JP2008214083A

JP2008214083A - リフティングマグネット制御システム

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Publication number: JP2008214083A
Application number: JP2007057629A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Ikenaga; 貴広池永
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: JP5410002B2

Abstract

【課題】リフティングマグネットを装備した車両に搭載され、より小型化が可能なリフティングマグネット駆動システムを提供する。
【解決手段】マグネット制御システム２は、マグネット１０を装備した車両に搭載される。マグネット制御システム２は、ＰＭ同期発電機４と、ＰＭ同期発電機４から供給された交流電力を直流電力へ変換する直流変換部、および直流電力の向きを制御してリフティングマグネット１０へ該直流電力を供給するＨブリッジ回路部を含むマグネット駆動回路３１と、複数のトランジスタを駆動するブリッジドライバ３２とを備えている。マグネット駆動回路３１は、直流電力の向きが切り替わる際にマグネット１０に蓄積されたエネルギを吸収する抵抗器を更に含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、リフティングマグネット制御システムに関するものである。

リフティングマグネットは、建設作業等において鉄片などの吊荷を持ち上げて運搬するために用いられ、油圧ショベルといった車両のアームの先端に装備されている。リフティングマグネットを使用する際には、或る向きに電流を流してリフティングマグネットを励磁し、吊荷を吸着させて持ち上げる。そして、吊荷を釈放する際には、逆向きに電流を流してリフティングマグネットを消磁する。

このような励磁電流および釈放電流をリフティングマグネットに供給するための従来のシステム構成を図７に示す。同図に示すリフティングマグネット制御システム１００は、誘導交流発電機１０２と、誘導交流発電機１０２から出力される交流電力を直流電力に変換する直流変換部１０４と、直流変換部１０４から出力された直流電力の向きを制御しつつマグネット１０６へ供給するＨブリッジ回路１０８と、マグネット１０６に蓄えられたエネルギを回生するための大容量コンデンサ１１６とを備えている。また、リフティングマグネット制御システム１００は、誘導交流発電機１０２から出力される交流電圧を該発電機１０２の界磁電流を制御することにより調整する自動電圧調整器（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）１１０と、Ｈブリッジ回路１０８を駆動するブリッジドライバ１１２へ供給される直流電源電圧を誘導発電機１０２からの交流電圧より生成する電源モジュール１１４とを更に備えている。この制御システム１００が車両に搭載される場合、該車両はエンジンにより駆動される油圧ポンプ、及び該油圧ポンプにより駆動される油圧モータを備えており、誘導発電機１０２は、この油圧モータによって駆動される。

特許文献１には、リフティングマグネットを装備した自走式作業機械が開示されている。この自走式作業機械は、前述したリフティングマグネット制御システム１００と同様のシステムを備えている。なお、この自走式作業機械においては、発電機から出力された交流電圧を、トランジスタおよび発電機のリーケージインダクタンスを利用したチョッパ制御方式により調整している。
特開２００４−２９９８１８号公報

昨今、建設現場等においては油圧ショベルの後端旋回半径をより小さくすることが求められており、また、運転室からの視認性の向上も求められている。従って、油圧ショベルの運転室の後方に搭載されることが多いリフティングマグネット駆動システムには、更なる小型化が望まれている。本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、リフティングマグネットを装備した車両に搭載され、より小型化が可能なリフティングマグネット駆動システムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明によるリフティングマグネット制御システムは、リフティングマグネットを装備した車両に搭載されるリフティングマグネット制御システムであって、永久磁石同期発電機と、永久磁石同期発電機から供給された交流電力を直流電力へ変換し、該直流電力を正側出力端と負側出力端との間に提供する直流変換部と、複数のトランジスタを含んで構成され、直流電力の向きを制御してリフティングマグネットへ該直流電力を供給するＨブリッジ回路部と、正側出力端と負側出力端との間に電気的に接続され、直流電力の向きが切り替わる際にリフティングマグネットに蓄積されたエネルギを吸収する抵抗器とを備えることを特徴とする。

このリフティングマグネット制御システムは、発電機として、永久磁石（ＰＭ：Permanent Magnet）同期発電機を備えている。ＰＭ同期発電機は、界磁に永久磁石を用いるので発電効率が高く、同じ定格出力を有する誘導発電機と比較して小型に構成することができる。従って、リフティングマグネット制御システムの小型化に寄与できる。

ここで、例えば図７に示した従来のシステムにおいて単に誘導発電機をＰＭ同期発電機に換装すると、次の問題点が生じる。すなわち、油圧ショベルなどの車両においては、エンジン回転数が増加すると油圧が上昇し、油圧モータによって駆動される発電機の回転数も増加する。誘導発電機では回転数の増加に対し界磁電流を減少させて出力電圧を抑えることができるが、ＰＭ同期発電機では界磁の大きさを調整できないので出力電圧が回転数に比例して上昇してしまう。しかし、図７に示したシステムでは、エネルギ回生用の大容量コンデンサ１１６がこの電圧に耐えられず、回転数が制限されてしまうので、実用に供することは難しい。

これに対し、上記したリフティングマグネット制御システムにおいては、直流電力の向きが切り替わる際にリフティングマグネットに蓄積されたエネルギを抵抗器によって吸収している。これにより、発電機の出力電圧の増加による影響を低減できるので、発電機としてＰＭ同期発電機を用いることが可能となり、また、特許文献１記載のチョッパ制御回路といった電圧調整手段を削減でき、リフティングマグネット制御システムを好適に小型化できる。また、ＰＭ同期発電機を用いることによって、図７に示した自動電圧調整器を削減でき、システムを更に簡素化できる。

また、リフティングマグネット制御システムは、抵抗器と直列に接続されたスイッチ素子と、抵抗器及びスイッチ素子に対して並列に接続された容量素子と、スイッチ素子における導通状態を制御する制御部とを更に備えることを特徴としてもよい。このリフティングマグネット制御システムは、次のように動作できる。すなわち、励磁電流が停止されてリフティングマグネットに蓄積エネルギが生じると、スイッチ素子を制御部が導通させるまでの時間、蓄積エネルギによる電流が容量素子へ流れる。そして、制御部によってスイッチ素子が導通すると、蓄積エネルギによる電流の殆どが抵抗器によって消費される。このように、上記したリフティングマグネット制御システムによれば、直流電力の向きが切り替わる際にリフティングマグネットに蓄積されたエネルギを好適に吸収できる。

また、リフティングマグネット制御システムは、抵抗器、スイッチ素子、及び容量素子を含む回路部分とＨブリッジ回路部との間に流れる電流の向き及び大きさを測定する電流測定部、並びに正側出力端と負側出力端との間の電位差を測定する電位差測定部のうち少なくとも一方の測定部を更に備え、制御部は、電流の向き及び大きさ、並びに電位差のうち少なくとも一方の測定結果に基づいて、スイッチ素子における導通状態を制御することを特徴としてもよい。これにより、蓄積エネルギによる電流の発生タイミングや解消タイミングを精度良く知ることができるので、容量素子の両端電圧が過大となる前に、制御部がスイッチ素子を導通させて蓄積エネルギによる電流を抵抗器へ流すことができる。

本発明によれば、リフティングマグネットを装備した車両に搭載され、より小型化が可能なリフティングマグネット駆動システムを提供できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明によるリフティングマグネット制御システムの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において、トランジスタとはバイポーラ型トランジスタ及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の双方を含むものとする。トランジスタがＦＥＴである場合、ベースをゲート、コレクタをドレイン、エミッタをソースとそれぞれ読み替えるものとする。

図１は、本実施形態に係るリフティングマグネット制御システムが搭載される作業機械であるリフティングマグネット車両の構成を示す斜視図である。図１に示すように、リフティングマグネット車両（以下、マグネット車両）１は、油圧ショベル（ベースマシン）のアーム１２の先端に、鋼材などの吊荷９０を磁力により吸着して捕獲するリフティングマグネット（以下、マグネット）１０を搭載して構成されている。また、マグネット車両１は、マグネット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容する運転室１４を備えている。

マグネット車両１に搭載されたリフティングマグネット制御システム（以下、マグネット制御システム）２は、マグネット１０に電力を供給するマグネット制御盤３と、マグネット制御盤３に三相交流電力を供給するＰＭ同期発電機４と、マグネット制御盤３に直流電源電圧を供給するバッテリー（蓄電池）５とを備えている。マグネット車両１は、該車両１のエンジンにより駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧モータとを搭載しており、ＰＭ同期発電機４は、この油圧モータによって駆動される。

図２は、本実施形態によるマグネット制御システム２の構成を示すブロック図である。マグネット制御システム２は、上述したようにマグネット制御盤３、ＰＭ同期発電機４、及びバッテリー５を備えている。マグネット制御盤３は、マグネット駆動回路３１およびブリッジドライバ３２を有しており、マグネット駆動回路３１はＰＭ同期発電機４からの三相交流電源電圧Ｖ_ＡＣ１〜Ｖ_ＡＣ３を受け、ブリッジドライバ３２はバッテリー５から直流電源電圧Ｖ_ＢＡＴを受ける。マグネット駆動回路３１は、マグネット１０に電力（励磁電流Ｉ_１、釈放電流Ｉ_２）を供給する回路であり、マグネット１０を流れる電流の向きを制御するＨブリッジ回路部を含む。ブリッジドライバ３２はこのＨブリッジ回路部を駆動する回路であり、直流電源電圧Ｖ_ＢＡＴは一定（例えばＤＣ２４Ｖ）である。

図３は、マグネット駆動回路３１の構成を示す回路図である。同図を参照すると、マグネット駆動回路３１は、直流変換部３３、Ｈブリッジ回路部３４、エネルギ吸収部３５、制御部３６、電流測定部３７、及び電位差測定部３８を備える。

直流変換部３３は、ＰＭ同期発電機４から供給された交流電源電圧Ｖ_ＡＣ１〜Ｖ_ＡＣ３を直流電源電圧Ｖ_ＤＣへ変換するための回路部分である。直流変換部３３は、正側出力端３３ｉ及び負側出力端３３ｊを有しており、生成した直流電源電圧Ｖ_ＤＣを正側出力端３３ｉと負側出力端３３ｊとの間に提供する。なお、正側出力端３３ｉ及び負側出力端３３ｊのそれぞれは、リフティングマグネット１０へ電力を供給するための配線である正側電源ライン３３ｇ及び負側電源ライン３３ｈのそれぞれと電気的に接続されている。

本実施形態の直流変換部３３は、６個のダイオード３３ａ〜３３ｆを含むブリッジ回路によって構成されており、三相全波整流を行う。直流変換部は、これ以外にも例えばサイリスタを用いた純ブリッジ回路や、ダイオード及びサイリスタを用いた混合ブリッジ回路によって構成されてもよい。直流変換部が純ブリッジ回路や混合ブリッジ回路によって構成される場合、サイリスタは、図示しない位相制御回路によって所定の制御角で位相制御される。

Ｈブリッジ回路部３４は、マグネット１０へ供給される電流の向きを制御するための回路部分である。Ｈブリッジ回路部３４は、４つのトランジスタ３４ａ〜３４ｄと、該４つのトランジスタ３４ａ〜３４ｄそれぞれの電流端子間（コレクタ−エミッタ間またはソース−ドレイン間）に電気的に接続された４つのダイオード（整流素子）３４ｅ〜３４ｈと、マグネット１０へ電流を供給するための配線１８ａ及び１８ｂが接続される端子３４ｉ及び３４ｊとを含むＨブリッジ回路によって構成されている。

具体的には、トランジスタ３４ａの一方の電流端子は正側電源ライン３３ｇに電気的に接続されており、トランジスタ３４ａの他方の電流端子は端子３４ｉに電気的に接続されている。トランジスタ３４ｂの一方の電流端子は端子３４ｉに電気的に接続されており、トランジスタ３４ｂの他方の電流端子は負側電源ライン３３ｈに電気的に接続されている。トランジスタ３４ｃの一方の電流端子は正側電源ライン３３ｇに電気的に接続されており、トランジスタ３４ｃの他方の電流端子は端子３４ｊに電気的に接続されている。トランジスタ３４ｄの一方の電流端子は端子３４ｊに電気的に接続されており、トランジスタ３４ｄの他方の電流端子は負側電源ライン３３ｈに電気的に接続されている。また、ダイオード３４ｅ〜３４ｈのアノードは、それぞれトランジスタ３４ａ〜３４ｄの他方の電流端子に電気的に接続されており、ダイオード３４ｅ〜３４ｈのカソードは、それぞれトランジスタ３４ａ〜３４ｄの一方の電流端子に電気的に接続されている。

各トランジスタ３４ａ〜３４ｄのベースはブリッジドライバ３２（図２参照）と電気的に接続されており、各トランジスタ３４ａ〜３４ｄにおけるコレクタ−エミッタ間の導通状態は、ブリッジドライバ３２から提供される制御電流Ｓａ〜Ｓｄによって制御される。例えば、トランジスタ３４ａ及び３４ｄのベース端子に制御電流Ｓａ，Ｓｄが提供されると、正方向の励磁電流Ｉ_１が、トランジスタ３４ａ、端子３４ｉ、マグネット１０、端子３４ｊ、及びトランジスタ３４ｄの順に流れる。また、トランジスタ３４ｂ及び３４ｃのベース端子に制御電流Ｓｂ，Ｓｃが提供されると、逆方向の釈放電流（消磁電流）Ｉ_２が、トランジスタ３４ｃ、端子３４ｊ、マグネット１０、端子３４ｉ、及びトランジスタ３４ｂの順に（すなわち、励磁電流Ｉ_１とは逆向きに）流れる。

エネルギ吸収部３５は、マグネット１０への励磁電流Ｉ_１が釈放電流Ｉ_２へ切り替わる際にマグネット１０に蓄積されたエネルギを吸収するための回路部分である。エネルギ吸収部３５は、ｎｐｎ型のトランジスタ３５ａ、ダイオード（整流素子）３５ｂ、抵抗器３５ｃ、及びコンデンサ（容量素子）３５ｄを有する。なお、ダイオード３５ｂは必要に応じて配置され、省略することも可能である。

トランジスタ３５ａ及び抵抗器３５ｃは、正側電源ライン３３ｇと負側電源ライン３３ｈとの間に電気的に接続されており、且つ互いに直列に接続されている。具体的には、トランジスタ３５ａのコレクタ端子が正側電源ライン３３ｇに電気的に接続されており、トランジスタ３５ａのエミッタ端子が抵抗器３５ｃの一端に電気的に接続されている。また、抵抗器３５ｃの他端は、負側電源ライン３３ｈに電気的に接続されている。トランジスタ３５ａのコレクタ端子及びエミッタ端子には、それぞれダイオード３５ｂのカソード及びアノードが電気的に接続されている。トランジスタ３５ａのベース端子には、後述する制御部３６から制御電流Ｓｅが提供され、この制御電流Ｓｅによってトランジスタ３５ａの導通状態が制御される。また、コンデンサ３５ｄは、トランジスタ３５ａ及び抵抗器３５ｃに対して並列に接続されている。コンデンサ３５ｄとしては、従来のエネルギ回生用の大容量コンデンサと比較して、その容量が格段に小さく、高耐圧のものが用いられる。

電流測定部３７は、Ｈブリッジ回路部３４とエネルギ吸収部３５との間の正側電源ライン３３ｇを通ってエネルギ吸収部３５へ向かう電流の向き及び大きさを測定する。電流測定部３７は、測定結果である電流の向き及び大きさを示す電流信号Ｓｉを制御部３６へ提供する。電位差測定部３８は、正側電源ライン３３ｇと負側電源ライン３３ｈとの間の電位差を測定するための回路部分である。電位差測定部３８は、測定結果である電位差を示す電位差信号Ｓｖを制御部３６へ提供する。なお、本実施形態のマグネット駆動回路３１は電流測定部３７及び電位差測定部３８の双方を備えているが、マグネット駆動回路３１は、電流測定部３７及び電位差測定部３８のうち一方のみを備えても良い。

制御部３６は、電流信号Ｓｉ及び電位差信号Ｓｖに基づいて、エネルギ吸収部３５のトランジスタ３５ａにおける導通状態を制御する。制御部３６は、Ｈブリッジ回路部３４からエネルギ吸収部３５へ向かう電流が生じたとき、或いは、電位差信号Ｓｖが所定値以上となったときに、制御電流Ｓｅを出力してトランジスタ３５ａのコレクタ−エミッタ間を導通させる。また、制御部３６は、トランジスタ３５ａが導通している状況において、電流信号Ｓｉが所定値以下となったとき、或いは電位差信号Ｓｖが所定値以下となったときに、制御電流Ｓｅの出力を停止してトランジスタ３５ａのコレクタ−エミッタ間を不通にする。

ここで、マグネット制御盤３内部の部品配置について説明する。図４は、マグネット制御盤３の内部を示す側面図である。マグネット制御盤３は、金属製の筐体３９を有しており、この筐体３９の中に上述したマグネット駆動回路３１及びブリッジドライバ３２を内蔵している。同図において、Ａは冷却ファン、Ｂはダイオードモジュール（この中に直流変換部３３のダイオード３３ａ〜３３ｆが収められている）、Ｃはエネルギ吸収部３５のトランジスタ３５ａ、Ｄ_１，Ｄ_２はＩＧＢＴモジュール（この中にＨブリッジ回路部３４のトランジスタ３４ａ〜３４ｄが収められている）、Ｅはブリッジドライバ３２を含むＣＰＵ基板、Ｆはエネルギ吸収部３５の抵抗器３５ｃ、Ｇは制御部３６を含む配線基板、Ｈ及びＩはマグネット１０への電流及び電圧を検出するための検出回路、Ｊは端子台である。そして、Ｋは自動電圧調整器を取り付けるためのスペースであり、本実施形態では何も設置されない。自動電圧調整器は、ＰＭ同期発電機４が誘導発電機に換装された際に、誘導発電機の出力電圧を調整するために設置される。

続いて、マグネット駆動回路３１の動作について説明する。図５は、（ａ）マグネット１０の両端に印加される電圧、（ｂ）Ｈブリッジ回路部３４とエネルギ吸収部３５との間の正側電源ライン３３ｇにおける電流量、及び（ｃ）正側電源ライン３３ｇと負側電源ライン３３ｈとの間の電位差の、それぞれ時間波形を示すグラフである。なお、図５（ｂ）における電流量については、Ｈブリッジ回路部３４からエネルギ吸収部３５への電流の向きを正としている。

まず、或る時刻ｔ_０において、ＰＭ同期発電機４が駆動されることにより、三相の交流電源電圧Ｖ_ＡＣ１〜Ｖ_ＡＣ３が発生する。これらの交流電源電圧Ｖ_ＡＣ１〜Ｖ_ＡＣ３は、直流変換部３３によって直流電源電圧Ｖ_ＤＣに変換され、Ｈブリッジ回路部３４に提供される（図５（ｃ）参照）。続いて、時刻ｔ_１において、マグネット１０を励磁する。すなわち、ブリッジドライバ３２がＨブリッジ回路部３４のトランジスタ３４ａ及び３４ｄを導通させる。これにより、トランジスタ３４ａ、マグネット１０、トランジスタ３４ｄの順に励磁電流Ｉ_１が流れる（図５（ｂ）参照）。つまり、Ｈブリッジ回路部３４の端子３４ｉと端子３４ｊとの間に励磁電圧Ｖが出力される（図５（ａ）参照）。これにより、マグネット１０が励磁され、鉄片等を吸着して持ち上げることができる。

続いて、マグネット１０から鉄片等を解放するための動作に移る。まず、時刻ｔ_２において、マグネット１０の励磁を解除する。すなわち、ブリッジドライバ３２がＨブリッジ回路部３４のトランジスタ３４ａ及び３４ｄを不通とする。このとき、マグネット１０に蓄積されたエネルギにより、マグネット１０の両端（すなわち端子３４ｉと端子３４ｊとの間）に逆起電力による電圧が生じる（図５（ａ）のＱ部分）。同時に、この逆起電力に起因する電流（図５（ｂ）のＲ部分）が、ダイオード３４ｆ、マグネット１０、及びダイオード３４ｇを流れる。

このとき、エネルギ吸収部３５のトランジスタ３５ａを制御部３６が導通させるまでの微小な時間、蓄積エネルギによる電流はエネルギ吸収部３５のコンデンサ３５ｄへ流れる。そして、コンデンサ３５ｄの両端電圧が上昇することにより、正側電源ライン３３ｇと負側電源ライン３３ｈとの間の電位差が上昇する（図５（ｃ）のＳ部分）。

蓄積エネルギによる電流が正側電源ライン３３ｇを流れると、この電流はＨブリッジ回路部３４からエネルギ吸収部３５へ向かうので、正側電源ライン３３ｇにおける電流の向きが逆転する。制御部３６は、Ｈブリッジ回路部３４からエネルギ吸収部３５へ向かう電流が生じたことを電流信号Ｓｉによって認識することにより、蓄積エネルギによる電流が正側電源ライン３３ｇを流れていることを認識する（図５（ｂ）の点Ｐ_１）。そして、制御部３６は、制御電流Ｓｅを出力してトランジスタ３５ａのコレクタ−エミッタ間を導通させる。これにより、蓄積エネルギによる電流は、トランジスタ３５ａを介して抵抗器３５ｃへ流れ、抵抗器３５ｃにおいて消費されつつ、次第に減衰する。

或いは、蓄積エネルギによる電流がコンデンサ３５ｄへ流れることによりコンデンサ３５ｄの両端電圧が上昇することから、制御部３６は、正側電源ライン３３ｇと負側電源ライン３３ｈとの間の電位差が所定値Ｖ_ｔｈ１以上となることによっても、（すなわち電位差測定部３８からの電位差信号Ｓｖが所定値以上となることによっても、）蓄積エネルギによる電流が正側電源ライン３３ｇを流れていることを認識できる（図５（ｃ）の点Ｐ_２）。制御部３６は、このような場合に、制御電流Ｓｅを出力してトランジスタ３５ａのコレクタ−エミッタ間を導通させてもよい。

続いて、Ｈブリッジ回路部３４からエネルギ吸収部３５へ向かう電流の大きさ（電流信号Ｓｉ）が所定値Ｉ_ｔｈ２以下になると（図５（ｂ）の点Ｐ_３）、制御部３６は、蓄積エネルギによる電流が十分に減衰したことを認識する。そして、制御部３６は、制御電流Ｓｅの出力を停止してトランジスタ３５ａのコレクタ−エミッタ間を不通にする。なお、所定値Ｉ_ｔｈ２は、０［Ａ］にできるだけ近い値であることが好ましい。

或いは、正側電源ライン３３ｇと負側電源ライン３３ｈとの間の電位差が所定値Ｖ_ｔｈ３以下となることによっても、（すなわち電位差測定部３８からの電位差信号Ｓｖが所定値以下となることによっても、）蓄積エネルギによる電流が十分に減衰したことを認識できる（図５（ｃ）の点Ｐ_４）。制御部３６は、このような場合に、制御電流Ｓｅの出力を停止してトランジスタ３５ａのコレクタ−エミッタ間を不通にしてもよい。

その後、時刻ｔ_３において、マグネット１０を消磁する。すなわち、ブリッジドライバ３２がＨブリッジ回路部３４のトランジスタ３４ｂ及び３４ｃを導通させる。これにより、トランジスタ３４ｃ、マグネット１０、及びトランジスタ３４ｂの順に釈放電流Ｉ_２が流れる（図５（ｂ）参照）。つまり、Ｈブリッジ回路部３４の端子３４ｉと端子３４ｊとの間に釈放（消磁）電圧−Ｖが出力される（図５（ａ）参照）。これにより、マグネット１０が消磁され、吸着していた鉄片等を解放することができる。

消磁が終了したのち、時刻ｔ_４においてＨブリッジ回路部３４のトランジスタ３４ｂ及び３４ｃを不通とする。このとき、マグネット１０に蓄積されたエネルギにより、マグネット１０の両端（すなわち端子３４ｉと端子３４ｊとの間）に逆起電力による電圧が生じる（図５（ａ）のＴ部分）。同時に、この逆起電力に起因する電流（図５（ｂ）のＵ部分）が、ダイオード３４ｈ、マグネット１０、及びダイオード３４ｅを流れる。この蓄積エネルギによる電流は、上述した動作と同様にして、エネルギ吸収部３５によって吸収される。

本実施形態に係るマグネット制御システム２が奏する効果について説明する。このマグネット制御システム２は、発電機として、ＰＭ同期発電機４を備えている。ＰＭ同期発電機４は、界磁に永久磁石を用いるので発電効率が高く、同じ定格出力を有する誘導発電機と比較して小型に構成することができる。例えば、定格回転数１８００ｒｐｍで定格出力２０ｋＶＡを発生する或る誘導発電機（精工社製ＹＤ−１８５０２）の外形寸法は、本体部分の長さが５６７ｍｍ、直径が３８０ｍｍといった大きさであるのに対し、定格回転数２０００ｒｐｍで定格出力２０ｋＶＡを発生する或るＰＭ同期発電機（富士電機モータ製ＹＨ５５３７２５ａ）の外形寸法は、本体部分の長さが４６１ｍｍ、直径が２７２ｍｍと格段に小さい。従って、発電機としてＰＭ同期発電機４を用いることにより、マグネット制御システム２の小型化に寄与できる。

また、従来のシステムにおいて誘導発電機をＰＭ同期発電機に換装するだけだと、次の問題が生じる。すなわち、油圧ショベルなどの車両においては、エンジン回転数が増加すると油圧が上昇し、油圧モータによって駆動される発電機の回転数も増加する。誘導発電機では回転数の増加に対し界磁電流を減少させて出力電圧を抑えることができるが、ＰＭ同期発電機では界磁の大きさを調整できないので出力電圧が回転数に比例して上昇してしまう。

ここで、図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれＰＭ同期発電機及び誘導発電機の一般的な出力電圧特性の一例を示すグラフである。なお、図６（ａ），（ｂ）において、横軸は発電機の回転数［ｒｐｍ］を表している。図６（ｂ）に示すように、誘導発電機の出力電圧は自動電圧調整器等によって所定値（図では約２２０Ｖ）に制限できる。これに対し、図６（ａ）に示すように、ＰＭ同期発電機の出力電圧は回転数の増加に比例して上昇する。

従来、マグネットに蓄えられたエネルギは図７に示したコンデンサ１１６を用いて回生することが一般的であった。このようなコンデンサ１１６としては比較的大容量のコンデンサが用いられるが、大容量のコンデンサの耐圧性を高めると、高コストとなり且つ大型化してしまう。また、この大容量コンデンサが発電機の出力電圧に耐えられない場合、発電機の回転数が制限されてしまい、その結果、車両のエンジン回転数が制限されてしまうので、実用に供することは難しい。

これに対し、本実施形態のマグネット制御システム２においては、蓄積エネルギを抵抗器３５ｃによって吸収している。これにより、ＰＭ同期発電機４の出力電圧の増加による影響を低減できるので、発電機としてＰＭ同期発電機を採用することが可能となり、マグネット制御システム２を好適に小型化できる。また、発電機としてＰＭ同期発電機４を用いることによって自動電圧調整器を削減できるので、システムを更に簡素化できる。

また、ＰＭ同期発電機は界磁に永久磁石を用いているため、界磁電流を必要とする誘導発電機よりも発電効率が高い。従って、マグネット車両１の燃費が向上する。また、より大きな油圧をアーム１２の動作に割り振れるので、アーム１２の動作を早くできる。これにより、リフティングマグネット１０の操作者がより効率よく作業を行うことができる。

また、本実施形態のように、マグネット制御システム２は、抵抗器３５ｃと直列に接続されたスイッチ素子（トランジスタ３５ａ）と、抵抗器３５ｃ及びトランジスタ３５ａに対して並列に接続されたコンデンサ３５ｄと、トランジスタ３５ａにおける導通状態を制御する制御部３６とを更に備えることが好ましい。これにより、直流電力の向きが切り替わる際にリフティングマグネット１０に蓄積されたエネルギを好適に吸収できる。

また、本実施形態のように、マグネット制御システム２は、電流測定部３７及び電位差測定部３８のうち少なくとも一方の測定部を備え、制御部３６は、電流測定部３７によって測定される電流の向き及び大きさ、並びに電位差測定部３８によって検出される電位差のうち少なくとも一方の測定結果に基づいて、トランジスタ３５ａにおける導通状態を制御することが好ましい。これにより、蓄積エネルギによる電流の発生タイミングや解消タイミングを精度良く知ることができるので、コンデンサ３５ｄの両端電圧が過大となる前に、制御部３６がトランジスタ３５ａを導通させて蓄積エネルギによる電流を抵抗器３５ｃへ流すことができる。

本発明によるリフティングマグネット制御システムは、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では発電機として三相交流発電機を例示しているが、本発明の発電機としては、ＰＭ同期発電機であれば相数に関係なく様々な発電機を適用可能である。

マグネット車両の構成を示す斜視図である。マグネット制御システムの構成を示すブロック図である。マグネット駆動回路の構成を示す回路図である。マグネット制御盤の内部を示す側面図である。（ａ）マグネットの両端に印加される電圧、（ｂ）Ｈブリッジ回路部とエネルギ吸収部との間の正側電源ラインにおける電流量、及び（ｃ）正側電源ラインと負側電源ラインとの間の電位差の、それぞれ時間波形を示すグラフである。（ａ）ＰＭ同期発電機の一般的な出力電圧特性の一例を示すグラフである。（ｂ）誘導発電機の一般的な出力電圧特性の一例を示すグラフである。励磁電流および釈放電流をマグネットに供給するための従来のシステム構成を示す図である。

符号の説明

１…リフティングマグネット車両、２…リフティングマグネット制御システム、３…マグネット制御盤、４…ＰＭ同期発電機、５…バッテリー、１０…リフティングマグネット、１２…アーム、１４…運転室、３１…マグネット駆動回路、３２…ブリッジドライバ、３３…直流変換部、３４…ブリッジ回路部、３５…エネルギ吸収部、３６…制御部、３７…電流測定部、３８…電位差測定部、３９…筐体、９０…吊荷、Ｉ_１…励磁電流、Ｉ_２…釈放電流、Ｖ_ＡＣ１〜Ｖ_ＡＣ３…三相交流電源電圧、Ｖ_ＢＡＴ…直流電源電圧。

Claims

リフティングマグネットを装備した車両に搭載されるリフティングマグネット制御システムであって、
永久磁石同期発電機と、
前記永久磁石同期発電機から供給された交流電力を直流電力へ変換し、該直流電力を正側出力端と負側出力端との間に提供する直流変換部と、
複数のトランジスタを含んで構成され、前記直流電力の向きを制御して前記リフティングマグネットへ該直流電力を供給するＨブリッジ回路部と、
前記正側出力端と前記負側出力端との間に電気的に接続され、前記直流電力の向きが切り替わる際に前記リフティングマグネットに蓄積されたエネルギを吸収する抵抗器と
を備えることを特徴とする、リフティングマグネット制御システム。
前記抵抗器と直列に接続されたスイッチ素子と、
前記抵抗器及び前記スイッチ素子に対して並列に接続された容量素子と、
前記スイッチ素子における導通状態を制御する制御部と
を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載のリフティングマグネット制御システム。
前記抵抗器、前記スイッチ素子、及び前記容量素子を含む回路部分と前記Ｈブリッジ回路部との間に流れる電流の向き及び大きさを測定する電流測定部、並びに前記正側出力端と前記負側出力端との間の電位差を測定する電位差測定部のうち少なくとも一方の測定部を更に備え、
前記制御部は、前記電流の向き及び大きさ、並びに前記電位差のうち少なくとも一方の測定結果に基づいて、前記スイッチ素子における導通状態を制御することを特徴とする、請求項２に記載のリフティングマグネット制御システム。