(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣバスと、
前記ＤＣバスと接続されるハイサイドトランジスタと、前記ハイサイドトランジスタと直列に接続されるローサイドトランジスタと、を含むスイッチング回路と、
前記ハイサイドトランジスタと前記ローサイドトランジスタの接続ノードに接続されるリアクトルユニットと、
を備え、
前記リアクトルユニットは、
並列な電流経路を形成し、実質的に等しいインダクタンスを有し、それぞれの一端同士、他端同士が共通に接続される複数Ｍ個（Ｍ≧２）のリアクトルを備え、
前記Ｍ個のリアクトルは、
複数Ｎ個（Ｎ≧Ｍ）のコアと、
Ｍ本の導線と、
を備え、
前記Ｍ本の導線はそれぞれ、前記Ｎ個のコアのうち複数ｐ個（２≦ｐ≦Ｎ）に巻装され、電気的に直列接続されるｐ個のコイルを形成しており、
同一のコアに巻装される複数ｑ個（２≦ｑ）のコイルは、実質的に等しい巻数を有し、かつ同一方向の磁束を発生させることを特徴とするコンバータ。
【請求項２】
Ｍ×ｐ＝Ｎ×ｑであることを特徴とする請求項１に記載のコンバータ。
【請求項３】
Ｍ＝ｑ、ｑ＝２の少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のコンバータ。
【請求項４】
前記Ｎ個のコアは環状コアであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項５】
電動機と、
前記電動機を駆動するインバータと、
蓄電器と、
前記蓄電器と前記インバータの間で相互に電力を授受する請求項１から４のいずれかに記載のコンバータと、
を備えることを特徴とする作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギによってバッテリなどの蓄電器を充電する。
【０００３】
交流電動機とバッテリやコンデンサなどの蓄電器の間でエネルギを相互に授受するために、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇降圧コンバータともいう）を用いた電力変換装置が利用される。図１は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の基本構成を示す回路図である。
【０００４】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の１次側には蓄電器１０２が接続され、その２次側にはＤＣバス１０４が接続される。ＤＣバス１０４は、インバータ１８と接続される。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に対して、インバータ１８は可変の負荷電流Ｉｍを生成する可変電流源として作用する。たとえば交流電動機が力行運転するとき、負荷電流Ｉｍは正であり、回生運転するとき負荷電流Ｉｍは負となる。
【０００５】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のリアクトル（インダクタ）には、数十Ａ〜数百Ａの大電流が流れるところ、電流容量の大きなリアクトルは非常に高価である。そこで図１に示すように、複数のリアクトルＬ１、Ｌ２を並列に接続した並列構造が用いられる。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、リアクトルＬ１、Ｌ２に加えて、平滑キャパシタＣ１、トランジスタＭ１、Ｍ２を含む。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のトポロジーは公知であるため説明を省略する。
【０００６】
コントローラ１２０は、上流のコントローラから、ＤＣバス１０４の電圧（ＤＣリンク電圧）ＶＤＣの目標値を指示する電圧指令Ｖｒを受ける。またコントローラ１２０は、電流センサＣＴから、リアクトルＬ１、Ｌ２の電流の合計（コンバータ電流）を示す電流検出値を受ける。コントローラ１２０は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが電圧指令Ｖｒと一致するように、トランジスタＭ１、Ｍ２のスイッチングのデューティ比を制御し、リアクトルＬ１、Ｌ２に流れるコンバータ電流を調節する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１４８２８８号公報
【特許文献２】特開２００９−２６６９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２は、複数のリアクトルの構成を示す図である。第１リアクトルＬ１は、コア１３２＿１と、コア１３２＿１に巻装されたコイルＷ１を有する。同様に第２リアクトルＬ２は、コア１３２＿２と、コア１３２＿２に巻装されたコイルＷ２を有する。
【０００９】
図３は、リアクトルの直流重畳特性を示す図である。リアクトルは、それに流れる直流電流がある値を超えると、磁気飽和が発生し、直流電流が増大するほどインダクタンスが低下する。これを直流重畳特性という。図１の並列構造の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０において、理想的にはリアクトルＬ１とＬ２には等しい電流が流れている。ところが電流のバランスが崩れ、一方のリアクトルＬ１に電流が集中すると、電流が集中した一方のリアクトルＬ１のインダクタンス（つまりインピーダンス）が低下し、さらに電流が集中し、さらなるインダクタンスの低下をもたらす。このように、図１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０では、電流のアンバランスが発生したり、発振などの現象が発生する。
【００１０】
この問題を回避するために、図４の構成が採用される。図４の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、リアクトルＬ１、Ｌ２ごとに設けられた電流センサＣＴ１、ＣＴ２を備える。コントローラ１２０は、２個の電流センサＣＴ１、ＣＴ２の検出値に応じて、リアクトルＬ１、Ｌ２の電流を個別に制御する。
【００１１】
図４の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０によれば、複数のリアクトルＬ１、Ｌ２の電流のアンバランスや発振を抑えることができるが、電流センサＣＴが２個必要となり、また制御系が複雑となるため、回路コストが増大する。なおこのような問題は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に限らず、昇圧コンバータ、降圧コンバータなど、リアクトルを用いたさまざまな電力変換装置において生じうる。
【００１２】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、安定的な制御が可能な電力変換装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のある態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、ＤＣバスと、ＤＣバスと接続されるスイッチング回路と、スイッチング回路と接続され、並列な電流経路を形成し、実質的に等しいインダクタンスを有する複数Ｍ個（Ｍ≧２）のリアクトルと、を備える。Ｍ個のリアクトルは、複数Ｎ個（Ｎ≧Ｍ）のコアと、Ｍ本の導線と、を備える。Ｍ本の導線はそれぞれ、Ｎ個のコアのうち複数ｐ個（２≦ｐ≦Ｎ）に巻装され、電気的に直列なｐ個のコイルを形成する。同一のコアに巻装される複数ｑ個（２≦ｑ）のコイルは、実質的に等しい巻数を有し、かつ同一方向の磁束を発生させる。
【００１４】
この態様では、いずれかのコアで磁気飽和が発生すると、そのコアに巻装される複数のコイルのインダクタンスが実質的に等しく低下する。このように互いに分担させることで複数のリアクトルに流れる電流のアンバランスや発振を抑制でき、低コストで電力変換装置の安定的な制御が可能となる。
【００１５】
Ｍ×ｐ＝Ｎ×ｑであってもよい。
この場合、複数のコアを余すことなく有効に利用できる。
【００１６】
Ｍ＝ｑであってもよい。
この場合、複数Ｍ本の導線それぞれをＮ個のコアすべてに分割して巻装することができ、１個のコアで磁気飽和が生じた場合には、すべてのリアクトルのインダクタンスが等しく（ｐ−１）／ｐ倍となり、良好な電流バランスを維持できる。
【００１７】
ｑ＝２であってもよい。この場合、コイルの巻数の管理などの観点から、複数のリアクトルを製造しやすくなる。
【００１８】
複数のコアは環状コアであってもよい。この場合、漏れ磁束を低減でき、高いインダクタンスを得ることができる。
【００１９】
本発明の別の態様は作業機械に関する。作業機械は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、蓄電器と、蓄電器とインバータの間で相互に電力を授受する上述のいずれかに記載の電力変換装置と、を備える。
【００２０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回路コストを抑えつつ、安定的な制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの基本構成を示す回路図である。
【図２】複数のリアクトルの構成を示す図である。
【図３】リアクトルの直流重畳特性を示す図である。
【図４】双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの別構成を示す回路図である。
【図５】実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図６】実施の形態に係るリアクトルユニットの構成を示す図である。
【図７】図６のリアクトルユニットの等価回路図である。
【図８】第１変形例に係るリアクトルユニットの構成を示す図である。
【図９】第２変形例に係るリアクトルユニットの構成を示す図である。
【図１０】第３変形例に係るリアクトルユニットの構成を示す図である。
【図１１】第４変形例に係るリアクトルユニットの構成を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）は、第５変形例に係るリアクトルユニットを示す図である。
【図１３】実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。
【図１４】実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。
【図１５】双方向ＤＣ／ＤＣコンバータのレイアウトを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２４】
図５は、実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、単にコンバータともいう）１１０の回路図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、ＤＣバス１０４と、平滑キャパシタＣ１と、スイッチング回路１１２と、複数Ｍ個の（Ｍ≧２）のリアクトルＬ１〜ＬＭ（リアクトルユニット１３０と総称する）と、電流センサＣＴと、を備える。スイッチング回路１１２は、ハイサイドトランジスタＭ１およびローサイドトランジスタＭ２を含む。たとえばスイッチング回路１１２はＩＰＭ（Intelligent Power Module）で構成されてもよいし、ディスクリート部品で構成されてもよい。
【００２５】
複数Ｍ個のリアクトルＬ１〜ＬＭはスイッチング回路１１２と接続され、並列な電流経路を形成する。複数Ｍ個のリアクトルＬ１〜ＬＭは、実質的に等しいインダクタンスを有する。電流センサＣＴは、コンバータ１１０に流れる電流、つまり複数のリアクトルＬ１〜ＬＭに流れる電流の合計電流を検出する。コンバータコントローラ１２０は、ＤＣバス１０４の電圧ＶＤＣが目標値Ｖｒと一致するようにスイッチング回路１１２を制御する。
【００２６】
図６は、実施の形態に係るリアクトルユニット１３０の構成を示す図である。Ｍ個のリアクトルＬ１〜ＬＭは、複数Ｎ個（Ｎ≧Ｍ）のコア１３２＿１〜１３２＿Ｎと、Ｍ本の導線１３４＿１〜１３４＿Ｍと、を備える。なお、各導線１３４は、物理的に連続する一本の導線である必要はなく、複数の導線部分を直列に結線して電気的に連続する１本の導線１３４が形成されてもよい。図６には、Ｍ＝２、Ｎ＝２の構成が示される。また複数のコア１３２＿１〜１３２＿Ｍは、漏れ磁束を低減する観点から環状コアであることが望ましいが、後述のように棒状コアであってもよいし、その他の形状であってもよい。
【００２７】
Ｍ本の導線１３４＿１〜１３４＿Ｍはそれぞれ、Ｎ個のコア１３２＿１〜１３２＿Ｎのうち複数ｐ個（２≦ｐ≦Ｎ）に巻装され、電気的に直列なｐ個のコイルを形成する。具体的には、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｍ）の導線１３４＿ｉは、ｐ個のコア１３２＿１〜１３２＿ｐに巻装され、電気的に直列なｐ個のコイルＷｉ＿１〜Ｗｉ＿Ｐを含んでいる。
【００２８】
同一のコア１３２＿ｊ（１≦ｊ≦Ｎ）に巻装される複数のコイルは、実質的に等しい巻数ｎｊを有し、かつ同一方向の磁束を発生させるよう巻装される。
【００２９】
複数のコア１３２＿１〜１３２＿Ｍにはそれぞれ等しく複数Ｑ本（２≦Ｑ≦Ｎ）の導線が巻装され、ｐ＝Ｎ×ｑ／Ｍである。つまりコア１３２＿１〜１３２＿Ｍは同一形状、同一サイズで構成することが望ましい。図６では、ｑ＝２、ｐ＝２である。
【００３０】
第１の導線１３４＿１が、図５のリアクトルＬ１に対応し、第２の導線１３４＿２が、図５のリアクトルＬ２に対応する。各導線１３４＿ｉの一端（第１ポート）Ｐ１＿ｉは、リアクトルＬｉの一端に、他端Ｐ２＿ｉは、リアクトルＬｉの他端に対応する。使用において、複数の導線１３４＿１〜１３４＿Ｍそれぞれの第１ポートＰ１＿１〜Ｐ１＿Ｍは電気的に共通に接続され、複数の導線１３４＿１〜１３４＿Ｍそれぞれの第２ポートＰ２＿１〜Ｐ２＿Ｍも電気的に共通に接続され、複数のリアクトルＬ１〜ＬＭが並列な電流経路が形成される。
【００３１】
以上がリアクトルユニット１３０の構成である。続いてその原理を説明する。図７は、図６のリアクトルユニット１３０の等価回路図である。導線１３４＿１は、直列接続されるコイルＷ１＿１、Ｗ１＿２を含み、導線１３４＿２は、直列接続されるコイルＷ２＿１、Ｗ２＿２を含む。コイルＷｉ＿ｊのインダクタンスをＬｉ＿ｊ、直流抵抗をＲｉ＿ｊと記している。
【００３２】
複数のコア１３２それぞれ（コア１３２＿ｊ）において、それに巻装されるすべてのコイルＷ１＿ｊ、Ｗ２＿ｊの巻数ｎｊは等しいから、インダクタンスＬ１＿ｊ、Ｌ２＿ｊは等しくＬｊと表され、またそのコイルＷ１＿ｊ、Ｗ２＿ｊの抵抗値Ｒ１＿ｊ、Ｒ２＿ｊも等しくＲｊと表される。ｎ１＝ｎ２＝…＝ｎＮとし、Ｌ１＝Ｌ２＝…＝ＬＮ、Ｒ１＝Ｒ２＝…＝ＲＮとしてもよい。
【００３３】
リアクトルユニット１３０の両端間の電圧をＶ、導線１３４＿１に流れる電流をＩ１と記す。このとき、図６のリアクトルユニット１３０の導線１３４＿１において以下の式（１）が成り立つ。
Ｖ＝Σｊ＝１：Ｎ（Ｌｊ・ｄＩ１／ｄｔ＋Ｒｊ・Ｉ１）    …（１）
当然ながら、導線１３４＿２においても同様の式（２）が成り立つ。
Ｖ＝Σｊ＝１：Ｎ（Ｌｊ・ｄＩ２／ｄｔ＋Ｒｊ・Ｉ２）    …（２）
【００３４】
いま、一方のコア１３２＿１において磁気飽和が発生してその透磁率μが低下し、それに巻装されるコイルＷ１＿１、Ｗ１＿２のインダクタンスＬ１＿１＝Ｌ２＿１＝Ｌ１が等しくゼロに低下したとする。
この場合、第１の導線１３４＿１に関して、式（３）を得る。
Ｖ＝Ｌ２・ｄＩ１／ｄｔ＋（Ｒ１＋Ｒ２）・Ｉ１
＝｛Ｌ２・ｄ／ｄｔ＋Ｒ１＋Ｒ２｝・Ｉ１    …（３）
したがって、導線１３４＿１の電流Ｉ１は式（４）で与えられる。
Ｉ１＝Ｖ／｛Ｌ２・ｄ／ｄｔ＋Ｒ１＋Ｒ２｝    …（４）
【００３５】
またこの場合、第２の導線１３４＿２に関して、式（５）を得る。
Ｖ＝Ｌ２・ｄＩ２／ｄｔ＋（Ｒ１＋Ｒ２）・Ｉ２
＝｛Ｌ２・ｄ／ｄｔ＋Ｒ１＋Ｒ２｝・Ｉ２    …（５）
したがって、導線１３４＿２の電流Ｉ２は式（６）で与えられる。
Ｉ２＝Ｖ／｛Ｌ２・ｄ／ｄｔ＋Ｒ１＋Ｒ２｝    …（６）
式（４）と（６）を対比すると、Ｉ１＝Ｉ２を得る。
【００３６】
実施の形態に係るリアクトルユニット１３０の効果は、図２のリアクトルとの対比によってさらに明確となろう。図２の構成では、一方のコア１３２＿１において磁気飽和が発生すると、一方のリアクトルＬ１のインダクタンスのみが小さくなり、他方のリアクトルＬ２のインダクタンスは維持される。これによりリアクトルＬ１への電流集中が促進され、さらなるインダクタンスの低下を引き起こす。
【００３７】
これに対して実施の形態に係るリアクトルユニット１３０によれば、式（４）、（６）から導かれるように、いずれかのコアにおいて磁気飽和が発生したとしても、複数の導線（コイル）１３４の電流Ｉ１、Ｉ２を実質的に等しく保つことができる。
【００３８】
また実施の形態に係るリアクトルユニット１３０によれば、磁気飽和が発生したときに、ある導線（リアクトル）への電流集中が生じにくいため、その導線のインダクタンスの更なる低下を抑制することができる。
【００３９】
このリアクトルユニット１３０を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に用いることにより、発振が起こりにくくなり、系の安定性を高めることができる。あるいは、系を安定化するためのフィードバックループのアルゴリズムを簡素化でき、メンテナンスを容易にできる。あるいは、いずれかのリアクトルに電流集中が発生した場合であっても、発振に至るまでの時間を従来よりも遅らせることができるため、その間に、発振を抑制するように制御を切り換えることで、系の安定性を高めることができる。
【００４０】
当業者によれば、リアクトルの並列数（導線本数）Ｍ、コア数Ｎ、各リアクトル（導線）あたりのコイル数（分割数）ｐ、１個のコア当たりのコイルの数ｑ、の組み合わせにさまざまな変形例が存在しうることが理解されよう。
【００４１】
（第１変形例）
図８は、第１変形例に係るリアクトルユニット１３０ａの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数（導線本数）Ｍ＝２、コア数Ｎ＝３、導線当たりのコイル数（分割数）ｐ＝３、コア当たりのコイル数ｑ＝３である。
【００４２】
Ｎ個のコアを用いた場合、１個のコアにおいて磁気飽和が生じた場合に、複数のリアクトルＬ１、Ｌ２それぞれのインダクタンスは、（Ｎ−１）／Ｎ倍となる。したがって、Ｎを３個、４個…と増加することで、磁気飽和が生じたときの影響を小さくできる。
【００４３】
（第２変形例）
図９は、第２変形例に係るリアクトルユニット１３０ｂの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数（導線本数）Ｍ＝３、コア数Ｎ＝３、導線当たりのコイルｐ＝３、コア当たりのコイル数ｑ＝３である。
【００４４】
この変形例では、リアクトルの並列数Ｍが３であり、Ｍ＝２の場合に比べてさらに大電流を流すことができる。
【００４５】
（第３変形例）
図１０は、第３変形例に係るリアクトルユニット１３０ｃの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数（導線本数）Ｍ＝３、コア数Ｎ＝３、導線当たりのコイル数ｐ＝２、コア当たりのコイル数ｑ＝２である。
【００４６】
この変形例では、コア１３２＿１において磁気飽和が生じ、コイルＷ１＿１、Ｗ２＿１がゼロとなった場合、リアクトルＬ１、Ｌ２については、インダクタンスが１／２倍となり、リアクトルＬ３については、インダクタンスが元のまま維持される。したがって、電流バランスの維持の観点からは、実施の形態および第１、第２変形例には劣ることとなるが、図２の従来のリアクトルに比べれば、改善された電流バランスを実現できる。
【００４７】
言い換えれば、電流バランスを高めるためには、実施の形態および第１、第２の変形例で共通するように、リアクトルの並列数（導線本数）Ｍとコア当たりのコイル数ｑを等しくすればよい。この場合、すべてのリアクトルは、直列に接続されるｐ個（＝Ｍ×ｑ／Ｎ）のコイルで構成されることとなり、１個のコアにおいて磁気飽和が生じた場合、Ｍ個のリアクトルのインダクタンスはそれぞれ、（ｐ−１）／ｐ倍となり、高い電流バランスを維持できる。
【００４８】
（第４変形例）
図１１は、第４変形例に係るリアクトルユニット１３０ｄの構成を示す図である。この変形例では、リアクトルの並列数（導線本数）Ｍ＝４、コア数Ｎ＝４、導線当たりのコイル数ｐ＝２、コア当たりのコイル数ｑ＝２である。
【００４９】
当業者によれば、第１〜第４変形例の他にも、Ｍ、Ｎ、ｐ、ｑの異なる組み合わせが存在しうること、その他の変形例も本発明の範囲に含まれることが理解される。
【００５０】
（第５変形例）
実施の形態では環状コアを用いる場合を説明したが本発明はそれに限定されない。図１２（ａ）、（ｂ）は、第５変形例に係るリアクトルユニット１３０ｅ、１３０ｆを示す図である。図１２（ａ）のリアクトルユニット１３０ｅは、Ｍ＝２、Ｎ＝２、ｐ＝２、ｑ＝２であり、棒状のコア１３２が利用される。図１２（ａ）の変形例では、コア１３２の端部における漏れ磁束の影響でインダクタンスが小さくなるため、環状コアを用いた場合に比べて特性は劣るが、コア１３２の長さを長くすることでコア当たりのコイル数ｑを増やすことが容易となる。
【００５１】
図１２（ｂ）のリアクトルユニット１３０ｆは、Ｍ＝２、Ｎ＝３、ｐ＝３、ｑ＝２である。この変形例では、Ｍ個の棒状コア１３２＿１〜１３２＿３の端部に、漏れ磁束を低減するための磁路を形成すべく、環状の磁性体１３６、１３８が結合される。環状コアを用いる場合、コア１３２の個数Ｍが増えると、コアや導線のレイアウトが複雑となる。図１２（ｂ）の変形例によれば、レイアウトを複雑にすることなく、コア１３２の個数Ｍを容易に増やすことができる。
【００５２】
続いて、実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の用途を説明する。図１３は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。
【００５３】
旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
【００５４】
図１４は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図１４では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
【００５５】
ショベル１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電を行う。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切りかえは、ショベル１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
【００５６】
減速機１３の出力軸にはメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されており、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。コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１３に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、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が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
【００５７】
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（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を操作者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。
【００５８】
圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。
【００５９】
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によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ３０は、各種センサ及び操作装置２６等からの操作入力を受けて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び蓄電手段１０１等の駆動制御を行う。
【００６０】
油圧モータ３１０は、ブーム５が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム５が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧管７Ａに設けられている。ブーム回生用発電機３００で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ１８Ｂを経て蓄電手段１０１に供給される。
【００６１】
旋回用電動機２１は、図１３の旋回機構３に設けられ、上部旋回体４を回動させる。旋回用電動機２１は交流電動機であり、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。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、及び旋回減速機２４が接続される。旋回用インバータ１８Ｃは、蓄電手段１０１からの電力を受け、旋回用電動機２１を駆動する。また旋回用電動機２１の回生運転時には、旋回用電動機２１からの電力を蓄電手段１０１に回収する。
【００６２】
旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させる。
【００６３】
レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構３に機械的に伝達する減速機である。
【００６４】
続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ３０、電力変換装置１００、インバータ１８Ａ〜１８Ｃを備える。
【００６５】
（アシスト）
アシスト用のインバータ１８Ａの２次側（出力）端には、電動発電機１２が接続される。インバータ１８Ａは、コントローラ３０の一部であるアシスト用インバータコントローラ３０Ａからの指令にもとづき、電動発電機１２の運転制御を行う。
【００６６】
（ブーム回生）
インバータ１８Ｂの２次側（出力）端には、ブーム回生用発電機３００が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機３００は、ブーム５が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。インバータ１８Ｂは、コントローラ３０のブーム回生用のインバータコントローラ３０Ｂによって制御され、ブーム回生用発電機３００が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電力変換装置１００に回収する。
【００６７】
（旋回）
旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、旋回減速機２４、旋回用インバータ１８Ｃおよびコントローラ３０の一部である旋回用のインバータコントローラ３０Ｃは、電動旋回装置５００を構成する。
旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ１８Ｃによって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。
【００６８】
旋回用インバータコントローラ３０Ｃは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ２２により検出される旋回用電動機２１の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ１８Ｃを制御する。
【００６９】
（電源）
蓄電手段１０１とコントローラ３０の一部であるコンバータコントローラ３０Ｄは、電力変換装置１００を構成する。蓄電手段１０１は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、正極及び負極の直流配線からなるＤＣバスとを備えている（図示せず）。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。ＤＣバスには、インバータ１８Ａ〜インバータ１８Ｃそれぞれの１次側（直流入力）が接続されている。コントローラ３０Ｄは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。電力変換装置１００は、電動発電機１２等が力行運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させ、電動発電機１２等が回生運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、電動発電機１２が発生した電力を蓄電器に回収する。
【００７０】
すなわち、インバータ１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからＤＣバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ３０Ｄによって行われる。これにより、ＤＣバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。
【００７１】
以上がショベル１の全体構成である。続いて、実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、蓄電手段１０１に好適に利用可能である。図１５は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のレイアウトを示す斜視図である。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０には、図６のリアクトルユニット１３０が使用される。スイッチング回路１１２であるＩＰＭ１１４とリアクトルユニット１３０は、筐体２００のベースプレート上に並べて配置される。ＩＰＭ１１４のＰ極端子１１６はＤＣバス１０４に相当するブスバー１２２と電気的、機械的に接続される。またＩＰＭ１１４のスイッチング端子（交流端子）１１８とリアクトルＬ１、Ｌ２それぞれの第２ポートＰ２＿１、Ｐ２＿２は、ブスバー１２４を介して電気的、機械的に接続される。ＩＰＭ１１４のＮ極端子１１７は、Ｎ極ブスバー１２６と接続される。
【００７２】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。
【００７３】
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル１を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。
【００７４】
また双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、２次電池の充放電装置、家庭用蓄電システムなどにも好適に利用できる。
【００７５】
電力変換装置は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに限定されず、降圧コンバータ、昇圧コンバータであってもよく、この場合、大電流を供給する一般的、汎用的な電源としての利用も可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１…ショベル、２…走行機構、２Ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、７Ａ…油圧管、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、１１…エンジン、１２…電動発電機、１３…減速機、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、１８，１８Ａ，１８Ｂ…インバータ、１８Ｃ…旋回用インバータ、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…旋回減速機、２５…パイロットライン、２６…操作装置、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…インバータコントローラ、３０Ｄ…コンバータコントローラ、１００…電源装置、１０１…蓄電手段、１０２…蓄電器、１０４…ＤＣバス、１１０…双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、１１２…スイッチング回路、Ｃ１…平滑キャパシタ、１２０…コントローラ、１３０…リアクトルユニット、１３２…コア、１３４…導線、３００…ブーム回生用発電機、３１０…油圧モータ、５００…電動旋回装置。
【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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