(57)【要約】【課題】バッテリを介さず発電機の出力を走行用のモータに直接供給する。【解決手段】エンジンＥで駆動される発電機Ｇがモータ７に直接接続される。発電機Ｇの出力を蓄積するバッテリは搭載しない。発電機Ｇの最大出力電力がモータ７へ供給される最大制御電力とほぼ一致するように出力容量を決定することにより、発電機Ｇの出力インピーダンスによりモータの過電流が抑制される。ＣＰＵ１０２はモータ電流に基づいてサイリスタを制御して負荷に合った出力制御をする。電流が増大すればサイリスの導通割合を増大させて電流に見合った電圧に戻す。これによってトルクが確保され定速走行が可能である。【選択図】        図１
2004282825.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、
前記モータは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、
前記発電機の出力インピーダンスで制限される該発電機の最大出力電力が前記モータへ供給される最大制御電力以内になるように該発電機およびモータの出力容量が決定されていることを特徴とするハイブリッド方式の作業機。
【請求項２】
前記エンジンが、ほぼ定速運転されて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作業機。
【請求項３】
前記モータの負荷状態に応じて該モータの回転数をほぼ定速に維持するように電力供給するとともに、前記モータの過負荷時には電力供給量を低減させることを特徴とする請求項２記載のハイブリッド方式の作業機。
【請求項４】
前記発電機が単相発電機であり、
前記モータがユニバーサルモータであるとともに、
トライアックによる交流位相制御で前記発電機の出力を制御する制御手段を備えている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】
前記発電機が三相発電機であり、
前記モータが直流モータであるとともに、
サイリスタブリッジによる位相制御で前記発電機の出力を制御する制御手段を備えている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６】
前記発電機の出力巻線を並列接続と直列接続とで切り替え自在に構成し、
通常運転時は直列接続で前記出力巻線を使用し、前記モータのトルクを増大させるときには前記出力巻線を並列接続に切り替える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。
【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や管理機は、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、前記モータは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、前記発電機の出力インピーダンスで制限される該発電機の最大出力電力が前記モータへ供給される最大制御電力以内になるように該発電機およびモータの出力容量が決定されている点に第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。そして、出力インピーダンスで制限される発電機の最大電流がモータの最大電流以内に設定されているので、過電流に対する保護回路が不要である。
【０００９】
また、本発明は、前記エンジンが、ほぼ定速運転されて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ている点に第２の特徴がある。第２の特徴によれば、ほぼ定速回転するエンジンによって作業機本体のための適切な作業用出力が得られ、作業機の移動はモータの速度制御で簡単に行うことができる。
【００１０】
また、本発明は、前記モータの負荷状態に応じて該モータの回転数をほぼ定速に維持するように電力供給するとともに、前記モータの過負荷時には電力供給量を低減するようにした点に第３の特徴がある。第３の特徴によれば、モータには負荷に応じた電力が供給され、回転数はほぼ定速に維持される。そして、過負荷時には、電力供給量が低減されて、作業機の移動速度が低減する。したがって、作業機本体による作業を支障なく続行することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記発電機が単相発電機であり、前記モータがユニバーサルモータであるとともに、トライアックによる交流位相制御で前記発電機の出力を制御する制御手段を備えている点に第４の特徴がある。第４の特徴によれば、モータへの出力段の回路構成が簡単である。
【００１２】
また、本発明は、前記発電機が三相発電機であり、前記モータが直流モータであるとともに、サイリスタブリッジによる位相制御で前記発電機の出力を制御する制御手段を備えている点に第５の特徴がある。
【００１３】
第５の特徴によれば、発電機の出力を効率よく取り出すことができるので、小型大容量化を図ることができる。
【００１４】
さらに、本発明は、前記発電機の出力巻線を並列接続と直列接続とで切り替え自在に構成し、通常運転時は出力巻線を直列接続で使用し、前記モータのトルクを増大させるときには出力巻線を並列接続に切り替える点に第６の特徴がある。
【００１５】
第６の特徴によれば、巻線の接続の切り替え制御によって、運転状態に応じて簡単に出力を選択することができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
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、この芝放出口２を通ってグラスバッグＢに集められる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
芝刈り機の移動速度制御つまりモータ７の制御を説明する。図５は、モータ７の特性を示す図である。同図において、回転数Ｎａ、トルクＴａである動作点ａで走行中に負荷が増大すると、目標回転数を維持するため、トルクＴｂである動作点ｂに移動する。つまり、モータに加える電圧を電圧Ｖ１から電圧Ｖ２へ変化させる。その結果、電流は増大し、負荷の増大分だけトルクが上昇し、モータ回転数は目標回転数Ｎａに維持され、芝刈り機は定速走行する。しかし、このように定速走行が可能なのは、発電機Ｇが出力する電力に対する適正な負荷領域に限られ、発電機Ｇの出力インピーダンスによって制限される出力以上の電力が要求される過負荷領域では、負荷の増大に伴ってモータ電流が増大し、それに従って電圧は低下する。その結果、トルクが低下してモータ７は目標回転数を維持できず、芝刈り機は減速走行する。
【００２２】
さらに具体的に説明する。図６は、制御領域および制御領域外つまり過負荷領域におけるモータ電流とモータ電圧との関係を示す図である。同図において、制御領域では、目標回転数（例えば３０００ｒｐｍ）を維持するため、モータ電流の増大つまり負荷の増大に従ってモータ電圧は増加する。これは、発電機Ｇの出力の増大によって実現できる。具体的な出力の制御は後述する。
【００２３】
一方、過負荷領域では、負荷の増大に伴ってモータ電流は増大するが出力は発電機Ｇの出力は最大値を超えているので、電圧は維持できない。つまり、モータ電圧はしだいに低下する。このように発電機Ｇの出力インピーダンスによって制限されるモータの最大電圧（ここでは２２ボルト）に対応するモータ電流（ここでは５０アンペア）以上が要求される場合は、目標回転数を維持できない制御領域外となる。
【００２４】
図７は、エンジン回転数が３０００ｒｐｍで発電機Ｇが最大能力（後述の導通割合１００％時）を発揮したときの電流と電圧との関係を示す。発電機Ｇは、出力電流５０アンペアまでは最大能力に従い、出力電流値が増大しても出力電圧は最大電圧２２ボルトを維持する。しかし、出力電流が５０アンペア以上では、出力電圧がしだいに低下する。この発電機Ｇの最大作業能力電流値は５０アンペアである。図６に示したモータ７の特性はこの発電機Ｇの特性に依存している。この最大作業能力電流値以下の出力電流では、エンジン回転数は目標回転数、例えば３０００ｒｐｍに維持され、定速走行が可能である。つまり、最大作業能力電流値以下が前記駆動回路１０による制御領域であり、最大作業能力電流値以上が制御領域外である。
【００２５】
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。
【００２６】
この構成において、ＣＰＵ１０２は、モータ電流を検出し、このモータ電流に基づいてサイリスタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを位相制御し、モータ７の出力を制御する。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。
【００２７】
図１において、駆動回路１０は、負荷に対応したモータ電流を検出する。モータ７にかかる負荷が変化すると、モータ電流が変化する。モータ電流の変化に伴ってモータ電圧も変化する。例えば、運転中に負荷が増大してモータ電流が増大すると、モータ電圧は低下する。その結果、モータ回転数が低下してトルクが低下する。このままでは、走行速度が低下するので、目標回転数を維持させるため、出力を増大させてモータ電圧を増大させる。
【００２８】
図８は、サイリスタの導通割合に対応する発電機Ｇの出力電流すなわちモータ電流の例を示す図である。導通割合６０〜１００％の範囲が制御領域であり、この領域内で出力は制御される。例えば、導通割合７０％、モータ電流２０アンペアで運転しているとする。このような運転において負荷が増大してモータ電流が４０アンペアに増大した場合、この図８に従ってモータ電流に対応する導通割合を決定する。つまり導通割合７０％をモータ電流４０アンペアに対応する導通割合９０％に変化させる。これにより、モータ電圧は増大して目標回転数は維持され、その結果、トルクの低下は阻止され、芝刈り機は減速しないでほぼ定速で安定に走行する。
【００２９】
なお、バッテリを搭載した場合には、モータロック等の過電流を想定し、電流を検出して過電流時に駆動素子を停止して保護する回路が必要である。これに対して、本実施形態装置の駆動回路１０では、バッテリを使用せずに、発電機Ｇから直接モータ７へ電力を供給するようにし、かつ発電機Ｇの最大出力電力がモータ７へ供給される最大制御電力以内となるようにしたので、前記駆動回路１０に使用される駆動素子（図１の例ではサイリスタとダイオード）の容量は発電機Ｇの出力電流の最大値で決定できるので、過電流に対する保護回路を省略することができる。
【００３０】
図９は、駆動回路の変形例に係る回路図である。図１と同符号は同一または同等部分を示す。同図において、発電機Ｇは単相発電機であり、モータ７はユニバーサルモータである。駆動回路１００はトライアック１０５を含み、ＣＰＵ１０２はモータの電流を検出してトライアックのターンオンのタイミングを制御し、モータ７の電圧を電流に応じて変化させる。つまり、負荷が変化してそれに応じてモータ電流が変化すると、モータ７の電圧を変化させてトルクを増減させる。
【００３１】
図１０は、駆動回路の第２変形例に係る回路図である。同図において、発電機Ｇは単相発電機であり、モータ７はユニバーサルモータである。先の変形例と同様、負荷に応じてモータ７の電圧を制御する。発電機Ｇの単相巻線は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２によって直列接続と並列接続とで切り替え自在に構成されている。通常はスイッチＳＷ１，ＳＷ２を実線の位置に切り替えて巻線ＣＬ１，ＣＬ２を直列接続にして使用し、加速時等のようにモータ７が大きいトルクを必要とする場合はスイッチＳＷ１，ＳＷ２を点線の位置に切り替えて巻線ＣＬ１，ＣＬ２を並列接続にする。これは、並列接続の方が大電流を供給することができるからであり、大きいトルクを必要としない通常運転時には小電流にして発電機Ｇの負担を軽減するためである。例えば、モード切り替えスイッチを設け、大きいトルクを必要とする作業モードにおいては、作業者が並列接続を選択できるようにする。
【００３２】
発電機Ｇの出力容量とモータ７の出力容量とは、次のように関連させるのがよい。つまり、発電機Ｇの出力を、モータ定格＋α（モータの静止状態から走行状態までの加速に必要な容量）とする。すなわち、モータが必要とする最大作業能力電流値が、出力インピーダンスによって制限される発電機Ｇの最大出力電流値となるようにする。こうすることにより、上述のように、駆動回路１０の駆動素子の保護機能を省くことができる。
【００３３】
なお、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。
【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６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。また、バッテリを搭載する場合に必要となる過電流防止回路を設けなくても、適切な出力の発電機をモータに組み合わせれば、発電機の出力インピーダンスによって電流が制限される。したがって、電気回路構成が簡素化される。
【００３５】
請求項２の発明によれば、作業機本体の駆動はエンジンの定速運転によって適切な出力を確保できるし、作業機の移動はモータの速度制御で簡単に行うことができる。
【００３６】
請求項３の発明によれば、発電機から直接モータへ電力が供給されているにもかかわらず、モータの過負荷時にはモータに対する電力供給量が制限されるので、作業機本体は支障なく作業を続行することができる。
【００３７】
請求項４の発明によれば、発電機からモータへの出力段の構成が簡単である。さらに、請求項５の発明によれば、発電機出力を効率よく取り出すことができるので、小型大容量化を図ることができる。請求項６の発明によれば、発電機が小型でありながら加速時など、大きいトルクが必要なときは大きい出力を得ることができる。
【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】電流・電圧・トルクの関係を示すモータの特性図である。
【図６】モータの電流と電圧との関係を示す図である。
【図７】発電機の電流と電圧との関係を示す図である。
【図８】サイリスタの導通割合と発電機電流との関係を示す図である。
【図９】駆動回路の変形例に係る回路図である。
【図１０】駆動回路の第２変形例に係る回路図である。
【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、  １０１…サイリスタブリッジ、  １０２…ＣＰＵ、１０５…トライアック、  Ｅ…エンジン、  Ｇ…発電機
【図１】
2004282825.tif 000003
【図２】
2004282825.tif 000004
【図３】
2004282825.tif 000005
【図４】
2004282825.tif 000006
【図５】
2004282825.tif 000007
【図６】
2004282825.tif 000008
【図７】
2004282825.tif 000009
【図８】
2004282825.tif 000010
【図９】
2004282825.tif 000011
【図１０】
2004282825.tif 000012