JP2015039919A - 作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量のバッテリを必要とせず、作業車両を停止した状態で、電動機器に安定した電力を供給可能とする作業車両を提供する。【解決手段】エンジン３と、エンジン３の出力軸３１に連結されるモータジェネレータ１６と、該モータジェネレータ１６の動力伝達下流側の前記出力軸３１にクラッチ３３を介して連結される変速装置３４とを備えて、エンジン３からの駆動力により走行駆動及びＰＴＯ駆動可能とする作業車両であって、前記モータジェネレータ１６に接続される電力変換部４２と、電力変換部４２に接続されるバッテリ４３および電力取出し手段とを備えて、走行駆動時やＰＴＯ作業時にはバッテリ４３からの電力をモータジェネレータ１６に供給してエンジン出力をアシストし、走行停止時はエンジン３によりモータジェネレータ１６を駆動して発電し、電力取出し手段に接続した電動作業機を駆動可能とする。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンからの駆動力により走行駆動及びＰＴＯ駆動を可能とするとともに、エンジンの出力部にモータジェネレータを配置して、走行停止作業時にはモータジェネレータを発電機として電動作業機を作動可能とし、走行駆動時や作業時にはバッテリからの電力をモータジェネレータに供給してエンジン出力をアシスト可能とする作業車両に関する。

従来、作業車両に搭載されるエンジンによって駆動される発電機と、該発電機によって発電された電力を蓄電可能とするバッテリと、該バッテリの電力によりモータを駆動して走行可能とする走行装置と、発電機によって発電された電力と外部電源から供給される電力とをバッテリに選択的に充電することができる充電手段と、発電機によって発電された電力を外部へ取り出して電動機器を駆動可能とする電力取出し手段を設けた技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−３０６８３号公報

前記従来の技術では、エンジンからの動力は一旦発電機を駆動して電力に変換して、バッテリに蓄電し、バッテリからの電力によりモータを作動して走行装置を駆動するため、エネルギー効率が悪く、走行に必要な電力は大きいため大容量のバッテリが必要となり、高価格の作業車両となっていた。
また、電動機器を作動させる場合、充電器から電力を取出しており、直流電力しか出力できないため電動機器の種類が限られ、発電調整機によって周波数は調整できても、発電機からの電力量は調節できないため、大電力が必要な電動機器は使用できなかった。

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、大容量のバッテリを必要とせず、作業車両を停止した状態で、電動機器に安定した電力を供給可能とする作業車両を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、エンジンと、エンジンの出力軸に連結されるモータジェネレータと、該モータジェネレータの動力伝達下流側の前記出力軸にクラッチを介して連結される変速装置とを備えて、エンジンからの駆動力により走行駆動及びＰＴＯ駆動可能とする作業車両であって、前記モータジェネレータに接続される電力変換部と、電力変換部に接続されるバッテリおよび電力取出し手段とを備えて、走行駆動時やＰＴＯ作業時にはバッテリからの電力をモータジェネレータに供給してエンジン出力をアシストし、走行停止時はエンジンによりモータジェネレータを駆動して発電し、電力取出し手段に接続した電動作業機を駆動可能とするものである。

請求項２においては、前記クラッチ、電力変換部、及び、走行速度検知手段が制御装置と接続され、制御装置は、走行が停止されているときのみ、クラッチを断として、または走行停止を走行速度検知手段で検知しているときに、モータジェネレータからの電力を電力変換部を介して電力取出し手段から取出し可能とするものである。

請求項３においては、前記エンジンの回転を制御するエンジンコントローラは前記制御装置と接続され、電力取出し手段からの出力電力に応じてエンジン回転数が変更されるものである。

以上のような手段を用いることにより、モータジェネレータにより走行装駆動やＰＴＯ駆動のアシストを可能としながら、走行を停止した状態では、エンジンはモータジェネレータのみ駆動することとなり、モータジェネレータからの発電電力により、電動機器に安定して電力を供給して駆動することができる。

トラクタの概略側面図。 駆動系の概略を示す図。 他の実施形態の制御ブロック図。

まず、図１より作業車両の一例としてトラクタ１の全体構成について説明する。
ボンネット２内にエンジン３が内設され、該ボンネット２の後部にステアリングハンドル４が設けられ、該ステアリングハンドル４後方に運転席５が配設されている。

前記エンジン３の後部にはクラッチハウジング１９を介してミッションケース６と連設され、該ミッションケース６の両側にリアアクスルケース８・８が連設される。該リアアクスルケース８・８には車軸を介して後輪１０・１０が支承され、前記エンジン３を支持するフロントフレームにはフロントアクスルケース７が支持され、該フロントアクスルケース７の両側に前輪９・９が支承される。

また、トラクタ１の後部には、作業機装着装置２０が配置され、該作業機装着装置２０に作業機を装着して作業を可能としている。作業機装着装置２０は本実施形態では３点リンク式としているが、２点リンク式であってもよく限定するものではない。

作業機装着装置２０はトップリンク２１と左右のロアリンク２２・２２からなる。トップリンク２１はその前端が前記ミッションケース６後面に固設したトップリンクブラケット２３に枢支され、トップリンク２１の後部が作業機１１のヒッチ１２上部の左右中央に枢支されている。ロアリンク２２・２２はその前端がリアアクスルケース８・８に枢支され、ロアリンク２２・２２の後部に作業機１１のヒッチ１２下部の左右両側に枢支されている。

前記ミッションケース６の上面には油圧ケース２４が載置固定され油圧シリンダを収納している。油圧ケース２４の両側から油圧シリンダの伸縮により回動されるリフトアーム２５・２５が後方に突出され、該リフトアーム２５・２５の後部にリフトリンク２６・２６の上端が枢支されている。リフトリンク２６・２６の下端は前記ロアリンク２２・２２の前後中途部に枢支されている。

このような構成において、運転席５の側部に設けた昇降操作手段を操作することで油圧シリンダが伸縮され、リフトアーム２５・２５が昇降回動される。リフトアーム２５・２５が回動されることにより、リフトリンク２６・２６を介してロアリンク２２・２２が上下回動されて作業機１１を昇降することができ、トップリンク２１により作業機１１の昇降時の姿勢が規制される。

作業機１１はロータリ耕耘装置や施肥機等のＰＴＯ作業機の他、本実施形態のように、電動作業機とすることができる。電動作業機としては、例えば、投光器１４、ブロワ、チェーンソー、溶接機、コンプレッサー、ドリル、バイブレータ等であり、これら電動作業機は前記ヒッチ１２後部の作業台上１２ａに載置された状態で作業をしたり、電気コード（配線）の範囲で作業したりできる。本実施形態の電動作業機は投光器１４としている。

図２に示すように、前記エンジン３の出力軸（クランク軸）３１の後部にはフライホイル３２が固設され、該フライホイル３２の後部（動力伝達下流側）にクラッチ３３を介して変速装置３４の入力軸３５が連結される。

クラッチ３３はソレノイドまたはモータ等で構成したクラッチアクチュエータ４１により断接可能に構成され、クラッチアクチュエータ４１は制御装置５０と接続されクラッチ３３を断接制御可能としている。クラッチ３３はクラッチペダルの踏込操作や電動作業機の作動操作により断接可能としている。

変速装置３４は、主変速装置や副変速装置や前後進切換装置等からなり、入力軸３５に伝達された動力を変速してリヤデフ装置を介して後輪１０を駆動可能とし、また、変速後の動力を伝動軸やフロントデフ装置を介して前輪９を駆動可能としている。また、入力軸３５からＰＴＯクラッチ３７を介してＰＴＯ変速装置に動力を伝達して変速し、ミッションケース６の後面より後方に突出したＰＴＯ軸１３から動力を取出し、ＰＴＯ作業機を駆動可能に構成している。なお、前記各変速装置は歯車選択式や油圧式やプーリ式等で構成することが可能であり、限定するものではない。

前記フライホイル３２近傍の出力軸３１上にモータジェネレータ１６が配置される。モータジェネレータ１６はモータとしても発電機としても作動させることができ、走行時に負荷が増加したり、ＰＴＯ作業時に負荷が増加したりすると、バッテリ４３から電力が供給されてモータとして作動しエンジン出力をアシストする。走行停止時には、エンジン３により発電機として駆動され、電動作業機に発電電力を供給可能とする。

モータジェネレータ１６は、ロータ１７とステータ１８を有し、ロータ１７は出力軸３１に固設され、ステータ１８はクラッチ３３を収納するクラッチハウジング１９に固定され、ロータ１７とステータ１８は対向するように配置される。但し、ロータ１７はフライホイル３２に固設することも可能である。

ロータ１７は円筒状部材の外周に磁石がＮ極とＳ極とが交互に配置される。ステータ１８は円板状の珪素鋼板を積層してコアを構成し、コアにコイルが巻かれて構成される。このようにして、同期発電機（同期モータ）が構成されるが、誘導発電機（誘導モータ）とすることも可能である。また、交流発電機（交流モータ）の代わりに直流発電機（直流モータ・モータダイナモ）で構成することも可能である。

モータジェネレータ１６は、電力変換部４２と接続され、電力変換部４２はバッテリ４３と制御装置５０と電力取出し手段と接続されている。電力変換部４２には整流回路４２ａと、インバータ４２ｂと、切換回路４２ｃと、モータ駆動回路４２ｄが備えられている。整流回路４２ａはモータジェネレータ１６からの交流電力を直流に変換する。インバータ４２ｂは直流電力を所定の周波数に変換して交流電力として出力できるようにする。切換回路４２ｃは「発電モード」と「モータ駆動モード」とを切り換える。モータ駆動回路４２ｄはバッテリ４３からの電力を所定の周波数の交流電力に変換し、所定の回転数でモータジェネレータ１６を回転駆動できるようにする。なお、整流回路４２ａからは一部直流電力を取り出してバッテリ４３を充電できるようにしている。また、整流回路４２ａの出力側にＤＣ／ＤＣコンバータを接続して、所定電圧の直流電力を出力できるように構成することも可能である。

前記電力取出し手段は電源ボックス４６（図１）にメインスイッチや出力コンセント４４や周波数切換スイッチ等を備え、運転席５近傍に配置される。出力コンセント４４は出力電圧（１００Ｖと２００Ｖ）や出力数に合わせた数だけ設けられる。電源ボックス４６は本実施形態では作業機装着装置２０に近く接続や操作がし易いフェンダー上に配置されるが、その設置位置は限定するものではない。

制御装置５０には、トラクタ１の走行速度を検知する走行速度検知手段５１、バッテリ４３の電圧を検知する電圧検知手段５２、操作手段６０、エンジンコントローラ５４と接続されている。走行速度検知手段５１はリアアクスルケース８に配置して後輪１０の回転数を検知して走行速度を得る構成としているが、変速装置３４の出力軸の回転数を検知する構成であってもよく、限定するものではない。バッテリ４３は、リチュウム二次電池やニッケル二次電池や鉛蓄電池等の二次電池で構成され限定するものではない。バッテリ４３には電圧検知手段５２が接続されて制御装置５０に入力され、電圧不足を検知できるようにし、過充電も防止できるようにしている。

操作手段６０は運転席５近傍に配置され、ＰＴＯの切換や作業機装着装置２０の旋回時や後進時の昇降切換操作の他に、モータジェネレータ１６の「モータ駆動モード」と「電動作業モード」の切換スイッチ６１が配置されている。「モータ駆動モード」はモータジェネレータ１６により走行駆動やＰＴＯ駆動をアシストするモードであり、「電動作業モード」は走行を停止して電動作業を行うモードである。

具体的には、電動作業を行う場合、つまり、出力コンセント４４より電力を取り出して作業機装着装置２０に搭載した電動作業機（投光器１４）を駆動して作業を行う場合、操作手段６０の切換スイッチ６１により電動作業側に切り換えて「電動作業モード」とする。「電動作業モード」となると、制御装置５０はクラッチ３３を断として、変速装置３４への動力伝達を絶ち、走行できないようにする。即ち、非走行時（停止時）のみ電動作業を可能とし、走行変速及びＰＴＯ変速は無効となり、走行変速操作やＰＴＯ変速操作をしても、動力は前輪９や後輪１０やＰＴＯ軸１３は駆動されない。または、走行停止を走行速度検知手段５１で検知しているとき（走行速度０を検知すると）、出力コンセント４４を介して電力取り出し可能とする。

「電動作業モード」では、エンジン３の駆動力によりロータ１７が回転駆動され、このロータ１７の回転によりステータ１８のコイルに誘導起電力が発生する。この電力が電力変換部４２の整流回路４２ａにより直流とした後、インバータ４２ｂにより所定の周波数に変換して、出力コンセント４４を介して取り出せるようにしている。出力コンセント４４に電動作業機のプラグを差し込んで電源オンとすることで、例えば、投光器１４に電力を供給して照明することができる。

「電動作業モード」において、エンジン３はエンジンコントローラ５４により一定回転で回転するように制御され、電圧変動がないようにしている。つまり、負荷が増加して回転数が下がるとガバナをエンジンコントローラ５４により制御して回転数を増加させ、設定回転数で回転するように制御している。

切換スイッチ６１を切り換えて「モータ駆動モード」とすると、制御装置５０はクラッチ３３を接として、変速装置３４への動力伝達を可能とし、走行可能、かつ、ＰＴＯ駆動可能とする。ただし、クラッチペダルの操作等でクラッチを断とすることは可能である。

「モータ駆動モード」において、エンジン負荷が増加し、操作手段６０において設定した速度よりも低下した場合には、制御装置５０は、バッテリ５２からの電力を電力変換部４２のモータ駆動回路４２ｄに供給して、モータジェネレータ１６を駆動して走行アシストを行う。つまり、設定速度と速度検知手段５１からの検出値を比較し、その差に応じてバッテリ５２からの電力供給量を制御して、設定速度で走行できるようにするのである。

また、前記ＰＴＯ軸１３は、図３に示すように、モータジェネレータ１５により駆動可能、かつ、回生可能に構成することもできる。つまり、モータジェネレータ１５は電力変換部４５を介してバッテリ４３と接続され、電力変換部４５は制御装置５０と接続されて制御される。そして、作業機装着装置２０に作業機として例えばモアを装着して、芝刈り作業を行う場合、操作手段６０の操作により、モータジェネレータ１５をモータとして作動させることで、刈刃を回転させて芝を刈り取ることができる。刈取作業の終端位置に至りモアを上昇させて駆動力を絶つと刈刃は慣性力で回転を続ける。この時、モータジェネレータ１５を発電機として作動させることにより、発生した電力をバッテリ４３に充電することができ、回生するのである。

以上のように、エンジン３と、エンジン３の出力軸３１に連結されるモータジェネレータ１６と、該モータジェネレータ１６の動力伝達下流側の前記出力軸３１にクラッチ３３を介して連結される変速装置３４とを備えて、エンジン３からの駆動力により走行駆動及びＰＴＯ駆動可能とする作業車両であって、前記モータジェネレータ１６に接続される電力変換部４２と、電力変換部４２に接続されるバッテリ４３および電力取出し手段とを備えて、走行駆動時やＰＴＯ作業時にはバッテリ４３からの電力をモータジェネレータ１６に供給してエンジン出力をアシストし、走行停止時はエンジン３によりモータジェネレータ１６を駆動して発電し、電力取出し手段に接続した電動作業機を駆動可能とするので、モータジェネレータ１６により走行装駆動やＰＴＯ駆動のアシストを可能としながら、任意の作業場所まで移動して、走行を停止した状態として、エンジン３はモータジェネレータ１６のみ駆動して、モータジェネレータ１６からの発電電力により、安定した電力を供給して電動作業機を駆動することができる。

また、前記クラッチ３３、電力変換部４２、及び、走行速度検知手段５１が制御装置５０と接続され、制御装置５０は、走行が停止されているときのみ、クラッチ３３を断として、または走行停止を走行速度検知手段５１で検知しているときに、モータジェネレータ１６からの電力を電力変換部４２を介して電力取出し手段から取出し可能とするので、走行すると負荷がかかりエンジン３からの出力が不安定になるが、停止しした状態で発電するので安定した出力が得られる。また、走行電力取出し手段と電動作業機とを接続する配線が走行することでタイヤ等に引っ掛かかっって切断されることもない。

また、前記エンジン３の回転を制御するエンジンコントローラ５４は前記制御装置５０と接続され、電力取出し手段からの出力電力に応じてエンジン回転数が変更されるので、負荷が増加するとエンジン回転が低下して出力電圧も低下するようになるが、この出力電圧の低下を検知してエンジン回転数が増加され、出力電力を安定して供給することができるようになる。また、負荷を見越してエンジンの回転数を上げておく必要がないため、無駄にエネルギーを消費することもない。

３ エンジン
１６ モータジェネレータ
３１ 出力軸
３３ クラッチ
３４ 変速装置
４２ 電力変換部
５０ 制御装置
５１ 走行速度検知手段
５４ エンジンコントローラ

Claims (3)

1. エンジンと、エンジンの出力軸に連結されるモータジェネレータと、該モータジェネレータの動力伝達下流側の前記出力軸にクラッチを介して連結される変速装置とを備えて、エンジンからの駆動力により走行駆動及びＰＴＯ駆動可能とする作業車両であって、前記モータジェネレータに接続される電力変換部と、電力変換部に接続されるバッテリおよび電力取出し手段とを備えて、走行駆動時やＰＴＯ作業時にはバッテリからの電力をモータジェネレータに供給してエンジン出力をアシストし、走行停止時はエンジンによりモータジェネレータを駆動して発電し、電力取出し手段に接続した電動作業機を駆動可能とすることを特徴とする作業車両。
2. 前記クラッチ、電力変換部、及び、走行速度検知手段が制御装置と接続され、制御装置は、走行が停止されているときのみ、クラッチを断として、または走行停止を走行速度検知手段で検知しているときに、モータジェネレータからの電力を電力取出し手段から取出し可能とすることを特徴とする請求項１に記載の作業車両。
3. 前記エンジンの回転を制御するエンジンコントローラは前記制御装置と接続され、電力取出し手段からの出力電力に応じてエンジン回転数が変更されることを特徴とする請求項１に記載の作業車両。

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