(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
旋回機構を旋回駆動する旋回用電動機と、
前記旋回用電動機による旋回制動力を発生させる第一ブレーキと、
前記第一ブレーキとは独立して旋回制動力を発生させる第二ブレーキと、を備え、
前記第一ブレーキと前記第二ブレーキとを併用して前記旋回機構を減速させる、
ことを特徴とするショベル。
【請求項２】
油圧アクチュエータを備え、
前記旋回用電動機が非作動で且つ前記油圧アクチュエータが作動中の場合に、前記第一ブレーキと前記第二ブレーキとを併用する、
ことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記第一ブレーキは、前記旋回用電動機の三相配線を短絡させることによって、或いは、前記旋回用電動機をゼロ速度制御又は位置制御することによって、旋回制動力を発生させる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項４】
前記第一ブレーキ及び前記第二ブレーキの一方による旋回制動力が前記旋回機構を旋回停止状態で保持するのに十分でない場合に、前記第一ブレーキ及び前記第二ブレーキのうちの他方による旋回制動力を発生させて前記第一ブレーキと前記第二ブレーキとを併用する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
【請求項５】
前記旋回機構が減速状態にある場合に前記第一ブレーキによる旋回制動力と前記第二ブレーキによる旋回制動力とを常に併用する、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。
【請求項６】
前記第二ブレーキは、パーキングブレーキである、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
【請求項７】
前記第二ブレーキは、旋回ブレーキ用油圧モータを用いたブレーキである、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
【請求項８】
前記第二ブレーキは、磁性流体を用いたブレーキ、又は、渦電流を用いたブレーキである、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機を用いて旋回体を電動駆動するショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、掘削作業等を行なうショベルには旋回体が設けられ、掘削作業を行なうためのブーム、アーム及びバケットが旋回体に設けられる。旋回体を旋回させることで、バケットをショベルの周囲の任意の位置に移動する。旋回用油圧モータで旋回体を旋回駆動することを油圧旋回と称する。また、旋回用電動機で旋回体を旋回駆動することを電動旋回と称する。
【０００３】
電動旋回を採用したショベルでは、旋回用電動機を駆動しないときには旋回用電動機は自由に回転できる状態にあるので、旋回体に機械的にブレーキをかけて固定しておく。機械的にブレーキをかけるブレーキ装置は、摩擦力を用いて旋回体を固定するものであり、摩擦力を発生させる部品が摩耗するという問題を有している。ショベルの作業時には旋回体に大きな外力が作用するため、この大きな外力に抗してブレーキ力（摩擦力）を維持しなければならない。したがって、ブレーキ装置に加わる負荷が大きく、ブレーキ装置の摩擦力を発生する部分が短時間で摩耗してしまい、ブレーキ装置の寿命が短いという問題がある。
【０００４】
そこで、旋回用電動機をゼロ速度制御することで旋回体を停止状態に維持することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ゼロ速度制御とは、旋回用電動機を常に駆動状態としておき、旋回用電動機が外力により回転しようとしたら回転速度がゼロになるように、反対向きに回転するように駆動して回転速度をゼロに維持するという制御である。旋回用電動機の回転速度をゼロに維持するということは、旋回用電動機を回転させないことであり、旋回体は一定の位置に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９９１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
旋回用電動機をゼロ速度制御することで旋回体を停止状態に維持する制御では、旋回用電動機を駆動して、旋回体に加わる外力を打ち消すような旋回力を発生させる。このため、旋回用電動機を常時駆動しなければならず、旋回体を固定しておくために旋回用電動機に電力を供給する必要がある。したがって、蓄電装置から多量の電力を旋回用電動機に供給しなければならず、蓄電装置の充電率が急速に減少するおそれがある。また、作業を行なうためではなくブレーキをかけるためだけに旋回用電動機で電力を消費するため、省電力の観点から好ましくない。
【０００７】
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、旋回用電動機を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減可能なショベルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明の実施形態に係るショベルは、旋回機構を旋回駆動する旋回用電動機と、前記旋回用電動機による旋回制動力を発生させる第一ブレーキと、前記第一ブレーキとは独立して旋回制動力を発生させる第二ブレーキと、を備え、前記旋回機構が旋回停止状態又は減速状態にある場合に、前記第一ブレーキと前記第二ブレーキとを併用することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上述の手段により、本発明は、旋回用電動機を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ハイブリッド式ショベルの側面図である。
【図２】図１のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
【図３】図１のハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成を示すブロック図である。
【図４】図１のハイブリッド式ショベルの旋回制動系の構成を示すブロック図である。
【図５】図４の旋回制動系を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係を示す図である。
【図６】旋回制動系の構成の別の１例を示すブロック図である。
【図７】図４の旋回制動系を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係の別の１例を示す図である。
【図８】旋回制動系の構成のさらに別の１例を示すブロック図である。
【図９】旋回保持状態で過度の外力が生じた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係を示す図である。
【図１０】ハイブリッド式ショベルの駆動系の構成の別の１例を示すブロック図である。
【図１１】旋回機構が減速状態にある場合の電流の状態を示す図である。
【図１２】旋回機構が旋回保持状態にある場合に外力（旋回力）を受けたときの電流の状態を示す図である。
【図１３】ハイブリッド式ショベルの駆動系の構成のさらに別の１例を示すブロック図である。
【図１４】旋回変速機を構成するプラネタリギア機構の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明が適用されるハイブリッド式ショベルを示す側面図である。
【００１２】
ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
【００１３】
なお、本発明が適用可能なショベルは、ハイブリッド式ショベルに限られず、電動旋回を採用したショベルであれば、例えば外部電源から電力が供給される電気駆動式ショベルにも本発明を適用することができる。
【００１４】
図２は、本発明の実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。
【００１５】
機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９等の油圧アクチュエータは、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。
【００１６】
電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０及びダイナミックブレーキ２０Ａを介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、上述では、蓄電器の例としてキャパシタを示したが、キャパシタの代わりにリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。
【００１７】
インバータ２０と、ダイナミックブレーキ２０Ａと、旋回用電動機２１と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。
【００１８】
ここで、旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転が可能な電動機であり、例えば、永久磁石がロータ内部に埋め込まれるＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータである。旋回用電動機２１は、力行運転を行なう場合には、上部旋回体３を旋回駆動するための電動アクチュエータとして機能する。また、旋回用電動機２１は、回生運転を行なう場合には、上部旋回体３の旋回に対する旋回制動力を発生させる電動発電機（ブレーキ）として機能する。以下では、旋回用電動機２１を用いて旋回制動力を発生させるブレーキを「第一ブレーキ」と称する。
【００１９】
メカニカルブレーキ２３は、第一ブレーキとは独立して上部旋回体３の旋回に対する旋回制動力を発生させる第二ブレーキの一例であり、上部旋回体３に機械的にブレーキをかけておくパーキングブレーキとして機能する。
【００２０】
ダイナミックブレーキ２０Ａは、モータの端子間を短絡してモータ軸の回転を制動する旋回制動力を発生させる電気回路であり、旋回用電動機２１と共に第一ブレーキを構成する。具体的には、ダイナミックブレーキ２０Ａは、旋回用電動機２１の端子間を短絡することによって旋回制動力を発生させる。なお、ダイナミックブレーキ２０Ａの詳細は後述される。
【００２１】
操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
【００２２】
図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
【００２３】
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
【００２４】
図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。
【００２５】
コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。
【００２６】
コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、後述のようにキャパシタに充電する量（充電電流又は充電電力）の制御も行なう。
【００２７】
この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
【００２８】
以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。
【００２９】
旋回用電動機２１の回転速度（角速度ω）はレゾルバ２２により検出される。コントローラ３０は、旋回用電動機２１の角速度ωに基づいて推定旋回回生電力（エネルギ）を演算で求める。そして、コントローラ３０は、演算で求めた推定旋回回生電力に基づいて、ＳＯＣの回生見込み目標値を演算により求める。コントローラ３０は、キャパシタ１９のＳＯＣを、求めた回生見込み目標値に近づけるようにハイブリッド式ショベルの各部を制御する。
【００３０】
上述のような構成のハイブリッド式ショベルによる作業では、上部旋回体３を一定の旋回位置に保持しながらブーム４、アーム５、バケット６を駆動して掘削作業等を行なうことがある。このときは、上部旋回体３が外力により旋回してしまわないように、パーキングブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３によりブレーキがかけられる。メカニカルブレーキ２３は、例えば、操作装置２６の旋回用操作レバー（例えば、レバー２６Ａ）が一定時間操作されないと、自動的に作動され、旋回用操作レバーが操作されると直ちに解除される。
【００３１】
本実施形態では、メカニカルブレーキ２３のみによりブレーキをかけながらブーム４、アーム５、バケット６による作業を行なう状態とならないようにする。すなわち、上部旋回体３の旋回を停止しながら作業を行なうときには、第一ブレーキとしてのダイナミックブレーキ２０Ａと、第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３とを併用する。上部旋回体３にブレーキをかけて上部旋回体３を停止した状態にするためである。
【００３２】
図４は、旋回制動系ＳＹＳ１の構成を示すブロック図である。図４において、図２に示す構成部品と同等の部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３３】
ダイナミックブレーキ２０Ａは、主に、インバータ２０と旋回用電動機２１との間の三相配線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれの間に配置される、スイッチ２０Ａａ１、２０Ａａ２で構成される。
【００３４】
スイッチ２０Ａａ１は、Ｕ相とＶ相の間を結ぶ短絡用電線２０Ａｂ１上に配置され、スイッチ２０Ａａ２は、Ｖ相とＷ相の間を結ぶ短絡用電線２０Ａｂ２上に配置される。
【００３５】
スイッチ２０Ａａ１及び２０Ａａ２は、例えば常態が開成であり、コントローラ３０からの駆動信号が途絶えた場合に閉成する。コントローラ３０は、例えば、旋回用操作レバーが操作されている場合にスイッチ２０Ａａ１及びスイッチ２０Ａａ２に駆動信号を出力し、旋回用操作レバーが中立位置にある場合、又は、旋回用操作レバーが中立位置に戻る場合に、駆動信号の出力を中止する。或いは、コントローラ３０は、旋回用操作レバーが操作されておらず且つ旋回速度が略ゼロの場合に駆動信号の出力を中止するようにしてもよい。
【００３６】
或いは、スイッチ２０Ａａ１及び２０Ａａ２は、エンジンキーがキーシリンダに挿入された場合に開成し、エンジンキーがキーシリンダに挿入されていない場合に閉成してもよい。
【００３７】
スイッチ２０Ａａ１及び２０Ａａ２が閉成されると、旋回用電動機２１の三相配線は短絡状態となる。このとき、ダイナミックブレーキ２０Ａは、外力（旋回力）によって旋回用電動機２１のロータ（永久磁石）が回転した場合に、旋回用電動機２１を電動発電機として機能させ、発電を実行させる。その発電による電流は、短絡用電線２０Ａｂ１、２０Ａｂ２を通じて旋回用電動機２１に戻り、旋回用電動機２１を逆方向に回転させる旋回力を発生させる。この旋回力は、発電による電流が旋回用電動機２１の仕様範囲内であれば、外力による旋回力と同等の大きさを有する。そのため、外力による旋回力は、発電電流による旋回力によって打ち消される。このようにして、ダイナミックブレーキ２０Ａは、旋回用電動機２１の三相配線を短絡状態に切り替えることで、旋回用電動機２１の回転に対して制動力を付与することができる。
【００３８】
或いは、ダイナミックブレーキ２０Ａは、旋回用電動機２１の三相配線が短絡状態のときに外力（旋回力）によって旋回用電動機２１のロータ（永久磁石）が回転した場合に、発電により電流を誘起させて回路上の抵抗（旋回用電動機２１の内部抵抗）で熱エネルギを生じさせてもよい。即ち、旋回用電動機２１の回転エネルギを回路上の抵抗で熱エネルギに変換してもよい。このようにして、ダイナミックブレーキ２０Ａは、旋回用電動機２１の三相配線を短絡状態に切り替えることで、旋回用電動機２１の回転に対して制動力を付与してもよい。
【００３９】
一方、スイッチ２０Ａａ１及び２０Ａａ２が開成している場合、ダイナミックブレーキ２０Ａは、旋回用電動機２１の三相配線を非短絡状態にするため、制動力を発生させない。なお、ダイナミックブレーキ２０Ａによる制動力が発生しない場合であっても、インバータ２０が動作している場合には、旋回用電動機２１は、外力（旋回力）によってロータ（永久磁石）が回転すると、電動発電機として機能して発電を実行し、発電ブレーキによる旋回制動力を発生させる。
【００４０】
次に、図５を参照しながら、旋回制動系ＳＹＳ１を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係について説明する。なお、図５（Ａ）は、旋回機構２の旋回速度の推移を表し、図５（Ｂ）は、第一ブレーキが出力する旋回駆動トルクの推移を表し、図５（Ｃ）は、旋回ブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表す。なお、図５（Ｃ）の点線は、第一ブレーキとしてのダイナミックブレーキ２０ＡのＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表し、図５（Ｃ）の一点鎖線は、第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３のＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表す。
【００４１】
図５に示すように、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間では、旋回機構２はパーキング状態（油圧アクチュエータ及び電動アクチュエータが非作動の状態）、すなわち、旋回停止状態にあり、ダイナミックブレーキ２０Ａ及びメカニカルブレーキ２３は共にＯＮの状態にある。これにより、ダイナミックブレーキ２０Ａは、旋回機構２を旋回させようとする外力が発生した場合には、その外力に応じた大きさの旋回制動力を発生させる。その結果、外力の一部がダイナミックブレーキ２０Ａによって打ち消され、外力の残りの部分がメカニカルブレーキ２３によって打ち消されて、旋回機構２に作用する旋回トルクは、ゼロのまま推移する。
【００４２】
時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間では、旋回用電動機２１は、旋回速度が所定の加速度で目標速度まで増大するように旋回トルクを発生させており、旋回機構２は加速状態にある。このとき、ダイナミックブレーキ２０Ａ及びメカニカルブレーキ２３は共にＯＦＦの状態にある。旋回制動力を発生させないようにするためである。旋回用電動機２１が発生させる旋回トルクは、急激に増大した後、旋回速度が目標速度に近づくにつれて徐々に減少し、その後、目標速度を維持するために必要な所定値に至る。
【００４３】
時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間では、旋回用電動機２１は、旋回速度が一定速度で旋回を継続するように一定の旋回トルクを発生させており、旋回機構２は定速状態にある。このとき、ダイナミックブレーキ２０Ａ及びメカニカルブレーキ２３は共にＯＦＦの状態にある。旋回制動力を発生させないようにするためである。
【００４４】
時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間では、旋回機構２を減速させるため、ダイナミックブレーキ２０Ａ及びメカニカルブレーキ２３は共にＯＮの状態となる。具体的には、ダイナミックブレーキ２０Ａは、例えばコントローラ３０によるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に応じてスイッチ２０Ａａ１及び２０Ａａ２の開成・閉成を高速で切り替え、発生させる旋回制動力を変化させる。ダイナミックブレーキ２０Ａが発生させる旋回制動力は、図５（Ｂ）の負の方向に急激に増大した後、旋回速度がゼロに近づくにつれて徐々に減少し、その後、ゼロに至る。一方、メカニカルブレーキ２３が発生させる旋回制動力は、この期間、所定の値に維持される。なお、メカニカルブレーキ２３が発生させる旋回制動力は、ダイナミックブレーキ２０Ａが発生させる旋回制動力と同様、変化させられてもよい。また、ダイナミックブレーキ２０Ａが発生させる旋回制動力は、旋回用油圧モータで旋回体を制動する場合の制動力を模擬したものであってもよい。
【００４５】
時刻ｔ４以降の期間では、旋回機構２は旋回保持状態（旋回用電動機２１が非作動で、旋回用電動機２１以外の何れかの油圧アクチュエータが作動中の状態）、すなわち、旋回停止状態にあり、ダイナミックブレーキ２０Ａ及びメカニカルブレーキ２３は共にＯＮの状態にある。これにより、ダイナミックブレーキ２０Ａは、旋回機構２がパーキング状態にあるときと同様、旋回機構２を旋回させようとする外力が発生した場合には、その外力に応じた大きさの旋回制動力を発生させる。その結果、外力の一部がダイナミックブレーキ２０Ａによって打ち消され、外力の残りの部分がメカニカルブレーキ２３によって打ち消されて、旋回機構２に作用する旋回トルクは、ゼロのまま推移する。
【００４６】
以上の構成により、旋回制動系ＳＹＳ１を搭載するハイブリッド式ショベルは、第一ブレーキとしてのダイナミックブレーキ２０Ａと第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３とを併用する。これにより、旋回用電動機２１のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、旋回用電動機２１を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させることができる。また、メカニカルブレーキ２３のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、メカニカルブレーキ２３の寿命を延長させることができる。
【００４７】
次に、図６を参照しながら、旋回制動系の別の例である旋回制動系ＳＹＳ２について説明する。なお、図６は、旋回制動系ＳＹＳ２の構成を示すブロック図である。図６において、図２に示す構成部品と同等の部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４８】
旋回制動系ＳＹＳ２は、ダイナミックブレーキの代わりにゼロ速度制御又は位置制御と制動制御とを用いることによって、旋回用電動機２１を第一ブレーキとして機能させる点で、図４の旋回制動系ＳＹＳ１と相違する。具体的には、旋回制動系ＳＹＳ２は、図４のダイナミックブレーキ２０Ａを省略した点で、図４の旋回制動系ＳＹＳ１と相違するが、その他の点で図４の旋回制動系ＳＹＳ１と共通する。
【００４９】
なお、ゼロ速度制御とは、旋回制動系において速度指令値としてゼロを生成することにより、旋回用電動機２１が速度ゼロを維持するという制御である。これにより、パーキング状態及び旋回保持状態において、旋回用電動機２１が外力によって旋回しようとしても、旋回速度がゼロになるように旋回用電動機２１を駆動して旋回速度をゼロに維持することができる。旋回用電動機２１の旋回速度をゼロに維持するということは、旋回用電動機２１を回転させないことであり、旋回機構２は一定の角度位置に維持される。
【００５０】
また、位置制御とは、旋回制動系において変化する前の旋回用電動機２１の角度位置を位置指令値として与えることで、旋回制動トルクにより角度位置を所定値に維持するという制御である。これにより、パーキング状態及び旋回保持状態において、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動機２１の角度位置が外力により変化しようとしたらその変化を打ち消すように、旋回用電動機２１の角度位置を所定値に維持することができる。
【００５１】
また、制動制御とは、旋回機構２を減速させる場合にインバータ２０により旋回用電動機２１を電動発電機として機能させ現在の旋回方向とは逆向きのトルクを発生させる制御である。
【００５２】
旋回制動系ＳＹＳ２を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係は、図５に示す、旋回制動系ＳＹＳ１を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係と同様である。
【００５３】
具体的には、図５に示すように、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間では、旋回機構２はパーキング状態にあり、第一ブレーキとしてのゼロ速度制御又は位置制御と第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３とは共にＯＮの状態にある。これにより、ゼロ速度制御又は位置制御は、旋回機構２を旋回させようとする外力が発生した場合には、その外力に応じた大きさの旋回制動力を発生させる。その結果、外力の一部がゼロ速度制御又は位置制御によって打ち消され、外力の残りの部分がメカニカルブレーキ２３によって打ち消されて、旋回機構２に作用する旋回トルクは、ゼロのまま推移する。
【００５４】
また、図５に示すように、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間では、旋回機構２を減速させるため、第一ブレーキとしての制動制御と第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３とは共にＯＮの状態となる。具体的には、制動制御は、現在の旋回速度に応じて、発生させる旋回制動力を変化させる。制動制御が発生させる旋回制動力は、図５（Ｂ）の負の方向に急激に増大した後、旋回速度がゼロに近づくにつれて徐々に減少し、その後、ゼロに至る。一方、メカニカルブレーキ２３が発生させる旋回制動力は、この期間、所定の値に維持される。なお、メカニカルブレーキ２３が発生させる旋回制動力は、制動制御が発生させる旋回制動力と同様、変化させられてもよい。
【００５５】
また、図５に示すように、時刻ｔ４以降の期間では、旋回機構２は旋回保持状態にあり、第一ブレーキとしてのゼロ速度制御又は位置制御と第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３とは共にＯＮの状態にある。これにより、ゼロ速度制御又は位置制御は、旋回機構２がパーキング状態にあるときと同様、旋回機構２を旋回させようとする外力が発生した場合には、その外力に応じた大きさの旋回制動力を発生させる。その結果、外力の一部がゼロ速度制御又は位置制御によって打ち消され、外力の残りの部分がメカニカルブレーキ２３によって打ち消されて、旋回機構２に作用する旋回トルクは、ゼロのまま推移する。
【００５６】
以上の構成により、旋回制動系ＳＹＳ２を搭載するハイブリッド式ショベルは、第一ブレーキとしてのゼロ速度制御若しくは位置制御又は制動制御と第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３とを併用する。これにより、旋回用電動機２１のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、旋回用電動機２１を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させることができる。また、メカニカルブレーキ２３のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、メカニカルブレーキ２３の寿命を延長させることができる。
【００５７】
次に、旋回制動系の更に別の例である旋回制動系ＳＹＳ３について説明する。なお、旋回制動系ＳＹＳ３の構成は、図４に示す旋回制動系ＳＹＳ１と同じであってもよく、図６に示す旋回制動系ＳＹＳ２と同じであってもよい。
【００５８】
旋回制動系ＳＹＳ３は、旋回機構２が減速状態にある場合に第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３をＯＦＦ状態にする点で、旋回制動系ＳＹＳ１、ＳＹＳ２と相違するが、その他の点で旋回制動系ＳＹＳ１、ＳＹＳ２と共通する。
【００５９】
ここで、図７を参照しながら、旋回制動系ＳＹＳ３を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係について説明する。なお、図７（Ａ）は、旋回機構２の旋回速度の推移を表し、図７（Ｂ）は、第一ブレーキが出力する旋回駆動トルクの推移を表し、図７（Ｃ）は、旋回ブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表す。また、図７（Ｃ）の点線は、第一ブレーキとしてのダイナミックブレーキ、ゼロ速度制御、位置制御、又は制動制御のＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表し、図７（Ｃ）の一点鎖線は、第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３のＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表す。
【００６０】
なお、旋回制動系ＳＹＳ３を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係は、パーキング状態、加速状態、定速状態、及び旋回保持状態では、旋回制動系ＳＹＳ１、ＳＹＳ２を用いた場合と同じであるため、その説明を省略する。
【００６１】
本実施形態では、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間において旋回機構２を減速させるため、第一ブレーキとしてのダイナミックブレーキ又は制動制御がＯＮの状態となり、第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３がＯＦＦの状態となる。具体的には、ダイナミックブレーキは、例えばコントローラ３０によるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に応じて、発生させる旋回制動力を変化させる。或いは、制動制御は、例えば現在の旋回速度に応じて、発生させる旋回制動力を変化させる。ダイナミックブレーキ又は制動制御が発生させる旋回制動力は、図７（Ｂ）の負の方向に急激に増大した後、旋回速度がゼロに近づくにつれて徐々に減少し、その後、ゼロに至る。一方、メカニカルブレーキ２３は、旋回機構２が減速している間は旋回制動力を発生させることはなく、時刻ｔ４において旋回機構２が旋回保持状態となった場合に、旋回制動力を発生させる。
【００６２】
以上の構成により、旋回制動系ＳＹＳ３を搭載するハイブリッド式ショベルは、第一ブレーキとしてのダイナミックブレーキ、ゼロ速度制御、位置制御、又は制動制御と第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３とを併用する。これにより、旋回用電動機２１のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、旋回用電動機２１を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させることができる。
【００６３】
また、旋回制動系ＳＹＳ３を搭載するハイブリッド式ショベルは、旋回機構２が減速状態にある場合には、第一ブレーキのみを用いて旋回制動力を発生させるようにする。その結果、ショベルは、第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３の摩耗等を更に抑制でき、メカニカルブレーキ２３の寿命を更に延長することができる。
【００６４】
次に、図８を参照しながら、旋回制動系の更に別の例である旋回制動系ＳＹＳ４について説明する。なお、図８は、旋回制動系ＳＹＳ４の構成を示すブロック図である。図８において、図２に示す構成部品と同等の部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００６５】
本実施形態では、旋回用電動機２１の回転軸に第二ブレーキとしての旋回ブレーキ用油圧モータ４０の回転軸が機械的に連結される。旋回ブレーキ用油圧モータ４０は、ポート４０ａとポート４０ｂとを有する油圧モータである。
【００６６】
ここで、ポート４０ａとポート４０ｂを閉鎖して作動油が流れないようにしておくと、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の回転軸は回転することができない。旋回ブレーキ用油圧モータ４０の回転軸は旋回用電動機２１の回転軸に機械的に連結されている場合には、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の回転軸が回転できなくなると、旋回用電動機２１の回転軸も回転できなくなり、旋回機構２も旋回できなくなる。したがって、旋回ブレーキ用油圧モータ４０のポート４０ａとポート４０ｂを閉鎖して作動油が流れないようにすることで、旋回機構２はブレーキがかけられた状態となり、旋回ブレーキ用油圧モータ４０は、旋回機構２を旋回停止状態に維持することができる。
【００６７】
また、旋回ブレーキ用油圧モータ４０には油圧回路５０が接続されており、油圧回路５０により旋回ブレーキ用油圧モータ４０における作動油の流れが制御される。
【００６８】
油圧回路５０は、リリーフ弁５２Ａ、５２Ｂ及び逆止弁５４Ａ、５４Ｂを有する。リリーフ弁５２Ａ、５２Ｂ及び逆止弁５４Ａ、５４Ｂは、ポート４０ａに繋がる油路５０ａ、ポート４０ｂに繋がる油路５０ｂ内の油圧が高くなり過ぎないように、油圧を逃がすために設けられる。例えば、上部旋回体３に作用する外力（旋回力）が大きくなり、油路５０ｂ内の油圧が過度に上昇してリリーフ弁５２Ｂのリリーフ圧を超えると、高圧の作動油はリリーフ弁５２Ｂから流れ出て、逆止弁５４Ａを通り、油路５０ａに流れる。これにより、油路５０ｂ内の油圧は低下し、リリーフ弁５２Ｂのリリーフ圧以下に保たれる。油路５０ａ内の油圧が過度に上昇した場合も同様に、油路５０ａ内の油圧は、リリーフ弁５２Ａのリリーフ圧以下に保たれる。このため、旋回制動系を構成する部品の損傷を防止することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、旋回ブレーキ用油圧モータ４０と旋回用電動機２１との間に断続機７０が設けられている。
【００７０】
断続機７０は、例えばクラッチのように、二つの部材を互いに係合させて回転力を伝達する状態と、二つの部材の係合を解除して回転力を伝達できない状態とを有する。すなわち、断続機７０は、コントローラ３０からの信号により、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の回転軸と旋回用電動機２１の回転軸とを連結した状態と、切り離した状態とを切り替えることができる。したがって、旋回ブレーキ用油圧モータ４０でブレーキをかけるときには、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の回転軸と旋回用電動機２１の回転軸とを断続機７０により連結した状態とする。一方、旋回用電動機２１を駆動して上部旋回体３を旋回駆動するときには、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の回転軸と旋回用電動機２１の回転軸とを断続機７０により切り離した状態とする。
【００７１】
本実施形態では、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキをかけた状態を常態とし、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが不要とされる場合に、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を旋回用電動機２１から切り離す。
【００７２】
なお、本実施形態では、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を旋回用電動機２１に連結することで、旋回用電動機２１にブレーキをかけ、結果として旋回機構２にブレーキをかけているが、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を上部旋回体３又は旋回機構２に直接連結してもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、第二ブレーキとしてのメカニカルブレーキ２３に加えて第二ブレーキとしての旋回ブレーキ用油圧モータ４０を採用するが、メカニカルブレーキ２３は省略されてもよい。
【００７４】
また、メカニカルブレーキ２３は、旋回ブレーキ用油圧モータ４０と同じタイミングでＯＮ・ＯＦＦが切り替えられてもよく、旋回ブレーキ用油圧モータ４０とは異なるタイミングでＯＮ・ＯＦＦが切り替えられてもよい。また、メカニカルブレーキ２３及び旋回ブレーキ用油圧モータ４０は、旋回機構２の状態等の所定の条件に応じて使い分けられてもよい。具体的には、パーキング状態、旋回保持状態でメカニカルブレーキ２３が用いられ、減速状態で旋回ブレーキ用油圧モータ４０が用いられてもよい。
【００７５】
また、旋回制動系ＳＹＳ４を用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係は、旋回制動系ＳＹＳ１〜ＳＹＳ３の何れかを用いた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係と同じであってもよい。
【００７６】
以上の構成により、旋回制動系ＳＹＳ４を搭載するハイブリッド式ショベルは、ダイナミックブレーキ、ゼロ速度制御、位置制御、又は制動制御を第一ブレーキとして使用し、且つ、メカニカルブレーキ２３及び旋回ブレーキ用油圧モータ４０のうちの少なくとも一方を第二ブレーキとして使用する。これにより、旋回用電動機２１のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、旋回用電動機２１を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させることができる。
【００７７】
次に、図９を参照しながら、旋回保持状態で過度の外力が生じた場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係について説明する。なお、ここで使用される旋回制動系は、旋回制動系ＳＹＳ１〜ＳＹＳ４の何れであってもよい。また、図９（Ａ）は、旋回機構２の旋回速度の推移を表し、図９（Ｂ）は、第一ブレーキが出力する旋回駆動トルクの推移を表し、図９（Ｃ）は、旋回ブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表す。また、図９（Ｂ）の点線は、旋回保持状態において旋回機構２に作用する外力（旋回力）を表し、図９（Ｂ）の一点鎖線は、旋回保持状態において旋回機構２に作用する旋回ブレーキによる旋回制動力を表す。また、図９（Ｃ）の点線は、第一ブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表し、図９（Ｃ）の一点鎖線は、第二ブレーキのＯＮ・ＯＦＦ状態の推移を表す。
【００７８】
図９の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係は、パーキング状態、加速状態、定速状態、及び減速状態では、旋回制動系ＳＹＳ３を用いた場合と同じであるため、その説明を省略する。なお、パーキング状態、加速状態、定速状態、及び減速状態における旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係は、旋回制動系ＳＹＳ１、ＳＹＳ２、又はＳＹＳ４を用いた場合と同じであってもよい。
【００７９】
図９では、時刻ｔ４以降の期間において旋回機構２が旋回保持状態となり、第一ブレーキがＯＮの状態にあり、第二ブレーキがＯＦＦの状態にある。ここで、旋回機構２に対して外力が加わった場合を説明する。外力により第一ブレーキに加わるトルク（−Ｅ１）の絶対値が、予め定められた閾値（Ｅ１）以下の場合には、旋回制動系は、外力により第一ブレーキに加わるトルク（−Ｅ１）と等しいトルクを、第一ブレーキにより逆方向へ旋回駆動トルク（Ｅ１）として発生させる。
【００８０】
一方、外力により第一ブレーキに加わるトルク（−Ｅ２）の絶対値が、予め定められた閾値（Ｅ１）よりも大きい場合には、旋回制動系は、第一ブレーキの旋回駆動トルク（Ｅ１）だけでは不十分であるため、第二ブレーキを動作させ、不足分のトルク（Ｅ２−Ｅ１）を作用させる。その結果、旋回機構２は、外力（−Ｅ２）の影響を打ち消して、旋回保持状態を維持することができる。
【００８１】
なお、本実施形態では、旋回制動系は、外力（−Ｅ２）が消失した後も第二ブレーキをＯＮ状態のまま維持しているが、外力（−Ｅ２）が消失したときに第二ブレーキをＯＦＦ状態に切り替えてもよい。
【００８２】
また、本実施形態では、旋回機構２が旋回保持状態の場合に、第一ブレーキをＯＮの状態にし、第二ブレーキをＯＦＦの状態にしておき、所定値を超える外力が発生した場合に、第二ブレーキをＯＮの状態に切り替える。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。別の実施形態では、旋回機構２が旋回保持状態の場合に、第一ブレーキをＯＦＦの状態にし、第二ブレーキをＯＮの状態にしておき、所定値を超える外力が発生した場合に、第一ブレーキをＯＮの状態に切り替えるようにしてもよい。
【００８３】
上述のように機能する旋回制動系を搭載するハイブリッド式ショベルは、所定値を超える外力が発生している場合に、第一ブレーキと第二ブレーキとを併用する。これにより、旋回保持状態において、旋回用電動機２１のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、旋回用電動機２１を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させながらも、旋回機構２の外力による旋回を確実に抑制することができる。
【００８４】
次に、図１０〜図１２を参照しながら、本発明の別の実施形態によるハイブリッド式ショベルについて説明する。
【００８５】
図１０は、本発明の別の実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図１０では、図２と同様、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。
【００８６】
図１０の駆動系は、メカニカルブレーキの代わりに、磁性流体ブレーキを備える点で、図２の駆動系と異なるが、その他の点で共通する。そのため、共通点の説明を省略しながら、相違点を詳細に説明する。
【００８７】
磁性流体ブレーキは、旋回変速機２４の内部に潤滑油として存在する磁性流体を用いたブレーキであり、主に、インバータ２０Ｂ、コイル２４Ａ、及びスイッチ２０Ｃで構成される。
【００８８】
インバータ２０Ｂは、蓄電系１２０からコイル２４Ａに供給される電力を制御する。具体的には、インバータ２０Ｂは、キャパシタ１９に蓄えられた直流電力、又は、ＤＣバス１１０にある直流電力を交流電力に変換してコイル２４Ａに供給する。このようにして、インバータ２０Ｂは、コイル２４Ａに供給される交流電流の大きさを調節できる。なお、コイル２４Ａには、直流電流が供給されてもよい。
【００８９】
コイル２４Ａは、旋回変速機２４の外周に巻きつけられるコイルであり、電流の供給を受けて磁場を発生させ、旋回変速機２４の内部にある磁性流体に磁力を及ぼす。その結果、磁性流体の粘性抵抗を高め（粘性損失を増大させ）、旋回変速機２４の回転軸の回転を抑制することによって旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転を抑制する。
【００９０】
スイッチ２０Ｃは、旋回用電動機２１が発生させる電流をコイル２４Ａに直接供給するか否かを切り替える。具体的には、スイッチ２０Ｃは、例えば常態が閉成であり、コントローラ３０から駆動信号を受けて開成する。スイッチ２０Ｃが開成されると、旋回用電動機２１の三相配線はコイル２４Ａから切り離され、旋回用電動機２１が発生させる電流は、コイル２４Ａに流れない。一方、スイッチ２０Ｃが閉成されると、旋回用電動機２１の三相配線はコイル２４Ａに接続され、旋回用電動機２１が発生させる電流は、コイル２４Ａに流れる。
【００９１】
図１１は、旋回用電動機２１が回生運転を行う場合、すなわち旋回機構２が減速状態にある場合の電流の状態を示す図である。
【００９２】
減速状態において、旋回用電動機２１は、電動発電機として回生運転を行い、回生電流を発生させることによって旋回制動力を発生させながら第一ブレーキとして機能する。旋回用電動機２１が発生させた回生電流は、例えば、図１１に示すようにインバータ２０で直流電流に変換され、蓄電系１２０のキャパシタ１９に供給される。このとき、コイル２４Ａは、インバータ２０Ｂの制御の下で、蓄電系１２０から電力の供給を受ける。具体的には、旋回用電動機２１が発生させた回生電流、又は、キャパシタ１９に蓄えられた電力等に由来する、ＤＣバス１１０を経由した直流電流が、インバータ２０Ｂで交流電流に変換され、コイル２４Ａに供給される。その結果、コイル２４Ａは励磁され、旋回変速機２４の内部にある磁性流体は、コイル２４Ａが発生させた磁場によって粘性抵抗が高められる。粘性抵抗が高められた磁性流体は、旋回変速機２４の回転を抑制し、ひいては旋回用電動機２１の回転を抑制する。このようにして、磁性流体ブレーキは、第二ブレーキとして機能する。
【００９３】
なお、本実施形態では、減速状態において、蓄電系１２０からの直流電流がインバータ２０Ｂによって交流電流に変換された上でコイル２４Ａに供給される。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。例えば、蓄電系１２０からの直流電流は、インバータ２０Ｂを経由することなく、すなわち、交流電流に変換されることなくそのまま直流電流としてコイル２４Ａに供給されてもよい。
【００９４】
図１２は、旋回機構２が旋回保持状態にある場合に外力（旋回力）を受けたときの電流の状態を示す図であり、図１１に対応する。旋回機構２が旋回保持状態にある場合、スイッチ２０Ｃは、例えば、コントローラ３０からの駆動信号が途絶えることで閉成する。
【００９５】
旋回保持状態の場合であっても、旋回用電動機２１が外力によって旋回させられると、旋回用電動機２１は、電動発電機として発電することによって旋回制動力を発生させながら第一ブレーキとして機能する。旋回用電動機２１が発生させた電流は、例えば、図１２に示すようにインバータ２０に向かうことなくそのままコイル２４Ａに供給される。その結果、コイル２４Ａは励磁され、旋回変速機２４の内部にある磁性流体は、コイル２４Ａが発生させた磁場によって粘性抵抗が高められる。粘性抵抗が高められた磁性流体は、旋回変速機２４の回転を抑制し、ひいては旋回用電動機２１の回転を抑制する。このようにして、磁性流体ブレーキは、第二ブレーキとして機能する。
【００９６】
なお、旋回保持状態では、旋回用電動機２１が発生させた電流がそのまま交流電流としてコイル２４Ａに供給される。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。例えば、旋回用電動機２１が発生させた交流電流は、直流電流に変換された上でコイル２４Ａに供給されてもよい。
【００９７】
また、本実施形態では、磁性流体ブレーキは、コイル２４Ａを主な構成要素として構成される。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。例えば、インバータ２０Ｂ、スイッチ２０Ｃ、及びコイル２４Ａの代わりに、永久磁石を旋回変速機２４に近づけたり旋回変速機２４から遠ざけたりする機構を採用してもよい。この機構は、例えば、電力の供給を受けているときに永久磁石を旋回変速機２４に近づけ、電力の供給を受けていないときに永久磁石を旋回変速機２４から遠ざける。永久磁石が近づくと、旋回変速機２４の内部にある磁性流体は、永久磁石が発生させた磁場によって粘性抵抗が高められる。粘性抵抗が高められた磁性流体は、旋回変速機２４の回転を抑制し、ひいては旋回用電動機２１の回転を抑制する。このようにして、磁性流体ブレーキは、第二ブレーキとして機能する。この場合、ハイブリッド式ショベルは、ダイナミックブレーキ２０Ａを備えるようにしてもよい。
【００９８】
以上の構成により、図１０に示す駆動系を搭載するハイブリッド式ショベルは、第一ブレーキとしての旋回用電動機２１と第二ブレーキとしての磁性流体ブレーキとを併用する。これにより、旋回用電動機２１のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、旋回用電動機２１を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させることができる。
【００９９】
また、磁性流体ブレーキは、制動時に磁性流体の粘性を高めることで機能する非接触式ブレーキであるため、ギアに対する激力の発生を抑制することができ、長寿命である。また、磁性流体を用いるため、油圧回路系を必要とせずに油圧ブレーキ特性を持たせることができ、また、ダンピング制御を必要とせずに粘性特性を持たせることもできる。
【０１００】
なお、旋回用電動機２１を第一ブレーキとし、磁性流体ブレーキを第二ブレーキとして使用する場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係は、図５、図７、及び図９のそれぞれで表される関係の何れが採用されてもよい。
【０１０１】
また、図１０の駆動系は、メカニカルブレーキを省略するが、磁性流体ブレーキとメカニカルブレーキとを第二ブレーキとして併用する構成であってもよい。
【０１０２】
次に、図１３を参照しながら、本発明の更に別の実施形態によるハイブリッド式ショベルについて説明する。
【０１０３】
図１３は、本発明の更に別の実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図１３では、図２と同様、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。
【０１０４】
図１３の駆動系は、メカニカルブレーキ２３を備える点、及び、磁性流体ブレーキの代わりに渦電流ブレーキを備える点で、図１０の駆動系と異なるが、その他の点で共通する。そのため、共通点の説明を省略しながら、相違点を詳細に説明する。
【０１０５】
渦電流ブレーキは、旋回変速機２４を構成するプラネタリギア機構のプラネタリキャリア上に渦電流を発生させて旋回制動力を発生させるブレーキであり、主に、インバータ２０Ｂ、コイル２４Ｂ、及びスイッチ２０Ｃで構成される。
【０１０６】
インバータ２０Ｂは、蓄電系１２０からコイル２４Ｂに供給される電力を制御する。具体的には、インバータ２０Ｂは、キャパシタ１９に蓄えられた直流電力、又は、ＤＣバス１１０にある直流電力を交流電力に変換してコイル２４Ｂに供給する。このようにして、インバータ２０Ｂは、コイル２４Ｂに供給される交流電流の大きさを調節できる。なお、コイル２４Ｂには、直流電流が供給されてもよい。
【０１０７】
コイル２４Ｂは、旋回変速機２４を構成するプラネタリギア機構のプラネタリキャリアの近傍に設置されるコイルであり、電流の供給を受けて磁場を発生させ、金属製のプラネタリキャリアに磁力を及ぼす。その結果、プラネタリキャリアの内部に渦電流を発生させ、プラネタリキャリアの回転、ひいては旋回変速機２４の回転軸の回転を抑制することによって旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転を抑制する。
【０１０８】
スイッチ２０Ｃは、旋回用電動機２１が発生させる電流をコイル２４Ｂに直接供給するか否かを切り替える。具体的には、スイッチ２０Ｃは、例えば常態が閉成であり、コントローラ３０から駆動信号を受けて開成する。スイッチ２０Ｃが開成されると、旋回用電動機２１の三相配線はコイル２４Ｂから切り離され、旋回用電動機２１が発生させる電流は、コイル２４Ｂに流れない。一方、スイッチ２０Ｃが閉成されると、旋回用電動機２１の三相配線はコイル２４Ｂに接続され、旋回用電動機２１が発生させる電流は、コイル２４Ｂに流れる。
【０１０９】
ここで、図１４を参照しながら、渦電流ブレーキの具体例について説明する。なお、図１４は、旋回変速機２４を構成するプラネタリギア機構の構成を示す図である。プラネタリギア機構は、主に、入力軸に結合されるサンギアと、サンギアと係合する第一ピニオンギア及び第二ピニオンギアと、第一ピニオンギア及び第二ピニオンギアと係合するリングギアと、第一ピニオンギア及び第二ピニオンギアを回転可能に支持し且つ出力軸に結合されるプラネタリキャリアとで構成される。
【０１１０】
コイル２４Ｂは、プラネタリギア機構の筐体内において、プラネタリキャリアの近傍に、プラネタリキャリアと非接触の状態で配置される。
【０１１１】
減速状態において、旋回用電動機２１は、電動発電機として回生運転を行い、回生電流を発生させることによって旋回制動力を発生させながら第一ブレーキとして機能する。旋回用電動機２１が発生させた回生電流は、例えば、インバータ２０で直流電流に変換され、蓄電系１２０のキャパシタ１９に供給される。このとき、コイル２４Ｂは、インバータ２０Ｂの制御の下で、蓄電系１２０から電力の供給を受ける。具体的には、旋回用電動機２１が発生させた回生電流、又は、キャパシタ１９に蓄えられた電力等に由来する、ＤＣバス１１０を経由した直流電流が、インバータ２０Ｂで交流電流に変換され、コイル２４Ｂに供給される。その結果、コイル２４Ｂは励磁され、旋回変速機２４のプラネタリキャリアは、コイル２４Ｂが発生させた磁場によって渦電流を発生させる。発生した渦電流は、旋回変速機２４の回転を抑制し、ひいては旋回用電動機２１の回転を抑制する。このようにして、渦電流ブレーキは、第二ブレーキとして機能する。
【０１１２】
なお、本実施形態では、減速状態において、蓄電系１２０からの直流電流がインバータ２０Ｂによって交流電流に変換された上でコイル２４Ｂに供給される。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。例えば、蓄電系１２０からの直流電流は、インバータ２０Ｂを経由することなく、すなわち、交流電流に変換されることなくそのまま直流電流としてコイル２４Ｂに供給されてもよい。
【０１１３】
旋回保持状態の場合であっても、旋回用電動機２１が外力によって旋回させられると、旋回用電動機２１は、電動発電機として発電することによって旋回制動力を発生させながら第一ブレーキとして機能する。旋回用電動機２１が発生させた電流は、例えば、インバータ２０に向かうことなくそのままコイル２４Ｂに供給される。その結果、コイル２４Ｂは励磁され、旋回変速機２４のプラネタリキャリアは、コイル２４Ｂが発生させた磁場によって渦電流を発生させる。発生した渦電流は、旋回変速機２４の回転を抑制し、ひいては旋回用電動機２１の回転を抑制する。このようにして、渦電流ブレーキは、第二ブレーキとして機能する。
【０１１４】
なお、旋回保持状態では、旋回用電動機２１が発生させた電流がそのまま交流電流としてコイル２４Ｂに供給される。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。例えば、旋回用電動機２１が発生させた交流電流は、直流電流に変換された上でコイル２４Ｂに供給されてもよい。
【０１１５】
また、本実施形態では、渦電流ブレーキは、コイル２４Ｂを主な構成要素として構成される。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。例えば、インバータ２０Ｂ、スイッチ２０Ｃ、及びコイル２４Ｂの代わりに、永久磁石をプラネタリキャリアに近づけたりプラネタリキャリアから遠ざけたりする機構を採用してもよい。この機構は、例えば、電力の供給を受けているときに永久磁石をプラネタリキャリアに近づけ、電力の供給を受けていないときに永久磁石をプラネタリキャリアから遠ざける。永久磁石が近づくと、プラネタリキャリアは、永久磁石が発生させた磁場によって渦電流を発生させる。発生した渦電流は、旋回変速機２４の回転を抑制し、ひいては旋回用電動機２１の回転を抑制する。このようにして、渦電流ブレーキは、第二ブレーキとして機能する。この場合、ハイブリッド式ショベルは、ダイナミックブレーキ２０Ａを備えるようにしてもよい。
【０１１６】
以上の構成により、図１３に示す駆動系を搭載するハイブリッド式ショベルは、第一ブレーキとしての旋回用電動機２１と第二ブレーキとしての渦電流ブレーキとを併用する。これにより、旋回用電動機２１のみを旋回ブレーキとして使用する場合に比べ、旋回用電動機２１を旋回ブレーキとして使用する際の電力消費を低減させることができる。
【０１１７】
また、渦電流ブレーキは、非接触式ブレーキであるため長寿命であり、旋回変速機２４の潤滑油によってコイル２４Ｂが冷却されるため効率的でもある。さらに、プラネタリキャリアを用いるため、ブレーキディスクのような慣性体を必要とせずに構成され、省スペース、省資源を実現できる。
【０１１８】
なお、旋回用電動機２１を第一ブレーキとし、渦電流ブレーキを第二ブレーキとして使用する場合の旋回速度、旋回トルク、及び旋回ブレーキタイミングの関係は、図５、図７、及び図９のそれぞれで表される関係の何れが採用されてもよい。
【０１１９】
また、図１３の駆動系は、メカニカルブレーキ２３を併用するが、メカニカルブレーキ２３を省略してもよい。
【０１２０】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１２１】
例えば、上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプを駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明は、エンジン１１で電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、エンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。
【０１２２】
また、エンジンが搭載されずに電動機のみで油圧ポンプを駆動する電気式ショベルにも本発明を適用することができる。この場合、蓄電系１２０には、コンバータを介して外部電源が接続され、蓄電系１２０の蓄電部（キャパシタ１９）には、その外部電源から電力が供給されて充電される。
【符号の説明】
【０１２３】
１・・・下部走行体  １Ａ、１Ｂ・・・油圧モータ  ２・・・旋回機構  ３・・・上部旋回体  ４・・・ブーム  ５・・・アーム  ６・・・バケット  ７・・・ブームシリンダ  ８・・・アームシリンダ  ９・・・バケットシリンダ  １０・・・キャビン  １１・・・エンジン  １２・・・電動発電機  １３・・・変速機  １４・・・メインポンプ  １５・・・パイロットポンプ  １６・・・高圧油圧ライン  １７・・・コントロールバルブ  １８Ａ・・・インバータ  １９・・・キャパシタ  ２０・・・インバータ  ２０Ａ・・・ダイナミックブレーキ  ２０Ａａ１、２０Ａａ２・・・スイッチ  ２０Ａｂ１、２０Ａｂ２・・・短絡用電線  ２０Ｂ・・・インバータ  ２０Ｃ・・・スイッチ  ２１・・・旋回用電動機  ２１Ａ・・・回転軸  ２２・・・レゾルバ  ２３・・・メカニカルブレーキ  ２４・・・旋回変速機  ２４Ａ、２４Ｂ・・・コイル  ２５・・・パイロットライン  ２６・・・操作装置２６  ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー  ２６Ｃ・・・ペダル  ２７、２８・・・油圧ライン  ２９・・・圧力センサ  ３０・・・コントローラ  ４０・・・旋回ブレーキ用油圧モータ  ４０ａ、４０ｂ・・・ポート  ５０・・・油圧回路  ５０ａ、５０ｂ・・・油路  ５２Ａ、５２Ｂ・・・リリーフ弁  ５４Ａ、５４Ｂ・・・逆止弁  ７０・・・断続機  １００・・・昇降圧コンバータ  １１０・・・ＤＣバス  １１１・・・ＤＣバス電圧検出部  １１２・・・キャパシタ電圧検出部  １１３・・・キャパシタ電流検出部  １２０・・・蓄電系  ＳＹＳ１〜ＳＹＳ４・・・旋回制動系
【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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