JP2010001712A - 建設機械における電動機作動用配線構造及びこれを用いた建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリと電動機の間の電線が切断された場合に、電動機により駆動される機構を適切に停止させること。
【解決手段】本発明は、バッテリに接続される電動機により駆動される機構を備える建設機械において、前記電動機の作動させるための配線構造であって、前記バッテリと前記電動機の間を接続する電力供給用電線と、前記電力供給用電線に接続され、前記電動機を短絡させるための短絡用電線と、前記短絡用電線に設けられ、常態が閉であり、制御信号が供給されることで開成するリレー若しくはスイッチング素子と、前記制御信号を前記リレー若しくはスイッチング素子に供給するための制御信号線とを備え、前記電力供給用電線と前記制御信号線が並走するように配策されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、建設機械における電動機作動用配線構造及びこれを用いた建設機械に関する。

従来より、駆動機構の一部を電動化したハイブリッド型の建設機械が提案されている。このような建設機械では、上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動機を備え、この電動機の力行運転で旋回機構を加速（駆動）するとともに、旋回機構を減速（制動）する際に回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電している（例えば、特許文献１参照）。
特開平２００４−０３６３０３号公報

しかしながら、電動機はバッテリを電源として動作しているので、仮にバッテリと電動機の間の電線が切断された場合には、電動機が作動不能となるが故に旋回機構の旋回動作が制御されない状態に陥る。かかる制御不能状態に対するフェールセーフとして、バッテリと電動機の間の電線が切断された場合に、メカニカルブレーキを作動させて旋回機構に機械的な制動力（摩擦力）を付与することも可能であるが、上部旋回体の旋回動作の慣性が大きい場合等にはメカニカルブレーキにより旋回機構を適切に停止させることができない虞がある。かかる問題は、電動機により駆動される機構が、旋回機構でなく他の機構（例えば下部走行体の走行機構）である場合も同様に生じうる。

本発明は、バッテリと電動機の間の電線が切断された場合に、電動機により駆動される機構を適切に停止させることができる配線構造及びこれを用いた建設機械の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の局面によれば、バッテリに接続される電動機により駆動される機構を備える建設機械において、前記電動機の作動させるための配線構造であって、
前記バッテリと前記電動機の間を接続する電力供給用電線と、
前記電力供給用電線に接続され、前記電動機を短絡させるための短絡用電線と、
前記短絡用電線に設けられ、常態が閉であり、制御信号が供給されることで開成するリレー若しくはスイッチング素子と、
前記制御信号を前記リレー若しくはスイッチング素子に供給するための制御信号線とを備え、
前記電力供給用電線と前記制御信号線が並走するように配策されることを特徴とする、配線構造が提供される。

本発明の第２の局面によれば、バッテリと、前記バッテリに接続される電動機と、前記電動機により駆動される機構とを備える建設機械であって、
本発明の第１の局面による配線構造と、
前記電動機の作動を制御する制御装置と、
前記バッテリと前記電動機の間の電線に流れる電流の状態を検出する検出手段とを備え、
前記制御装置は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記電線の切断が検出された場合に、前記電動機を短絡状態に切り替えることを特徴とする、建設機械が提供される。

本発明によれば、バッテリと電動機の間の電線が切断された場合に、電動機により駆動される機構を適切に停止させることができる配線構造及びこれを用いた建設機械が得られる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

「実施の形態１」
図１は、本実施の形態１の制御装置を含む建設機械１００を示す側面図である。

この建設機械１００の下部走行体１には、旋回機構２Ａを介して上部旋回体３が搭載されている。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

図２は、本実施の形態１の制御装置を含む建設機械１００の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

エンジン１１と、電動発電機１２は、ともに減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機１３の出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、本実施の形態１の建設機械１００における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

また、電動発電機１２には、インバータ１８を介してバッテリ１９が接続されており、また、バッテリ１９には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。

旋回用電動機２１の回転軸２１ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、本実施の形態１の建設機械１００の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような本実施の形態１の建設機械１００は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、建設機械１００の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が力行運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が回生運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と回生運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々を駆動するために供給される。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の力業を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の回生を運転制御している際には、電動発電機１２により発電された電力をバッテリ１９に充電する。

バッテリ１９は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。尚、バッテリ１９は、充放電可能なバッテリであれば種類は任意であり、鉛バッテリ、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリや電気２重層キャパシタ等の容量性負荷から構成されてもよい。

インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータ２０が旋回用電動機２１の力業を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であり、上述のインバータ２０によってＰＷＭ(Pulse Width Modulation)駆動される。旋回用電動機２１は、好ましくは、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭモータである。旋回用電動機２１は、上部旋回体３の旋回機構２Ａを駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。

なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は回生運転）、及び、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

リレー２１Ａ及び２１Ｂは、図３に示すように、インバータ２０と旋回用電動機２１との間の三相配線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に配設される。リレー２１Ａは、Ｕ相とＶ相の間を結ぶ短絡用電線２１Ｃ上に配設されており、リレー２１Ｂは、Ｖ相とＷ相の間を結ぶ短絡用電線２１Ｄ上に配設されている。短絡用電線２１Ｃ及び短絡用電線２１Ｄには、好ましくは、抵抗Ｒ１，Ｒ２が設けられる。尚、この抵抗Ｒ１，Ｒ２は、後述のダイナミックブレーキ機構作動時に旋回用電動機２１の内部抵抗の抵抗値を増加させるのに寄与し、後述のダイナミックブレーキ機構による制動能力を増加させる。従って、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、ダイナミックブレーキ機構による必要な制動能力に応じて決定されてもよい。

リレー２１Ａ及び２１Ｂは、常態が閉成であり、コントローラ３０から駆動信号を受けて開成する。コントローラ３０からの駆動信号は、図３に示すように、信号線９０，９１によりリレー２１Ａ及び２１Ｂに供給される。即ち、コントローラ３０により信号線９０，９１に駆動電流が流されると、リレー２１Ａ及び２１Ｂは開成状態となり、信号線９０，９１に駆動電流が流されない状態（即ち駆動電流がゼロの状態）では、リレー２１Ａ及び２１Ｂは閉成状態となる。コントローラ３０は、通常時、信号線９０，９１を介して駆動信号を常時供給し、リレー２１Ａ及び２１Ｂを開成状態に維持する一方、後述のダイナミックブレーキ機構を作動させるときに、信号線９０，９１を介した駆動信号の供給を停止して、リレー２１Ａ及び２１Ｂを閉成させる。

リレー２１Ａ及び２１Ｂが閉成されると、旋回用電動機２１の三相配線が短絡状態となる。旋回用電動機２１の三相配線が短絡状態であるとき、旋回用電動機２１のロータ（磁石）が回転すると、コイルに電流が誘起されて回路上の抵抗（旋回用電動機２１の内部抵抗）で熱エネルギーが生ずる。即ち、旋回用電動機２１の三相配線が短絡状態であるときに、旋回用電動機２１のロータ（磁石）が回転すると、旋回用電動機２１の回転エネルギーが回路上の抵抗で熱エネルギーに変換される。従って、旋回用電動機２１の三相配線を短絡状態に切り替えることで、旋回用電動機２１の回転に対して制動力を付与することができる。尚、このときの制動力（制動トルク）は、旋回用電動機２１の内部抵抗の抵抗値と回転軸２１ａの回転速度とによって定まる。以下、このようにして旋回用電動機２１の回転に対して制動力を付与する機構を、「ダイナミックブレーキ機構」とも称する。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２Ａの回転角度及び回転方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度を減速して旋回機構２Ａに機械的に伝達する減速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力として旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転数を増加させ、より多くの回転動作を旋回用電動機２１に発生させることができる。

旋回機構２Ａは、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂを操作するために１本ずつ（すなわち合計２本）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９をそれぞれ操作するために２本ずつ（すなわち合計６本）設けられるため、実際には全部で８本あるが、説明の便宜上、１本にまとめて表す。

圧力センサ２９では、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃの各々の操作による油圧ライン２８内の油圧の変化が別個独立的に圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃの各々の操作により、旋回用電動機２１、ブーム４、アーム５、バケット６、及び下部走行体１の各々を操作するための油圧の変化を検出し、各々の操作による油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。これらの電気信号は、コントローラ３０に入力される。

バッテリ１９とインバータ２０の間には、バッテリ１９とインバータ２０の間の電線を流れる電流を検出する電流センサ７０が設けられる。電流センサ７０は、バッテリ１９とインバータ２０の間に代えて若しくは加えて、インバータ２０とリレー２１Ａ，２１Ｂの間に設けられてもよい。即ち、電流センサ７０は、インバータ２０の入力側及び／又は出力側に設けられてもよい。電流センサ７０により検出された電流値を表す電気信号は、コントローラ３０に入力される。

コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。コントローラ３０は、本実施の形態１の建設機械１００の各種の駆動制御を行う。コントローラ３０は、例えば、圧力センサ２９から出力される電気信号に基づいて、レバー２６Ａの操作量に応じて、インバータ２０を介して旋回用電動機２１を回転駆動させる。

ところで、上述の如く、旋回用電動機２１はバッテリ１９を電源として動作しているので、仮にバッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断されると、旋回機構２Ａの旋回動作が制御不能な状態に陥る。かかる制御不能状態に対するフェールセーフとして、バッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断された場合に、メカニカルブレーキ２３を作動させて旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転に機械的な制動力を付与することも可能であるが、上部旋回体３の旋回動作の慣性が大きい場合等にはメカニカルブレーキ２３により旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転を適切に停止させることができない虞がある。

そこで、本実施の形態１では、以下で詳説するように、バッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断された場合に、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転を適切に停止させるフェールセーフ機能を電線の配線構造１０１により実現する。

以下、このフェールセーフ機能を実現する電線の配線構造１０１について、図３を再度参照して、詳説する。

本実施の形態１の配線構造１０１では、リレー２１Ａ及び２１Ｂに対する信号線９０，９１は、図３に模式的に示すように、旋回用電動機２１への電力供給線と並走するように配策される。即ち、リレー２１Ａ及び２１Ｂに対する信号線９０，９１は、旋回用電動機２１への電力供給線と同時に切断されるように配策される。図３に示す例では、リレー２１Ａに対する信号線９０は、Ｕ相配線と並走するように配策され、リレー２１Ｂに対する信号線９１は、Ｗ相配線と並走するように配策されている。但し、信号線９０又は信号線９１は、Ｖ相配線と並走するように配策されてもよい。或いは、信号線９０及び／又は信号線９１は、３相配線のうちの任意の組み合わせの２相配線（例えばＵ相配線及びＶ相配線）、若しくは３相配線の全てに並走するように配策されてもよい。例えば、３相配線が束状にされて旋回用電動機２１に配策されている場合には、信号線９０及び信号線９１は、当該３相配線の束に密着して配策されてよい。

信号線９０，９１が旋回用電動機２１への電力供給線と並走して配策される範囲は、長いほど有効であるが、例えば図３に示すように、インバータ２０の出力端子から旋回用電動機２１の入力端子までの略全区間を含むような範囲であってよい。また、信号線９０，９１は、旋回用電動機２１への電力供給線の切断が生じ易い箇所（例えば周辺部材とのクリアランスが小さい箇所や振動部や可動部のそば）において、旋回用電動機２１への電力供給線と並走して配策されてもよい。

ここで、本実施の形態１では、図３にて×マークで模式的に示すように、旋回用電動機２１への電力供給線が切断されると、信号線９０及び信号線９１も同時に切断されることになる。信号線９０及び信号線９１が切断されると、コントローラ３０からリレー２１Ａ及び２１Ｂへの駆動信号の供給が遮断される。この結果、リレー２１Ａ及び２１Ｂは、常態に復帰して閉成されるので、短絡状態が形成されてダイナミックブレーキ機構が働く。尚、例え信号線９０及び信号線９１の一方しか切断されない場合でも、２相間が短絡するので、制動力がその分だけ低下するもののダイナミックブレーキ機構は機能する。

このように本実施の形態１によれば、旋回用電動機２１の作動中にバッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断された場合でも、ダイナミックブレーキ機構を働かせることができる。これにより、回転中の旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度を、メカニカルブレーキ２３が機能する回転速度領域まで低下させることができる。

尚、本実施の形態１によれば、上述の如く旋回用電動機２１への電力供給線が切断されると、信号線９０及び信号線９１も同時に切断されることで、ダイナミックブレーキ機構が働くので、電流センサ７０の検出結果に基づいて、旋回用電動機２１への電力供給線の切断の有無を検出することを不要とすることも可能ではある。しかしながら、好ましくは、信号線９０，９１が旋回用電動機２１への電力供給線と同時に切断されない場合に対するフェールセーフとして、電流センサ７０の検出結果に基づいて、旋回用電動機２１への電力供給線の切断が検出された場合に、コントローラ３０がリレー２１Ａ及び２１Ｂへの駆動信号の供給を停止して、ダイナミックブレーキ機構を作動させる。即ち、コントローラ３０は、好ましくは、図４に示すように、バッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断された場合に、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転を適切に停止させるフェールセーフ機能を実現する。

図４は、実施の形態１のコントローラ３０により実現されるフェールセーフ機能用の主要処理の一例を示すフローチャートである。図４に示す処理ルーチンは、例えば旋回用電動機２１の作動中（力行運転又は回生運転中）に所定周期毎に繰り返し実行される。

ステップ４００では、電流センサ７０からの電気信号に基づいて、バッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断されたか否かを判定する。バッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断されると、当該電線を流れる電流はゼロとなる。即ち、バッテリ１９から旋回用電動機２１への電力供給が遮断される。従って、例えばバッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線を流れる電流が、突然ゼロに変化した場合に、バッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断されたと判定されることとしてもよい。バッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断されたと判定された場合には、ステップ４０２に進み、それ以外の場合には、今回周期の処理はそのまま終了する。

ステップ４０２では、リレー２１Ａ及び２１Ｂに対する駆動信号の供給を停止してリレー２１Ａ及び２１Ｂを閉成し、ダイナミックブレーキ機構を働かせる。これにより、旋回用電動機２１の内部抵抗の抵抗値と旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度とによって定まる制動トルクが生じる。

ステップ４０４では、レゾルバ２２からの信号に基づいて、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度を算出し（回転角度を微分演算し）、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度の絶対値が所定値以下であるか否かを判定する。この所定値は、メカニカルブレーキ２３により旋回用電動機２１の回転軸２１ａを停止させることができる回転速度の最大値（若しくはそれよりも僅かに低い値）に対応してよい。旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度の絶対値が所定値よりも大きい場合には、ダイナミックブレーキ機構を引き続き作動させる必要があるため、ステップ４０２に戻る。他方、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度の絶対値が所定値以下である場合には、ステップ４０６に進む。

ステップ４０６では、メカニカルブレーキ２３を作動させて旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転を機械的に停止させる。

このように図４に示す処理によれば、旋回用電動機２１の作動中にバッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断された場合でも、ダイナミックブレーキ機構を働かせることで、回転中の旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度を、メカニカルブレーキ２３が機能する回転速度領域まで低下させることができる。これにより、旋回用電動機２１の作動中にバッテリ１９と旋回用電動機２１の間の電線が切断されるというフェールに適切に対処することができる。尚、上記ステップ４０２の処理時若しくはステップ４０６の処理時に、警告を出力して、ユーザに電線の断線に対する点検ないし整備を行うように促してもよい。

「実施の形態２」
本実施の形態２は、上述の実施の形態１の下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂを、バッテリ１９を電源として動作する走行用発電機２０１Ａ，２０１Ｂに置き換えた点が主に異なる。以下では、本実施の形態２に特有の構成を重点的に説明し、その他の構成は上述の実施の形態１と同様であってよく、同一の参照符号を付して説明を省略する。尚、コントローラ３０については、以下で詳説する走行用発電機２０１Ａ，２０１Ｂに関連する制御内容（ソフトウェア）だけが上述の実施の形態１のコントローラ３０と異なるものであってよい。

図５は、本実施の形態２の建設機械２００の構成を表すブロック図である。

走行用発電機２０１Ａ，２０１Ｂは、建設機械２００の左右輪にそれぞれ設けられ、左走行用発電機２０１Ａと右走行用発電機２０１Ｂとして機能する。左走行用発電機２０１Ａに関連する構成と、右走行用発電機２０１Ｂに関連する構成とは、実質的に同一であり、バッテリ１９に対して並列に接続されている。以下では、主に、左走行用発電機２０１Ａに関連する構成を代表として説明し、右走行用発電機２０１Ｂに関連する構成の説明は適宜省略する。

コントロールバルブ１７０は、本実施の形態２の建設機械２００における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７０には、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。コントロールバルブ１７０は、高圧油圧ラインを介して接続されるブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。即ち、レバー２６Ａ及び２６Ｂの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７０が駆動され、これにより、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

インバータ２４０は、左走行用発電機２０１Ａとバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３００からの指令に基づき、左走行用発電機２０１Ａに対して運転制御を行う。これにより、インバータ２４０が左走行用発電機２０１Ａの力業を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から左走行用発電機２０１Ａに供給する。また、左走行用発電機２０１Ａが回生運転をしている際には、左走行用発電機２０１Ａにより発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

左走行用発電機２０１Ａは、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であり、上述のインバータ２４０によってＰＷＭ駆動される。左走行用発電機２０１Ａは、好ましくは、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭモータである。力行運転の際には、左走行用発電機２０１Ａの回転駆動力の回転力が左走行減速機２４４にて増幅され、下部走行体１が加減速制御される。また、下部走行体１の慣性走行により、左走行減速機２４４にて回転数が増加されて左走行用発電機２０１Ａに伝達され、回生電力を発生させることができる。

なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は回生運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）、及び、左走行用発電機２０１Ａや右走行用発電機２０１Ｂの運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３００によって行われる。

リレー２４１Ａ及び２４１Ｂは、図６に示すように、インバータ２４０と左走行用発電機２０１Ａとの間の三相配線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に配設される。リレー２４１Ａは、Ｕ相とＶ相の間を結ぶ短絡用電線２４１Ｃ上に配設されており、リレー２４１Ｂは、Ｖ相とＷ相の間を結ぶ短絡用電線２４１Ｄ上に配設されている。短絡用電線２４１Ｃ及び短絡用電線２４１Ｄには、好ましくは、抵抗Ｒ１０，Ｒ２０が設けられる。尚、この抵抗Ｒ１０，Ｒ２０は、ダイナミックブレーキ機構作動時における左走行用発電機２０１Ａの内部抵抗を増加させるのに寄与し、後述のダイナミックブレーキ機構による制動能力を増加させる。従って、抵抗Ｒ１０，Ｒ２０の抵抗値は、ダイナミックブレーキ機構による必要な制動能力に応じて決定されてもよい。

リレー２４１Ａ及び２４１Ｂは、常態が閉成であり、コントローラ３００から駆動信号を受けて開成する。コントローラ３００からの駆動信号は、図６に示すように、信号線９２，９３によりリレー２４１Ａ及び２４１Ｂに供給される。即ち、コントローラ３００により信号線９２，９３に駆動電流が流されると、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂは開成状態となり、信号線９２，９３に駆動電流が流されない状態（即ち駆動電流がゼロの状態）では、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂは閉成状態となる。コントローラ３００は、通常時、信号線９２，９３を介して駆動信号を常時供給し、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂを開成状態に維持する一方、ダイナミックブレーキ機構を作動させるときに、信号線９２，９３を介した駆動信号の供給を停止して、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂを閉成させる。

リレー２４１Ａ及び２４１Ｂが閉成されると、左走行用発電機２０１Ａの三相配線が短絡状態となる。左走行用発電機２０１Ａの三相配線が短絡状態であるとき、左走行用発電機２０１Ａのロータ（磁石）が回転すると、コイルに電流が誘起されて回路上の抵抗（左走行用発電機２０１Ａの内部抵抗）で熱エネルギーが生ずる。即ち、左走行用発電機２０１Ａの三相配線が短絡状態であるときに、左走行用発電機２０１Ａのロータ（磁石）が回転すると、左走行用発電機２０１Ａの回転エネルギーが回路上の抵抗で熱エネルギーに変換される。従って、左走行用発電機２０１Ａの三相配線を短絡状態に切り替えることで、左走行用発電機２０１Ａの回転に対して制動力を付与することができる。尚、このときの制動力（制動トルク）は、左走行用発電機２０１Ａの内部抵抗の抵抗値と回転軸２４１ａの回転速度とによって定まる。以下、このようにして左走行用発電機２０１Ａの回転に対して制動力を付与する機構を、上述と同様に、「ダイナミックブレーキ機構」とも称する。

レゾルバ２４２は、左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、左走行用発電機２０１Ａと機械的に連結することで左走行用発電機２０１Ａの回転前の回転軸２４１ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２４１ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。

メカニカルブレーキ２４３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２４３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３００によって行われる。

走行機構２Ｂは、左走行減速機２４４のメカニカルブレーキ２４３が解除された状態で走行可能となり、これにより、下部走行体１が前後方向等に走行される。

左走行減速機２４４は、左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転速度を減速して走行機構２Ｂに機械的に伝達する減速機である。これにより、力行運転の際には、左走行用発電機２０１Ａの回転力を増力させ、より大きな推進力として下部走行体１へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、下部走行体１で発生した推進力に基づく回転数を増加させ、より多くの回転動作を左走行用発電機２０１Ａに発生させることができる。

バッテリ１９とインバータ２４０の間には、バッテリ１９とインバータ２４０の間の電線を流れる電流を検出する電流センサ２７２が設けられる。電流センサ２７２は、バッテリ１９とインバータ２４０の間に代えて若しくは加えて、インバータ２４０とリレー２４１Ａ、２４１Ｂの間に設けられてもよい。即ち、電流センサ２７２は、インバータ２４０の入力側及び／又は出力側に設けられてもよい。電流センサ２７２により検出された電流値を表す電気信号は、コントローラ３００に入力される。

コントローラ３００は、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。コントローラ３００は、本実施の形態２の建設機械１００の各種の駆動制御を行う。コントローラ３００は、例えば、圧力センサ２９から出力される電気信号に基づいて、レバー２６Ａの操作量に応じて、インバータ２０を介して旋回用電動機２１を回転駆動させたり、ペダル２６Ｃの操作量に応じて、インバータ２２０及び２４０を介して右走行用発電機２０１Ｂ及び左走行用発電機２０１Ａを回転駆動させたりする。

ところで、上述の如く、左走行用発電機２０１Ａはバッテリ１９を電源として動作しているので、仮にバッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断されると、走行機構２Ｂが制御不能な状態に陥る。かかる制御不能状態に対するフェールセーフとして、バッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断された場合に、メカニカルブレーキ２４３を作動させて左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転に機械的な制動力を付与することも可能であるが、上部旋回体３の旋回動作の慣性が大きい場合等にはメカニカルブレーキ２４３により左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転を適切に停止させることができない虞がある。

そこで、本実施の形態２では、以下で詳説するように、バッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断された場合に、左走行用発電機２０１Ａの回転軸２１ａの回転を適切に停止させるフェールセーフ機能を電線の配線構造２１１により実現する。

以下、このフェールセーフ機能を実現する電線の配線構造２１１について、図６を再度参照して詳説する。尚、以下で説明する配線構造２１１は、左走行用発電機２０１Ａに関するものであるが、右走行用発電機２０１Ｂ及び旋回用電動機２１に関しても同様であってよい。

本実施の形態２の配線構造２１１では、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂに対する信号線９２，９３は、図６に模式的に示すように、左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線と並走するように配策される。即ち、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂに対する信号線９２，９３は、左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線と同時に切断されるように配策される。図６に示す例では、リレー２４１Ａに対する信号線９２は、Ｕ相配線と並走するように配策され、リレー２４１Ｂに対する信号線９３は、Ｗ相配線と並走するように配策されている。但し、信号線９２又は信号線９３は、Ｖ相配線と並走するように配策されてもよい。或いは、信号線９２及び／又は信号線９３は、３相配線のうちの任意の組み合わせの２相配線、若しくは３相配線の全てに並走するように配策されてもよい。例えば、３相配線が束状にされて左走行用発電機２０１Ａに配策されている場合には、信号線９２及び信号線９３は、当該３相配線の束に密着して配策されてよい。

信号線９２，９３が左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線と並走して配策される範囲は、長いほど有効であるが、例えば図６に示すように、インバータ２０の出力端子から左走行用発電機２０１Ａの入力端子までの略全区間を含むような範囲であってよい。このような範囲は、特に、左走行用発電機２０１Ａ（右走行用発電機２０１Ｂについても同様）の場合に好適である。これは、左走行用発電機２０１Ａが下部走行体１に設けられ、インバータ２０が上部旋回体３に設けられるので、左走行用発電機２０１Ａとインバータ２０との間の電力供給線は、必然的に長くなり、且つ、上部旋回体３と下部走行体１の間のセンタージョイントを通過し、センタージョイント付近で切断され易くなるからである。また、信号線９２，９３は、左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線の切断が生じ易い箇所（例えば周辺部材とのクリアランスが小さい箇所や振動部や可動部のそば）において、左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線と並走して配策されてもよい。

ここで、本実施の形態２では、図６にて×マークで模式的に示すように、左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線が切断されると、信号線９２及び信号線９３も同時に切断されることになる。信号線９２及び信号線９３が切断されると、コントローラ３００からリレー２４１Ａ及び２４１Ｂへの駆動信号の供給が遮断される。この結果、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂは、常態に復帰して閉成されるので、短絡状態が形成されてダイナミックブレーキ機構が働く。尚、例え信号線９２及び信号線９３の一方しか切断されない場合でも、制動力がその分だけ低下するもののダイナミックブレーキ機構は機能する。

このように本実施の形態２によれば、左走行用発電機２０１Ａの作動中にバッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断された場合でも、ダイナミックブレーキ機構を働かせることができる。これにより、回転中の左走行用発電機２０１Ａの回転軸２１ａの回転速度を、メカニカルブレーキ２４３が機能する回転速度領域まで低下させることができる。

尚、本実施の形態２によれば、上述の如く左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線が切断されると、信号線９２及び信号線９３も同時に切断されることで、ダイナミックブレーキ機構が働くので、電流センサ２７２の検出結果に基づいて、左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線の切断の有無を検出することを不要とすることも可能ではある。しかしながら、信号線９２，９３が左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線と同時に切断されない場合に対するフェールセーフとして、電流センサ２７２の検出結果に基づいて、左走行用発電機２０１Ａへの電力供給線の切断が検出された場合に、コントローラ３００がリレー２４１Ａ及び２４１Ｂへの駆動信号の供給を停止して、ダイナミックブレーキ機構を作動させることとしてもよい。即ち、コントローラ３０は、好ましくは、図７に示すように、バッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断された場合に、左走行用発電機２０１Ａにより駆動される走行機構２Ｂを適切に停止させるフェールセーフ機能を実現する。

図７は、実施の形態２のコントローラ３００により実現されるフェールセーフ機能用の主要処理の一例を示すフローチャートである。図７に示す処理ルーチンは、例えば左走行用発電機２０１Ａの作動中に所定周期毎に繰り返し実行される。尚、図７に示す処理ルーチンは、左走行用発電機２０１Ａに関するものであるが、右走行用発電機２０１Ｂ及び旋回用電動機２１に関しても同様であってよい。

ステップ７００では、電流センサ２７２からの電気信号に基づいて、バッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断されたか否かを判定する。バッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断されると、当該電線を流れる電流はゼロとなる。従って、例えばバッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線を流れる電流が、突然ゼロに変化した場合に、バッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断されたと判定されることとしてもよい。バッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断されたと判定された場合には、ステップ７０２に進み、それ以外の場合には、今回周期の処理はそのまま終了する。

ステップ７０２では、リレー２４１Ａ及び２４１Ｂに対する駆動信号の供給を停止してリレー２４１Ａ及び２４１Ｂを閉成し、ダイナミックブレーキ機構を働かせる。これにより、左走行用発電機２０１Ａの内部抵抗の抵抗値と左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転速度とによって定まる制動トルクが生じる。

ステップ７０４では、レゾルバ２４２からの信号に基づいて、左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転速度を算出し（回転角度を微分演算し）、左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転速度の絶対値が所定値以下であるか否かを判定する。この所定値は、メカニカルブレーキ２４３により左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａを停止させることができる回転速度の最大値（若しくはそれよりも僅かに小さい値）に対応してよい。左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転速度の絶対値が所定値よりも大きい場合には、ダイナミックブレーキ機構を引き続き作動させる必要があるため、ステップ７０２に戻る。他方、左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転速度の絶対値が所定値以下である場合には、ステップ７０６に進む。

ステップ７０６では、メカニカルブレーキ２４３を作動させて左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転を機械的に停止させる。

このように図７に示す処理によれば、左走行用発電機２０１Ａの作動中にバッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断された場合でも、ダイナミックブレーキ機構を働かせることで、回転中の左走行用発電機２０１Ａの回転軸２４１ａの回転速度を、メカニカルブレーキ２４３が機能する回転速度領域まで低下させることができる。これにより、左走行用発電機２０１Ａの作動中にバッテリ１９と左走行用発電機２０１Ａの間の電線が切断されるというフェールに適切に対処することができる。尚、上記ステップ７０２の処理時若しくはステップ７０６の処理時に、警告を出力して、ユーザに電線の断線に対する点検ないし整備を行うように促してもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施の形態１においては、リレー２１Ａ及び２１Ｂを閉成することで、ダイナミックブレーキ機構を働かせていたが、インバータ２０のスイッチング素子を用いてダイナミックブレーキ機構を働かせることも可能である。例えば、図８は、実施の形態１の建設機械１００の旋回用電動機２１を駆動制御するためのインバータ２０の構成を示す図である。インバータ２０は、旋回用電動機２１を三相駆動するために６つのトランジスタＴ１〜Ｔ６を含むブリッジ回路を有する。この場合、実施の形態１で説明したリレー２１Ａ及び２１Ｂを廃止し、その代わりに、インバータ２０内のトランジスタの駆動状態によって旋回用電動機２１を短絡状態にする。即ち、上述と同様に旋回用電動機２１への電力供給線の断線に伴いトランジスタ駆動用の信号線が断線すると、常態がオン状態のトランジスタＴ１、Ｔ２及びＴ３を同時にオンに切り替えられることによって旋回用電動機２１の三相配線が短絡される。以上の変形例は、上述の実施の形態２に対しても同様に当てはまる。

また、上述の実施の形態１においては、旋回用電動機２１がインバータ２０によってＰＷＭ駆動される交流モータであったが、旋回用電動機２１は直流モータであってもよい。このように旋回用電動機２１として直流モータを用いる場合は、直流モータに電力を供給する２本の電力供給線を短絡させるためのリレーを１つ設ければよい。このリレーを閉成すれば、直流モータの短絡制動によって回転軸に制動トルクが生じるため、交流モータの場合と同様に旋回停止状態を実現することができる。この場合も、リレーに対する駆動信号を供給する信号線を電力供給線と並走させればよい。以上の変形例は、上述の実施の形態２における左走行用発電機２０１Ａ、右走行用発電機２０１Ｂ及び旋回用電動機２１に対しても同様に当てはまる。

また、実施の形態１において、上述の如く旋回用電動機２１への電力供給線の切断に起因してダイナミックブレーキ機構を作動させた場合に、所定時間経過後に、旋回用電動機２１の回転軸２１ａの回転速度がメカニカルブレーキ２３の機能する回転速度領域まで低下したと判断して（看做して）、メカニカルブレーキ２３を作動させることとしてもよい。かかる構成によれば、レゾルバ２２とコントローラ３０の間の信号線が切断されたフェール時にも適切な段階でメカニカルブレーキ２３を作動させることができる。以上の変形例は、上述の実施の形態２に対しても同様に当てはまる。

実施の形態１の建設機械１００を示す側面図である。 実施の形態１の建設機械１００の構成を表すブロック図である。 実施の形態１の建設機械１００における配線構造１０１の要部を示す図である。 実施の形態１のコントローラ３０により実現されるフェールセーフ機能用の主要処理の一例を示すフローチャートである。 実施の形態２の建設機械２００の構成を表すブロック図である。 実施の形態２の建設機械２００における配線構造２１１の要部を示す図である。 実施の形態２のコントローラ３００により実現されるフェールセーフ機能用の主要処理の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１の建設機械１００の旋回用電動機２１を駆動制御するためのインバータ２０の構成を示す図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２Ａ 旋回機構
２Ｂ 走行機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 減速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７，１７０ コントロールバルブ
１８ インバータ
１９ バッテリ
２０，２２０，２４０ インバータ
２１Ａ、２１Ｂ、２４１Ａ、２４１Ｂは リレー
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３，２２３，２４３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０，３００ コントローラ
７０，２７０，２７２ 電流センサ
９０，９１，９２，９３ 信号線
１００，２００ 建設機械
１０１，２１１ 配線構造
２０１Ａ 左走行用発電機
２０１Ｂ 右走行用発電

Claims (7)

1. バッテリに接続される電動機により駆動される機構を備える建設機械において、前記電動機の作動させるための配線構造であって、
   前記バッテリと前記電動機の間を接続する電力供給用電線と、
   前記電力供給用電線に接続され、前記電動機を短絡させるための短絡用電線と、
   前記短絡用電線に設けられ、常態が閉であり、制御信号が供給されることで開成するリレー若しくはスイッチング素子と、
   前記制御信号を前記リレー若しくはスイッチング素子に供給するための制御信号線とを備え、
   前記電力供給用電線と前記制御信号線が並走するように配策されることを特徴とする、配線構造。
2. 前記電力供給用電線と前記制御信号線は同時に切断されるように配策される、請求項１に記載の配線構造。
3. 前記電力供給用電線と前記制御信号線は互いに密着して配策される、請求項１に記載の配線構造。
4. 前記機構は、建設機械の上部旋回体の旋回機構、及び、建設機械の下部走行体の走行機構の少なくともいずれか一方である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の配線構造。
5. 前記電動機は、磁石埋込型三相交流モータである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の配線構造。
6. バッテリと、前記バッテリに接続される電動機と、前記電動機により駆動される機構とを備える建設機械であって、
   請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の配線構造と、
   前記電動機の作動を制御する制御装置と、
   前記バッテリと前記電動機の間の電線に流れる電流の状態を検出する検出手段とを備え、
   前記制御装置は、前記検出手段の検出結果に基づいて前記電線の切断が検出された場合に、前記電動機を短絡状態に切り替えることを特徴とする、建設機械。
7. 前記制御装置は、前記電動機を短絡状態に切り替えた後、前記電動機の回転速度が所定値以下となった場合に、メカニカルブレーキを作動させて前記電動機の回転を停止させる、請求項６に記載の建設機械。

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