(57)【要約】【課題】バッテリを介さずエンジン発電機の出力を走行用のモータに直接供給するものにおいて、エンジン回転の低下を防ぐ。【解決手段】エンジン発電機Ｇがモータ７に直接接続され、発電機Ｇの出力を蓄積するバッテリは搭載しない。ＣＰＵ１０２は、エンジン回転数の低下が予測されたときに、モータ７への電力供給量を低減させる。エンジン回転数は発電機Ｇの出力交流波形の周期に基づいて検出される。波形整形部２７は発電機Ｇの三相巻線の１相から引き出した交流波形を矩形波にし、ＣＰＵ１０２は、波形整形部２７から出力された波形の周期を検出する。検出された周期が予定値より大きくなったときにエンジン回転数が低下しそうであると判断する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで駆動される発電機と、該発電機から供給される電力で駆動されるモータとを有するハイブリッド方式の作業機において、
前記エンジンがほぼ定速運転するように制御され、前記モータが前記発電機で発電された電力のみを直接供給されて駆動されるとともに、
前記エンジンの回転変動を検出して、該エンジンの回転数の低下を予測する手段と、
前記エンジン回転数の低下が予測されたときに前記モータに対する前記発電機からの電力供給量を低減させる手段とを具備したことを特徴とするハイブリッド方式の作業機。
【請求項２】
前記発電機が多極発電機であり、該多極発電機の発電周波数の変動で前記エンジンの回転変動を検出するように構成されたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド方式の作業機。
【請求項３】
前記エンジンが、作業機本体の駆動源を構成し、前記モータが、該作業機の移動用駆動源を構成し、前記エンジン回転数の低下が予測されたときに作業機の移動速度を低下させるように構成されたことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド方式の作業機。
【請求項４】
前記作業機が芝刈り機であり、前記エンジンで芝刈り用の作業具を駆動し、前記モータで芝刈り機移動用の車輪を駆動するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド方式の作業機。
【請求項５】
前記作業機が耕耘機であり、前記エンジンで耕耘用ロータリを駆動し、前記モータで耕耘機移動用の車輪を駆動するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３記載のハイブリッド方式の作業機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力源としてエンジンと電動機（モータ）とを備えるハイブリッド方式の作業機に関し、特に、エンジンで駆動される発電機の出力を、バッテリを介さず直接的にモータに供給するようにしたハイブリッド方式の作業機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耕耘機や芝刈り機等の作業機においては、通常の屋外の作業では、エンジンを動力源としたものを使用する一方、低い運転音が要求される地域ではモータを動力源としたものを使用していた。このように、従来は、エンジンで駆動される作業機とモータで駆動される作業機とが個々に使い分けられていた。
【０００３】
これに対して、近年、動力源としてエンジンとモータの両方を混成使用する、いわゆるハイブリッド方式の作業機が提案されている。例えば、特開２００１−１６１１１４号公報には、走行車両に作業機を装着した乗用用農作業機において、作業機側の駆動系と走行車両側に搭載した発電機の駆動系とにエンジンの動力を伝達し、作業機によるエンジンの負荷が小さいときは、エンジンの余剰動力で発電機を駆動し、余剰エネルギをバッテリに電力として蓄積するものが開示されている。この乗用農作業機は、エンジン負荷が適正範囲に保持するとともに、バッテリをモータの駆動源に利用することができるエネルギ効率重視型のハイブリッド方式作業機である。
【０００４】
一方、特開２００１−１６１１０４号公報には、管理機本体の走行駆動と発電機駆動にエンジンの動力を使用し、管理機（作業機）は発電機で充電されたバッテリを電源とするモータによって駆動するハイブリッド方式の管理機が開示されている。このハイブリッド方式の管理機は、複雑な作業機操作機構を簡素化できるモータの制御容易性に着目した操作性改善型といえる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のハイブリッド方式の作業機は、いずれもエンジンで駆動される発電機の発電出力を一旦蓄えるためにバッテリが必要である。したがって、小型の作業機であっても、バッテリを搭載した分だけ、大型化及び重量の増大化が避けられなかった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点を解消して、バッテリを搭載しないハイブリッド方式の作業機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、エンジンで駆動される発電機と、該発電機から供給される電力で駆動されるモータとを有するハイブリッド方式の作業機において、前記エンジンがほぼ定速運転するように制御され、前記モータが前記発電機で発電された電力のみを直接供給されて駆動されるとともに、前記エンジンの回転変動を検出して、該エンジンの回転数の低下を予測する手段と、前記エンジン回転数の低下が予測されたときに前記モータに対する前記発電機からの電力供給量を低減させる手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００８】
第１の特徴によれば、バッテリ等の補助電源を設けて発電機の出力を蓄積し、この補助電源からモータに電力を供給するのと異なり、バッテリ等を介さず発電機のみをモータに直接接続してモータの電源としている。したがって、バッテリおよびバッテリを搭載するための構造が不要であり小型軽量化が図られる。また、エンジン回転数が低下しそうなときに発電機負荷が軽減されるので、エンジンの負荷駆動力が適切に維持される。
【０００９】
また、本発明は、前記発電機が多極発電機であり、該多極発電機の発電周波数の変動で前記エンジンの回転変動を検出するように構成された点に第２の特徴がある。
【００１０】
第２の特徴によれば、発電機の１回転につき極数に対応して発生する交流出力の周波数変動を検出することによって、エンジン１回転あたりの回転変動を高精度で検出することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記エンジンが、作業機本体の駆動源を構成し、前記モータが、該作業機の移動用駆動源を構成し、エンジン回転数の低下が予測されたときに作業機の移動速度を低下させるように構成された点に第３の特徴がある。
【００１２】
第３の特徴によれば、エンジン回転数が低下しそうなときに、作業機の移動速度が低下されることによって、単位時間当たりの作業量を減らすことができるので作業負荷が低減される。
【００１３】
また、本発明は、前記作業機が芝刈り機であり、前記エンジンで芝刈り用の作業具を駆動し、前記モータで芝刈り機移動用の車輪を駆動するように構成された点に第４の特徴がある。
【００１４】
第４の特徴によれば、刈り芝の量が多かったり、芝が濡れていて重くなっていたりして負荷が大きい状態のときには、移動速度が低下されるので、エンジンの作業負荷が低減されて回転数は適正範囲に維持され、芝刈りの仕上がり性を良好に維持することができる。
【００１５】
さらに本発明は、前記作業機が耕耘機であり、前記エンジンで耕耘用ロータリを駆動し、前記モータで耕耘機移動用の車輪を駆動するように構成された点に第５の特徴がある。
【００１６】
第５の特徴によれば、ロータリ負荷が大きいときに移動速度が低下されるので、ロータリの耕耘深さの変動に拘わらず耕耘作業を安定させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２は本発明の一実施形態に係るハイブリッド方式作業機としての芝刈機の全体斜視図、図３は芝刈機の要部平面図である。図２において、芝刈機のカッタハウジング１の前部には一対の前車輪Ｗｆ，Ｗｆが、また後部に一対の後車輪Ｗｒ，Ｗｒが懸架される。カッタハウジング１の中央部にはバーチカル型エンジンＥが搭載され、エンジンＥの上方突出部にはエンジンカバーＣが被せられる。またカッタハウジング１の後部両側には後方に向って後上りに延びる操作ハンドルＨが設けられ、さらに、カッタハウジング１の後部には、刈り取られた芝を収容するためるグラスバッグＢが設けられる。
【００１８】
図３において、カッタハウジング１の中央部は下面つまり地面側が開放された中空円筒状の空間であり、ブレードカッタ（作業機本体）４が収容されるカッタ室３が形成される。ブレードカッタ４は、エンジンＥのクランク軸５に連結され、エンジンによって駆動されてカッタ室３内で回転する。カッタハウジング１の進行方向右側には、カッタ室３の出口から後方にのび、前記グラスバッグＢに通じる芝放出口２が形成される。ブレードカッタ４で刈り取られた芝等は、エンジンＥで駆動される図示しないブロワによって芝放出口２に給送され、この芝放出口を通ってグラスバッグＢに集められる。芝刈りに使用されるブレードカッタ４やブロワ等を芝刈り用作業具という。
【００１９】
カッタハウジング１の後部左右両側には、後輪支持部材１４，１４が配置され、該支持部材１４，１４には後車輪Ｗｒ，Ｗｒの車軸１６，１６が軸架される。左右の支持部材１４，１４は連結軸１９で互いに結合され、該連結軸１９と平行に出力軸１７，１８が設けられる。出力軸１７および１８の一端はモータ７に結合されるとともに、出力軸１７および１８の他端は、それぞれ前記支持部材１４，１４側に延びて減速歯車機構８を介して後車輪Ｗｒ，Ｗｒの車軸１６，１６に連結される。
【００２０】
エンジンＥの上部を覆うエンジンカバーＣ内には、図示しないリコイルスタータが収容される。エンジンカバーＣには、リコイルスタータのスタータロープ（図示しない）に結合されるスタータグリップ１５が保持されている。
【００２１】
図４は、上記芝刈り機の全体システムを示すブロック図である。同図において、エンジンＥには、発電機Ｇが連結される。発電機Ｇは、例えば、アウタロータ式三相交流発電機である。発電機Ｇの出力はモータ７の駆動回路１０に接続され、駆動回路１０は、入力された交流を位相制御してモータ７に供給する。モータ７は、例えば、直流モータであるが、後述のようにユニバーサルモータ等であってもよい。駆動回路１０は、このモータ７に適合した出力を発生する。詳細は後述する。エンジンＥは回転数を多段階、例えば、３０００，２５００，２０００ｒｐｍに切り替え可能であり、さらに機械式ガバナでこれらの回転数に維持するように制御される。
【００２２】
図５は、発電機Ｇの一例を示す分解正面図である。発電機Ｇは有底円筒の椀状に形成されるフライホイール回転子２０および該回転子２０の内周面に配列された１８個の永久磁石２１と、磁石２１に対向して回転子２０の内周に配置される固定子２２とを備える。回転子２０には、エンジンＥの出力軸（図示せず）に結合されるスリーブ２３が設けられる。磁石２１は外周側と内周側にＮ極とＳ極とが分極され、各磁石２１は隣り合うもの同士が互いに異なる極性が対向するように構成される。固定子２２のステータコア２４は、放射状に延び、磁石２１の内周側面と対向するように配置された２７個の突極２５を備える。突極２５のうちの三つには後述する単相巻線ＳＣが巻回され、他の各突極２５には巻線２６が巻回されている。
【００２３】
図１は、駆動回路１０の一例を示す回路図である。同図において、駆動回路１０は、サイリスタブリッジ１０１と、ＣＰＵ１０２とを備える。なお、点線で示すように、平滑用のコンデンサ１０３を設けても良いが、回路ユニットの小型化を図るためには、このコンデンサ１０３を省略することが好ましい。モータ７は直流ブラシモータである。ＣＰＵ１０２は、発電機Ｇの単相副巻線ＳＣから電力を得ることができる。
【００２４】
ＣＰＵ１０２は、エンジンＥの回転数の変動を監視し、回転数が低下しそうな状態を予測する。作業負荷が出力容量以上に増加しようとするとエンジン回転数は低下傾向を示す。エンジン回転数が低下してしまうと芝刈り等の作業に支障が生じたり、エンジン出力自体が低下して、最終的にはエンジンＥのストールが発生する等の不都合が生じる。そこで、エンジン回転数の低下が予測されたときに、モータ７へ供給される電力を低下させる。その結果、発電機Ｇの負荷が軽減されて、エンジンＥの回転数低下が防止され、適切なエンジン回転状態で良好な作業が行える。例えば、芝刈りではむらのない良好な刈り上がりが期待できる。このとき、モータ７へ供給される電力の低下により走行速度が低下するので、単位時間当たりの作業量が低下することになり、これによっても負荷が軽減される。
【００２５】
電力供給量の制御は、サイリスタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを位相制御することにより行うことができる。つまり、サイリスタの導通位相角つまりオンタイミングを変えて、発電機Ｇの出力交流の波形内の導通割合を制御する。電力供給量を低減するには、導通割合を小さくする。
【００２６】
エンジン回転数が低下しそうか否かは、次のように判断する。４サイクルエンジンにおいては、爆発行程でクランク軸は加速され、圧縮行程では減速されるので、爆発行程の後半から吸気行程の終わり頃までの間はクランク角速度が大きく、圧縮行程では徐々にクランク角速度が低下していく。
【００２７】
エンジンＥに対する負荷が増大すると、圧縮行程でのクランク角速度の低下の度合が大きくなる。そこで、この圧縮行程でのクランク角速度が所定値より小さくなった場合にエンジン回転数が低下しそうであると判断する。
【００２８】
エンジン回転数は発電機Ｇの出力交流波形の周期に基づいて検出することができる。発電機Ｇの三相巻線の１相から出力交流を引き出し、波形整形部２７に入力する。発電機Ｇは磁石２１の数に応じた周期で交流波形を発生する。そこで、波形整形部２７では、交流波形を、周期を検出するのに適した波形（矩形波）に整形し、ＣＰＵ１０２に供給する。ＣＰＵ１０２は、波形整形部２７から出力された波形の周期をカウンタで計数して周期を検出する。検出された周期が予定値より大きくなったときにエンジン回転数が低下しそうであると判断する。そして、サイリスタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの導通角を小さくするように該サイリスタのオン指令を出力する。発電機Ｇの極数が多いほど出力周波数が多くなり、精度良くエンジン回転数の変動を検出できる。
【００２９】
なお、圧縮行程のクランク角速度の低下を判断するのに代えて、角速度の低下率、つまり角加速度の低下を検出し、これを基準の角加速度と比較してエンジン回転数の低下を判断してもよい。
【００３０】
また、エンジン回転数に基づいてスロットル開度を制御してエンジン回転数を予定値に維持するガバナ制御機能を有する場合、スロットル開度に基づいてエンジン回転数の低下しそうなことを判断できる。すなわち、スロットル開度が制御範囲であればエンジン回転数は維持されるが、制御範囲より大きくなったときには、エンジン回転数を維持できなくなることが予測される。
【００３１】
モータ７に対する電力供給量は、次のようにして低減することもできる。モータ７はエンジン回転数を変動させても芝刈り機が目標速度で走行できるように制御される。エンジン回転数が変動すると交流出力電圧が変動するので、交流出力電圧を検出してそれに応じて、車速が維持されるようにモータ７の制御値を決定する。すなわち、モータ７に対する電力供給量をエンジン回転数に応じて制御する。したがって、エンジン回転数の低下が予測されたときに目標の車速（車速指示値）を小さくすれば、車速を低くするように制御するため電力供給量は低減する。
【００３２】
上述の実施形態では、作業機として芝刈り機を例にしたが、本発明は、これに限らず、耕耘機や除雪機等の、耕耘ロータリや除雪用オーガ等、エンジンで駆動される作業具を備えた作業機本体と、作業機本体を搭載または連結して移動させるためモータで駆動される車体とを有する種々の作業機に適用することができる。
【００３３】
また、モータ７は車体の走行駆動源として用いるものに限定されない。要は、エンジン発電機で発生される電力を直接供給されて駆動されるモータであって、エンジン回転数が低下しそうになったときに該モータの供給電力を低減して該エンジン発電機の負荷を軽減できるように構成してあればよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項５の発明によれば、バッテリ等補助電源を介さず、直接発電機の出力のみを電源としてモータを駆動する。したがって、バッテリおよびバッテリを搭載するための構造（スペースや支持部材）が不要であり、小型軽量化が図れる。エンジンの回転数が低下しそうなときにエンジンの負荷を軽減できるので、エンジンによる負荷の駆動を適切に維持することができる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、エンジン回転数の変動を多極発電機の出力周波数の変動に置き換えて高精度に検出することができる。
【００３６】
請求項３の発明によれば、作業機の移動速度低下によって、単位時間当たりの作業量を減らすことができるので、作業負荷自体を軽減することができる。
【００３７】
請求項４の発明によれば、刈り芝の量が多かったり、芝が濡れていて重くなっていたりしたときには、移動速度の低下によって作業負荷が低減されてエンジン回転数が適正範囲に維持させられ、芝刈りの仕上がりを良好に維持することができる。
【００３８】
請求項５記載の発明によれば、ロータリ負荷が大きいときに走行速度が低下させられてエンジン回転が適切に維持されるので、ロータリの耕耘深さに拘わらず、安定した耕耘作業を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る作業機の駆動回路の一例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る芝刈り機の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る芝刈り機の要部平面図である。
【図４】芝刈り機の全体システムを示すブロック図である。
【図５】発電機の一例を示す分解正面図である。
【符号の説明】
１…カッタハウジング、  ２…芝放出口、  ３…カッタ室、  ４…ブレードカッタ、  ５…クランク軸、  ７…モータ、  ８…減速歯車機構、  １０…駆動回路、  １７，１８…出力軸、  ２７…波形整形部、  １０１…サイリスタブリッジ、  １０２…ＣＰＵ、  Ｅ…エンジン、  Ｇ…発電機
【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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