(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体に掘削アタッチメントが設けられてなるショベルにおいて、動力源としてのエンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機から供給される電力によって回転する複数の電動機と、上記エンジンとは機械的に切り離されて常時上記電動機のみによって駆動される複数の油圧ポンプとを具備し、この電動機を駆動源として上記下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部を作動させ、このうち油圧アクチュエータを備えた作動部については、上記油圧ポンプからの油によって上記油圧アクチュエータを作動させるように構成したことを特徴とするショベル。
【請求項２】
請求項１記載のショベルにおいて、発電機からの余剰電力をバッテリに蓄え、かつ、必要に応じてこのバッテリの蓄電力によって電動機を駆動するように構成したことを特徴とするショベル。
【請求項３】
請求項２記載のショベルにおいて、電動機の回生制御によって発生する電力をバッテリに蓄えるように構成したことを特徴とするショベル。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のショベルにおいて、作動部の油圧アクチュエータとして下部走行体に走行用油圧モータ、上部旋回体に旋回用油圧モータをそれぞれ設け、一つの電動機によって駆動される油圧ポンプからの油を切換弁を介して上記走行用油圧モータと旋回用油圧モータの一方に選択的に供給するように構成したことを特徴とするショベル。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のショベルにおいて、電動機と、この電動機の回転方向に応じて油の吐出方向が転換する油圧ポンプが一体となった電動機−ポンプ一体型のアクチュエータを用いたことを特徴とするショベル。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のショベルにおいて、油圧アクチュエータを持たない作動部について、電動機の回転力を減速機により減速して作動部に駆動力として加えるように構成したことを特徴とするショベル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機を駆動源とする掘削機械としてのショベルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルと称される一般的なショベルは、下部走行体（通常はクローラ）に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体に、ブームとアームとバケットを備えた掘削アタッチメントを取付けて構成し、上部旋回体に設置されたエンジンを動力源として油圧ポンプを回転させ、その吐出油を油圧アクチュエータ（油圧モータまたは油圧シリンダ）に供給して、走行、旋回、ブーム起伏、アーム作動、バケット作動を行わせるように構成している。
【０００３】
しかし、この従来の油圧式ショベルは、エンジンにかかる負担が大きくて燃費が悪く、排ガス、騒音の問題を抱えている。
【０００４】
そこで、実開平５−４８５０１号公報に示されているように、エンジンで電動機を回転させ、この電動機で油圧ポンプを駆動する所謂ハイブリッド式のものが提案された。
【０００５】
この公知のハイブリッド式ショベルでは、ポンプ負荷が軽い時には電動機をエンジンの余剰トルクにより発電機として作用（回生作用）させてバッテリに蓄え、重負荷時にバッテリの蓄電力によってエンジンをアシストするように構成し、これによりエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減、燃費低減を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この公知のハイブリッド式ショベルによると、エンジン−電動機−油圧ポンプの経路で回転力を伝える構成をとっているため、この三者を機械的に結合し、一つのパワーユニットとして一個所に集中して設置する必要がある。
【０００７】
このため、次のような欠点があった。
【０００８】
(１)  パワーユニットが大きくなり、その設置部分（上部旋回体）に大きなスペースを要するため、この点が機器配置の障害となり、とくに近年主流となりつつある小旋回型のショベルに不適となる。
【０００９】
(２)  ショベルの負荷変動は、自動車等に比べると時間的にもレベル的にも格段に激しく、上記パワーユニットの機械的結合部分の切換が頻繁に行われるため、このパワーユニットの応答性や耐久性の点で大きな問題となる。
【００１０】
(３)  油圧上の問題として、
イ．パワーユニットの油圧ポンプと、ショベルの各作動部に設置される油圧アクチュエータとの距離が長くて圧損が大きくなること、
ロ．ポンプとアクチュエータの間に設けられたコントロールバルブ（切換弁）からのブリードオフによってとくに微操作時のエネルギーロスが大きいこと、
ハ．コントロールバルブのパイロット制御のためのパイロット油圧源（ポンプ）も必要となること
等、油圧系のエネルギーロスが大きく、燃費向上の実効が低いものとなる。
【００１１】
そこで本発明は、パワーユニットを分割して小さな単位で分散して設置でき、しかも、パワーユニットの機械的結合部分の頻繁な切換を要しないととも、エネルギー効率を向上させることができるショベルを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体に掘削アタッチメントが設けられてなるショベルにおいて、動力源としてのエンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機から供給される電力によって回転する複数の電動機と、上記エンジンとは機械的に切り離されて常時上記電動機のみによって駆動される複数の油圧ポンプとを具備し、この電動機を駆動源として上記下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部を作動させ、このうち油圧アクチュエータを備えた作動部については、上記油圧ポンプからの油によって上記油圧アクチュエータを作動させるように構成したものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、発電機からの余剰電力をバッテリに蓄え、かつ、必要に応じてこのバッテリの蓄電力によって電動機を駆動するように構成したものである。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の構成において、電動機の回生制御によって発生する電力をバッテリに蓄えるように構成したものである。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、作動部の油圧アクチュエータとして下部走行体に走行用油圧モータ、上部旋回体に旋回用油圧モータをそれぞれ設け、一つの電動機によって駆動される油圧ポンプからの油を切換弁を介して上記走行用油圧モータと旋回用油圧モータの一方に選択的に供給するように構成したものである。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの構成において、電動機と、この電動機の回転方向に応じて油の吐出方向が転換する油圧ポンプが一体となった電動機−ポンプ一体型のアクチュエータを用いたものである。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの構成において、油圧アクチュエータを持たない作動部について、電動機の回転力を減速機により減速して作動部に駆動力として加えるように構成したものである。
【００１８】
上記構成によると、エンジン−発電機…電動機の経路で駆動力が伝達され、機械的な結合はエンジンと発電機のみですむ。
【００１９】
すなわち、パワーユニットをエンジン＋発電機の組と、電動機に分割し、これらを別々（前者を上部旋回体、後者を各作動部）に設置することが可能となる。
【００２０】
このため、一個所に大きな設置スペースを必要とせず、とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。
【００２１】
また、各作動部を電動機によって駆動する構成であり、発電機と電動機とは電気配線によって接続できるため、機械的結合部分の頻繁な切換を要しないとともに、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することができる。
【００２２】
一方、請求項２の構成によると、軽負荷時に、発電機で発生した電力をバッテリに蓄え、重負荷重にバッテリの蓄電力で発電機の電力不足を補い、あるいは発電機に代わって負担することにより、負荷変動の激しいショベルのエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減及び燃費の低減を実現することができる。
【００２３】
さらに、請求項３の構成によると、電動機の回生制御によって発生する電力をバッテリに蓄えることができる。とくに、掘削アタッチメントに設けられた電動機は、位置エネルギー及び運動エネルギーを回生作用に活用することができるため、蓄電効果が高いものとなる。
【００２４】
このため、消費エネルギーを削減し、バッテリを小型化することができる。
【００２５】
また、請求項４の構成によると、同時操作されることが殆どない「走行」と「旋回」について一つの電動機を共用することができる。このため、電動機を二つ節減できる等、機器構成を簡略化し、機器コストを安くすることができる。
【００２６】
さらに、請求項５の構成によると、電動機−油圧ポンプ−油圧アクチュエータの経路で駆動力を伝達する構成において、電動機／ポンプ一体型のアクチュエータを用いているため、これらを別個独立して設ける場合と比較して小型化、軽量化することができる。このため、とくに掘削アタッチメントに設置するのに適したものとなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図によって説明する。
【００２８】
第１実施形態(図１〜図３参照)
図１にこの実施形態にかかるショベル全体を示している。
【００２９】
同図において、１は下部走行体、２は上部旋回体、３は上部旋回体２の前部に装着された掘削アタッチメントである。
【００３０】
下部走行体１は、左右のクローラフレーム４及びクローラ（いずれも片側のみ図示）５から成り、両側クローラ５が、左右の走行用電動機（図３参照）６，７により個別に回転駆動されて走行する。
【００３１】
上部旋回体２は、旋回フレーム８、キャビン９等から成り、旋回フレーム８に、動力源としてのエンジン１０と、このエンジン１０によって駆動される発電機１１と、バッテリ１２と、旋回用電動機１３と、この旋回用電動機１３の回転力を減速して旋回機構（旋回歯車）に伝える減速機１４と、ブーム用電動機１５と、このブーム用電動機１５により回転駆動されるブーム用油圧ポンプ（以下、ブームポンプという）１６が設置されている。
【００３２】
掘削アタッチメント３は、ブーム１７と、ブームポンプ１６からの圧油により伸縮作動してブーム１７を起伏させるブームシリンダ１８と、アーム１９と、このアーム１８を回動させるアームシリンダ２０と、バケット２１と、このバケット２１を作動させるバケットシリンダ２２とを具備して成っている。
【００３３】
この掘削アタッチメント３には、アーム用電動機２３とこれによって駆動されるアーム用油圧ポンプ（以下、アームポンプという）２４がアームシリンダ２０に、またバケット用電動機２５とこれによって駆動されるバケット用油圧ポンプ（以下、バケットポンプという）２６がバケットシリンダ２２にそれぞれ設けられている。
【００３４】
ブーム用電動機１５とブームポンプ１６、アーム用電動機２３とアームポンプ２４、バケット用電動機２５とバケットポンプ２６の各ユニットは、それぞれ公知の一体型アクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３として構成されている。
【００３５】
この一体型アクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３の構成を図２に示している。
【００３６】
同図に示すように、ポンプ１６，２４，２６は、電動機１５，２３，２５の回転方向に応じて油の吐出方向が転換する双方向性ポンプとして構成され、このポンプ１６，２４，２６の両側吐出口が管路２７，２８を介してシリンダ１８，２０，２２のヘッド側及びロッド側油室に接続されている。
【００３７】
図２中、２９，２９はリリーフ弁、３０はオイルタンク、３１はポンプ１６，２４，２６とオイルタンク３０との間に設けられた自動切換弁、３２，３２はオペレートチェック弁、３３は両側管路２７，２８間に設けられた手動開閉弁、３４，３４はスローリターン弁である。
【００３８】
この一体型アクチュエータ構成をとれば、電動機とポンプを別々に設ける場合と比較してユニット全体を小型化、軽量化することができる。このため、掘削アタッチメント３に搭載するのに有利となる。
【００３９】
図３はこのショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を示している。
【００４０】
同図において、実線矢印は電気駆動系、点線矢印は電気回生系、一点鎖線矢印は油圧駆動系をそれぞれ示す。また、図中、３５，３６は左右の走行用電動機６，７の減速機である。
【００４１】
発電機１１と、各電動機６，７，１５，２３，２５及びバッテリ１２との間にインバータ３７が設けられ、このインバータ３７により、
(ｉ)  発電機１１で作られた交流電力が直流に変換されてバッテリ１２に蓄えられ（通常充電作用）、
(ｉｉ)  ショベル作動に伴う回生作用によって各電動機６，７，１５，２３，２５に発生した交流電力が直流に変換されてバッテリ１２に蓄えられ（回生充電作用）、
(ｉｉｉ)  バッテリ１２の蓄電力が交流に変換されて各電動機６，７，１５，２３，２５に供給される（放電作用）。
【００４２】
なお、インバータ３７には、図示しないが切換手段が設けられ、オペレータの操作により、あるいは負荷状況に応じて自動で、上記充放電作用の切換が行われる。
【００４３】
また、各電動機６，７，１５，２３，２５は、オペレータによって操作される図示しないたとえばレバー操作式の操作手段によって回転速度及び回転方向が制御される。
【００４４】
上記(ｉ)〜(ｉｉｉ)の作用を含めたこのショベルの駆動・制御作用を次に説明する。
【００４５】
エンジン１０が運転されると発電機１１が駆動されて発電作用を行い、発生した交流電力により電動機６，７，１５，２３，２５が駆動される。
【００４６】
これにより、掘削アタッチメント３については電動機１５，２３，２５−ポンプ１６，２４，２６−各シリンダ１８，２０，２２の駆動経路で、また下部走行体１及び上部旋回体２については電動機６，７，１３−減速機３５，３６，１４の駆動経路でそれぞれ動力が伝えられて作動（掘削、走行、旋回）する。
【００４７】
ここで、基本的には、各電動機６，７，１５，２３，２５は、発電機１１からインバータ３７経由で供給される電力によって駆動されるが、重負荷時には、前記した切換手段の作用により、バッテリ１２の蓄電力によって電力不足を補い、逆に軽負荷時には発電機１１の余剰電力がバッテリ１２に蓄えられる。
【００４８】
また、運転中、電動機６，７，１５，２３，２５をその位置エネルギー、運動エネルギーを利用して発電機として作用（回生作用）させ、これによって発生する回生電力をバッテリ１２に蓄えることができる。とくに、掘削アタッチメント３に設けられた電動機１５，２３，２５は、位置エネルギー及び運動エネルギーが高いため、蓄電効果が高いものとなる。このため、消費エネルギーを削減し、バッテリ１２を小型化することが可能となる。
【００４９】
一方、軽負荷時でかつバッテリ容量が十分な場合は、エンジン１０の出力を低下させ、あるいはエンジン停止させてバッテリ電力のみによって電動機６，７，１５，２３，２５を駆動することもできる。
【００５０】
このような作用により、エンジン負荷を平滑化し、騒音及び排ガスを削減し、燃費を低減することができる。
【００５１】
このショベルによると、上記のようにエンジン１０−発電機１１…電動機６，７，１５，２３，２５の経路で回転力が伝達され、機械的な結合はエンジン１０と発電機１１のみですみ、パワーユニットをエンジン１０＋発電機の組と、電動機６，７，１５，２３，２５に分割し、前者を上部旋回体２、後者を各作動部（下部走行体１、上部旋回体２、掘削アタッチメントの各部）に設置することが可能となる。従って、一個所にまとまった大きな設置スペースを必要としないため、とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。
【００５２】
また、各作動部を電動機６，７，１５，２３，２５によって駆動する構成であり、発電機１１とこれら電動機６，７，１５，２３，２５とは電気配線によって接続できるため、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することができる。
【００５３】
第２実施形態（図４参照）
第１実施形態との相違点のみを説明する。
【００５４】
下部走行体１の「走行」動作と上部旋回体２の「旋回」動作は、実作業上、同時に行われることが殆どない。
【００５５】
第２実施形態ではこの点に着目し、走行・旋回兼用の電動機４０を用い、同電動機４０で走行・旋回兼用油圧ポンプ４１を駆動し、同ポンプ４１からの圧油を、切換弁４２を介して左右の走行用油圧モータ４３，４４または旋回用油圧モータ４５に供給して走行・旋回動作を選択的に行い得る構成をとっている。
【００５６】
こうすれば、電動機を二つ節減できる等、機器構成を簡略化することができる。
【００５７】
ところで、第１実施形態においては、ブーム用、アーム用、バケット用の各電動機１５，２３，２５と、これによって駆動される各ポンプ１６，２４，２６を一体化した一体型アクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３を用いたが、この電動機１５，２３，２５とポンプ１６，２４，２６を別体に設けて機械的に結合する構成をとってもよい。
【００５８】
また、本発明は、掘削アタッチメント３においてバケット２１に代えて他の作業工具（たとえば排土板や破砕機）を取付けたショベル、掘削アタッチメント３として図１に示すような手前側に掘削するバックホー型のものに代えて、手前側から向こう側に掘削するローディング型のものを備えたショベル、下部走行体としてクローラに代えてホイールを用いたショベルにも適用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
上記のように本発明によるときは、動力源としてのエンジンによって発電機を駆動し、この発電機から供給される電力によって電動機を回転させ、この電動機によって下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部を作動させ、このうち油圧アクチュエータを備えた作動部については、電動機によって油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプからの油によって上記油圧アクチュエータを作動させるように構成したから、機械的な結合はエンジンと発電機のみですむ。
【００６０】
すなわち、パワーユニットをエンジン＋発電機の組と、電動機に分割し、これらを別々（前者を上部旋回体、後者を各作動部）に設置することが可能となる。
【００６１】
このため、一個所に大きな設置スペースを必要とせず、とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。
【００６２】
また、各作動部を電動機によって駆動する構成であり、発電機と電動機とは電気配線によって接続できるため、機械的結合部分の頻繁な切換を要しないとともに、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することができる。
【００６３】
一方、請求項２の発明によると、軽負荷時に、発電機で発生した電力をバッテリに蓄え、重負荷重にバッテリの蓄電力で発電機の電力不足を補い、あるいは発電機に代わって負担することにより、負荷変動の激しいショベルのエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減及び燃費の低減を実現することができる。
【００６４】
さらに、請求項３の発明によると、電動機の回生制御によって発生する電力をバッテリに蓄えることができる。とくに、掘削アタッチメントに設けられた電動機は、位置エネルギー及び運動エネルギーを回生作用に活用することができるため、蓄電効果が高いものとなる。
【００６５】
このため、消費エネルギーを削減し、バッテリを小型化することができる。
【００６６】
また、請求項４の発明によると、同時操作されることが殆どない「走行」と「旋回」について一つの電動機を共用することができる。このため、電動機を二つ節減できる等、機器構成を簡略化し、機器コストを安くすることができる。
【００６７】
さらに、請求項５の発明によると、電動機−油圧ポンプ−油圧アクチュエータの経路で駆動力を伝達する構成において、電動機／ポンプ一体型のアクチュエータを用いているため、これらを別個独立して設ける場合と比較して小型化、軽量化することができる。このため、とくに掘削アタッチメントに設置するのに適したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態にかかるショベルの全体概略側面図である。
【図２】  同ショベルに使用される電動機・ポンプ一体型アクチュエータの回路図である。
【図３】  同ショベルの駆動・制御系のブロック構成図である。
【図４】  本発明の第２実施形態にかかるショベルの図３相当図である。
【符号の説明】
１  下部走行体
２  上部旋回体
３  掘削アタッチメント
１７  掘削アタッチメントの作動部としてのブーム
１９  同アーム
２１  同バケット
１８  ブームシリンダ
２０  アームシリンダ
２２  バケットシリンダ
６，７  走行用電動機
３５，３６  同減速機
１３  旋回用電動機
１４  同減速機
１５  ブーム用電動機
２３  アーム用電動機
２５  バケット用電動機
１６  ブームポンプ
２４  アームポンプ
２６  バケットポンプ
４０  走行・旋回兼用電動機
４３，４４  走行用油圧モータ
４５  旋回用油圧モータ
４２  切換弁
【図１】
0003877901.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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