(57)【要約】【課題】動力用モータとスタータモータとで駆動回路を共用して回路構成を簡素化させる。【解決手段】エンジン発電機Ｇは作業機を駆動するエンジンＥのスタータモータを兼ねる。動力用モータ２５は作業機の走行用駆動源である。スタータモータＧと動力用モータ２５で駆動回路１０を共用する。始動モードではスイッチ３５，３６で駆動回路１０をスタータモータＧ側に接続してエンジンを始動させる。エンジン完爆後は、スイッチ３５，３６で発電機Ｇをレギュレータ３１に、駆動回路１０を動力用モータ２５に接続する。これにより、バッテリ１４を充電しつつ動力用モータ２５をバッテリ１４で駆動できる。【選択図】        図１
2004340055.tif 000002
【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、該発電機で充電されるバッテリと、動力用モータおよび前記エンジンのスタータモータとを有するハイブリッド方式の駆動装置において、
前記動力用モータを前記発電機および前記バッテリから供給される電力で駆動する駆動回路と、
エンジン始動時に前記駆動回路を前記スタータモータへ接続する切換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駆動装置。
【請求項２】
前記動力用モータおよび前記スタータモータが、磁石回転子および３相固定子巻線を有するブラシレスモータであり、
前記駆動回路が少なくともインバータ回路を備えていることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド方式の駆動装置。
【請求項３】
前記発電機が、前記スタータモータとしての機能を備えるモータ兼用発電機である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駆動装置。
【請求項４】
前記発電機の出力電力をバッテリの充電用に調整するレギュレータを備え、
前記切換手段が、エンジン完爆後に前記発電機を前記駆動回路から切り離して前記レギュレータに接続するように構成されていることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド方式の駆動装置。
【請求項５】
前記発電機の出力電力をバッテリの充電用に調整するレギュレータを備え、
前記切換手段が、エンジン完爆後に前記発電機を前記駆動回路から切り離して前記レギュレータに接続するとともに、前記駆動回路を前記動力用モータに接続するように構成されていることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド方式の駆動装置。
【請求項６】
前記エンジンが定速回転数を維持するように運転されて作業機を駆動し、
前記動力用モータが前記作業機を走行駆動するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のハイブリッド方式の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作業機等の動力源として内燃機関（以下、「エンジン」という）と電動機（以下、「モータ」という）とを備えたハイブリッド方式の駆動装置に関し、特に、作業機等の動力源としてのモータとエンジン始動用に設けられるモータ（以下、「スタータモータ」という）とで駆動回路を共用できるようにしたハイブリッド方式の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
農業用の作業機において、エンジンの動力とモータの動力とを利用できるようにした、いわゆるハイブリッド方式のエンジン駆動式作業機が知られる。例えば、特開２００１−１６１１１４号公報には、エンジンで駆動される作業機の負荷が小さい場合にはエンジンの余剰動力で発電機を駆動して余剰電力をバッテリに蓄積し、これら発電機で発生した電力およびバッテリからの電力でモータを駆動するようにした乗用作業機が提案されている。この乗用作業機によれば、エンジン負荷は常に大きく保たれるため、エンジンを効率よく運転することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ハイブリッド方式の駆動装置では、スタータモータと、エンジン発電機およびバッテリを動力源として駆動されるモータとに、それぞれ個別に駆動回路が必要であった。この種の駆動装置の簡素化を図るという観点でみると、スタータモータとして発電機兼用モータを使用するとともに、その際に、例えば、特開２００２−２２３５９４号公報に記載されているように、始動用インバータ回路と発電機出力のレギュレータとを共用することによって回路の部分共有化を図ることは行われている。しかし、駆動回路を共用するという観点での工夫は図られていないのが現状である。
【０００４】
本発明の目的は、上記事情に鑑み、駆動回路の簡素化によって電力制御回路構成を簡素化することができるハイブリッド方式の駆動装置を提供することにある。
【０００５】
【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、該発電機で充電されるバッテリと、動力用モータおよび前記エンジンのスタータモータとを有するハイブリッド方式の駆動装置において、前記動力用モータを前記発電機および前記バッテリから供給される電力で駆動する駆動回路とを設けると共に、エンジン始動時に前記駆動回路を前記スタータモータへ接続する切換手段とを具備した点に第１の特徴がある。第１の特徴によれば、電力供給源から動力用モータおよびスタータモータまでの電力供給経路を同じにして動力用モータおよびスタータモータの駆動回路を共用化することができるため、電力制御回路系統の簡素化が図られ、かつ同一駆動回路系統となるためシステムの信頼性が向上する。
【０００６】
また、本発明は、前記動力用モータおよび前記スタータモータが、磁石回転子および３相固定子巻線を有するブラシレスモータであり、前記駆動回路が少なくともインバータ回路を備えている点に第２の特徴がある。第２の特徴によれば、共にブラシレスモータである動力用モータおよびスタータモータに対して電力供給源および通電方向が同じであるため、同一のインバータ回路の動作制御量を調節するだけで両者を適切に制御することができる。
【０００７】
また、本発明は、前記発電機が、前記スタータモータとしての機能を備えるモータ兼用発電機である点に第３の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、前記発電機の出力電力をバッテリの充電用に調整するレギュレータを備え、前記切換手段が、エンジン完爆後に前記発電機を前記駆動回路から切り離して前記レギュレータに接続するように構成されている点に第４の特徴がある。第４の特徴によれば、エンジン完爆後はエンジンで駆動される発電機の出力電力がレギュレータで調整されてバッテリに供給される。したがって、動力用モータの駆動はエンジン完爆後に制限され、バッテリが放電しやすい環境でのバッテリ電力のみでの駆動を避けることも可能である。
【０００９】
また、本発明は、前記発電機の出力電力をバッテリの充電用に調整するレギュレータを備え、前記切換手段が、エンジン完爆後に前記発電機を前記駆動回路から切り離して前記レギュレータに接続するとともに、前記駆動回路を前記動力用モータに接続するように構成されている点に第５の特徴がある。第５の特徴によれば、エンジンによってバッテリが充電される一方、エンジン完爆後に動力用モータが駆動回路に接続されて駆動可能になる。
【００１０】
さらに、本発明は、前記エンジンが定速回転数を維持するように運転されて作業機を駆動し、前記動力用モータが前記作業機を走行駆動するように構成されている点に第６の特徴がある。第６の特徴によれば、作業機はエンジンによって定速駆動され、エンジンの負荷は、作業機の走行速度の調整で適正に維持することが可能になる。
【００１１】
【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エンジン駆動式作業機としての除雪機の側面図である。除雪機１は、左右のクローラベルト２を備えた走行フレーム３に、除雪作業部４およびこの除雪作業部４を駆動するエンジンＥを備えた車体フレーム５を上下スイング可能に取り付ける。エンジンＥは、定速回転数で運転されるように制御されて作業機としての除雪作業部４を駆動する。フレーム昇降機構６は車体フレーム５の前部を昇降させることによって車体フレーム５を上下にスイングさせる。走行フレーム３には後上方へ延びる左右の操作ハンドル７が結合される。
【００１２】
操作ハンドル７は、作業者が除雪機１を操作するものであり、先端にグリップ８を有し、グリップ８の近傍には除雪機１の旋回操作レバー９を備える。操作ハンドル７のうち左側のものにはブレーキ操作レバー１１を設け、右側のものにはクラッチ操作ボタン（図示せず）を設ける。左右の操作ハンドル間には上から順に操作盤１２、制御部１３、およびバッテリ１４を配列して設ける。
【００１３】
エンジンＥの出力軸（クランク軸）１５には駆動プーリ１６および電磁クラッチ１７が設けられる。除雪作業部４は、車体フレーム３の前部に設けられたオーガ１８、ブロア１９、およびシュータ２０からなり、オーガ１８およびブロア１９を回転する回転軸２１を有する。回転軸２１には従動プーリ２２が結合される。
【００１４】
エンジンＥの動力は、電磁クラッチ１７で駆動プーリ１６に伝達され、ベルト２３を介して従動プーリ２２に伝達される。これによって、回転軸２１を介してオーガ１８およびブロア１９が回転し、オーガ１８でかき集められた雪はブロア１９でシュータ２０を介して遠くへ吹き飛ばされる。
【００１５】
車体左右のクローラベルト２は、モータ（以下、「動力用モータ」という）２５で駆動される駆動輪２４を備える。左右の駆動輪２４は、モータ２５からの動力をつないだり切り離したりするための図示しないクラッチを介して動力用モータ２５に連結される。動力用モータ２５は界磁用の永久磁石をロータに設け、三相電機子巻線をステータに設けて、インバータ回路を備えた後述の駆動回路１０によって駆動制御される永久磁石同期モータつまりブラシレスモータである。
【００１６】
図３は、除雪機１の要部平面図であり、特に、エンジンと発電機を示す。図３において、発電機ＧがエンジンＥに隣接して配置される。エンジンＥのクランク軸１５には発電機用プーリ２６を設け、発電機Ｇの入力軸２７には従動プーリ２９を設ける。プーリ２６および２９間にはベルト３０がわたされ、発電機Ｇの入力軸２７にエンジンＥの動力が伝達される。
【００１７】
図４は、上記除雪機の全体システムを示すブロック図であり、図２，３と同符号は同一部分または同等部分を示す。同図において、エンジンＥに連結される発電機Ｇは、ロータに永久磁石を設け、ステータに電機子巻線を設けた、前記動力用モータ２５と同様の永久磁石同期機であり、エンジン始動用のスタータモータを兼用する。駆動回路１０は、発電機Ｇおよび動力用モータ２５を制御するためのものであり、インバータ回路を備える。バッテリ１４は、発電機Ｇおよび動力用モータ２５を駆動する動力源として使用される。また、発電機Ｇで発生された電力をバッテリ１４に蓄積するときに使用されるレギュレータ３１が設けられる。駆動回路１０には、操作盤１２が接続される。操作盤１２は、オペレータの操作により、エンジンＥの始動および停止の指令、並びに除雪機１の走行速度および除雪機１の走行方向の指示を出力する。
【００１８】
エンジンＥの始動時には、バッテリ１４から駆動回路１０を介して発電機Ｇに電力が供給され、該発電機Ｇがスタータモータとして作用する。一方、エンジンＥが始動後は、エンジン駆動される発電機Ｇの電力がバッテリ１４に蓄積される。さらに、レギュレータ３１の出力もしくはバッテリ１４に蓄積された電力が駆動回路１０を介して動力用モータ２５に供給される。バッテリ１４に蓄積される電力の電圧調整はレギュレータ３１の作用によって行われる。
【００１９】
このように、駆動回路１０は、スタータモータとしての発電機Ｇの駆動と、動力用モータ２５の駆動とに共用される。続いて、駆動回路１０および該駆動回路１０を共用するための切り換え制御について説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る駆動装置の要部を示す回路図である。同図において、駆動回路１０は、インバータ回路を構成するスイッチング回路２８、並びに該スイッチング回路２８を駆動するドライバ３２、演算部３３、およびシャント３４を有する。
【００２１】
スイッチング回路２８は、六つのＭＯＳＦＥＴつまり金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（以下、単に「ＦＥＴ」という）２８１〜２８６を含む。上側にＦＥＴ２８１〜２８３が配置され、下側にＦＥＴ２８４〜２８６が配置される。ＦＥＴ２８１〜２８６には、それぞれフライバックダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６が並列に接続される。ドライバ３２は、ＦＥＴ２８１〜２８６のゲートに駆動電圧を印加する。
【００２２】
ドライバ３２は、発電機Ｇをスタータモータとして使用する場合にＦＥＴ２８１〜２８６のゲートに駆動電圧を順次印加する。ＤＳＰで構成することができる演算部３３は、駆動電圧を発生させる周期、つまりＦＥＴ２８１〜２８６の切り替え周期を決定してドライバ３２に出力する作用をする。演算部３３は、さらにシャント３４を介して検出される発電機Ｇの各相の通電電流値によりロータ位置を検出する機能を有する。
【００２３】
駆動回路１０を発電機Ｇおよび動力用モータ２５に対して選択的に接続するためのスイッチまたはリレー３５、３６が設けられる。スイッチ３５，３６は発電機Ｇおよび動力用モータ２５の三相ステータ巻線から引き出される線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３上にそれぞれ設けられ、前記操作盤１２からの指示によって切り換えられる。
【００２４】
なお、前記操作盤１２からの指示によるスイッチ３５，３６の切り換えや、スイッチング回路２８を駆動するドライバ３２および演算部３３の動作を全体的に制御する制御部（図示せず）が設けられる。この制御部はマイクロコンピュータによって構成することができ、処理の要部はフローチャートを参照して後述する。
【００２５】
図５は、スイッチ３５，３６の切り換えの例を示す図であり、線Ｌ１上に設けられるスイッチ３５，３６で他の線Ｌ２，Ｌ３上のスイッチを代表する。
【００２６】
図５（ａ）には、エンジン始動時のスイッチ３５，３６の位置を示す。スイッチ３５，３６は駆動回路１０を発電機Ｇに接続するように切り換えられ、駆動回路１０によって発電機Ｇが駆動される。
【００２７】
図５（ｂ）には、エンジンが起動された時のスイッチ３５，３６の位置を示す。スイッチ３５，３６はニュートラル位置（オフ位置）に切り換えられ、エンジンＥは自立運転される。
【００２８】
図５（ｃ）には、バッテリ充電時のスイッチ３５，３６の位置を示す。スイッチ３５はニュートラル位置に切り換えられ、スイッチ３６はレギュレータ３１側に切り換えられる。したがって、動力用モータ２５は駆動されず、エンジンＥで駆動された発電機Ｇの発電電力でバッテリ１４が充電される。
【００２９】
図５（ｄ）には、除雪機１を走行させる時のスイッチ３５，３６の位置を示す。スイッチ３５は動力用モータ側に切り換えられ、スイッチ３６はレギュレータ３１側に切り換えられる。したがって、エンジンＥで駆動された発電機Ｇの発電電力でバッテリ１４が充電されるとともに、動力用モータ２５はバッテリ１４からの電流およびレギュレータ３１からの供給電力で駆動される。
【００３０】
図５（ｅ）には、エンジン停止中に除雪機１を走行させる時のスイッチ３５，３６の位置を示す。スイッチ３５は動力用モータ側に切り換えられ、スイッチ３６はニュートラル位置に切り換えられる。したがって、エンジン停止中に動力用モータ２５はバッテリ１４で駆動される。
【００３１】
図６は、本実施形態にかかる駆動装置の制御フローチャートである。ステップＳ１では、メインスイッチがオンになり、かつ、始動スイッチがオンになったか否かが判断される。メインスイッチおよび始動スイッチは操作盤１２に設けられる。ステップＳ１が肯定になると、始動モードで動作する。まずステップＳ２では、スイッチ３５，３６がエンジン始動時の位置（図５（ａ））に切り換えられる。スイッチ３５，３６がエンジン始動時の位置に切り換えられると、ステップＳ３〜Ｓ５で発電機ＧがエンジンＥのスタータモータとして駆動される。
【００３２】
まず、ステップＳ３では、センサレス位置検出処理が行われる。発電機Ｇは、モータとして動作する際、ロータ磁極の位置検出用センサを有しないセンサレス制御により駆動される。すなわち、始動時には、ロータ磁極の位置を発電機Ｇの各相の相対電流に基づいて推定する。例えば、Ｕ相とＷ相にそれぞれ流れる電流の比から磁極位置を推定する。なお、ロータの回転中も同様に回転子の磁極位置検出は続けられる。この起動方式は「ベクトル制御」として知られる。なお、ロータ磁極の位置を検出する磁気センサ等を設けることにより、起動時から運転中まで全てのセンサの検出信号に基づいて制御するようにしてもよい。各相の電流はシャント３４を介して検出される。
【００３３】
ステップＳ４では、エンジンの目標回転速度ωを所定のクランキング速度に設定する。ステップＳ５では、前記発電機Ｇの位相から判定されるロータの位置に従ってスイッチング回路２８のＦＥＴを制御し、エンジンＥがクランキング速度で回転するように発電機ＧのＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線に電流を供給する。
【００３４】
ステップＳ６では、エンジンＥが完爆回転数に到達したか否かが判断される。エンジンＥの回転数は発電機Ｇの電流波形の周期に基づいて検出することができる。エンジン回転数が完爆回転数に到達したならば、エンジンＥは自立運転できるので、ステップＳ７に進み、スイッチング回路２８のＦＥＴ２８１〜２８６をすべてオフにする。ステップＳ８では、スイッチ３５，３６を両方ともオフ位置（図５（ｂ））にする。
【００３５】
エンジンＥが自立運転を開始したならば、バッテリの充電モードに移行し、ステップＳ９でスイッチ３５，３６が充電時の位置（図５（ｃ））に切り換えられる。ステップＳ１０では、除雪機１の走行指示の有無が判別される。充電モードで運転中に走行指示が操作部１２から入力されると、走行モードに移行する。走行モードでは、ステップＳ１１で、スイッチ３５，３６が図５（ｄ）の位置に切り換えられて、動力用モータ２５が駆動される。動力用モータ２５の駆動シーケンス（ステップＳ１２〜Ｓ１４）は発電機Ｇをスタータモータとして駆動させるときの駆動シーケンス、つまりステップＳ３〜Ｓ５と共通である。但しステップＳ１３では、エンジンの目標回転速度ωが除雪機１の走行速度指示値によって決定される回転数になる。
【００３６】
ステップＳ１０が否定のとき、つまり走行指示がないときは、ステップＳ１５に進んでスイッチング回路２８のＦＥＴ２８１〜２８６をすべてオフにして動力用モータ２５および発電機ＧのＵ，Ｖ，Ｗ各相の巻線への通電がされないようにする。ステップＳ１６では、スイッチ３５，３６を両方ともオフ位置にする。
【００３７】
ステップＳ１７では、メインスイッチがオフになったか否かが判断される。メインスイッチがオフになるまでは、ステップＳ１０に進み走行指示の有無の判断が継続される。メインスイッチがオフになったならば、処理を終了する。
【００３８】
ステップＳ１の判断でメインスイッチがオンになっていないと判断されたときは、ステップＳ１８で、スイッチ３５，３６を両方ともオフ位置にして全処理を停止する。
【００３９】
上述のように、本実施形態では、スタータモータ兼用の発電機Ｇと動力用モータ２５とで、駆動回路１０を共用できるようにした。スタータモータが発電機Ｇの機能として実現されているので、スイッチ３５，３６はレギュレータ３１側への切り換えもできるようにしている。しかし、本発明は、スタータモータを兼用する発電機と動力用モータとで駆動回路を共用するものに限らず、発電機とは別個に設けられるスタータモータと、他のモータとで駆動回路を兼用する場合にも適用できる。
【００４０】
なお、駆動回路１０は、レギュレータ３１やスイッチ３５，３６も一体化した駆動回路ユニットとして、コンパクト化を図ることもできる。
【００４１】
また、本発明は、除雪機用に限定されず、芝刈り機や耕耘機等、エンジン駆動発電機と該発電機の電力で駆動される動力用モータおよびエンジンのスタータモータとを備えた作業機のハイブリッド方式駆動装置として広く適用できる。
【００４２】
【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６の発明によれば、スタータモータと動力用モータとで駆動回路を共用できるので、回路構成の簡素化が図られる。また、単一の駆動回路とすることで駆動装置全体の信頼性が向上する。
【００４３】
請求項２の発明によれば、共にブラシレスモータである動力用モータおよびスタータモータが、インバータ回路の動作制御量を調節するだけで適切に制御される。請求項３の発明によれば、スタータモータと発電機とを兼用することによって構成の簡素化が図られる。
【００４４】
請求項４の発明によれば、発電機の出力電力でバッテリが充電される。請求項５の発明によれば、発電機が動作している場合に動力用モータが駆動されるので、バッテリのみの電力で動力用モータが駆動されるのを防止することができる。
【００４５】
請求項６の発明によれば、作業機はエンジンによって定速駆動され、エンジンの負荷は、作業機の走行速度の調整で適正に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る駆動装置の要部回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る駆動装置を含む除雪機の左側面図である。
【図３】除雪機の要部平面図である。
【図４】除雪機の全体システムを示すブロック図である。
【図５】スイッチの切り換え状態を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る駆動装置の要部処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１…除雪機、  ２…クローラベルト、    ４…除雪作業部、  １０…駆動回路、１２…操作盤、１５…クランク軸、  １７…電磁クラッチ、  １８…オーガ、２５…モータ、  ２８…スイッチング回路（インバータ回路）、  ３１…レギュレータ、  ３４…シャント、  ３５，３６…スイッチ（リレー）、  Ｅ…エンジン、  Ｇ…発電機
【図１】
2004340055.tif 000003
【図２】
2004340055.tif 000004
【図３】
2004340055.tif 000005
【図４】
2004340055.tif 000006
【図５】
2004340055.tif 000007
【図６】
2004340055.tif 000008