(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行部上に旋回可能に旋回部を載置し、該旋回部前部に作業部を俯仰動可能に枢着したショベルにおいて、
前記作業部を作動する油圧シリンダと、エンジンにより駆動され前記油圧シリンダに圧油を供給する油圧ポンプと、該油圧ポンプからの圧油の方向を切り換えるコントロールバルブと、前記油圧シリンダからの圧油の排出路に並列に設けられる迂回路と、排出される圧油の流路を前記排出路と前記迂回路との間で切り換えるバルブと、前記迂回路に設けられ発電機を連結した圧油モータとを含む油圧回路と、
前記旋回部を旋回駆動すると共に該旋回部を制動時回生発電する旋回用電動発電機と、
前記バルブの流路切換を制御するバルブ制御装置と、
前記発電機及び／又は前記旋回用電動発電機により回生発電した発電電力を充電できるようにした接続したバッテリと、
前記旋回用電動発電機を、旋回駆動時の電動機と旋回制動時の発電機の間で切換制御するように設けた制御装置と
を備えたことを特徴とするハイブリッドショベル。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッドショベルにおいて、
前記走行部を駆動すると共に該走行部を制動時回生発電する走行用電動発電機とを備え、
前記バッテリは、前記走行用電動発電機により回生発電した発電電力を充電できるように接続される
ことを特徴とするハイブリッドショベル。
【請求項３】
請求項１記載のハイブリッドショベルにおいて、
前記制御装置により制御され、前記発電機及び前記旋回用電動発電機と前記バッテリとの間の電力の給電状態の切換制御を行う電力コントローラを備えた
ことを特徴とするハイブリッドショベル。
【請求項４】
請求項２記載のハイブリッドショベルにおいて、
前記制御装置により制御され、前記発電機、前記旋回用電動発電機及び前記走行用電動発電機と前記バッテリとの間の電力の給電状態の切換制御を行う電力コントローラを備えた
ことを特徴とするハイブリッドショベル。
【請求項５】
請求項３記載のハイブリッドショベルにおいて、
前記電力コントローラは、前記発電機により発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に電動機として駆動される際の前記旋回用電動発電機に給電するように給電状態を切換制御する
ことを特徴とするハイブリッドショベル。
【請求項６】
請求項４記載のハイブリッドショベルにおいて、
前記電力コントローラは、前記発電機、前記旋回用電動発電機及び前記走行用電動発電機のうち発電機として機能するものにより発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に前記旋回用電動発電機と前記走行用電動発電機のうち電動機として駆動されるものに給電するように給電状態を切換制御する
ことを特徴とするハイブリッドショベル。
【請求項７】
請求項５記載のハイブリッドショベルにおいて、
前記エンジンによって駆動されて発電機として前記バッテリに給電を行うと共に前記バッテリの電力により電動機として駆動される主発電電動機を備え、
前記電力コントローラは、前記発電機及び／又は前記旋回用電動発電機により発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に電動機として駆動される際の前記主発電電動機に給電するように給電状態を切換制御する
ことを特徴とするハイブリッドショベル。
【請求項８】
請求項６記載のハイブリッドショベルにおいて、
前記エンジンによって駆動されて発電機として前記バッテリに給電を行うと共に前記バッテリの電力により電動機として駆動される主発電電動機を備え、
前記電力コントローラは、前記発電機、前記旋回用電動発電機及び前記走行用電動発電機のうち発電機として機能するものにより発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に電動機として駆動される際の前記主発電電動機に給電するように給電状態を切換制御する
ことを特徴とするハイブリッドショベル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の油圧モータ等の油圧駆動装置で構成されていた駆動源の一部を、電動機または回生発電を行う電動発電機としたハイブリッドショベルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーショベルは、走行部と、旋回部と、ブーム、アームおよびバケット等を備えた作業部からなり、図５、図６に示す構成を備えていた。
【０００３】
まず、図５は油圧ショベルのシステムの構成を示しており、旋回部４９に設けられたエンジン４０で油圧回路のポンプ４１を駆動し、このポンプ４１で発生した油圧でコントロールバルブ４２を介して作業部５０の駆動用シリンダ４４、旋回部４９の旋回モータ４３および走行部４８に設けられた走行モータ４６を駆動していた。なお、４５はセンタージョイントである。
【０００４】
図６は油圧系を示す。この系を構成する油圧回路は、エンジン４０にカップリングした油圧ポンプ４１から直接コントロールバルブ４２に連結し、コントロールバルブ４２から油圧シリンダ４４に給排出する回路、油圧旋回モータ４３に給排出する回路、油圧走行モータ４６に給排出する回路が接続された回路になっていた。この回路では、圧力源である油圧ポンプ４１に対し、負荷を構成する各種油圧モータ４３，４６及び油圧シリンダ４４等のアクチュエータの複数対象の同時制御を行っていた。また、油圧系は駆動力を発生する必要性から高圧回路部分を有していた。なお、４７は作動タンクである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の油圧回路は、接続部からの油漏れ、油の膨張伸縮特性に基づく応答性の悪さ、制御および切換の衝撃による制御の困難さ、複数負荷の同時制御時のポンプ流量圧の不十分さに基づく操作性の悪さ、等の問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑み、操作性を向上すると共に、省エネルギー化を達成できるハイブリッドショベルの提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明において、上記課題を達成するために、
〔１〕走行部上に旋回可能に旋回部を載置し、この旋回部前部に作業部を俯仰動可能に枢着したショベルにおいて、前記作業部を作動する油圧シリンダと、エンジンにより駆動され前記油圧シリンダに圧油を供給する油圧ポンプと、この油圧ポンプからの圧油の方向を切り換えるコントロールバルブと、前記油圧シリンダからの圧油の排出路に並列に設けられる迂回路と、排出される圧油の流路を前記排出路と前記迂回路との間で切り換えるバルブと、前記迂回路に設けられ発電機を連結した圧油モータとを含む油圧回路と、前記旋回部を旋回駆動すると共にこの旋回部を制動時回生発電する旋回用電動発電機と、前記バルブの流路切換を制御するバルブ制御装置と、前記発電機及び／又は前記旋回用電動発電機により回生発電した発電電力を充電できるようにした接続したバッテリと、前記旋回用電動発電機を、旋回駆動時の電動機と旋回制動時の発電機の間で切換制御するように設けた制御装置とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載のハイブリッドショベルにおいて、前記走行部を駆動すると共にこの走行部を制動時回生発電する走行用電動発電機とを備え、前記バッテリは、前記走行用電動発電機により回生発電した発電電力を充電できるように接続されることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載のハイブリッドショベルにおいて、前記制御装置により制御され、前記発電機及び前記旋回用電動発電機と前記バッテリとの間の電力の給電状態の切換制御を行う電力コントローラを備えたことを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔２〕記載のハイブリッドショベルにおいて、前記制御装置により制御され、前記発電機、前記旋回用電動発電機及び前記走行用電動発電機と前記バッテリとの間の電力の給電状態の切換制御を行う電力コントローラを備えたことを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔３〕記載のハイブリッドショベルにおいて、前記電力コントローラは、前記発電機により発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に電動機として駆動される際の前記旋回用電動発電機に給電するように給電状態を切換制御することを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔４〕記載のハイブリッドショベルにおいて、前記電力コントローラは、前記発電機、前記旋回用電動発電機及び前記走行用電動発電機のうち発電機として機能するものにより発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に前記旋回用電動発電機と前記走行用電動発電機のうち電動機として駆動されるものに給電するように給電状態を切換制御することを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔５〕記載のハイブリッドショベルにおいて、前記エンジンによって駆動されて発電機として前記バッテリに給電を行うと共に前記バッテリの電力により電動機として駆動される主発電電動機を備え、前記電力コントローラは、前記発電機及び／又は前記旋回用電動発電機により発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に電動機として駆動される際の前記主発電電動機に給電するように給電状態を切換制御することを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔６〕記載のハイブリッドショベルにおいて、前記エンジンによって駆動されて発電機として前記バッテリに給電を行うと共に前記バッテリの電力により電動機として駆動される主発電電動機を備え、前記電力コントローラは、前記発電機、前記旋回用電動発電機及び前記走行用電動発電機のうち発電機として機能するものにより発電された電力を、前記バッテリに給電すると共に電動機として駆動される際の前記主発電電動機に給電するように給電状態を切換制御することを特徴とする。
【００１５】
そこで、
上記〔１〕記載のハイブリッドショベルによれば、旋回用電動発電機により制動動作と回生発電とを行うことができるので、エネルギー効率が改善されると共に、油圧では難しい操作性および応答性の改善を図ることができる。
【００１６】
上記〔２〕記載のハイブリッドショベルによれば、更に、前記走行部を駆動すると共に該走行部を制動時回生発電する走行用電動発電機とを備えるようにしたので、旋回用電動発電機及び／又は走行用電動発電機により制動動作と回生発電とを行うことができ、エネルギー効率が改善されると共に、油圧では難しい操作性および応答性の改善を実現できる。
【００１７】
上記〔３〕又は〔４〕記載のハイブリッドショベルによれば、油圧系のバックアップを電力系で行えるので、操作性および応答性が改善できる。
【００１８】
上記〔５〕又は〔６〕記載のハイブリッドショベルによれば、更に、上記変換した電力をバッテリに蓄積できるので、エネルギーの利用効率を向上できる。
【００１９】
上記〔７〕又は〔８〕記載のハイブリッドショベルによれば、更に、他の負荷に対する給電システムを構成できるので、負荷に対する電力の安定供給および制御が容易になる。
【００２０】
【発明の実施の態様】
以下に本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
（第１の実施の態様）
図１は本発明の第１実施例を示すハイブリッドショベルの模式図、図２はそのシステムのブロック図、図３はその制御系のブロック図である。
【００２１】
まず、図１〜図３を参照して説明する。
【００２２】
本発明のハイブリッドショベルも従来のもののように走行部、旋回部および作業部に分けることができる。
【００２３】
Ａは走行部、Ｂは旋回部、Ｃは作業部であり、また、１はエンジンであり、ベルト等の駆動力伝達手段やクラッチを介して油圧ポンプ１０及び発電電動機２に連結され、エンジン回転数検出センサ１４とエンジンの回転数を制御するエンジン制御装置２４とを備えている。発電電動機２は発電電動機出力（電圧・電流）センサ１５を備え、エンジン１の回転力が作用しているときには、発電機の機能に設定されて発電し、エンジン停止中には電動機の機能に設定されて、バッテリ３の出力により電動機として動作して油圧ポンプ１０を駆動する。また、エンジン回転中であっても、一時的に大きな油馬力を必要とする場合は、電力系統からエンジンをアシストする。バッテリ３は旋回用電動発電機６が電動機の機能に設定されて動作し、走行用電動機５と共に負荷となるときに、発電電動機２が発電機の機能に設定されその発電電力が負荷としての走行用電動機５と旋回用電動発電機６の要求する電力に満たないとき、制御装置の制御下で電力コントローラ４を介して負荷としての走行用電動機５と旋回用電動発電機６に給電し、また、発電電動機２が電動機の機能に設定され動作するとき、この発電電動機２を負荷として制御装置の制御下で電力コントローラ４を介して給電するように機能する。
【００２４】
電力コントローラ４は、制御装置の制御下で発電電動機２，バッテリ３，回生用発電機８（ブームのための回生用発電機８ａ，アームのための回生用発電機８ｂ，バケットのための回生用発電機８ｃ），作業機を旋回するための旋回用電動発電機６及び走行用電動機５の間の給電制御を行う。走行用電動機５は、発電電動機２及びバッテリ３から必要な制御下で電力コントローラ４を介して給電され、その回転出力はエンコーダ１２により検出される。旋回用電動発電機６は、旋回動作中、電動機の設定で動作し、発電電動機２及びバッテリ３から必要な制御のもとに電力コントローラ４を介して給電され、旋回制動時、発電機の設定で動作し、電動機の設定の発電電動機２およびバッテリ３に給電し、その回転出力はエンコーダ１３によって検出される。油圧シリンダ７は、ブームシリンダ７ａ、アームシリンダ７ｂ、バケットシリンダ７ｃを有し、油圧ポンプ１０からの圧油がコントロールバルブ９を介して供給される。この油圧シリンダ７は、コントロールバルブ制御装置２５を備えている。回生用発電機８はコントロールバルブ９と油圧シリンダ７とを直接結んだ油圧回路に迂回するように設け、制御装置１８の制御下でのバルブ制御装置２６によるバルブ１１の切換により、油圧シリンダ７からの排出油により回転し発電する。９は、コントロールバルブであり、油圧ポンプ１０と油圧シリンダ７と作動油タンク４７との３者間の油流路の制御を行う。コントロールバルブ９は、コントロールバルブ制御装置２５を備えている。油圧ポンプ１０は、エンジン１または電動機として設定された発電電動機２のクラッチおよび伝達機構を介して連結され、駆動されるバルブ制御装置２６は、前記直接結んだ油圧回路と迂回回路とにわたって設けられ、交互に回路を切り替える。エンコーダ１２，１３は、旋回用電動発電機６および走行用電動機５の回転数を検出し、コード化して出力する。１４はエンジン回転数検出センサである。１５は発電電動機出力センサであり、電圧、電流を検出する。１６はバッテリ出力検出センサであり、電圧、電流を検出する。１７は油圧センサであり、ポンプ１０の油圧を検出する。
【００２５】
制御装置１８本体は、ＣＰＵ、メモリおよび入出力ポートよりなる。入力ポートには各種センサ、即ち、エンジン回転数検出センサ１４、発電電動機出力センサ１５、バッテリ出力検出センサ１６、旋回用電動発電機６および走行用電動機５の回転数を検出するエンコーダ１２，１３、油圧ポンプ１０の油圧を検出する油圧センサ１７、旋回用電動発電機６の駆動により旋回する作業用アクチュエータの旋回角度を検出する旋回角度検出センサ２０、走行用電動機５の駆動により達成される走行スピードを検出する走行スピード検出センサ２１、油圧シリンダ７を操作したとき、この油圧シリンダ７により伸縮されるブーム、アーム、バケットの伸縮程度を検出する伸縮検出センサ２２、バケットで土砂などの負荷を持ち上げた時の荷重の重量を検出する荷重検出センサ２３、の検出データが入力される。入力ポートには、上記各センサの他に、操作者の操作する入力装置１９の出力データが入力される。出力ポートには、電力コントローラ４、エンジン制御装置２４、コントロールバルブ制御装置２５、バルブ制御装置２６、モニター装置２７が接続されている。電力コントローラ４には、発電電動機２、旋回用電動発電機６、走行用電動機５およびバッテリ３が制御対象として接続されている。
【００２６】
以上のように構成された実施の形態の建築機械について、以下その動作を説明する。
【００２７】
操作者が入力装置１９から指示を入力すると、制御装置１８は、その指示に応じてプログラムを起動して、入力された各センサからのデータを取り込み、メモリに記憶すると共に、プログラムを実行してその結果を出力ポートより指定された出力装置に出力する。
【００２８】
上記プログラムの実行により行われる制御態様を実施の態様毎に分けて説明する。
（節電時の実施の態様）
エンジン１を始動し、油圧ポンプ１０と発電電動機２を駆動する。制御装置１８は、プログラムの実行に従って、油圧ポンプ１０の圧油を、油圧センサ１７の検出データを基にコントロールバルブ９で切り替えて油圧シリンダ７に給排出する。このときの油圧シリンダ７からの排出油は、バルブ制御装置２６の制御出力によるバルブ１１の切換によって流路を迂回路に変え、回生用発電機８の油圧モータを回転駆動し、この油圧モータに連結する発電機を駆動して発電する。発電した電力は、プログラムに基づいて電力コントローラ４によりバッテリ３に充電される。この態様は、油圧シリンダ７を反復駆動すれば常時発生し、その結果回生発電が行われる。
【００２９】
旋回用電動発電機６は、制御装置１８の制御により、電動機の機能に設定されると、旋回動作中、電力コントローラ４を介した発電電動機２およびバッテリ３からの給電によりそれらの負荷となる電動機として動作する。旋回用電動発電機６は、旋回停止時、今までの慣性力により回転を続けようとするモータ軸に設けたロータコイルの回転に対して遅れた位相となる回転磁界を発生するようにステータコイルを通電制御すると、ステータコイルに誘導起電力を発生する。また、このようにステータコイルに誘導起電力を発生させた状態でモータ軸に連結されたロータを回転させると、モータ軸に制動力が作用する。上記誘導起電力は、回生電力として、電力コントローラ４を介してバッテリ３に、場合によっては発電電動機２にも給電される。
（節電時以外の実施の態様）
制御装置１８は、各センサの検出データを取り込み、入力装置１９の設定操作信号によって、所定のプログラムを実行して、その実行結果を基に出力機器を制御する。
（旋回用電動発電機の実施の態様）
旋回用電動発電機６は、入力装置１９の設定操作信号に基づいて、制御装置１８によって電動機の機能か、または発電機の機能に設定される。その設定状態で、制御装置１８は、旋回用電動発電機６を、エンコーダ１３、旋回角度検出センサ２０、荷重検出センサ２３の各検出データを基に、旋回速度を複合動作を行うための一定速度または慣性力が一定範囲内となるような速度または負荷の軽重に応じた変速に制御する。旋回部の制動時、制御装置１８は、旋回用電動発電機６を発電機の機能に設定し、ステータコイルにロータコイルの回転に対して遅れた位相の回転磁界が発生するように、ステータコイルに通電制御する。その結果発生する誘導起電力は、回生電力としてバッテリ３または他の電動機等の負荷に給電される。
（走行用電動機の実施の態様）
走行用電動機５は、入力装置１９の設定操作信号により、制御装置１８の制御下で、エンコーダ１２、走行スピード検出センサ２１の検出データに基づいて、所定のスピードでの回転動作を行う。走行部の両側に配置した走行用電動機５を直進走行するように同じスピードに制御することもできる。
（油圧系の実施の態様）
油圧ポンプ１０の圧油は、コントロールバルブ９を介してアクチュエータを作動する油圧シリンダ７に供給される。油圧シリンダ７からの排出油は、バルブ１１を介して発電機と連結された油圧モータを介してコントロールバルブ９に戻る。制御装置１８の制御により、油圧センサ１７の検出データを取り込みながら、油圧シリンダ７内の油圧ピストンの駆動が行われる。図２の実施例では、バルブ１１の挿入部を油圧シリンダ７のチューブ側通路としているブームシリンダの例である。アーム、バケットシリンダに関しては、この限りではなく、回生機能が有効に作用する油通路（チューブ又はロッド側）にバルブ１１を挿入する。
【００３０】
その結果、前記発電機に発生した回生電力は、バッテリ３又はその他の負荷に給電される。
（エンジン系）
制御装置１８は、入力装置１９の設定操作信号に応じて、エンジン回転数検出センサ１４、発電電動機出力センサ１５、バッテリ出力検出センサ１６の検出データを取り込んで、バッテリ電圧・電流を設定値と比較しながら、必要とする負荷に所定の電力が給電できるように制御する。
（他の実施の態様）
図２の実施の態様において、エンジン１を外し、発電電動機２を燃料電池、商用電源とすることも可能であり、その場合には図４の実施例のようになる。
【００３１】
上記したように、本発明によれば、油圧シリンダ７の油排出回路中に回生用発電機８を介在し、発電を行うようにしたので、通常無駄になっている油圧を有効に利用する事ができる。旋回用電動発電機６は、旋回動作の制動時に無駄になる制動エネルギーを回生電力として有効に取り出すことができる。
【００３２】
また、本発明の制御システムは、系がバッテリ３によりバックアップされているので、エンジン１が停止しても、しばらくは油圧ポンプ１０の圧油を確保でき、油圧シリンダ７を駆動し続けることができ、また、電源はエンジン１に連結された発電電動機２とバッテリ３の併用なので、従来の油圧ショベルに比べて、エンジンの小型化が図られ、さらに、回生電力をも利用でき、さらに環境に優しく、省エネルギー化を図ることができる。
【００３３】
図４は本発明の第２実施例を示すハイブリッドショベルのシステムブロック図である。
【００３４】
この図において、３１は燃料電池又は商用電源、３２は電力コントローラ、３３は油圧ポンプ用電動機、３４は油圧ポンプ、３５は旋回用電動発電機、３６は走行用電動発電機である。
【００３５】
この実施例では、旋回用電動発電機３５からの回生電力の回収のみならず、走行用電動発電機３６からの回生電力の回収を行い、油圧ポンプ用電動機３３への電力の補充を行うことができる。
【００３６】
また、ショベルには燃料電池又は商用電源３１のみを搭載することにより、各部への電力の供給を行なわせることができる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、油圧シリンダの油排出回路中に回生用発電機を介在し、発電を行うようにしたので、通常無駄になっている油圧を有効に利用する事ができる。旋回用電動発電機は、旋回動作の制動時に無駄になる制動エネルギーを回生電力として有効に取り出すことができる。また、本発明の制御システムは、系がバッテリによりバックアップされているので、エンジンが停止しても、しばらくは油圧ポンプの圧油を確保でき、油圧シリンダを駆動し続けることができ、また、電源はエンジンに連結された発電電動機とバッテリの併用なので、従来の油圧ショベルに比べて、エンジンの小型化が図られ、さらに、回生電力をも利用でき、さらに環境に優しく、省エネルギー化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示すハイブリッドショベルの模式図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示すハイブリッドショベルのシステムのブロック図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示すハイブリッドショベルの制御システムのブロック図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示すハイブリッドショベルのシステムブロック図である。
【図５】  従来の油圧ショベルのシステムの構成図である。
【図６】  従来の油圧ショベルにおける油圧系ブロック図である。
【符号の説明】
１    エンジン
２    発電電動機
３    バッテリ
４，３２    電力コントローラ
５    走行用電動機
６，３５    旋回用電動発電機
７（７ａ，７ｂ，７ｃ）    油圧シリンダ
８（８ａ，８ｂ，８ｃ）    回生用発電機
９    コントロールバルブ
１０，３４    油圧ポンプ
１１    バルブ
１２，１３    エンコーダ
１４    エンジン回転数検出センサ
１５    発電電動機出力センサ
１６    バッテリ出力検出センサ
１７    油圧センサ
１８    制御装置
１９    入力装置
２０    旋回角度検出センサ
２１    走行スピード検出センサ
２２    伸縮検出センサ
２３    荷重検出センサ
２４    エンジン制御装置
２５    コントロールバルブ制御装置
２６    バルブ制御装置
２７    モニター装置
３１    燃料電池又は商用電源
３３    油圧ポンプ用電動機
３６    走行用電動発電機
【図１】
0004396906.tif 000002
【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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