクチュエータ）に加わる負荷の指令値である。また、油圧モータのトルクＴ０は、旋回用電動モータ（電動アクチュエータ）に加わる負荷の測定値である。従って、本実施形態では、旋回用電動モータ（電動アクチュエータ）に加わる負荷に応じて、低速‐高トルク特性に切り替えている。
【０１００】
また、図４にて説明したように、本実施形態では、３相同期電動モータの各相の巻線として、巻線１０１と巻線１０２とを備えている。通常特性を得るときは、巻線１０１からなる第１の系統の巻線を使用する。また、低速‐高トルク特性とするときは、直列接続された巻線１０１と巻線１０２とからなる第２の系統の巻線を使用する。
【０１０１】
以上のように、本実施形態では、コントローラ８０は、電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、二系統の巻線の内の一つに切り替えるようにしている。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態によれば、電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、二系統の巻線の内の一つに切り替えて、電動アクチュエータの特性を低速‐高トルク特性とすることができ、押し当て作業時で負荷が大きい場合に、低速‐高トルク特性に切り替えることで、押し当て作業の効率をあげることができる。また、必要のないときは低速‐高トルク特性には切り替えないため、インバータや電動モータの寿命への影響も少ない。
【０１０３】
なお、これまでの実施形態の説明では、押し当て状態を自動的に判定するものとしているが、これ以外に、次のような場合にも、低速高トルクが必要とされる状態と判定することができる。すなわち、例えば、油圧ショベルが斜面に位置しており、アーム・ブームを伸ばした状態で、バケットを斜面の上方に旋回させようとすると、旋回モータの回転速度が小さく、その一方で、大トルクが必要となる。このような場合でも、本実施形態では、自動的にその状態を判定して、低速ー高トルク特性に切り替えることできる。
【０１０４】
次に、図１４及び図１５を用いて、本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの他の巻線の構成について説明する。
図１４は、本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの他の巻線の構成図である。図１５は、本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの他の回転数トルク特性の説明図である。
【０１０５】
図４に示したように、３相同期モータである旋回用電動モータ２５の巻線は、スター結線されている。図１４は、３相のうちの１相分の巻線を示している。１相分の巻線として、固定子巻線１０１，１０２，１０４を備えている。本実施形態では、旋回用電動モータ２５は、巻線切り替え機能を備えている。
【０１０６】
旋回用電動モータ２５の各相の固定子巻線は、第１の巻線１０１と、第２の巻線１０２と、第３の巻線１０４とから構成される。第１の巻線１０１と第２の巻線１０２と第３の巻線１０４は直列に接続され、さらに第２の巻線１０２にはリレー１０３が並列に接続され、第３の巻線１０４にはリレー１０５が並列に接続されている。リレー１０３，１０５にはノーマルクローズ型（Ｂ接点）を使用する。
【０１０７】
図３に示したコントローラ８０の巻線切替信号２０１，２０１ＡがＯＦＦの場合はリレー１０３，１０５は導通状態となり、第１の巻線１０１にのみ電流が流れることになる。
【０１０８】
この状態の旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図１５に符号Ａで示す通常特性となり、通常の旋回作業で使用する。通常特性の回転トルク特性では、大きな慣性を有する旋回体を駆動するために、低速域でのトルクを大きくし、ある速度域以降では定出力特性（トルクと速度の積が一定）になるようにトルクを減少させる。低速域でトルクが制限されているのは、過剰な電流が流れて旋回用電動モータやインバータが損傷するのを防ぐためである。なお、回転数の制限は、速度の上昇に伴う旋回用電動モータの逆起電力の大きさによって決まる。
【０１０９】
一方、巻線切替信号２０１がＯＮの場合はリレー１０３は非導通状態となり、第１の巻線１０１と第２の巻線１０２は直列に接続され、巻線数が増えることになるため、旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図１５に符号Ｂで示す低速‐高トルク特性になる。低速‐高トルク特性では、符号Ａで示す通常特性に比べて、低速時のトルクが高トルクとなっている。その一方で、高回転側の回転数は低く抑えられている。
【０１１０】
さらに、巻線切替信号２０１と巻線切替信号２０１Ａが共にＯＮの場合はリレー１０３，１０５は共に非導通状態となり、第１の巻線１０１と第２の巻線１０２と第３の巻線１０４は直列に接続され、巻線数が増えることになるため、旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図１５に符号Ｃで示す低速‐高トルク特性になる。符号Ｃの低速‐高トルク特性では、符号Ｂで示す低速ー高トルク特性に比べて、更に、低速時のトルクが高トルクとなっている。その一方で、高回転側の回転数は低く抑えられている。
【０１１１】
なお、これまでの各実施形態では、オペレータの旋回レバー操作により自動的に巻線を切り替えていた。しかしながら、図２に示すように手動で巻線切替信号２０１をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ２０３を設け、それによりオペレータの好きな時に特性を切り替えることができるような構成することもできる。オペレータとしては、自動的に低速高トルクが欲しい状態を自動的に判定されるよりは、自分の判定に基づいて低速高トルクが欲しいときに、スイッチ２０３を切り替えられるようにする。
【０１１２】
このとき、低速‐高トルク特牲に切り替わった場合は、切り替わったことをモニタ２０２で視覚的に、もしくはブザーなどの音で聴覚的にオペレータに知らせるようにしても良い。
【０１１３】
次に、図１６を用いて、本発明の他の実施形態による建設機械の構成及び動作について説明する。ここでは、建設機械として、ホイールローダを例にとって説明する。なお、本実施形態による建設機械の主要電動・油圧機器の構成は、図２に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の電動システムの構成は、図３に示したものと同様である。また、本実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの巻線の構成は、図４に示しものと同様である。さらに、本実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図５に示したものと同様である。
【０１１４】
図１６は、本発明の他の実施形態による建設機械の全体構成を示すシステム構成図である。
【０１１５】
前述の例では、油圧ショベルに本発明を適用していたが、本発明は、油圧ショベル以外の旋回体を有する建設・作業機械全般に対して適用が可能である。例えば、後側フレーム３００ａに設けた走行用電動モータ３０１ａを使用したホイールローダーについても、本発明を適用することが可能である。
【０１１６】
ホイールローダでは、低速で高トルクが必要な場合として、コンバインストール状態の場合がある。ホイールローダを前進させ、バケットを土砂等に突入させると、走行モータ３０１の回転数は小さくなり、その一方で、必要トルクが大きくなる。このときも、図６にて説明したように、走行モータのパイロット圧Ｐが判定値Ｐｍｉｎ以上で、かつ実速度Ｎが０に近い速度の判定値Ｎｍｉｎ以下の状態が続くので、このとき、コンバインストール状態と判断して、巻線切替信号をＯＮにして自動的に低速‐高トルク特性に切り替える。
【０１１７】
以上説明したように、本実施形態によれば、電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、二系統の巻線の内の一つに切り替えて、電動アクチュエータの特性を低速‐高トルク特性とすることができ、低速で負荷が大きい場合に、低速‐高トルク特性に切り替えることで、作業の効率をあげることができる。また、必要のないときは低速‐高トルク特性には切り替えないため、インバータや電動モータの寿命への影響も少ない。なお、上述の例では後側フレーム３００ａに走行用電動モータ３０１ａを設けたホイールローダで説明したが、後側フレーム３００ａに設けた走行用電動モータ３０１ａに替えて、前側フレーム３００ｂに設けた走行用電動モータ３０１ｂとしたホイールローダとしても良い。
【０１１８】
次に、図１７及び図１８を用いて、本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータのその他の巻線の構成について説明する。
図１７は、本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータのその他の巻線の構成図である。図１８は、本発明の各実施形態による建設機械の電動システムに用いる旋回用電動モータのその他の回転数トルク特性の説明図である。
【０１１９】
図４に示したように、３相同期モータである旋回用電動モータ２５の巻線は、スター結線されている。図１７は、３相のうちの１相分の巻線を示している。１相分の巻線として、固定子巻線１０１，１０２，１０６を備えている。本実施形態では、旋回用電動モータは、巻線切り替え機能を備えている。
【０１２０】
旋回用電動モータの各相の固定子巻線は、第１の巻線１０１と、第２の巻線１０２と、第３の巻線１０６とから構成される。第１の巻線１０１と第２の巻線１０２とは直列に接続され、第１の巻線１０１と第３の巻線１０６は並列に接続されている。さらに第２の巻線１０２にはリレー１０３が並列に接続され、第３の巻線１０６にはリレー１０７が直列に接続されている。リレー１０３にはノーマルクローズ型（Ｂ接点）を使用する。リレー１０７には、ノーマルオープン型を使用する。
【０１２１】
図１７に示したコントローラ８０の巻線切替信号２０１，２０１ＢがＯＦＦの場合はリレー１０３，リレー１０７は導通状態となり、第１の巻線１０１にのみ電流が流れることになる。
【０１２２】
この状態の旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図１８に符号Ａで示す通常特性となり、通常の旋回作業で使用する。通常特性の回転トルク特性では、大きな慣性を有する旋回体を駆動するために、低速域でのトルクを大きくし、ある速度域以降では定出力特性（トルクと速度の積が一定）になるようにトルクを減少させる。低速域でトルクが制限されているのは、過剰な電流が流れて電動モータやインバータが損傷するのを防ぐためである。なお、回転数の制限は、速度の上昇に伴う電動モータの逆起電力の大きさによって決まる。
【０１２３】
一方、巻線切替信号２０１がＯＮの場合はリレー１０３は非導通状態となり、第１の巻線１０１と第２の巻線１０２は直列に接続され、巻線数が増えることになるため、旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図１８に符号Ｂで示す低速‐高トルク特性になる。低速‐高トルク特性では、符号Ａで示す通常特性に比べて、低速時のトルクが高トルクとなっている。その一方で、高回転側の回転数は低く抑えられている。
【０１２４】
さらに、巻線切替信号２０１がＯＦＦで、巻線切替信号２０１ＢがＯＮの場合はリレー１０３が導通で、リレー１０７も導通状態となり、第１の巻線１０１に第３の巻線１０６は並列に接続され、巻線数が減ることになるため、旋回用電動モータの回転数トルク特性は、図１８に符号Ｄで示す高速‐低トルク特性になる。符号Ｄの高速‐低トルク特性では、符号Ａで示す通常特性に比べて、更に、高回転が可能となるが、低速時のトルクが低トルクとなっている。
【０１２５】
ホイールローダでは、２種類のモータ（走行用の高速型のモータと、作業用の低速高トルクのモータ）を備える場合がある。この場合は二台以上搭載するための車体スペースが必要となる。
【０１２６】
それに対して、本実施形態では、一台の電動モータの巻線を切り替えるだけで良いので、車体スペースを節約できる。
【０１２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、電動アクチュエータに加わる負荷に応じて、二系統の巻線の内の一つに切り替えて、電動アクチュエータの特性を低速‐高トルク特性とすることができ、低速で負荷が大きい場合に、低速‐高トルク特性に切り替えることで、作業の効率をあげることができる。また、必要のないときは低速‐高トルク特性には切り替えないため、インバータや電動モータの寿命への影響も少ない。
【０１２８】
また、一台のモータで兼用でき、車体スペースを節約できる。
【符号の説明】
【０１２９】
１０…下部走行体
１１…クローラ
１２…クローラフレーム
１３…右走行用油圧モータ
１４…左走行用油圧モータ
２０…上部旋回体
２１…旋回フレーム
２２…エンジン
２３…アシスト発電モータ
２４…電気二重層キャパシタ
２５…旋回電動モータ
２５Ａ…回転速度検出手段
２６…減速機
２７…旋回油圧モータ
３０…フロント装置
３１…ブーム
３２…ブームシリンタ
３３…アーム
３４…アームシリンダ
３５…バケット
３６…バケットシリンダ
４０…油圧システム
４１…油圧ポンプ
４２…コントロールバルブ
４３…油圧配管
５１…チョッパ
５２…旋回電動モータ用インバータ
５３…アシスト発電モータ用インバータ
５４…平滑コンデンサ
５５…パワーコントロールユニット
５６…メインコンタクタ
５７…メインリレー
５８…突入電流防止回路
７５…電気→油圧信号変換デバイス
７７…油圧−電気信号変換デバイス
７９…パイロット圧信号遮断弁
８０…コントローラ（旋回モード切り替え手段）
９０…旋回操作レバー
９２…ロックレバー
１０１，１０２，１０４，１０６…巻線
１０３，１０５，１０７…巻線切替用リレー
２０１…巻線切替信号
２０２…モニタ
２０３…巻線切替スイッチ
３０１…ホイールローダーの走行モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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