JP2008169621A - 旋回電動油圧モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回体を旋回駆動する電動モータとそれに連結した油圧モータを有する旋回電動油圧モータ装置における、旋回体を停止させる時の油圧モータからの圧油の放出による、また旋回体を旋回方向に押付けるときの通電状態の電動モータによる、エネルギーのロスを抑制する。
【解決手段】油圧モータの出口側ポートの圧油を蓄圧し入口側ポートに供給する蓄圧供給手段と、蓄圧供給手段を制御する制御器と、駆動軸の回転検出器と、旋回体の回転を指令する旋回操作器を備え、旋回操作器の指令回転信号が回転検出器の実回転信号より小さい旋回ブレーキ時には油圧モータの出口側ポートの圧油を蓄圧し、指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時には蓄圧した圧油を油圧モータの入口側ポートに供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば油圧ショベルの上部旋回体のような旋回体を旋回駆動する電動モータとそれに連結した油圧モータを有する旋回電動油圧モータ装置に関する。

油圧ショベルの上部旋回体のような旋回系の駆動に電動モータを用いたハイブリッド建設機械が開発されている。この上部旋回体のような旋回系は、慣性力が大きいので電動モータのみで目標旋回位置に滑らかに停止させるのは難しい。この問題を解決するために、電動モータの駆動軸に油圧モータを連結し、電動モータに連動して回転する油圧モータから排出される油を、リリーフ弁を通し放出することにより、油圧リリーフによるブレーキ作用により旋回体を滑らかに停止できるようにした旋回電動油圧モータ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３４４４３１号公報（図１）

しかしながら、上述したとおりの形態の電動モータと油圧モータを連結した旋回電動油圧モータ装置には、次のとおりの解決すべき課題がある。

すなわち、旋回体を停止させる時の慣性エネルギーが圧油のリリーフによって吸収されるので、エネルギーは熱になり、発熱によるエネルギーのロスが大きい。また、発熱の冷却手段の装備が必要になる。さらには、旋回体、例えば油圧ショベルの上部旋回体に備えた掘削装置を旋回方向に押付けた状態に保持するには、電動モータに電流を流した状態にしておく必要があり、このエネルギーのロスも大きい。

本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、旋回体を旋回駆動する電動モータとそれに連結した油圧モータを有する旋回電動油圧モータ装置における、旋回体を停止させる時の油圧モータからの圧油の放出による、また旋回体を旋回方向に押付けるときの通電状態の電動モータによる、エネルギーのロスを抑制することができる旋回電動油圧モータ装置を提供することである。

本発明によれば、上記技術的課題を解決する旋回電動油圧モータ装置として、旋回体を駆動する電動モータおよびこの電動モータの駆動軸に直結した油圧モータと、油圧モータの一対の作動油ポートの出口側ポートの圧油を蓄圧し入口側ポートに供給する蓄圧供給手段と、蓄圧供給手段の圧油の蓄圧供給を制御する制御器と、駆動軸の回転速度を検出する回転検出器と、旋回体の回転を指令操作する旋回操作器とを備え、旋回操作器の指令回転信号が回転検出器の実回転信号より小さい旋回ブレーキ時には油圧モータの出口側ポートの圧油を蓄圧し、指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時には蓄圧した圧油を油圧モータの入口側ポートに供給することを特徴とする旋回電動油圧モータ装置が提供される。

好適には、一対の作動油ポートそれぞれの油圧を検出する圧力検出器を備え、前記制御器は、圧力検出器の検出信号に基づいて油圧モータトルクを演算し、演算した油圧モータトルク値を旋回操作器および回転検出器の出力により演算した旋回指令トルク値から減算し、この減算されたトルク値により電動モータを駆動する。

そして蓄圧供給手段は、一対の作動油ポートの高圧側を選択する高圧選択弁と、高圧選択弁により選択された圧油を、逆止弁を介して蓄圧するアキュムレータと、アキュムレータと逆止弁の間の圧油を油圧モータの一対の作動油ポートの入口側ポートに開閉可能に供給する駆動用制御弁とを備えている。駆動用制御弁は、入口側ポートへの圧油供給時には出口側ポートをタンクに開放する。

また、油圧モータの一対の作動油ポートを連通するパイパス油路と、このバイパス油路を解除可能に遮断するバイパス用制御弁とを備え、前記制御器は、前記指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時で実回転信号が指令回転信号に近付いたときには、バイパス用制御弁を解除し一対の作動油ポートを連通させ、かつ駆動用制御弁を閉じ圧油の供給を停止する。

本発明に従って構成された旋回電動油圧モータ装置は、旋回体を駆動する電動モータの駆動軸に直結した油圧モータの、一対の作動油ポートの出口側ポートの圧油を蓄圧し入口側ポートに供給する蓄圧供給手段を備え、旋回操作器の指令回転信号が回転検出器の実回転信号より小さい旋回ブレーキ時に油圧モータの出口側ポートの圧油を蓄圧し、指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時に蓄圧した圧油を油圧モータの入口側ポートに供給する。

したがって、旋回体を停止させる時の油圧モータからの圧油を放出せずに蓄圧し、この圧油を油圧モータの入口側である電動モータを駆動する側に供給し、蓄圧した圧油のエネルギーを旋回体の駆動あるいは旋回体の押付けに用いるので、従来の圧油の放出による、また旋回体を通電状態の電動モータで押付けることによる、エネルギーのロスを抑制することができる。

以下、本発明に従って構成された旋回電動油圧モータ装置について、好適実施形態を図示している添付図面を参照して、さらに詳細に説明する。

図１を参照して説明する。全体を番号１００で示す旋回電動油圧モータ装置は、旋回体７を駆動する電動モータ４およびこの電動モータ４の駆動軸に直結した油圧モータ６と、油圧モータ６の一対の作動油ポート６ａ、６ｂの出口側となるポートの圧油を蓄圧し入口側となるポートに供給する蓄圧供給手段１１０と、蓄圧供給手段１１０の圧油の蓄圧供給を制御する制御器８と、駆動軸の回転速度を検出する回転検出器２０と、旋回体７の回転を指令操作する旋回操作器１８を備えている。

なお、油圧モータ６の作動油ポート６ａ、６ｂの出口側および入口側は、周知のように油圧モータ６の回転方向によって入れ代わる。

エンジン１により駆動される発電機２の出力は、発電機制御器３および電動モータ制御器５を通して電動モータ４に供給される。電動モータ制御器５には、後に詳述する制御器８が接続されている。

蓄圧供給手段１１０は、一対の作動油ポート６ａ、６ｂの高圧側を選択する高圧選択弁１１と、高圧選択弁１１により選択した圧油を、リリーフ弁１２、逆止弁１３を介して蓄圧するアキュムレータ１４と、アキュムレータ１４と逆止弁１３の間の圧油を油圧モータ６の一対の作動油ポート６ａ、６ｂの入口側のポートに開閉可能に供給する駆動用制御弁１５を備えている。

高圧選択弁１１は、一対の逆止弁１１ａ、１１ｂにより形成されている。リリーフ弁１２は選択された高圧を一定圧でリリーフしアキュムレータ１４の蓄圧圧力を規定する。アキュムレータ１４と駆動用制御弁１５の間には、リリーフ弁１２よりも高圧に設定された安全弁としてのリリーフ弁１６が備えられている。

駆動用制御弁１５は、４ポート３位置の電磁比例制御弁によって形成されている。中立位置（図１の状態）においては全ポートが閉じられ、制御器８の指令に応じて開口され、アキュムレータ１４の圧油を油圧モータ６の一対の作動油ポート６ａ、６ｂの入口側となるポートに供給するとともに、供給時には作動油ポート６ａ、６ｂの出口側となるポートをタンク１７に開放する。

油圧モータ６の作動油ポート６ａ、６ｂにはそれぞれ、油圧を検出する圧力検出器１９ａ、１９ｂが備えられている。

油圧モータ６の作動油ポート６ａ、６ｂはパイパス油路９によって結ばれている。このバイパス油路９には解除可能な遮断弁であるバイパス用制御弁９ａが備えられている。バイパス用制御弁９ａは、２位置の常時閉（図１の状態）の電磁比例制御弁で形成され、制御器８の指令に応じてバイパス油路９を連通状態にする位置に操作される。

油圧モータ６の作動油ポート６ａ、６ｂの間には、一対の逆止弁１０ａ、１０ｂによって形成されたタンク１７に接続する真空防止用のメイクアップ弁１０が備えられている。

図２を参照して制御器８について説明する。制御器８は、旋回操作器１８と回転検出器２０の信号の偏差を求める減算器２１、減算器２１で求めた偏差によって電動モータ４のトルクを設定する回転制御トルク設定器２２、旋回操作器１８の信号によって起動トルクを設定する起動トルク設定器２３、回転検出器２０の信号によって一定馬力制限する定馬力トルク設定器２４、ならびに回転制御トルク設定器２２、起動トルク設定器２３、および定馬力トルク設定器２４の出力の最小値を選択する最小値選択器２５を備えている。

制御器８はまた、圧力検出器１９ａ、１９ｂの信号に基づいて油圧モータ６のトルクを演算する油圧モータトルク演算器２６、最小値選択器２５の出力から油圧モータトルク演算器２６の出力を引き算する減算器２７、および減算器２７で求めたトルクから電動モータ４の電流指令値を求め電動モータ制御器５に出力するトルク・電流変換器２８を備えている。

制御器８はさらに、旋回操作器１８の信号に基づいて駆動用制御弁１５の開口信号を出力する弁指令設定器２９、旋回操作器１８の信号と回転検出器２０の信号の偏差を求める減算器３０、減算器３０の出力によって駆動用制御弁１５の指令値を出力する弁指令設定器３１、および弁指令設定器２９と弁指令設定器３１の最小値を選択し駆動用制御弁１５に出力する最小値選択器３２を備えている。

制御器８はまた、旋回操作器１８の信号に基づいてバイパス用制御弁９ａの開口信号を出力する弁指令設定器３３、減算器３０の出力によってバイパス用制御弁９ａの指令値を出力する弁指令設定器３４、および弁指令設定器３３と弁指令設定器３４の最小値を選択しバイパス用制御弁９ａに出力する最小値選択器３５を備えている。

制御器８の作用について図２とともに図１を参照して説明する。制御器８は、旋回操作器１８の指令回転信号および回転検出器２０の実回転信号を比較して、指令回転信号＞実回転信号の場合は「旋回駆動」と判定し、指令回転信号＜実回転信号の場合は「旋回ブレーキ」と判定する。

「駆動」においては、旋回操作器１８の信号と回転検出器２０の信号の偏差を求める減算器３０から出力される偏差は大きいので、弁指令設定器３１の出力は最大になり、最小値選択器３２の出力は弁指令設定器２９の出力を選択して駆動用制御弁１５を制御し、弁指令設定器３４の出力は最小になり、最小値選択器３５の出力はこの弁指令設定器３４の出力を選択してバイパス用制御弁９ａを制御する。

駆動用制御弁１５は弁指令設定器２９の出力に応じて開口し、バイパス用制御弁９ａは弁指令設定器３４の出力に応じて閉口し、バイパス油路９を遮断し、アキュムレータ１４に蓄圧された圧油は駆動用制御弁１５を介して油圧モータ６の入口側ポートに供給され、油圧モータ６を駆動する。油圧モータ６の出口側ポートの油は駆動用制御弁１５を介してタンク１７に排出される。

回転制御トルク設定器２２、起動トルク設定器２３および定馬力トルク設定器２４の出力の最小値を選択する最小値選択器２５の出力である旋回駆動に要求されるトルクから、圧力検出器１９ａ、１９ｂの信号に基づいて演算器２６で求めた油圧モータトルクを減算器２７で引き算し、このトルクでトルク・電流変換器２８により電動モータ４の電流指令値を求め、電動モータ制御器５に出力する。したがって、電動モータ４は油圧モータ６の駆動トルクを補うように作用する。すなわち、電動モータ４の駆動トルクは小さくなる。

「駆動」において旋回体７の旋回が加速され、減算器３０から出力される偏差が小さくなると、弁指令設定器３１の出力は最小になるので、最小値選択器３２の駆動用制御弁１５への出力は弁指令設定器３１の出力を選択し、弁指令設定器３４の出力は増加し、最小値選択器３５の駆動用制御弁１５への出力は弁指令設定器３４の出力を選択し、駆動用制御弁１５は徐々に閉口し、バイパス用制御弁９ａは徐々に開口し、油圧モータ６はアンロードになり、電動モータ４のみで駆動される。

「駆動」状態から旋回操作器１８を中立に戻すと、弁指令設定器２９の出力は最小になるので駆動用制御弁１５は中立になり、弁指令設定器３３の出力は最小になるのでバイパス用制御弁９ａは閉口する。したがって、油圧モータ６の作動油ポート６ａ、６ｂの出口側から吐き出される圧油は逆止弁１１ａまたは１１ｂを経てリリーフ弁１２の設定圧でリリーフしながらアキュムレータ１４に蓄圧され、旋回体７は「ブレーキ」状態になる。このブレーキ時においても、油圧モータ６の圧力を求めたトルクと要求トルクを比較し、不足分を電動モータ４で補うように制御するので、常に安定した制御トルクが得られ、滑らかな停止制御が可能になる。

制御器８の制御手順について、図１および図２とともに図３を参照して説明する。

ステップＳ１において、旋回操作器１８の指令回転信号および回転検出器２０の実回転信号を読み込みステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、指令回転信号と実回転信号が異なるか否かを判定し、異なる場合はステップＳ３に進み、同じ場合（例えば旋回操作停止、旋回作動停止時）はステップＳ１に戻る。

ステップＳ３において、指令回転信号と実回転信号を比較し、指令回転信号＞実回転信号である「駆動」の場合はステップＳ４に進み、指令回転信号＜実回転信号である「ブレーキ」の場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ４においては、電動モータ４を駆動するとともに、蓄圧供給手段１１０の駆動用制御弁１５を開口させ、バイパス用制御弁９ａは閉口のままにし、アキュムレータ１４の蓄圧油により油圧モータ６を駆動する。また、圧力検出器１９ａ、１９ｂの圧力から求めた油圧モータ６のトルクと旋回操作器１８および回転検出器２０から求めた駆動要求トルクを比較し、油圧モータ６のトルクの不足分を、電動モータ４を駆動して補い、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、回転検出器２０の実回転信号が上がり旋回操作器１８の指令回転信号に近付いたか否か、すなわち減算器３０から出力される偏差が所定の値まで小さくなったか否かを判定し、小さい場合はステップＳ７に進み、大きい場合はステップＳ４に戻る。

ステップＳ７においては、駆動用制御弁１５を徐々に閉口させ、バイパス用制御弁９ａを徐々に開口させ油圧モータ６をアンロードし、圧力検出器１９ａ、１９ｂの圧力により求めた油圧モータ６のトルクと旋回操作器１８および回転検出器２０により求めた駆動要求トルクを比較しトルクの不足分を電動モータ４のみで旋回体７を駆動し、ステップＳ１に進む。

ステップＳ５においては、蓄圧供給手段１１０の駆動用制御弁１５を徐々に閉じ中立にし、バイパス用制御弁９ａを徐々に閉口し、油圧モータ６から吐き出される圧油を逆止弁１１ａまたは１１ｂを経てリリーフ弁１２により一定圧にリリーフさせながら、すなわち油圧モータ６により旋回体７の旋回にブレーキをかけながら、アキュムレータ１４に蓄圧する。また、圧力検出器１９ａ、１９ｂの圧力により求めた油圧モータ６のトルクと旋回操作器１８および回転検出器２０により求めた駆動要求トルクを比較しトルクの不足分を電動モータ４で補い、ステップＳ１に進む。

上述したとおりの旋回電動油圧モータ装置１００の効果について説明する。

旋回電動油圧モータ装置１００は、旋回体７を駆動する電動モータ４の駆動軸に直結した油圧モータ６の、一対の作動油ポート６ａ、６ｂの出口側ポートの圧油を蓄圧し入口側ポートに供給する蓄圧供給手段１１０を備え、旋回操作器１８の指令回転信号が回転検出器２０の実回転信号より小さい旋回ブレーキ時に油圧モータ６の出口側ポートの圧油を蓄圧し、指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時に蓄圧した圧油を油圧モータ６の入口側ポートに供給する。

したがって、旋回体７を停止させる時の油圧モータ６からの圧油を蓄圧し、この圧油を油圧モータ６の入口側である電動モータ４を駆動する側に供給し、蓄圧した圧油のエネルギーを旋回体７の駆動あるいは旋回体７の押付けに用いるので、従来の旋回体７を停止させる時の油圧モータ６からの圧油の放出による、また旋回体７を旋回方向に押付けるときの通電状態の電動モータ４による、エネルギーのロスを抑制することができる

また、一対の作動油ポート６ａ、６ｂそれぞれの油圧を検出する圧力検出器１９ａ、１９ｂを備え、制御器８はまた、圧力検出器１９ａ、１９ｂの検出信号に基づいて油圧モータトルクを演算し、演算した油圧モータトルク値を旋回操作器１８および回転検出器２０の出力により演算した旋回指令トルク値から減算し、この減算されたトルク値により電動モータを駆動する。したがって、油圧モータ６のトルク不足を電動モータ４で補い安定した駆動トルクとすることができる。

蓄圧供給手段１１０は、一対の作動油ポート６ａ、６ｂの高圧側を選択する高圧選択弁１１と、高圧選択弁１１により選択された圧油を、逆止弁１３を介して蓄圧するアキュムレータ１４と、アキュムレータ１４と逆止弁１３の間の圧油を油圧モータ６の一対の作動油ポート６ａ、６ｂの入口側ポートに開閉可能に供給する駆動用制御弁１５とを備えている。したがって、効率よく無駄なく、排出される高圧を蓄圧し、その蓄圧油を駆動用に用いることができる。

駆動用制御弁１５は、入口側ポートへの圧油供給時には出口側ポートをタンク１７に開放する。したがって、油圧モータ６を駆動しているときには油圧モータ６の出口側ポートの排出油は開放されるので、蓄圧した油のエネルギーを有効に油圧モータ６の駆動に用いることができる。

油圧モータ６の一対の作動油ポート６ａ、６ｂを連通するパイパス油路９と、このバイパス油路９を解除可能に遮断するバイパス用制御弁９ａとを備え、制御器８はさらに、前記指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時で実回転信号が指令回転信号に近付いたときには、バイパス用制御弁９ａを解除し一対の作動油ポート６ａ、６ｂを連通させ、かつ駆動用制御弁１５を閉じ圧油の供給を停止する。したがって、油圧モータ６の回転抵抗を小さくして電動モータ４のみで効率よく旋回体７を駆動できる。

本発明に従って構成された旋回電動油圧モータ装置の回路図。 図１の旋回電動油圧モータ装置の制御器の演算回路図。 図１の旋回電動油圧モータ装置の制御器の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

４：電動モータ
６：油圧モータ
６ａ、６ｂ：作動油ポート
７：旋回体
８：制御器
９：バイパス油路
９ａ：バイパス用制御弁
１１：高圧選択弁
１３：逆止弁
１４：アキュムレータ
１５：駆動用制御弁
１７：タンク
１８：旋回操作器
１９ａ、１９ｂ：圧力検出器
２０：回転検出器
１００：旋回電動油圧モータ装置
１１０：蓄圧供給手段

Claims (5)

1. 旋回体を駆動する電動モータおよびこの電動モータの駆動軸に直結した油圧モータと、
   油圧モータの一対の作動油ポートの出口側ポートの圧油を蓄圧し入口側ポートに供給する蓄圧供給手段と、
   蓄圧供給手段の圧油の蓄圧供給を制御する制御器と、
   駆動軸の回転速度を検出する回転検出器と、
   旋回体の回転を指令操作する旋回操作器と
   を備え、
   旋回操作器の指令回転信号が回転検出器の実回転信号より小さい旋回ブレーキ時には油圧モータの出口側ポートの圧油を蓄圧し、
   指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時には蓄圧した圧油を油圧モータの入口側ポートに供給する
   ことを特徴とする旋回電動油圧モータ装置。
2. 一対の作動油ポートそれぞれの油圧を検出する圧力検出器を備え、
   前記制御器はまた、
   圧力検出器の検出信号に基づいて油圧モータトルクを演算し、演算した油圧モータトルク値を旋回操作器および回転検出器の出力により演算した旋回指令トルク値から減算し、この減算されたトルク値により電動モータを駆動する
   ことを特徴とする請求項１記載の旋回電動油圧モータ装置。
3. 蓄圧供給手段は、
   一対の作動油ポートの高圧側を選択する高圧選択弁と、
   高圧選択弁により選択された圧油を、逆止弁を介して蓄圧するアキュムレータと、
   アキュムレータと逆止弁の間の圧油を油圧モータの一対の作動油ポートの入口側ポートに開閉可能に供給する駆動用制御弁と
   を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の旋回電動油圧モータ装置。
4. 駆動用制御弁は、
   入口側ポートへの圧油供給時には出口側ポートをタンクに開放する
   ことを特徴とする請求項３記載の旋回電動油圧モータ装置。
5. 油圧モータの一対の作動油ポートを連通するパイパス油路と、
   このバイパス油路を解除可能に遮断するバイパス用制御弁と
   を備え、
   前記制御器はさらに、
   前記指令回転信号が実回転信号より大きい旋回駆動時で実回転信号が指令回転信号に近付いたときには、
   バイパス用制御弁を解除し一対の作動油ポートを連通させ、かつ駆動用制御弁を閉じ圧油の供給を停止する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の旋回電動油圧モータ装置。

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