JP2004124381A - 油圧建設機械のエネルギ回生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】油圧作業機6を駆動する複数の油圧アクチュエータ7,8,9,10,11L,11Rと、それら油圧アクチュエータ7〜11に圧油を供給する油圧ポンプ13と、油圧ボンプ13を直接又は間接的に駆動するエンジン12とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、旋回用油圧モータ10に直結され、その補助的な駆動・被駆動を行う電動・発電機17と、この電動・発電機と電気エネルギの授受を行う蓄電装置19と、電動・発電機17の動作を制御する電動・発電機制御装置18とを備える。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベルやホイールローダなどの油圧建設機械に係わり、特に、その油圧建設機械に設けられたエネルギ回生装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば、建設機械の1つである油圧ショベルは、下部走行体と、この下部走行体に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に伏仰可能に接続され、ブーム、アーム、及びバケットを含む多関節型のフロント作業機とを備えている。
【0003】
これら下部走行体、上部旋回体、及びフロント装置は、この油圧ショベルに備えられた油圧駆動装置の被駆動部材を構成している。この油圧駆動装置は、一般に、エンジン等の原動機と、この原動機によって駆動する少なくとも1つの油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記ブーム、アーム、バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記下部走行体を走行させる走行用油圧モータ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記上部旋回体を下部走行体に対し旋回させる旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータをそれぞれ操作する操作手段とを有している。
【0004】
ここで、上記油圧油圧アクチュエータの被駆動部材の中でも、例えば、旋回用油圧モータにより旋回駆動される上部旋回体や、ブーム用油圧シリンダにより伏仰駆動されるブームは大型物であり、その自重が比較的重い。したがって、旋回運動している上部旋回体は大きな慣性運動エネルギを持っており、また自重で落下するブームは大きな位置エネルギを放出していることとなるが、元来、これら旋回の慣性運動エネルギやブームの位置エネルギは、油圧駆動装置の油圧回路中において作動油が流動するときの絞り損失としてそのまま捨てられていた。
【0005】
そこで、これを回収し有効活用するために、例えば、特開2000−136806号公報や特開平11−343642号公報に記載の従来技術が提唱されている。
【0006】
特開2000−136806号公報に記載のエネルギ回収装置は、ブーム用油圧シリンダや旋回用油圧モータの排出油でポンプモータを駆動し、この動力で発電機を駆動して発生した電力をバッテリに蓄え、そのバッテリの電力を再生に利用するものであり、これによって旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを回収し有効活用できるように図っている。
【0007】
特開平11−343642号公報に記載のバッテリー駆動式作業機械では、旋回用アクチュエータ及びブーム用アクチュエータとして電動モータ(兼発電機)を使用することにより、旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを電力としてバッテリに蓄えるようになっている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下の課題が存在する。
【0009】
特開2000−136806号公報に記載の従来技術では、圧油のエネルギを回収するために、油圧ポンプモータによって電動モータを駆動するので回収効率が低い。また、エネルギ回収用の油圧装置を別途設ける必要があるため、装置が複雑となる。また特に、排出油についてのメータリングを制御するのは困難である。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【0010】
特開平11−343642号公報に記載の従来技術では、すべてのアクチュエータを電動モータとしているが、現状では電動モータで現行の油圧アクチュエータと同等の性能を得るのは困難であるため、アクチュエータをすべて電動モータ化するのは実際上無理がある。特に、ブームの駆動アクチュエータとして電動モータを使用しようとすると大駆動力を得るためには減速機が必要となり、駆動系の大型化を招く。以上の結果、現実には実用化は困難である。
【0011】
本発明の目的は、簡単かつ実用化が容易な構成で、高効率のエネルギ回収を行える油圧建設機械のエネルギ回生装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するために、本発明は、油圧作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを直接又は間接的に駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも1つに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、当該油圧アクチュエータの補助的な駆動・被駆動を行う電動・発電機と、前記電動・発電機と電気エネルギの授受を行う蓄電手段と、前記電動・発電機の動作を制御する電動・発電機制御手段とを備える。
【0013】
本発明においては、電動・発電機制御手段の制御に基づき、少なくとも1つの油圧アクチュエータに併設された電動・発電機がそのアクチュエータの補助的な駆動・被駆動を行い、蓄電手段と電気エネルギの授受を行う。これにより、例えば上部旋回体の減速時にその慣性運動エネルギによって旋回用油圧モータに併設した電動・発電機で発電を行ったり、またブームが落下する時にその位置エネルギによってブーム用油圧シリンダに併設した電動・発電機で発電を行ったりして、それらの電気エネルギを蓄電手段に効率よく蓄える(回生する)ことが可能となる。また上部旋回体の駆動時やブーム用油圧シリンダの駆動時には、その蓄電手段に蓄えた電気エネルギを電動・発電機に供給し旋回用油圧モータやブーム用油圧シリンダを補助的に駆動することができる。
【0014】
本発明においては、以上のようにして、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータに電動・発電機を併設するとともに電動・発電機制御手段、蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、原動機としてエンジンを使う場合には作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【0015】
(2)上記目的を達成するために、また本発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記旋回用油圧モータに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第1電動・発電機と、前記第1電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第1蓄電手段と、前記第1電動・発電機の動作を制御する第1電動・発電機制御手段とを備える。
【0016】
(3)上記(2)において、好ましくは、前記第1電動・発電機制御手段は、前記旋回用油圧モータが減速する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第1蓄電手段に回生するように、前記第1電動・発電機の動作を制御する。
【0017】
(4)上記目的を達成するために、また本発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に俯仰可能に連結され、ブーム、アーム、バケットを備えた多関節型のフロント作業機と、前記ブーム、前記アーム、前記バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記ブーム用油圧シリンダに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第2電動・発電機と、前記第2電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第2蓄電手段と、前記第2電動・発電機の動作を制御する第2電動・発電機制御手段とを備える。
【0018】
(5)上記(4)において、好ましくは、前記第2電動・発電機制御手段は、前記ブームの自重落下に伴う前記ブーム用油圧シリンダが縮短する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第2蓄電手段に回生するように、前記第2電動・発電機の動作を制御する。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
本発明の第1の実施形態を図1〜図4により説明する。
【0021】
図1は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械(この例では油圧ショベル)の全体構造を表す側面図であり、図2は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【0022】
図1において、この油圧ショベルは、走行手段としての左・右無限軌道履帯1Aを備えた下部走行体1と、この下部走行体1上に旋回可能に設けた上部旋回体2と、この上部旋回体2に俯仰動可能に接続され、ブーム3、アーム4、バケット5からなる多関節型の油圧作業機(フロント装置)6と、ブーム3、アーム4、バケット5、上部旋回体2、左・右無限軌道履帯1Aをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ7、アーム用油圧シリンダ8、バケット用油圧シリンダ9、旋回用油圧モータ10、左・右走行用油圧モータ11L,11Rとを備えている。
【0023】
図2において、この油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ7、アーム用油圧シリンダ8、バケット用油圧シリンダ9、旋回用油圧モータ10と、左・右走行用油圧モータ11L,11Rと、原動機としてのエンジン12と、このエンジン12により直接駆動される油圧ポンプ13と、この油圧ポンプ13より吐出され上記ブーム用油圧シリンダ7、アーム用油圧シリンダ8、バケット用油圧シリンダ9、旋回用油圧モータ10、左・右走行用油圧モータ11L,11Rへそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ、旋回用コントロールバルブ、左・右走行用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置14と、操作レバー装置15と、この操作レバー装置15の操作信号を入力し、対応するコントロールバルブの駆動信号を生成して出力するコントローラ16とを備えている。
【0024】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、旋回用油圧モータ10に機械的に直結され、旋回用油圧モータ10の駆動補助あるいは被駆動(発電)を行う電動・発電機17と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え、上記電動・発電機17の制御を行う電動・発電機制御装置(インバータ/コンバータ)18と、電動・発電機制御装置と電気エネルギの授受を行う蓄電装置(バッテリ)19とを備えている。
【0025】
次に、上記構成の本実施形態のエネルギ回収装置の動作及び作用効果を図3を用いて説明する。図3は、前述した旋回用操作レバーの操作量と上記電動・発電機17におけるモータトルク発生量(発生方向)との関係を概念的に表した説明図であり、右旋回方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表したものである。
【0026】
上記構成である本実施形態においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうとして油圧ショベルの上部旋回体2を右旋回動作させるべく操作レバー装置15の旋回用操作レバー(図示せず)を右旋回方向(又は左旋回方向、かっこ内対応関係同じ)に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ16からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置14に出力され、旋回用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ13からの圧油が旋回用コントロールバルブから旋回用油圧モータ10へ供給されて右方向(又は左方向)へ回転駆動され、旋回を開始する。またこのとき、図3に示すように、操作量x(右方向を正で表す)が所定値xo以上となると(又は所定値−xo以下となると)、コントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18の制御によって蓄電装置19に蓄えた電気エネルギが電動・発電機17に供給されて電動・発電機17が電動機として作用し図3に示すように右旋回方向のトルクTo(又は左旋回方向のトルク−To)を発生し、これによって旋回用油圧モータ19の駆動を補助する。
【0027】
その後、例えば上部旋回体2がある程度旋回したら(例えばバケット5が土砂運搬用ダンプトラックの荷台に近づいたら)、操作者は右(又は左)旋回動作を停止させるべく操作レバー装置15の旋回用操作レバー(図示せず)を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ16から旋回用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、旋回用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ13から旋回用油圧モータ10への圧油供給が遮断される。
【0028】
このとき、旋回用油圧モータ17により旋回駆動される上部旋回体2は大型物であって自重が比較的重いことから、旋回運動している上部旋回体2は大きな慣性運動エネルギを持っており、旋回用油圧モータ10への圧油供給が遮断されてもそのまま旋回運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、操作量xが0(中立位置)近傍の所定範囲内(−xi≦x≦xi)となるとコントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18の制御によって、旋回用油圧モータ10に併設した電動・発電機17で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機17は発電機として作用して逆方向の左旋回方向へのトルク−To(又は右旋回方向へのトルクTo)を発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置19に効率よく蓄える(回生する)。この蓄電装置19に蓄えた電気エネルギは、次回の上部旋回体2の旋回駆動時に再び電動・発電機17に供給され旋回用油圧モータ10を補助的に駆動することに用いられる。
【0029】
以上のようにして、本実施形態によれば、上部旋回体2の旋回減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ7,8,9,10,1l,11Rのうちの旋回用油圧モータ10に電動・発電機17を併設するとともに電動・発電機制御装置18、蓄電装置19を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、エンジン12の作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
【0030】
なお、上記実施形態のように旋回用油圧モータ10に電動・発電機を併設するのに代え、別のアクチュエータに直結又は間接的に電動・発電機を連結してもよい。以下、そのような変形例を説明する。
【0031】
(1)ブーム用油圧シリンダに適用した場合
図4は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械(この例では油圧ショベル)の全体構造を表す側面図であり、図5は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、図6はブーム用操作レバーの操作量と対応する電動・発電機21(後述)におけるモータトルク発生量(発生方向)との関係を概念的に表した説明図(ブーム上げ方向へのレバー操作量及びモータトルク発生量を正の値にとって表している)であり、それぞれ上記図1、図2、及び図3に相当する図である。図1及び図2と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0032】
図4及び図5において、この変形例では、ブーム用油圧シリンダ7に駆動力伝達機構(例えばワイヤーロープ)20を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ7の駆動補助あるいは被駆動(発電)を行う電動・発電機21を備えている。
【0033】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム3を上げ動作させるべく操作レバー装置15のブーム用操作レバー(図示せず)を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ16からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置14に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ13からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ7のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ7が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。またこのとき、図6に示すように、操作量y(ブーム上げ方向を正で表す)が所定値yi以上となると、コントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18の制御によって蓄電装置19に蓄えた電気エネルギが電動・発電機21に供給されて電動・発電機21が電動機として作用し図6に示すようにブーム上げ方向のトルクT1を発生し、これによって駆動力伝達機構20を介しブーム用油圧シリンダ7の伸長駆動を補助する。
【0034】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置15のブーム用操作レバー(図示せず)を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ16からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ13からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ7のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム3の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ7が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。このとき、ブーム用油圧シリンダ7により駆動されるブーム3は大型物であって自重が比較的重いことから、自重落下するブーム3は大きな位置エネルギを放出している。これを利用して本実施形態においては、図6に示すように、操作量y(ブーム上げ方向を正で表す)が所定値−yi以下となると、コントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18の制御によってブーム用油圧シリンダ7に連結した電動・発電機21で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機21は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクT1を発生しつつ発電を行い上記位置エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置19に効率よく蓄える(回生する)。この蓄電装置19に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム3の上げ駆動時に再び電動・発電機21に供給されブーム用油圧シリンダ7を補助的に駆動することに用いられる。
【0035】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、ブーム3の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ7,8,9,10,1l,11Rのうちのブーム用油圧シリンダ7に電動・発電機21を併設するとともに電動・発電機制御装置18、蓄電装置19を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【0036】
(2)走行用油圧モータに適用した場合
図7は、本変形例のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械(この例では油圧ショベル)の全体構造を表す側面図であり、図8は、本変形例のエネルギ回生装置を油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図であり、それぞれ上記図又は図4、及び、図2又は図5に相当する図である。図1〜図5と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0037】
図7及び図8において、この変形例では、左・右走行用油圧モータ11L,11Rの駆動する駆動輪24L,24R(図示せず)と履帯1Aを介し間接的に連結された従動輪22L,22R(図示せず)に直結された(言い換えれば駆動輪24L,24R、履帯1A、及び従動輪22L,22Rを介し左・右走行用油圧モータ11L,11Rと間接的に連結された)左・右電動・発電機23L,23Rを備えている。
【0038】
上記構成である本変形例においては、例えば操作者が自力走行を行おうとして油圧ショベルの下部走行体1を走行動作させるべく操作レバー装置15の走行用操作レバー(図示せず)を前進方向(又は後進方向、かっこ内対応関係同じ)に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ16からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置14に出力され、左・右走行用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ13からの圧油が左・右走行用コントロールバルブから左・右走行用油圧モータ11L,11Rへ供給されて前進方向(又は後進方向)へ回転駆動され、前進走行(又は後進走行)を開始する。またこのとき、詳細な図示は省略するが、上記実施形態と同様の原理で、その操作レバーの操作量が例えば所定のしきい値を超えると、コントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18L,18Rの制御によって蓄電装置19に蓄えた電気エネルギがそれぞれ電動・発電機23L,23Rに供給されて電動・発電機23L,23Rが電動機として作用し前進方向(又は後進方向)のトルクを発生し、これによって従動輪22L,22R、無限軌道履帯1A、及び駆動輪24L,24Rを介し、左・右走行用油圧モータ11L,11Rの駆動を補助する。
【0039】
その後、例えば目的地まで到達したら、操作者は走行停止させるべく操作レバー装置15の走行用操作レバー(図示せず)を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ16から左・右走行用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、左・右走行用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ13から左・右走行用油圧モータ11L,11Rへの圧油供給が遮断される。
【0040】
このとき、左・右走行用油圧モータ11L,11Rにより駆動される下部走行体1及び上部旋回体2は大型物であって自重が非常に重いことから、走行運動している下部走行体1は大きな慣性運動エネルギを持っており、左・右走行用油圧モータ11L,11Rへの圧油供給が遮断されてもそのまま走行運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、上記実施形態と同様、例えば走行用操作レバーの操作量が0(中立位置)近傍の所定範囲内となるとコントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18L,18Rの制御によって、左・右従動輪22L.22Rに併設した電動・発電機23L,23Rで発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機23L,23Rは発電機として作用して逆方向である後進方向(又は前進方向)へのトルクを発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置19に効率よく蓄える(回生する)。この蓄電装置19に蓄えた電気エネルギは、次回の下部走行体1の自走時に再び電動・発電機23L,23Rに供給され、従動輪22L,22R、無限軌道履帯1A、駆動輪24L,24Rを介して左・右走行用油圧モータ11L,11Rを補助的に駆動することに用いられる。
【0041】
以上のようにして、本変形例によれば、上記実施形態と同様の原理で、下部走行体1の走行減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械をベースとして、その従動輪22L,22Rに電動・発電機23L,23Rを併設するとともに電動・発電機制御装置18L,18R、蓄電装置19を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【0042】
本発明の第2の実施形態を図9及び図10により説明する。
【0043】
図9は、本実施形態のエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械(この例では油圧ショベル)の全体構造を表す側面図であり、図10は、本実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【0044】
図9及び図10において、本実施形態においては、上記した旋回用油圧モータ10、左・右走行用油圧モータ11L,11Rに代えて、旋回用電動機(電動モータ)25と、左・右走行用電動機(電動モータ)26L,26Rとを備えている。
【0045】
またこの油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ7、アーム用油圧シリンダ8、バケット用油圧シリンダ9、旋回用電動機25と、左・右走行用電動機26L,26Rと、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機25,26L,26Rの制御をそれぞれ行う電動機制御装置(インバータ/コンバータ)27,28L,28Rと、原動機としてのエンジン29と、このエンジン29により直接駆動される発電機30と、発電機30に接続された蓄電装置31と、発電機30を制御して蓄電装置31に蓄電する発電機制御装置32と、油圧ポンプ33と、この油圧ポンプ33を駆動する電動機34と(なお油圧ポンプ33はエンジン29により駆動されてもよい)、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動機34の制御を行う電動機制御装置(インバータ/コンバータ)35と、油圧ポンプ33より吐出されブーム用油圧シリンダ7、アーム用油圧シリンダ8、バケット用油圧シリンダ9へそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置36とを備えている。
【0046】
そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、図5を用いて説明した上記(1)の変形例と同様、ブーム用油圧シリンダ7に駆動力伝達機構(例えばワイヤーロープ)20を介し間接的に連結され、ブーム用油圧シリンダ7の駆動補助あるいは被駆動(発電)を行う電動・発電機21と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え上記電動・発電機21の制御を行う電動機制御装置(インバータ/コンバータ)37とを備えている。
【0047】
上記構成である本実施形態においては、上記(1)の変形例と同様、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうしてブーム3を上げ動作させるべく操作レバー装置15のブーム用操作レバー(図示せず)を上げ方向に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ16からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置36に出力され、ブーム用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ33からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ7のボトム側へ供給されかつロッド側から戻り油が排出されてブーム用油圧シリンダ7が伸長駆動され、ブーム上げ動作を開始する。このとき、詳細な図示を省略するが、上記(1)の変形例と同様、例えばブーム用操作レバーの上げ方向への操作量が所定のしきい値を超えると、コントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18の制御によって蓄電装置19に蓄えた電気エネルギが電動・発電機21に供給されて電動・発電機21が電動機として作用しブーム上げ方向のトルクを発生し、これによって駆動力伝達機構20を介しブーム用油圧シリンダ7の伸長駆動を補助する。
【0048】
その後、例えば積み込みが終了したら、操作者はブーム下げ動作を行うべく操作レバー装置15のブーム用操作レバー(図示せず)を下げ方向に操作する。すると、これに応じてコントローラ16からブーム用コントロールバルブへ対応する駆動信号が出力され、ブーム用コントロールバルブが切り換えられ、油圧ポンプ33からの圧油がブーム用コントロールバルブからブーム用油圧シリンダ7のロッド側へ供給されかつボトム側から戻り油が排出され、このような油の流通に基づき主としてブーム3の自重の作用によってブーム用油圧シリンダ7が縮短駆動され、ブーム下げ動作が開始される。本実施形態においては、上記(1)の変形例と同様の原理で、ブーム用操作レバーの操作量がブーム下げ方向に所定のしきい値を超えると、コントローラ16からの信号に基づく電動・発電機制御装置18の制御によってブーム用油圧シリンダ7に連結した電動・発電機21で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機21は発電機として作用してブーム下げと逆方向のブーム上げ方向へのトルクを発生しつつ発電を行い自重落下時のブーム3の位置エネルギの放出を電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置31に効率よく蓄える(回生する)。この蓄電装置31に蓄えた電気エネルギは、次回のブーム3の上げ駆動時に再び電動・発電機21に供給されブーム用油圧シリンダ7を補助的に駆動することに用いられる。
【0049】
以上のようにして、本変形例によれば、上記(1)の変形例と同様の原理で、ブーム3の下げ動作時における自重落下時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、本実施形態の構成によれば、既存の油圧建設機械に備えられた油圧アクチュエータ7,8,9を残し、そのブーム用油圧シリンダ7に電動・発電機21を併設するとともに電動・発電機制御装置18、蓄電装置19を後づけで追加しているので、例えばすべてのアクチュエータを電動モータとsるした従来構造に比べれば、実用化が容易である。
【0050】
なお、以上においては、建設機械の例として油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られず、油圧アクチュエータを備えたものであれば他の建設機械、例えばクローラクレーン、ホイールローダ、ホイールショベル等に対しても適用でき、この場合も同様の効果を得る。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、高効率でエネルギ回収を行うことができる。また、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータに電動・発電機を併設するとともに電動・発電機制御手段、蓄電手段を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図3】図2に示した構成において、旋回用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量(発生方向)との関係を概念的に表した説明図である。
【図4】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第1の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図5】ブーム用油圧シリンダに適用した本発明の第1の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図6】図5に示した構成において、ブーム用操作レバーの操作量と電動・発電機におけるモータトルク発生量(発生方向)との関係を概念的に表した説明図である。
【図7】走行用油圧モータに適用した本発明の第1の実施形態の変形例の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図8】走行用油圧モータに適用した本発明の第1の実施形態の変形例のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【図9】本発明の第2の実施形態によるエネルギ回生装置の適用対象である油圧建設機械の全体構造を表す側面図である。
【図10】本発明の第2の実施形態のエネルギ回生装置を、油圧建設機械の油圧駆動装置とともに示す図である。
【符号の説明】
1 下部走行体
1A 無限軌道履帯
2 上部旋回体
6 油圧作業機
7 ブーム用油圧シリンダ(油圧アクチュエータ)
8 アーム用油圧シリンダ(油圧アクチュエータ)
9 バケット用油圧シリンダ(油圧アクチュエータ)
10 旋回用油圧モータ(油圧アクチュエータ)
11L,R 左・右走行用油圧モータ(油圧アクチュエータ)
12 エンジン(原動機)
13 油圧ポンプ
17 電動・発電機(第1電動・発電機)
18 電動・発電機制御装置(第1電動・発電機制御手段;電動・発
電機制御手段)
19 蓄電装置(第1蓄電手段;蓄電手段)
21 電動・発電機(第2電動・発電機)
31 蓄電装置(第2蓄電手段;蓄電手段)
37 電動・発電機制御装置(第2電動・発電機制御手段;電動・発
電機制御手段)
Claims (5)
- 油圧作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを直接又は間接的に駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、
前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも1つに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、当該油圧アクチュエータの補助的な駆動・被駆動を行う電動・発電機と、
前記電動・発電機と電気エネルギの授受を行う蓄電手段と、
前記電動・発電機の動作を制御する電動・発電機制御手段とを備えることを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。 - 下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、
前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記旋回用油圧モータに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第1電動・発電機と、
前記第1電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第1蓄電手段と、
前記第1電動・発電機の動作を制御する第1電動・発電機制御手段とを備えることを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。 - 請求項2記載の油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記第1電動・発電機制御手段は、前記旋回用油圧モータが減速する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第1蓄電手段に回生するように、前記第1電動・発電機の動作を制御することを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。
- 下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に俯仰可能に連結され、ブーム、アーム、バケットを備えた多関節型のフロント作業機と、前記ブーム、前記アーム、前記バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機とを備える油圧建設機械に設けられた油圧建設機械のエネルギ回生装置において、
前記複数の油圧アクチュエータのうち少なくとも前記ブーム用油圧シリンダに直結され又は機械的機構を介し間接的に連結され、その補助的な駆動・被駆動を行う第2電動・発電機と、
前記第2電動・発電機と電気エネルギの授受を行う第2蓄電手段と、
前記第2電動・発電機の動作を制御する第2電動・発電機制御手段とを備えることを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。 - 請求項4記載の油圧建設機械のエネルギ回生装置において、前記第2電動・発電機制御手段は、前記ブームの自重落下に伴う前記ブーム用油圧シリンダが縮短する際の運動エネルギを電気エネルギとして前記第2蓄電手段に回生するように、前記第2電動・発電機の動作を制御することを特徴とする油圧建設機械のエネルギ回生装置。
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