CN1938485B - 作业机械的旋转制动方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是：在紧急时，可迅速使旋转体停止旋转，而且，可防止机械制动器的破损。其解决方案是：通过永久磁铁式旋转电动机(17)对旋转体进行旋转驱动，在旋转电动机(17)的驱动系统或者控制系统发生异常等的紧急时，由外部制动电阻(24)消耗基于惯性转动在电动机(17)中所产生的电力，由此，进行电气制动作用，并且，在旋转体的旋转速度变为设定值以下时，使机械制动器(21)工作，使旋转体停止旋转并保持停止。

Description

作业机械的旋转制动方法及其装置

技术领域

本发明涉及在由电动机对旋转体进行旋转驱动的作业机械中，在因旋转电动机的驱动系统的电源切断或者控制系统的故障等而产生异常的紧急时刻，针对旋转体进行制动的旋转制动方法及其装置。

背景技术

在挖掘机或者起重机等旋转型作业机械中，如专利文献1所示，使用电动机代替以往的液压马达来作为旋转驱动源的技术是公知的。

在该公知技术中，采取了如下结构：将电动机用作发电机，利用其再生制动转矩来使旋转体制动、停止。

专利文献1：日本专利公开2001-207478号公报

但是，在公知技术中，当由于发电机的故障以及其它原因旋转电动机的电源被切断或者旋转的控制系统出现故障而不能控制旋转电动机等异常发生时，由电动机的发电作用产生的制动就不起作用，成为与液压方式中的中立游离状态(neutral free mode)相同的只有惯性起作用的状态，产生长时间不停止的情况。

另一方面，挖掘机或者起重机还装备机械制动器，它是作为在旋转停止状态下保持停止状态的停车制动器而工作的。因此，可以考虑将该机械制动器作为紧急制动器进行工作。

但是，机械制动器只具有原来为了保持停止状态而被设计的制动性能，因此若使其在高速旋转中工作，则存在热容量不足而破损的危险。另外，若使机械制动器具备足够的热容量，则引起例如还需要冷却装置等的制动器整体大型化，从而在设置空间和成本方面实现变得困难。

发明内容

因此，本发明提供一种可在紧急时刻使旋转体迅速减速、停止旋转而且可防止机械制动器的破损的作业机械的旋转制动方法及其装置。

为解决上述问题，本发明具体如下。

即，作为旋转制动方法，使用永久磁铁式电动机作为对旋转体进行旋转驱动的旋转电动机，在旋转加速时以及旋转减速时，通过控制器控制所述旋转电动机，并且在该控制器中产生异常的紧急时，将所述旋转电动机连接到该旋转电动机的外部的制动电阻上，由所述制动电阻来消耗所述旋转电动机中基于惯性转动所产生的电力，由此，进行电气制动作用，利用该电气制动作用对旋转体进行制动使其减速，并且，在该减速期间，当旋转体的旋转速度变为设定值以下时，使机械制动器工作。

此外，作为旋转制动装置，具备：旋转电动机，对旋转体进行旋转驱动；机械制动器，对该旋转电动机进行机械式制动；控制单元，对该旋转电动机和机械制动器的工作进行控制；以及速度检测单元，检测出旋转体的旋转速度，其中，作为所述旋转电动机，使用如下的永久磁铁式电动机：该永久磁铁式电动机由该旋转电动机的外部的制动电阻消耗因惯性转动产生的电力，由此，能进行电气制动作用，所述控制单元包含：在旋转加速时以及旋转减速时控制所述旋转电动机的控制器，并且，在该控制器中产生异常的紧急时，通过将所述旋转电动机连接到所述制动电阻上，使所述旋转电动机进行所述电气制动作用，当旋转体的旋转速度因该电气制动作用而变为设定值以下时，基于来自所述速度检测单元的速度信号，使所述机械制动器工作。

按照本发明，作为旋转电动机，使用如下的永久磁铁式电动机：该永久磁铁式电动机由外部的制动电阻消耗因惯性转动产生的电力，由此，发挥电气制动功能，在紧急时，使该旋转电动机进行电气制动作用，以制动旋转体而使其减速，在旋转体的旋转速度变为设定值以下时(变为低速时，或者停止时)，使机械制动器工作，从而使旋转体停止并保持停止，因此，不论在驱动系统或者控制系统异常时都可迅速地使旋转体停止旋转。

而且，因为本发明只在低速或者停止状态下使机械制动器工作，所以，即使直接利用原本安装在机械上的机械制动器，也不存在破损的危险。还有，即使要提高该制动器的性能，小型的也就可以实现，不必采用具有大规模的冷却装置的大型制动器来实现。

附图说明

图1是应用本发明的挖掘机的概要侧面图。

图2是表示本发明的实施方式的方框结构图。

图3是该实施方式中的制动电路的电路图。

图4是表示电气制动以及机械制动器的启动时间的图。

图5是表示多种条件下的电气制动的最大转矩、与制动时间以及电动机速度的关系图。

图6是表示多种条件下的电气制动的最大转矩、与制动时间以及旋转角度的关系图。

具体实施方式

图1中示出成为应用对象的挖掘机。

该挖掘机是如下构成：即，上部旋转体2可绕纵轴自由旋转地搭载在履带式的下部行进体1上，在该上部旋转体2上安装有作业(挖掘)附属装置9，该作业(挖掘)附属装置9具有动臂3、斗杆4、铲斗5以及驱动它们的动臂用、斗杆用、铲斗用各液压缸6、7、8。

图2表示该挖掘机整体的驱动、控制系统的方框结构。

如该图所示，由发动机10驱动液压泵11，其喷出油经由控制阀CV(控制阀CV应该按照各致动装置来分别设置，但此处示为一个阀块)供给到各液压缸6～8以及对下部行进体1进行行进驱动的左右行进电动机M1、M2。

此外，发电机13经由加速机构12连接到发动机10上，该发电机13所发的电力经由控制电压和电流的控制器14储存在电池15中，并且，经由变换器16施加在旋转电动机17上。

由此，旋转电动机17转动，其转动力经由旋转用减速机构18传递到上部旋转体2上，该旋转体2向左或者向右旋转。

19是作为旋转操作单元的杆式旋转操作部(例如，电位器)，正常时，基于来自该旋转操作部19的操作信号，从控制器20向变换器16发出指令，基于该指令，进行旋转电动机17的加速、减速、保持停止的各个控制。

旋转电动机17，在旋转加速时被变换器控制以利用发电机和电池15的至少一方的电力来进行电动机作用，在减速时被变换器控制以进行发电机作用，将通过再生发电所产生的电力储存在电池15中。

此外，旋转电动机17中设置有产生机械式制动力的机械制动器21。

如图3所示，该机械制动器21为液压式的负制动器(negativebrake)，在从制动器液压源22经由电磁切换阀23导入液压的时候，解除制动力，在该机械制动器21的工作解除状态下进行旋转动作。

根据图3说明对紧急时的制动工作进行控制的制动电路X的构成。

旋转电动机17使用即使在电源切断状态下也会通过惯性转动产生电力的永久磁铁式电动机，通过使所产生的电力送到该电动机17的外部所设置的制动电阻24中，由此，发挥电气制动功能。

制动电阻24经由整流电路25分路连接在旋转电动机17的供电线上，通过第1继电器26的常闭触点27、或者第2继电器28的常开触点29的接通而被通电。

30是检测出旋转电动机17的发电电压的电压检测电路，该电路30的输出经由变压器31和整流电路32传送到作为速度检测单元的电压比较电路33来作为一方的输入电压Vi，与设定值Vref进行比较。

即，流到制动电阻24中的电流与旋转电动机17(上部旋转体2)的转动速度的降低成正比例地降低，电压检测电路30的输出也与此相应地降低，因此，可通过电压比较电路33判定旋转速度是否变为了设定值以下。具体地说，Vi≥Vref时输出信号“L”，Vi＜Vref时输出信号“H”。

在电压比较电路33的输出侧连接有具备NOT、AND、OR的各元件34、35、36的、作为输出电路的逻辑电路37，将电压比较电路33的输出值输入到NOT元件34。

向AND元件35输入：来自对控制器20的异常产生进行监视的监视器晶体管(watchdog transistor)38的输出值(正常时为“H”，产生异常时为“L”)、和从控制器20输出针对机械制动器21的工作或者工作解除指令的机械制动器指令输出晶体管39的输出值(工作指令时为“L”，解除指令时为“H”)。向OR元件36输入NOT元件34和该AND元件35的各输出值。

置于该OR元件36的输出侧连接有放大电路40，在从OR元件36输出信号“H”的时候(正常时)，经由放大电路40向电磁切换阀23输出工作解除信号。

由此，该切换阀23从图左侧的制动器工作位置a切换到右侧的工作解除位置b，解除机械制动器21的工作。

表1是关于机械制动器指令输出晶体管39的输出、监视器晶体管38的输出、电动机速度、机械制动器工作的各项目的逻辑值表，根据该逻辑值表进行如下的工作。

表1

机械制动器指令输出晶体管39的输出	监视器晶体管38的输出	电动机速度	机械制动器21的状态
				解除(H)	正常(H)	快(H)	解除(H)
解除(H)	正常(H)	慢(L)	解除(H)
				工作(L)	正常(H)	快(H)	解除(H)
工作(L)	正常(H)	慢(L)	工作(L)
				解除(H)	异常(L)	快(H)	解除(H)
解除(H)	异常(L)	慢(L)	工作(L)
				工作(L)	异常(L)	快(H)	解除(H)
工作(L)	异常(L)	慢(L)	工作(L)

(I)在监视器晶体管38的输出为表示控制器正常的信号“H”的情况下，当机械制动器指令输出晶体管39的输出为表示机械制动器工作解除指令的信号“H”时，则OR输出与电动机速度无关地成为“H”，机械制动器21仍保持被解除的状态。

(II)在监视器晶体管38的输出为表示控制器正常的信号“H”、并且机械制动器指令输出晶体管39的输出为表示机械制动器工作指令的信号“L”的情况下，当电动机速度比设定值高时，则OR输出成为“H”，机械制动器21成为解除状态，但是，当电动机速度比设定值低时，则OR输出成为“L”，机械制动器21成为工作状态。

(III)若控制器20产生异常而监视器晶体管38的输出变为“L”，则与机械制动器指令输出晶体管39的输出状态无关地：在电动机速度比设定值高的情况下，OR输出成为“H”，机械制动器21成为解除状态；但是，在电动机速度比设定值低的情况下，OR输出成为“L”，机械制动器21成为工作状态。

另一方面，继电器触点27，在控制器正常时，其为断开(off)，在控制器异常时，其为接通(on)。此外，在电动机电源切断时，继电器触点29根据来自控制器20的信号变为接通(on)。

也就是说，

a)当由于控制电源的切断或者控制器自身故障等而在控制器20中产生异常时，则继电器触点27就变为接通。

b)在由于发电机13的故障等电动机电源被切断的情况下，当控制器20正常工作时，则控制器20根据例如电压降低而检测出该电源切断，使第2继电器28工作，从而该继电器触点29变为接通。

c)在电动机电源切断并且控制器20中产生异常的情况下，因为监视器晶体管38的输出表示异常，所以，继电器触点27变为接通。

由此，在任意一种情况之下，电流都流到制动电阻24中而起到电气制动作用，通过该电气制动使旋转电动机17减速，并且，若电动机速度下降到设定值以下，就使机械制动器21工作。

通过以上作用，在紧急时，如图4所示，可通过电气制动作用自动减速，并且，在其减速期间，在旋转速度变为设定值以下时，通过机械制动器21，使旋转电动机17(上部旋转体2)停止并且保持停止。

此处，电气制动的转矩由制动电阻24的值来决定，在从最大速度开始减速时，其为最大，随着旋转速度(惯性旋转的速度)的降低而降低。

根据以下的理由，优选该电气制动的最大转矩设定为与正常时的电动机最大制动转矩大致相等的值。

图5示出紧急制动时的时间与电动机速度的关系，图6示出时间与到停止为止所需的旋转角度的关系。

以正常时的电动机最大转矩进行制动时，以一定转矩、一定加速度进行制动，由此，示出图5的直线i、以及图6的曲线A的特性(忽略效率)。

另一方面，当使电气制动最大转矩与正常时的电动机最大转矩一致时，示出图5的曲线ii、以及图6的曲线B的特性，到停止为止的所需时间、制动距离(角度)都比正常时(i，A)大。

因此，当将图6的曲线C的特性作为目标使得制动距离与正常时的制动距离相同时，电气制动最大转矩大到变为正常时的2倍左右。若如此，因为旋转电动机17和减速机构18的转矩负担也变为2倍，所以，产生了因流到电动机17的内部电阻的电流而引起的发热(与电流的平方成正比例)问题、和减速机构18的强度问题。

与此相对，当以图5的曲线iv为目标使得制动时间与正常时相同时，电气制动最大转矩进一步变大，故不实用。

此外，当将电气制动最大转矩设得比正常时的电动机最大转矩小时，就成为图5的曲线v。虽然不会产生电动机17的发热以及减速机构18的强度的问题，但是，由于到停止为止的时间变得非常长，制动角度也变得非常大，所以，在安全方面存在问题。

从以上方面看，最优选的选择为：将紧急时的电气制动最大转矩设定为与正常时的电动机最大转矩相同的值，并且，当旋转速度变为设定值以下时，则使机械制动器21工作。

另外，考虑到兼顾使该机械制动器21的热负载小以防止其破损(或者极力避免用于破损防止的大型化)的观点和使制动时间或制动距离小的观点，来设定使机械制动器21的工作开始的电动机速度(旋转速度)，如图4所示，通常，在旋转速度足够低(例如50rad/s左右)的时刻，使机械制动器21工作。

或者，通过电气制动，可以在速度变为0或大约为0时使机械制动器21工作。此种情况下，电气制动发挥主要的制动作用，机械制动器21主要发挥保持停止作用。

再说，在所述实施方式中，虽然采用了如下构成：通过电气制动电路中的电压检测电路30，检测出制动电阻24的端子电压作为速度，通过电压比较电路33将所检测出的电压与设定值进行比较，判定旋转速度为设定值以上还是以下，来进行控制。但也可采用如下构成：检测出制动电阻24中流过的电流，比较该检测电流值与设定电流值，判定旋转速度为设定值以上还是以下，来进行所述相同的控制。

此外，也可以构成为：通过速度传感器直接检测出旋转电动机17或旋转用减速机构18的旋转速度、或者上部旋转体2的旋转速度，并将其利用控制器20或者另外的比较部与设定值进行比较。此种情况下，作为速度传感器，优选使用在电源故障的情况下也能够工作的传感器(例如，转速传感器)。

此外，机械制动器21不限于所述实施方式的缸式(cylinder)结构，也可以使用液压驱动式或者电气驱动式的盘式制动器等。

如上所述，本发明使用由外部的制动电阻消耗因惯性转动所产生的电力从而发挥电气制动功能的永久磁铁式电动机作为旋转电动机，在紧急时，由该旋转电动机的电气制动作用对旋转体进行制动使其减速，当旋转体的旋转速度变为设定值以下时，则使机械制动器工作，从而使旋转体停止并保持停止。

这时，在本发明中，其为如下构成：通过比较部，对旋转电动机的发电作用产生的电压或者电流的值与设定值进行比较，基于该比较结果，使机械制动器工作。根据该构成，就不需要另外设置用于确定机械制动器的启动时间的速度传感器。因此，可使成本低廉，并且，与外部传感器相比，产生故障和异常的可能性变低。

在本发明中，作为速度检测单元，使用检测出旋转电动机或者其减速机构的转动速度的速度传感器。这时，就需要另外设置速度传感器，但是，速度的检测本身却能够容易地进行。

此外，在本发明中，将电气制动的最大转矩(从最大速度开始减速的时刻的转矩)设定为与正常时的电动机最大制动转矩大致相同的值。根据该构成，可避免过剩转矩对电动机(包括减速机)进行作用，同时还能将到旋转停止为止的时间以及距离(角度)确保在接近于正常时的数值。

按照本发明，可以起到如下有用的效果：在紧急时，可迅速使旋转体减速、停止旋转，而且，可以防止机械制动器的破损。

Claims (8)

1.一种作业机械的旋转制动方法，其特征在于，

使用永久磁铁式电动机作为对旋转体进行旋转驱动的旋转电动机，在旋转加速时以及旋转减速时，通过控制器控制所述旋转电动机，并且，在该控制器中产生异常的紧急时，将所述旋转电动机连接到该旋转电动机的外部的制动电阻上，由所述制动电阻来消耗所述旋转电动机中基于惯性转动所产生的电力，由此，进行电气制动作用，利用该电气制动作用对旋转体进行制动使其减速，并且，在该减速期间，当旋转体的旋转速度变为设定值以下时，使机械制动器工作。

2.一种作业机械的旋转制动装置，其特征在于，

具备：旋转电动机，对旋转体进行旋转驱动；机械制动器，对该旋转电动机进行机械式制动；控制单元，对该旋转电动机和机械制动器的工作进行控制；以及，速度检测单元，检测出旋转体的旋转速度，

其中，作为所述旋转电动机，使用如下的永久磁铁式电动机：该永久磁铁式电动机由该旋转电动机的外部的制动电阻消耗因惯性转动产生的电力，由此，能进行电气制动作用，

所述控制单元包含：在旋转加速时以及旋转减速时控制所述旋转电动机的控制器，并且，在该控制器中产生异常的紧急时，通过将所述旋转电动机连接到所述制动电阻上，使所述旋转电动机进行所述电气制动作用，当旋转体的旋转速度因该电气制动作用而变为设定值以下时，基于来自所述速度检测单元的速度信号，使所述机械制动器工作。

3.如权利要求2记载的作业机械的旋转制动装置，其特征在于，

作为机械制动器，使用液压式的负制动器，在经由切换阀导入液压时解除制动力；控制单元对所述切换阀的工作进行控制。

4.如权利要求2或3记载的作业机械的旋转制动装置，其特征在于，

作为速度检测单元，具有比较部，将旋转电动机的发电作用产生的电压或电流的值与设定值进行比较，基于该比较部的比较结果使机械制动器工作。

5.如权利要求2或3记载的作业机械的旋转制动装置，其特征在于，

作为速度检测单元，使用速度传感器，对旋转电动机或者对其减速机构的旋转速度进行检测。

6.如权利要求2或3记载的作业机械的旋转制动装置，其特征在于，

由旋转电动机的电气制动作用所产生的最大转矩被设定为与正常时的电动机最大制动转矩大致相等的值。

7.如权利要求4记载的作业机械的旋转制动装置，其特征在于，

由旋转电动机的电气制动作用所产生的最大转矩被设定为与正常时的电动机最大制动转矩大致相等的值。

8.如权利要求5记载的作业机械的旋转制动装置，其特征在于，

由旋转电动机的电气制动作用所产生的最大转矩被设定为与正常时的电动机最大制动转矩大致相等的值。

Images