(57)【要約】  電気パワートレーン（１２）が、機械エネルギーを提供するよう構成されたエンジン（４４）と、エンジンに動作可能に結合されかつ機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換するよう構成されたジェネレータ（４６）とを含む。電気パワートレーンが、ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも１つの電気モータ（４８）と、複数の駆動部材（３４、３６）と、エンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御するよう構成された少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニット（５０、６０）とをさらに含む。少なくとも１つの電気モータは、複数の駆動部材にトルクを提供するよう構成される。
2009509856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械エネルギーを提供するよう構成されたエンジン（４４）と、
エンジンに動作可能に結合され、かつ機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換するよう構成されたジェネレータ（４６）と、
ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも１つの電気モータ（４８）と、
複数の駆動部材（３４、３６）と、
エンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御するよう構成された少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニット（５０、６０）と
を備えた電気パワートレーン（１２）であって、
少なくとも１つの電気モータが、複数の駆動部材にトルクを提供するよう構成された電気パワートレーン。
【請求項２】
少なくとも１つの電気モータが、密閉式、ブラシレス式、液冷式の電気モータを含む請求項１に記載の電気パワートレーン。
【請求項３】
少なくとも１つの電気モータに動作可能に結合されたディファレンシャルステアリングユニット（６８）をさらに含み、ディファレンシャルステアリングユニットが、複数の駆動部材のそれぞれに供給されるトルクの量を選択的に制御するよう構成された請求項１に記載の電気パワートレーン。
【請求項４】
ディファレンシャルステアリングユニットに動作可能に結合されたステアリングモータ（７４）をさらに含み、ステアリングモータが、複数の駆動部材のそれぞれに供給されるトルクの量を選択的に制御するよう構成された請求項３に記載の電気パワートレーン。
【請求項５】
少なくとも１つの電気モータが、永久磁石型モータ、誘導電気型モータ、及び切換式リラクタンス型電気モータの少なくとも１つを含む請求項１に記載の電気パワートレーン。
【請求項６】
ジェネレータ及び少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットが、密閉式及び液冷式である請求項１に記載の電気パワートレーン。
【請求項７】
複数の駆動部材の少なくとも１つに関連する運動エネルギーを、電気パワートレーン内における蓄積及び使用のうちの少なくとも一方のための電気エネルギーに変換するよう構成された回生制動システム（７０、７２）をさらに含む請求項１に記載の電気パワートレーン。
【請求項８】
請求項１に記載の電気パワートレーンを含む作業機械（１０）。
【請求項９】
複数の地面係合部材（２２）と少なくとも１つの作業器具（２６）とを含む作業機械（１０）を操作する方法であって、
作業機械に機械エネルギーを提供するよう構成されたエンジン（４４）を操作することと、
エンジンに動作可能に結合されたジェネレータ（４６）により、機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換することと、
ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも１つの電気モータ（４８）によって供給されるトルクを介して地面係合部材を駆動することにより、作業機械を進ませることと、
少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニット（５０、６０）をエンジン及びジェネレータに動作可能に結合し、そして、少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットによりエンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御することによりエンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御することと
を含む方法。
【請求項１０】
エンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御することが、排気物質を減少させるよう構成された速度範囲内に速度が保たれるようエンジンの速度の少なくとも１つを制御することと、エンジンの排気物質が減少するようジェネレータの荷重を制御することとを含む請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、一般に電気パワートレーン（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ）、より詳しくは作業機械用の電気パワートレーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、フロントエンドローダ、ブルドーザ、及び掘削機のような、従来の作業機械には、一般に、たとえば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、又は公知である他の内燃機関のような、内燃機関を使用して電力が供給されることがある。このような内燃機関が、作動中に、望ましくない排気物質及び他の汚染物質を放出することがある。近年になって、またここ当分の間も、一般に内燃機関のまた特に作業機械の排気物質の減少が、優先規制事項となっている。さらに、たとえば、化石燃料の物価上昇に関連する費用の増加及び／又は輸入油に対する依存度を減少させるために、車両及び作業機械の燃料効率の増加がますます重要となってきている。
【０００３】
少なくともある程度、将来の新しい排気物質規制及び燃費減少要求により、機械に電力を供給するための代替方法が求められている。このような１つの代替形態が、たとえば、電気モータ、ジェネレータ、及び電子制御システムのような、電気構成要素を備えたパワートレーンの使用である。このような電気構成要素は、いくつかの車両パワートレーンの適用形態において、以前より使用されている。しかし、一般的な作業機械における、また特に地面係合履帯を備えた作業機械における、このような電気構成要素の使用は、他の種類の車両には関連しない相当数の課題を有することがある。
【０００４】
地面係合履帯を備えた作業機械が、しばしば、高い出力トルク及び比較的低い最大対地速度を必要とする機能を実施するのに使用されることがある。さらに、地面係合履帯を備えた作業機械が、しばしば、特別な牽引を必要とする環境で使用される、及び／又はたとえば土を押したり引いたりするような機能を実施するために、高い牽引力を、たとえば一般に作業機械の約１から２分の１の重量の範囲内の牽引力を必要とする機能を実施するのに使用されることがある。このような適用形態は、一般に、高い出力トルク、及びたとえば約９ｍｐｈ未満の比較的低い対地速度を必要とする。その上、地面係合履帯を備えた作業機械が、エンジンの過負荷減速を防止する連続可変トランスミッションを備えることが望ましいであろうし、これにより、シフトがなくなり、余分な操作者制御の必要性が減少するが、効率的なパワートレーンシステムは提供される。この結果、一般的な作業機械に及び特に地面係合履帯を備えた作業機械には、このような機能を実施するために、高い効率及び可変速度制御を有するパワートレーンを備えることが望ましいであろう。
【０００５】
地面係合履帯を備えた作業機械が、しばしば、循環適用形態を実施することがある。循環適用形態とは、作業機械を使用する際に、始動すること、停止すること、及び方向を逆にすることを繰り返す必要のある適用形態である。たとえば、ブルドーザが、前方方向に土を押し、停止し、方向を逆にし、再び停止し、次いで、再び前方方向に土を押すことがある。このような循環の別の例は、土の荷重を積み込んでいる時に前方に動き、荷重を運んでいる時に逆方向に動き、回転し、荷重を運んでいる時に前方方向に動き、荷重を持ち上げてダンプトラックにその荷重を投げ下ろし、ダンプトラックから離れるよう方向を逆にすることを繰り返す、履帯型のフロントエンドローダの代表的な操作中に発生する。これらの例示的サイクルは、しばしば、何回も素早く連続して繰り返される。このような循環適用形態により、作業機械を動かすことに関連する運動エネルギーは、作業機械が停止した時に吸収されなければならない。さらに、たとえば、高い牽引力を有する必要のある高い最終駆動ギア比により、作業機械の動きに関連する高レベルの量の慣性が、一般に、停止した時に作業機械のパワートレーンに移ることがある。したがって、地面係合履帯を備えた作業機械に関連する代表的な循環適用形態により、大量の運動エネルギーを伝達でき、かつ循環適用形態中の慣性の影響を減少させるよう比較的低い慣性を有する、作業機械パワートレーンを提供することが望ましいであろう。
【０００６】
地面係合履帯を備えた作業機械が、一般的に、たとえば沼地状態又は非常に埃っぽい状態のような、空冷式の機械類に良くない環境で動作する必要があることがある。このような状態により、たとえば、直ぐに詰まることのある空気フィルタに頼っている従来の冷却システムを使用するのに比較的不満足な状態となり得る。さらに、空冷式の構成要素は、直ぐに土や泥で一杯になり、このため、十分な冷却が妨げられ、部品が早く故障する。この結果、従来の空冷式の電気構成要素は、このような環境で動作する作業機械での使用に適さないことがある。
【０００７】
地面係合履帯を備えた作業機械が、パワートレーン構成要素を置くために、限られた空間容積しか有していないことがある。この結果、高い電力密度を有するような、電力及び／又はトルク出力に対して比較的コンパクトなパワートレーン構成要素を使用することが望ましいであろう。しかし、多くの従来の空冷式の電気モータは、作業機械で使用するための十分な電力密度を欠いている。したがって、高い電力密度を有するパワートレーンを、地面係合履帯を備えた作業機械に設けることが望ましいであろう。
【０００８】
地面係合履帯を備えた作業機械には、一般に、たとえば、液圧システムによって作動される１つ以上の油圧シリンダによって操作される特定の作業機械に関連する仕事を実施する、１つ以上の作業器具が含まれることがある。たとえば、１つ以上の油圧シリンダの作動は、ブルドーザのブレードを上げる及び下げる、及び／又はフロントエンドローダ又は掘削機のバケットを上げる及び下げるのに使用されることがある。このような液圧システムには、圧力を液圧システムに与える１つ以上のポンプが含まれることがある。このようなポンプは、一般に、内燃機関によって駆動されることがある。この結果、内燃機関は、作業機械を進ませるのに使用されるだけでなく、油圧シリンダによって作動される様々な作業器具に電力を供給するのにも使用されることがある。したがって、油圧ポンプに対する需要が増加すると、たとえば掘削機バケット内の荷重が上げられる場合に、内燃機関により大きな電力を提供する必要があることがあるが、これは、一般に、エンジン回転数を増加するよう、エンジンに提供される空気及び燃料の量を増加することにより達成されることがある。
【０００９】
しかし、時には、空気及び燃料の増加が、油圧ポンプに電力を提供するための電力需要の突然の増加に応じて十分に素早く達成され得ない。この結果、エンジンの過負荷減速又は失速が生じることがある。その上、内燃機関が、エンジン回転数を増加することにより突然の油圧ポンプ需要に十分に対応できる場合には、一般に、より多くの排気物質及びより低い燃料効率が生じることがある。したがって、起動力のための十分な電力を提供し、かつ内燃機関が過負荷減速する又は失速することなく作業機械器具を操作し、この結果、エミッションがさらに増加したり燃料効率が減少したりしない、システムを提供することが望ましいであろう。
【００１０】
推進用電気モータと組み合わせられた内燃機関を備えた１つの履帯式車両が、ウルフガング（Ｗｏｌｆｇａｎｇ）らによる（特許文献１）（２００４年２月１７日出願）に記述されている。（特許文献１）では、第１の及び第２の電気ジェネレータと、２対の第１の及び第２の電気モータ（それぞれ１対の電気モータが車両の一方の側に置かれた履帯を駆動する）に電力を供給するようジェネレータを駆動する第１の及び第２の内燃機関とを備えた、履帯式車両用の駆動装置について記述している。これらの構成要素は、車両、特に軍用車両が一部分損傷した場合にも、引き続き車両が動き得るように配線されている。
【００１１】
（特許文献１）の履帯式車両は、移動のための、内燃機関、ジェネレータ、及び電気モータの組合せを含むが、（特許文献１）の車両は作業機械ではなく、作業機械に関連する、本明細書において先に概略した課題に対処していない。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６、６９１、８０６号明細書
【特許文献２】米国特許第４、４３４、６８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
開示されている作業機械は、上記に記載した課題の１つ以上を克服することを目的とし得る。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一態様においては、本発明は、機械エネルギーを提供するよう構成されたエンジンと、エンジンに動作可能に結合されかつ機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換するよう構成されたジェネレータとを含む、電気パワートレーンを含む。電気パワートレーンは、ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも１つの電気モータと、複数の駆動部材と、エンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御するよう構成された少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットとをさらに含む。少なくとも１つの電気モータは、複数の駆動部材にトルクを提供するよう構成される。
【００１５】
別の態様においては、本発明は、作業機械に機械エネルギーを提供するよう構成されたエンジンと、エンジンに動作可能に結合されかつ機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換するよう構成されたジェネレータとを含む、作業機械を含む。作業機械は、ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも１つの電気モータをさらに含み、この少なくとも１つの電気モータは、高い電力密度を有する。作業機械はまた、作業機械の両側に置かれた駆動部材と、少なくとも１つの電気モータ及び駆動部材に動作可能に結合されたディファレンシャルステアリングユニットとを含む。ディファレンシャルステアリングユニットは、駆動部材のそれぞれに供給されるトルクの量を選択的に制御するよう構成される。作業機械は、作業機械を進ませるよう構成された地面係合部材をさらに含む。地面係合部材は、駆動部材に動作可能に結合され、少なくとも１つの電気モータは、地面係合部材が作業機械を進ませるように、駆動部材にトルクを提供するよう構成される。
【００１６】
さらなる態様においては、本発明は、少なくとも１つの作業器具と、作業機械に機械エネルギーを提供するよう構成されたエンジンと、エンジンに動作可能に結合されかつ機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換するよう構成されたジェネレータとを含む、作業機械を含む。作業機械は、ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも２つの電気モータと、作業機械の両側に置かれた少なくとも２つの駆動部材とをさらに含む。作業機械は、作業機械を進ませるよう構成された地面係合部材をさらに含み、この地面係合部材は、駆動部材に動作可能に結合される。少なくとも２つの電気モータは、少なくとも２つの駆動部材に動作可能に結合され、その結果、少なくとも２つの電気モータの一方によりトルクが少なくとも２つの地面係合部材の一方に供給されるよう、そして、少なくとも２つの電気モータの他方によりトルクが少なくとも２つの地面係合部材の他方に供給されるようにする。
【００１７】
さらなる態様においては、本発明は、少なくとも１つの作業器具と、作業機械に機械エネルギーを提供するよう構成されたエンジンと、エンジンに動作可能に結合されかつ機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換するよう構成されたジェネレータとを含む、作業機械を含む。作業機械は、ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも１つの電気モータをさらに含み、この少なくとも１つの電気モータは、密閉式、ブラシレス式、液冷式の電気モータを含む。作業機械はまた、作業機械の両側に置かれた履帯駆動部材と、作業機械を進ませるよう構成された地面係合部材とを含む。地面係合部材は、駆動部材に動作可能に結合され、少なくとも１つの電気モータは、地面係合部材が作業機械を進ませるように、駆動部材にトルクを提供するよう構成される。
【００１８】
さらなる態様においては、本発明は、複数の地面係合部材と少なくとも１つの作業器具とを含む作業機械を操作する方法を含む。この方法は、作業機械に機械エネルギーを提供し、エンジンに動作可能に結合されたジェネレータにより機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換するよう構成されたエンジンを操作することを含む。この方法は、ジェネレータに動作可能に結合された少なくとも１つの電気モータから供給されたトルクを介して地面係合部材を駆動することにより作業機械を進ませること、および、少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットをエンジン及びジェネレータに動作可能に結合して、そして少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットによりエンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御することにより、エンジン及びジェネレータの少なくとも１つを制御することをさらに含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、電気パワートレーン１２（たとえば、図２〜５参照）を含むことがある作業機械１０の例を例示している。図１に表されている作業機械１０は履帯型のトラクタであるが、作業機械１０は、履帯型のローダ、油圧掘削機、スキッドステアローダ、農業用トラクタ、ホイールローダ、又は当業者に公知である別の作業機械であり得る。作業機械１０が、電源１６を収容するためのメインフレーム１４を含むことがある。電源１６は、電力を作業機械１０の様々なシステムに提供するよう構成されることがある。作業機械１０がまた、ワークステーション１８を含み、地面に係合しかつ作業機械１０を進ませるよう構成された、メインフレーム１４の両側に置かれた地面係合部材２２（たとえば、２つの地面係合履帯）を担持する下部構造体２０をさらに含むことがある。
【００２０】
下部構造体２０が、メインフレーム１４の両側に置かれた２つのプッシュアーム２４を支持するよう構成されることがある。プッシュアーム２４が、一方の端部で、たとえば、土を押し及び／又は引くよう構成されたブルドーザのブレードのような、作業器具２６に接続されることがある。プッシュアーム２４のそれぞれの他方の端部は、メインフレーム１４の両側に位置決めされたローラフレーム２８に接続されることがある。代替構成の作業器具２６又はブレードが、負荷角傾斜構成又はＰＡＴ（図示せず）によりメインフレーム１４に接続される。作業機械１０が、作業機械１０の両側に置かれた１つ以上のリフトシリンダ３０をさらに含むことがあり、この作業機械１０は、一方の端部では下部構造体２０に、他方の端部では作業器具２６に接続されることがある。リフトシリンダ３０は、それぞれ、下部構造体２０に対してプッシュアーム２４を旋回させることにより、作業器具２６が地面に対して上がる及び下がるように、操作者の指令に応じて伸長する及び後退するよう構成された油圧アクチュエータを含むことがある。
【００２１】
作業機械１０が、作業器具２６及びプッシュアーム２４に接続されることがある、作業機械１０の前端の近傍部に置かれた１つ以上のティルトシリンダ３２をさらに含むことがある。１つ以上のティルトシリンダ３２は、作業器具２６が左に又は右に傾くように、又は作業機械１０に対して前方に又は後方に近づくように、操作者の指令に応じて伸長する及び後退するよう構成されることがある。
【００２２】
下部構造体２０が、それぞれが作業機械１０の両側に置かれた、１つ以上の駆動部材３４及び３６（たとえば、図２〜図５参照）、たとえば履帯駆動部材を含むことがある。たとえば、駆動部材３４及び３６とは、電気パワートレーン１２から地面係合履帯２２のそれぞれにトルクを伝達するよう構成されたギア減速最終駆動装置である。下部構造体２０がまた、１つ以上のアイドラーホイール３８と、１つ以上のミッドローラ４０と、地面係合履帯２２を案内するようかつ作業機械１０の重量を地面に隣接する地面係合履帯２２に分散するよう構成されることがある、地面係合履帯２２のそれぞれに連結された１つ以上のキャリアローラ４２とを含むことがある。
【００２３】
図２〜図５は、電力を作業機械１０に提供するよう構成された電気パワートレーン１２の、いくつかの例示的実施形態を例示している。図２を参照するに、電気パワートレーン１２が、エンジン４４、たとえば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン、ガスタービンエンジン、又は公知である他の任意エンジンを含む。エンジン４４が、ジェネレータ４６に動作可能に連結され、エンジン４４からの機械エネルギーが電気エネルギーに変換されるようにジェネレータ４６を駆動することがある。ジェネレータ４６は、永久磁石、誘導電気、切換式リラクタンス、又は上記のハイブリッドの組合せのような、公知である任意のＡＣ又はＤＣジェネレータであり、また、たとえば、より耐久性のある設計を実現するよう、密閉式、ブラシレス式、及び／又は液冷式であり得る。ジェネレータ４６が、１つ以上の電気モータ４８に電力を供給するための電気エネルギーを提供するのに使用されることがある。電気パワートレーン１２が、パワーエレクトロニクス５０と、ジェネレータセンサ５４、たとえば速度センサに動作可能に結合されたジェネレータ制御装置５２とをさらに含むことがある。パワーエレクトロニクス５０が、パワーインバータ、インバータ制御装置、及び／又は機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換することを制御するよう構成されたジェネレータソフトウェアを含むことがある。代替形態（図示せず）として、ジェネレータは、パワーエレクトロニクス５０の代わりに整流器を含み、使用される制御論理により速度センサを必要としないことがある。ジェネレータ制御装置５２が、ジェネレータ４６からの交流を高圧直流に変換することを制御するよう構成され、ジェネレータセンサ５４によりジェネレータ４６の動作を監視することがある。
【００２４】
電気パワートレーン１２がまた、ジェネレータ４６によって生成された余分な電気エネルギーを蓄積するための、及び／又は作業機械１０を始動する場合に及び／又は作業機械１０の作動中に必要な追加の電気エネルギーを提供するための、たとえば、バッテリ及び／又はウルトラコンデンサ、又はフライホイールのような、電気エネルギー蓄積システム５６を含むことがある。たとえば作業機械１０が低い荷重状態で動作している場合には、たとえば、地面を走行していない場合や器具（たとえば、作業器具２６）のいずれをも操作していない場合には、エンジン４４が、所与のエンジン回転数又はエンジン回転数範囲内で引き続き運転されることがある。このような比較的低い荷重状態においては、作業機械１０をより効率的に操作することが可能であろうし、たとえば、ジェネレータ４６が、機械エネルギーを電気エネルギー蓄積システム５６内に蓄積されている電気エネルギーに引き続き変換し得る。代替形態として、作業機械１０が所与の速度で地面を走行しており、かつたとえば作業機械がまだ動いている間に操作者が土の荷重を入れたバケットを上げるよう指令を出すなどの仕事を実施するよう、操作者が作業器具に指令を出す状況においては、電気エネルギー蓄積システム５６が、ジェネレータ４６によって生成される電気エネルギーを超える追加のエネルギーを提供し、エンジンが過負荷減速する又は失速することを防止する、及び／又は作業機械１０が減速することを防止することがある。
【００２５】
電気パワートレーン１２が、モータ制御装置５８、電気モータ４８及び少なくとも１つのモータ制御装置５８に動作可能に結合されたパワーエレクトロニクス６０、及び／又はモータセンサ６２、たとえば速度センサをさらに含むことがある。しかし、使用される制御論理により速度センサ６２が必要でないことがあることを理解されたい。パワーエレクトロニクス６０が、電力変換装置、インバータ制御装置、及び／又はモータソフトウェアを含み、たとえば電気モータ４８に提供される電気を変換し制御するよう構成されることがある。これにより、作業機械１０を進めるための速度及びトルクの制御が実現される。パワーエレクトロニクス６０が、密閉され液体で冷却される、区画室内に収容されることがある。たとえば、ジェネレータ４６が、パワーエレクトロニクス５０、ジェネレータ制御装置５２、モータ制御装置５８、及び／又はパワーエレクトロニクス６０により、電気モータ４８に動作可能に連結されることがある。
【００２６】
単数形で記載しているが、電気モータ４８は２つ以上の電気モータであることがあり、図２の概略図の電気モータ４８は、たとえば、ギア又は歯車装置により機械的に組み合わせられた２つ以上の電気モータのような、２つ以上の電気モータであることがある。ジェネレータ４６及び／又は電気エネルギー蓄積システム５６から電気エネルギーを受けることにより、電気モータ４８が、たとえばギアアセンブリのような、機械的リンク機構６６を駆動するためのトルクを作り出す。電気モータ４８は、永久磁石、誘導電気、切換式リラクタンス、又は上記のハイブリッドの組合せのような、公知である任意のＡＣ又はＤＣモータであり、また密閉式、ブラシレス式、及び／又は液冷式であり得る。電気パワートレーン１２が、電気パワートレーン１２が調整され制御された形で操作されるように、エンジン４４を制御するよう構成された主制御装置６４、ジェネレータ制御装置５２、電気エネルギー蓄積システム５６、及び／又はモータ制御装置５８をさらに含むことがある。
【００２７】
機械的リンク機構６６が、電気モータ４８の速度及びトルクを駆動部材３４及び３６の所望の推進出力に一致させるよう、たとえばリーディガー（Ｒｉｅｄｉｇｅｒ）らによる（特許文献２）に開示されているディファレンシャルステアリングユニットのようなディファレンシャルステアリングユニット６８に、又は公知である他の任意ステアリングユニットに動作可能に連結されることがある。ディファレンシャルステアリングユニット６８が、地面係合履帯２２を操作するために、機械的リンク機構６６からのトルクを履帯駆動部材３４及び３６のいずれか又はその両方に伝達するよう構成されることがある。ディファレンシャルステアリングユニット６８が、機械的リンク機構６６から駆動部材３４及び３６のそれぞれに伝達されるトルクの量を操作者の指令に従って調整できるようにする、１つ以上の遊星歯車装置（図示せず）を含むことがある。
【００２８】
ディファレンシャルステアリングユニット６８がまた、制動力を選択的に適用することにより、駆動部材３４及び３６のいずれか又はその両方が減速するよう構成されることがある制動装置７０及び７２に連結されることがある。代替形態として又は追加形態として、電気モータ４８がジェネレータとして動作することがあり、ジェネレータ４６が、たとえば、作業機械１０の制動中に、及び／又は電気モータ４８及び／又はジェネレータ４６の減速中に、モータとして動作することがある。たとえば、電気モータ４８が、電気モータ４８をジェネレータとして使用している間作業機械１０が減速するように構成され制御されることがあり、これにより、作業機械１０に関連する運動エネルギーが電気エネルギー蓄積システム５６内に蓄積されている電気エネルギーに変換される。その上、電気モータ４８の慣性及び速度も、電気モータ４８の減速中に電気エネルギーに変換されることがある。さらに、ジェネレータ４６が、たとえば、電気パワートレーン１２がエネルギー過剰になっている時間中にエンジン４４の速度を上げるよう、入力を再びエンジン４４に提供するための、モータとして動作することがある。これは、燃費及び／又はエンジン４４からのエミッションを減少させるよう作用することがある。代替形態として、この過剰エネルギーが、抵抗グリッド（図示せず）全体に放散されることがある。
【００２９】
電気パワートレーン１２が、ディファレンシャルステアリングユニット６８に動作可能に連結されたステアリングモータ７４をさらに含むことがある。ステアリングモータ７４が、駆動部材３４及び３６のそれぞれに伝達されるトルクの量を選択的に調整するよう構成され、したがって、作業機械１０は、操作者の指令に基づいて駆動部材３４及び３６のそれぞれに伝達されるトルクの量を選択的に調整することにより、前方方向に真っ直ぐ、後方方向に真っ直ぐ進み、また前方方向又は逆方向のいずれかに走行している間に回転し得る。ステアリングモータ７４に、作動液圧力、電気、及び／又は他の電源により電力が供給されることがある。ステアリングモータ７４が、ディファレンシャルステアリングユニット６８の遊星歯車装置の１つの一部（たとえば、リングギア）を、動かなくする、前方方向に回転する、又は逆方向に回転するかのいずれかを選択することにより、駆動部材３４及び３６に伝達されるトルクを選択的に調整し、これにより、駆動部材３４及び３６に働いたトルクを偏倚させることがある。代替形態として、ステアリングモータ７４の速度を変更することにより、ステアリングモータ７４の速度変更及び回転方向に従って、それぞれ駆動部材３４及び３６の速度が増加する又は減少する。
【００３０】
いくつかの実施形態によれば、パワートレーン１２が、たとえば図２Ａに示されているような、代替ステアリング制御装置を含むことがある。ディファレンシャルステアリングユニット６８の代わりに、機械的リンク機構６６が、クラッチ及びブレーキシステム６９に動作可能に直接接続されることがある。クラッチ及びブレーキシステム６９が、それぞれ、駆動部材３４及び３６用のブレーキ７０及び７２とクラッチ７１及び７３とを含むことがある。ブレーキ７０及び７２とクラッチ７１及び７３は、作業機械１０を操縦するよう、流体圧力源（図示せず）及び／又は主制御装置６４からの電気信号に反応することがある。クラッチ７１及び７３が、作業機械１０の駆動要素３４及び３６に働く駆動力をそれぞれ接続し切断するよう、交互に係合可能かつ離脱可能であることがある。クラッチ７１及び７３が、駆動部材３４及び３６に係合するための制御圧力又は信号で操作されることがある。より具体的には、クラッチ７１及び／又は７３が、十分に係合され、最大圧力又は制御信号で電力を駆動部材３４及び３６に伝達することがある。最小圧力又は制御信号で、クラッチ７１及び／又は７３が、電力が駆動部材３４及び３６に伝達されずに、完全に解除されることがある。このような極端な例ではなく、クラッチ７１及び／又は７３が、制御圧力又は信号に比例した割合だけ「スリップ」して、たとえば、ほんの一部の電力だけが駆動部材３４及び３６に伝達されるよう構成されることがある。制御圧力の正確な変調が、駆動部材３４と３６との間に正確な速度差を作ることがある。
【００３１】
いくつかの実施形態によれば、クラッチ及びブレーキシステム６９が、たとえば、フェールセーフ状態として、液圧又は電力の損失により必然的にクラッチ７１及び７３が完全に解除され、駆動部材３４及び３６から電力が除去されるよう構成されることがある。クラッチ７１及び７３はまた、代替形態として、バネ式及び圧力逃がし式であり得ることを理解されたい。
【００３２】
同様に、クラッチ及びブレーキシステム６９が、作業機械１０の駆動部材３４及び３６を制動する及び解放するために、それぞれ交互に作動可能かつ分離可能であるブレーキ７０及び７２をさらに含むことがある。一般的に、ブレーキ７０及び７２が、バネ式ブレーキを解除するよう作用する圧力を有する、油圧運転式のディスクタイプであることがある。たとえば、最大ブレーキ圧力でブレーキ及び７０及び／又は７２が完全に解除され、最小圧力でブレーキ７０及び／又は７２が十分に係合されることがある。これに対応して、中間の圧力により、初期制動が生じることがあり、これは、一般に「タッチアップ（ｔｏｕｃｈ  ｕｐ）」と呼ばれる。クラッチ及びブレーキシステム６９が、たとえば、フェールセーフ状態として、液圧の損失により必然的にブレーキ７０及び７２が十分にバネ係合されて、作業機械１０が停止するよう構成されることがある。
【００３３】
作業機械１０用の冷却システム７６も設けられ、たとえば、作業機械１０に連結されることがある、エンジン４４、ジェネレータ４６、電気モータ４８、機械的リンク機構６６、ディファレンシャルステアリングユニット６８、ステアリングモータ７４、パワーエレクトロニクス５０及び／又は６０、電気エネルギー蓄積システム５６、及び／又は液圧システム７８を含む、作業機械１０の様々なシステムを充分冷却するよう構成されることがある。冷却システム７６が、水（及び／又はエチレングリコール及び／又は他の不凍剤／冷却流体）、及び／又は上述のシステムの１つ以上を冷却するよう延在する、エンジン４４に連結された油冷却システムを含むことがある。代替形態として又は追加形態として、液圧システム７８が、冷却器（図示せず）を含み、作動液を介して上述のシステムの１つ以上を冷却するよう延在することがある。公知である他の冷却システムが、作業機械１０を冷却するのに使用されることがある。
【００３４】
いくつかの実施形態においては、作業機械１０が、たとえば、図１に例示されている作業器具２６の例のような作業器具を操作するのに使用される油圧アクチュエータのような、作業機械１０の様々な液圧機器を操作するための液圧システム７８を含むことがある。液圧システム７８が、油圧アクチュエータを操作するために液圧システム７８内の作動液を加圧するための１つ以上のポンプを含むことがある。上述したように、液圧システム７８が、たとえば様々な作業器具の動作中に温度が増加する、たとえば作動液を冷却するための冷却システム７６のような、冷却システムを含むことがある。液圧システム用の冷却システム７６が、冷却器を含み、作業機械１０に連結されることがある、たとえば、エンジン４４、ジェネレータ４６、電気モータ４８、機械的リンク機構６６、ディファレンシャルステアリングユニット６８、ステアリングモータ７４、パワーエレクトロニクス５０及び６０、及び／又は電気エネルギー蓄積システム５６のような、作業機械１０の他のシステムを冷却するよう延在することがある。
【００３５】
作業機械１０が、たとえば、エンジン４４からの冷却水（及び／又はエチレングリコール及び／又は他の不凍剤／冷却流体）を循環させるための水ポンプ、空気調節コンプレッサ、エンジン４４を始動するためのスタータモータ、及び／又は従来エンジン４４によって駆動されるベルトにより電力が供給される他の様々な装置のような、様々な付属品８０をさらに含むことがある。これらの様々な付属品８０は、ベルトではなく、電気モータを介して電気エネルギーにより駆動されることがある。これは、これらの様々な装置を作業機械１０に置く際の、より多くの多用性を提供することがある。何故なら、これらは、もはや１つ以上のベルトによりエンジン４４から駆動され得る必要がないからであり、部品及び組み立て費用、さらにベルトの破損による保全費用、及びこの結果生じる交換が減少する。
【００３６】
図３は、電気パワートレーン１２を備えた作業機械１０の別の例示的実施形態を例示している。図２の例示的実施形態とは異なり、図３の電気パワートレーン１２は、機械的リンク機構６６を含まない。逆に、電気モータ４８が、ディファレンシャルステアリングユニット６８に直接動作可能に接続される。このような形態により、ギアアセンブリ、たとえば平歯車及び／又はかさ歯車を含むことがある機械的リンク機構６６内で発生する恐れのある、内在する能力不足が解消されることがある。さらに、図３に例示されている例示的実施形態により、作業機械１０のメインフレーム１４内の空間をより効率的に使用することができ、またディファレンシャルステアリングユニット６８と合わせて電気モータ４８がより効率的に実装される。
【００３７】
図４は、電気パワートレーン１２を備えた作業機械１０のさらに別の例示的実施形態を例示している。図２及び図３の例示的実施形態とは異なり、図４に例示されている電気パワートレーン１２は、それぞれが１対の地面係合部材２２（たとえば、地面係合履帯）の１つを駆動するよう構成された、２つ以上の電気モータ４８（たとえば、２つの電気モータ４８）を含む。
【００３８】
図４の実施形態によれば、ジェネレータ４６が、ジェネレータ４６に連結されたパワーエレクトロニクス５０と、２つの電気モータ４８に連結された少なくとも１つの（たとえば、２つの）パワーエレクトロニクスユニット６０とを介して電気的に連接される。電気モータ４８のそれぞれが、駆動部材３４及び３６にそれぞれ結合される。パワーエレクトロニクス６０が、操作者が指令した方向に作業機械１０を進ませるよう調整された形で動作するよう２つの電気モータ４８を制御する。たとえば、駆動部材３４及び３６に対して前方方向又は逆方向のいずれかにいくらかのトルクを選択的に働かせることにより、電気モータ４８が、前方方向に真っ直ぐ、逆方向に真っ直ぐ、前方方向において左又は右に曲がる方向に、又は逆方向において左又は右に曲がる方向に、作業機械を進ませることがある。電気モータ４８は、互いに無関係に前方回転方向又は逆の回転方向のいずれかに駆動部材３４及び３６にいくらかのトルクを選択的に働かせるので、ディファレンシャルステアリングユニット、ステアリングモータ、電力伝達装置、及び／又はステアリングクラッチ及びブレーキシステムが、この実施形態から除外されることがある。
【００３９】
図５は、電気パワートレーン１２を備えた作業機械１０のさらに別の例示的実施形態を例示している。図２〜図４の例示的実施形態とは異なり、図５に例示されている電気パワートレーン１２は３つの電気モータ４８を含むが、２つ以上の電気モータ４８が、示されている３つと同様な方法で機能し、それぞれが入力を遊星ギアユニット６８’に提供することを理解されたい。それぞれの電気モータ４８が、電力を供給するよう及び／又は電気モータ４８のそれぞれの動作を制御するよう構成された、対応するモータ制御装置５８及びパワーエレクトロニクスユニット６０に動作可能に結合されることがある。それぞれの電気モータ４８が、操作者が指令した方法で作業機械１０が進み操縦されるよう、トルク入力を遊星ギアユニット６８’に供給することがある。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
開示されている、電気パワートレーンを備えた作業機械は、たとえば、地面係合履帯を備えた作業機械、又は排気物質の減少及び／又は燃料効率の向上がとりわけ望ましい当業界において公知である他の任意の作業機械のような、任意の作業機械に適応可能であり得る。作業機械に電気パワートレーンを使用することにより、排気物質が減少し、燃料効率が増加することがある。以下、電気パワートレーンを備えた作業機械の例の動作について説明する。
【００４１】
図２を参照するに、エンジン４４が、ジェネレータ４６が回転するようジェネレータ４６に動作可能に連結され、これにより、エンジン４４からの機械エネルギーが電気エネルギーに変換される。エンジン回転数が履帯駆動部材３４及び３６に働くトルクに直接関係しないので、その排気物質が最小限に抑えられ、その燃料効率が最大になるように、エンジン４４が１つ以上の所定のエンジン回転数（たとえば、エンジン回転数の範囲）で操作されることがある。さらに、エンジン４４及びジェネレータ４６が、ジェネレータ４６がその電気エネルギー変換効率を最大化するよう最適な回転速度で駆動されるように、たとえば適切な歯車装置により、動作可能に接続されることがある。
【００４２】
パワーエレクトロニクス５０及びジェネレータ制御装置５２が、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換を制御するよう、たとえばジェネレータ４６に協働連結されることがある。パワーエレクトロニクス６０及びモータ制御装置５８が、制御された形で電気エネルギーを電気モータ４８に供給するよう、電気モータ４８に協働連結されることがある。主制御装置６４が、エンジン回転数及びエンジン荷重及び／又はジェネレータ速度及び／又はジェネレータ荷重を最適化するよう、排気物質を減少させる（たとえば、最小限に抑える）よう、及び／又はエンジン４４の燃料効率を増加する（たとえば、最大化する）よう、エンジン４４、ジェネレータ制御装置５２、及び／又はモータ制御装置５８、付属品８０、電気エネルギー蓄積装置５６、又は抵抗グリッド（図示せず）を制御することがある。主制御装置６４が、ジェネレータ４６の電気エネルギー変換効率を最大化することがある。たとえば、主制御装置６４が、作業機械１０のリアルタイムの電力要件に関係なく、燃料効率を最大化するよう、及び／又は排気物質を最小限に抑えるよう、エンジン４４が比較的狭いエンジン回転数で動作できるよう使用されることがある。さらに、主制御装置６４が、その荷重及び／又は回転速度を最適化することにより、ジェネレータ４６の動作効率を最大化するのに使用されることがある。
【００４３】
ジェネレータ４６が、電気エネルギーを電気エネルギー蓄積システム５６及び／又は電気モータ４８に提供することがある。たとえば、作業機械の操作者が指令を電気パワートレーン１２に送信すると、適切な量の電気エネルギーが電気モータ４８に提供されることがある。電気モータ４８が、電気エネルギーをトルクに変換し、操作者の指令に従って前方方向又は逆方向のいずれかに回転する。電気モータ４８によって作られたトルクは、機械的リンク機構６６に供給され、ここで、電気モータ４８からのトルクがディファレンシャルステアリングユニット６８によって使用される適切な速度及び方向に変換される。ディファレンシャルステアリングユニット６８が、１つ以上の遊星歯車装置を使用して、トルクを適切な量だけ駆動部材３４及び３６（たとえば、履帯駆動部材）のそれぞれに伝達する。ステアリングモータ７４が、一部が回転するのを防止すること、第１の方向に一部を回転すること、又は第２の方向に一部を回転することのいずれかを選択することにより、ディファレンシャルステアリングユニット６８の遊星歯車装置の１つの一部（たとえば、リングギア）を操作する。一部の回転を防止することにより、実質的に等しい量の速度が、駆動部材３４及び３６に伝達される。第１の方向に一部を回転することにより、比較的速い速度が、駆動部材３４及び３６の１つに伝達され、他の方向に一部を回転することにより、比較的高い速度が駆動部材３４及び３６の他の１つに伝達されることがある。実質的に等しい量の速度をそれぞれの駆動部材３４及び３６に伝達することにより、作業機械１０が実質的に直線に走行する。比較的速い速度を駆動部材３４及び３６の１つに伝達することにより、作業機械１０が、旋回するか又は直線でない形で走行する。作業機械１０を回転すること、作業機械１０の走行を停止すること、及び／又は作業機械１０の走行速度を減速することを援助するために、作業機械１０の制動装置７０及び７２のいずれか又はその両方が、駆動部材３４及び３６に抵抗トルクを働かせるよう稼動されることがある。
【００４４】
電気エネルギー蓄積システム５６に送られる電気エネルギーについて述べると、電気エネルギー蓄積システム５６内に蓄積されている電気エネルギーが、たとえば、エンジン４４を始動するのに、及び／又はたとえば、エンジン４４全体に冷却液を循環させるための空気調節ユニット及び電気水ポンプ、及び／又は作業機械１０の様々な液冷式システムのような、作業機械１０の様々な付属品を操作するための補助電気エネルギーを提供するのに、使用されることがある。電気エネルギー蓄積システム５６がまた、追加のエネルギーが必要な場合に、たとえば、作業機械１０が前へ進みながら同時に作業器具を操作している場合に、補助電気エネルギーを提供するのに使用されることがある。
【００４５】
電気パワートレーン１２が、駆動部材３４及び３６のいずれか又はその両方を減速することによって生じる制動力を選択的に働かせるよう構成されることがある制動装置７０及び７２を含むことがある。また、１つ以上のモータ４８を、駆動部材３４及び３６に電力回生荷重を働かせることにより作業機械１０を減速するよう構成されたジェネレータとして動作させることにより、制動されることがある。たとえば、作業機械１０は、傾斜面を走行する時に、駆動部材３４及び３６に連結された、重力により傾斜面を引っ張られている作業機械１０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するよう、かつたとえば電気エネルギー蓄積システム５６内に電気エネルギーを蓄積することにより電気エネルギーを作業機械１０に送り、又はエンジン４４を駆動するためのモータとして働くジェネレータ４６によって駆動するよう、構成されたジェネレータとして働く１つ以上のモータ４８によって増幅された抵抗トルクにより少なくともある程度減速することがある。代替形態として、１つ以上のモータ４８によって増幅された電気エネルギーは、抵抗グリッド全体に放散されることがある。
【００４６】
冷却システム７６が、密閉式及び液冷式であり得る、電気パワートレーン１２の様々な要素と共に、エンジン４４を冷却するのに使用されることがある。特に、ジェネレータ４６及び／又は電気モータ４８は、たとえば、電気モータ４８がより素早くかつ効率的に停止する及び方向を逆にすることを可能にするより高い電力密度及びより低い慣性を有するように、より大きな耐久性及びコンパクトな設計を提供するよう、密閉式及び液冷式であり得る。
【００４７】
液圧システム７８が、たとえば、作業機械１０の作業器具を操作するための油圧アクチュエータに、加圧された作動液を提供するのに使用されることがある。たとえば、図１を参照するに、１つ以上のリフトシリンダ３０に連結された油圧アクチュエータが、作業器具２６を上げる及び下げるよう作動され、１つ以上のティルトシリンダ３２に連結された油圧アクチュエータが、作業器具２６を左右に傾けるよう作動されることがある。さらに、加圧された作動液が、作業機械１０を操縦するためのステアリングモータ７４を操作するのに使用されることがある。
【００４８】
図３に例示されている作業機械電気パワートレーン１２の例について述べると、電気モータ４８が、トルクを直接ディファレンシャルステアリングユニット６８に提供するよう、ディファレンシャルステアリングユニット６８に動作可能に直接接続されることがある。ディファレンシャルステアリングユニット６８に伝達されたトルクは、図２に示されている例示的実施形態を参照しながら上述した方法と同じ方法で、駆動部材３４及び３６（たとえば、履帯駆動部材）を駆動するのに使用される。
【００４９】
図４に示されている例示的実施形態は、２つの電気モータ４８を含む。ジェネレータ４６が、電気モータ４８のそれぞれに動作可能に結合され、電気モータ４８のそれぞれが、駆動部材３４及び３６（たとえば、履帯駆動部材）の個々の１つに結合されている。たとえば、ジェネレータ４６が、パワーエレクトロニクス５０、ジェネレータ制御装置５２、及びジェネレータセンサ５４に動作可能に結合され、それぞれの電気モータ４８が、モータ制御装置５８、パワーエレクトロニクス６０、及びモータセンサ６２に動作可能に結合されることがある。主制御装置６４が、ジェネレータ制御装置５２及びモータ制御装置５８を制御し、これらのジェネレータ制御装置５２及びモータ制御装置５８が、それぞれ、ジェネレータ４６に連結されたパワーエレクトロニクス５０と、電気モータ４８のそれぞれに連結されたパワーエレクトロニクス６０のそれぞれとを制御し、したがって、操作者が指令した方向に作業機械１０を進ませるよう調整された形で動作することがある。たとえば、駆動部材３４及び３６に対して前方方向又は逆方向のいずれかにいくらかの速度を選択的に適用することにより、電気モータ４８が、前方方向に真っ直ぐ、逆方向に真っ直ぐ、前方方向又は逆方向のいずれかで左に曲がる又は右に曲がる方向に、作業機械１０を進ませることがある。
【００５０】
図５に示されている例示的実施形態は、３つの電気モータ４８を含むが、遊星ギアユニット６８’に入力を提供するよう構成された、２つ以上の電気モータが使用されることがある。ジェネレータ４６が電気モータ４８のそれぞれに動作可能に結合され、電気モータ４８のそれぞれが遊星ギアユニット６８’に結合され、この遊星ギアユニット６８’は、駆動部材３４及び３６に動作可能に結合される。たとえば、ジェネレータ４６が、パワーエレクトロニクス５０、ジェネレータ制御装置５２、及びジェネレータセンサ５４に動作可能に結合されることがあり（上記に述べたように、パワーエレクトロニクス５２の代わりに、使用される制御論理により、整流器が使用されジェネレータセンサ５４が必要でないことがある）、それぞれの電気モータ４８が、モータ制御装置５８、パワーエレクトロニクス６０、及びモータセンサ６２に動作可能に結合されることがある。主制御装置６４が、ジェネレータ制御装置５２及びモータ制御装置５８を制御することがあり、これらのジェネレータ制御装置５２及びモータ制御装置５８が、それぞれ、ジェネレータ４６に連結されたパワーエレクトロニクス５０と電気モータ４８のそれぞれに連結されたパワーエレクトロニクス６０のそれぞれとを制御して、遊星ギアユニット６８’に入力を提供し、操作者が指令した方向に作業機械１０を進ませるよう、調整された形で動作することがある。たとえば、主制御装置６４により３つの電気モータ４８を調整された形で選択的に操作することにより、電気モータ４８が、前方方向に真っ直ぐ、逆方向に真っ直ぐ、前方方向又は逆方向のいずれかにおいて左に曲がる又は右に曲がる方向に、作業機械１０を進ませることがある。
【００５１】
当業者には、開示されている、電気パワートレーンを備えた作業機械の様々な修正形態及び変形形態が作られ得ることが明らかとなろう。当業者には、本明細書について考慮し、開示されている作業機械を実践することにより、他の実施形態も明らかとなろう。本明細書及び例は、単なる例示と考えられるべきであり、真の範囲は、頭記の特許請求の範囲及びそれらの等価物に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】作業機械の例を示す概略側面図である。
【図２】開示されている実施形態の例における電気パワートレーンを備えた作業機械を示す概略ブロック図である。
【図２Ａ】開示されている実施形態の例における電気パワートレーンを備えた作業機械を示す概略ブロック図である。
【図３】開示されている実施形態の例における電気パワートレーンを備えた作業機械を示す概略ブロック図である。
【図４】開示されている実施形態の例における電気パワートレーンを備えた作業機械を示す概略ブロック図である。
【図５】開示されている実施形態の例における電気パワートレーンを備えた作業機械を示す概略ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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