JP2008063888A - 慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】可変容量ポンプ200からの圧油は切換制御弁202からラインA、Bを介して旋回用の油圧モータ204に給排される。発電・電動機206の回転軸と油圧モータの回転軸は機械的に結合され且つ、減速歯車機構208と結合され、さらに回転慣性体である旋回台210に結合されている。旋回台を減速・制動するとき、開閉弁204aは制御手段100からの指令信号Sdにより開状態とされ、旋回台の運動エネルギは電動・発電機を発電機として駆動させ発電された電気エネルギが蓄電装置90へ蓄電される。制動時の電動・発電機と油圧モータとの制動トルクの比率は、圧力PAとPBの差圧に関連付けて定められる。
【選択図】図3
Description
「(0012)
(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。」
と記載されている。
「(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。」
と記載され、油圧アクチュエータにより駆動される慣性体の減速時に該慣性体の運動エネルギを電気エネルギとして回生することが開示されている。
「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。」と記載されている。
「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)。」
と記載されている。すなわち、コントローラ16に基づく電動・発電機17の制御は、電動機、発電機としてそれぞれ作用する場合のトルクTはレバー操作量x(x0、xi)に対応して定められており、その駆動時および回生時のトルクTは共に所定値T0とされている。
原動機により駆動される油圧ポンプ、複数の油圧アクチュエータ、前記油圧アクチュエータのそれぞれに結合された慣性体、前記油圧ポンプからの圧油を前記複数の油圧アクチュエータヘそれぞれ給排する複数の切換制御弁、および前記切換制御弁を操作するパイロット操作弁を備えた油圧装置を有する建設機械であって、
前記油圧装置の油圧アクチュエータの少なくとも1つに併設された第1の電動・発電機と、
同第1の電動・発電機を電動機としておよび発電機として駆動制御するインバータ/コンバータを含む制御手段と、
前記少なくとも1つの油圧アクチュエータに結合された慣性体の有する運動エネルギに基づいて、前記第1の電動・発電機が発電機として作動することにより発生する電気エネルギを蓄える蓄電装置と、
前記第1の電動・発電機を併設した油圧アクチュエータの両ポートの圧力を検出しその差圧を生成する差圧検出手段と、を備え、
さらに前記制御手段には、前記第1の電動・発電機が電動機としておよび/または発電機として駆動制御されるときのトルクを、前記検出された差圧に関連させて指令するトルク指令手段を備えたことを特徴とする。
原動機により駆動される油圧ポンプ、複数の油圧アクチュエータ、前記油圧アクチュエータのそれぞれに結合された慣性体、前記油圧ポンプからの圧油を前記複数の油圧アクチュエータヘそれぞれ給排する複数の切換制御弁、および前記切換制御弁を操作するパイロット操作弁を備えた油圧装置を有する建設機械であって、
前記油圧装置の油圧アクチュエータの少なくとも1つに併設された第1の電動・発電機と、
同第1の電動・発電機を電動機としておよび発電機として駆動制御するインバータ/コンバータを含む制御手段と、
前記少なくとも1つの油圧アクチュエータに結合された慣性体の有する運動エネルギに基づいて、前記第1の電動・発電機が発電機として作動することにより発生する電気エネルギを蓄える蓄電装置と、
前記第1の電動・発電機を併設した油圧アクチュエータの両ポートの圧力を検出しその差圧を生成する差圧検出手段と、を備え、
さらに前記制御手段には、前記第1の電動・発電機が電動機としておよび/または発電機として駆動制御されるときのトルクを、前記検出された差圧に関連させて指令するトルク指令手段を備えたので、前記第1の電動・発電機の駆動時および制動時のそれぞれ駆動トルクおよび制動トルクは前記差圧に関連して制御されるので、慣性体を連続してスムースに駆動制御することが可能となり、また、第1の電動・発電機の駆動および制動時の制御をパイロット弁の操作レバーに依存することなく連続して指令できるので制御装置を単純化することができる。
前述した効果に加え、前記トルク指令手段において、前記第1の電動・発電機のトルクを前記油圧アクチュエータの両ポートの差圧に関連せしめるに際し、発電機として作動する場合の前記差圧に対するトルク制御のゲインを、電動機として作動する場合の前記差圧に対するトルク制御のゲインよりも大きく設定したので、慣性体制動時のエネルギを電気エネルギとしてより効果的に蓄電装置に取り込むことができ、環境にやさしい建設機械を構成することが可能となる。
前記油圧アクチュエータが油圧モータで構成されており、前記トルク指令手段は、前記油圧モータにより駆動される回転慣性体を、前記油圧モータの駆動・制動トルクと前記第1の電動・発電機の駆動・制動トルクとの和で駆動制御するよう構成され、さらに駆動時の油圧モータと電動・発電機の各出力トルク和における前記油圧モータの出力トルクの割合を、制動時の制動トルク和における前記油圧モータ制動トルクの割合よりも大きくなるよう調整する調整手段を設けたので、請求項2の効果と同様な効果が得られると共に、それぞれのトルクを比率として定めるようにしたので、それだけ制御を簡単にすることができる。
外部信号により前記油圧モータの両ポートを短絡するバイパス弁を前記調整手段の要素として設けたので、制動時の油圧流路における流路抵抗が非常に小さくなりこの分、電気エネルギとしての制動・回収を最も効果的に遂行することが可能である。
前記調整手段として、前記油圧モータには該油圧モータの駆動、停止時の最高駆動圧を制限するリリーフ弁を設けると共に、該リリーフ弁の起動加速時の作動圧力を、減速停止時の作動圧力より高くなるよう構成したので、請求項3または4の効果と同様な効果を得ることができる。
回転慣性体は前記建設機械の旋回台であり、同旋回台は、建設機械を構成する最も慣性体重量が大きくまた、頻繁に駆動される要素であるので、建設機械としてのエネルギ効率を高めることに最も効果がある。
油圧ポンプに接続された開閉弁と、同開閉弁を介して接続された油圧モータと、同油圧モータにより駆動される第2の発電機と、蓄電装置の蓄電レベルを検出する蓄電レベル検出手段および、切換制御弁又はパイロット操作弁の操作状態を検出する操作状態検出手段をさらに備え、前記蓄電装置の蓄電レベルが規定値より低下し且つ切換弁又はパイロット操作弁が操作されていない場合に前記開閉弁を操作して前記油圧モータを介して前記第2の発電機を駆動し、発電された電気エネルギを前記蓄電装置へ蓄電するよう構成したので、前記蓄電装置の蓄電レベルを規定値以上に保持することが可能となり、その結果、旋回の操作頻度が非常に少なく旋回操作によって回収された電機エネルギが少ない場合でも、確実に旋回体を駆動することができる。
前記ハイブリッド型建設概械は油圧ショベルであり、前記調整手段は、該油圧ショベルのブームシリンダのヘッド側圧力を検出する検出手段を有し、該検出手段の検出圧力の高低に応じて前記電動・発電機の駆動・制動トルクを制御するよう調整する構成としたので、ブームシリンダヘッド側保持圧を検出しその高低に応じて電動・発電機の駆動・制動トルクを調整すれば、ブーム、アームあるいはバケット等の各構造物の位置・姿勢に関わらず上部旋回体の動きに対して、ほほ一定の加速・減速特性をもたせることが可能となり、該油圧ショベルの操作性を大幅に向上させることができる。
11 下部走行体
12 旋回機構
13 上部旋回体
14 キャブ
15 ブーム
16 アーム
17 バケット
50 油圧装置
52 原動機
54 油圧ポンプ
56 切換制御弁
58 油圧アクチュエータ
59 パイロット操作弁
60 慣性体
70 電動・発電機
72 エンコーダ
80 差圧検出手段
90 蓄電装置
100 制御手段
102 電力変換部
104 トルク指令手段
200 可変容量ポンプ
202 切換制御弁
204 油圧モータ
204a 開閉弁
204b リリーフ弁ユニット
206 電動・発電機
208 減速歯車機構
210 回転慣性体
212 発電機
214 開閉弁
216 油圧ポンプ
Claims (8)
- 原動機により駆動される油圧ポンプ、複数の油圧アクチュエータ、前記油圧アクチュエータのそれぞれに結合された慣性体、前記油圧ポンプからの圧油を前記複数の油圧アクチュエータヘそれぞれ給排する複数の切換制御弁、および前記切換制御弁を操作するパイロット操作弁を備えた油圧装置を有する建設機械であって、
前記油圧装置の油圧アクチュエータの少なくとも1つに併設された第1の電動・発電機と、
同第1の電動・発電機を電動機としておよび発電機として駆動制御するインバータ/コンバータを含む制御手段と、
前記少なくとも1つの油圧アクチュエータに結合された慣性体の有する運動エネルギに基づいて、前記第1の電動・発電機が発電機として作動することにより発生する電気エネルギを蓄える蓄電装置と、
前記第1の電動・発電機を併設した油圧アクチュエータの両ポートの圧力を検出しその差圧を生成する差圧検出手段と、を備え、
さらに前記制御手段には、前記第1の電動・発電機が電動機としておよび/または発電機として駆動制御されるときのトルクを、前記検出された差圧に関連させて指令するトルク指令手段を備えたことを特徴とする、慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。 - 前記トルク指令手段において、前記第1の電動・発電機のトルクを前記油圧アクチュエータの両ポートの差圧に関連せしめるに際し、発電機として作動する場合の前記差圧に対するトルク制御のゲインを、電動機として作動する場合の前記差圧に対するトルク制御のゲインよりも大きく設定したことを特徴とする請求項1に記載された慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。
- 前記油圧アクチュエータが油圧モータで構成されており、前記トルク指令手段は、前記油圧モータにより駆動される回転慣性体を、前記油圧モータの駆動・制動トルクと前記第1の電動・発電機の駆動・制動トルクとの和で駆動制御するよう構成され、さらに駆動時の油圧モータと電動・発電機の各出力トルク和における前記油圧モータの出力トルクの割合を、制動時の制動トルク和における前記油圧モータ制動トルクの割合よりも大きくなるよう調整する調整手段を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載された慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。
- 前記回転慣性体の減速に伴い同回転慣性体により前記油圧モータを駆動する過程に於いて、外部信号により前記油圧モータの両ポートを短絡するバイパス弁を前記調整手段の要素として設けたことを特徴とする請求項3に記載された、慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。
- 前記調整手段として、前記油圧モータには該油圧モータの駆動、停止時の最高駆動圧を制限するリリーフ弁を設けると共に、該リリーフ弁の起動加速時の作動圧力を、減速停止時の作動圧力より高くなるよう構成した請求項3または4に記載された、慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。
- 前記回転慣性体は前記建設機械の旋回台であり、前記油圧モータは該旋回台を回転駆動する旋回用油圧モータである請求項3乃至5のいずれかに記載された、慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。
- 前記油圧装置には、前記油圧ポンプに接続された開閉弁と、同開閉弁を介して接続された油圧モータと、同油圧モータにより駆動される第2の発電機と、前記蓄電装置の蓄電レベルを検出する蓄電レベル検出手段および、前記切換制御弁又はパイロット弁の操作状態を検出する操作状態検出手段をさらに備え、前記蓄電装置の蓄電レベルが規定値より低下し且つ切換弁又はパイロット弁が操作されていない場合に前記開閉弁を操作して前記油圧モータを介して前記第2の発電機を駆動し、発電された電気エネルギを前記蓄電装置へ蓄電するよう構成した請求項1乃至6のいずれかに記載された、慣性体の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。
- 前記ハイブリッド型建設概械は油圧ショベルであり、前記調整手段は、該油圧ショベルのブームシリンダのヘッド側圧力を検出する検出手段を有し、該検出手段の検出圧力の高低に応じて前記電動・発電機の駆動・制動トルクを制御するよう調整することを特徴とする請求項6または7に記載された、慣性体の有する運動エネルキーを電気エネルギに変換するハイブリッド型建設機械。
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