JP2017065917A - 作業機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネットの温度上昇を抑制することができ、マグネットを構成するコイルのインダクタンスの劣化やコイル破壊を防止することができる、リフティングマグネットを備える作業機械の制御装置を提供すること。【解決手段】本体制御装置としてのコントローラは、発電機温度センサにより検出された発電機の温度、又はマグネット温度センサにより検出されたリフティングマグネットの温度が第１温度に達したらインバータの出力を制限し、第１温度よりも低い第２温度にまで戻ったら出力制限を解除するように制御構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、リフティングマグネットを備える作業機械の制御装置に関する。

磁性廃棄物を吸着して移動させるのにリフティングマグネットと呼ばれるマグネットが用いられる。このリフティングマグネット（以下、マグネットと記載する）の制御等に関する従来技術として、下記の特許文献１に記載されたものがある。その従来技術は、次のように構成されている。

マグネットの温度上昇に応じて、所定電圧を超える電圧に制御する励磁開始直後の期間（第１の期間）を長くする制御を行ったり、第１の期間の後の所定電圧に制御する第２の期間における励磁電圧を所定電圧よりも高い電圧にする制御を行ったりして、マグネットの温度上昇に伴う吸着力の低下を軽減する。

また、マグネットの構造に関し、熱伝導率が高い材料からなる導熱板をコイル間に配置するなどして放熱性を良好にする構造としている。

特開２００８−２６５９９７号公報

特許文献１に記載のマグネットの制御および構造には、次のような問題がある。マグネットの温度上昇に応じて、所定電圧を超える電圧に制御する励磁開始直後の期間を長くしたり、その後の所定電圧に制御する期間における励磁電圧を通常時よりも高い電圧にしたりするのでは、マグネットの温度上昇に伴う吸着力の低下を一時的に軽減できるものの、マグネットの更なる温度上昇を招き、結果として、温度上昇が継続するという悪循環が生じる。マグネットが放熱性の良い構造とされていても、マグネットが温度上昇するということは、マグネットの放熱性能がマグネットの温度上昇よりも下回っているということであり、上記した悪循環を断ち切ることはできない。

また、励磁電圧を高めてマグネットを構成するコイルに定格値を超える電流を流し続けると、コイルのインダクタンスの劣化を引き起こし、最悪、コイルが破壊してしまうこともある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、マグネットの温度上昇を抑制することができ、マグネットを構成するコイルのインダクタンスの劣化やコイル破壊を防止することができる、リフティングマグネットを備える作業機械の制御装置を提供することである。

本発明は、エンジンと、前記エンジンに接続された発電機と、前記発電機が発電した交流電力を直流電力に変換し、且つ直流電力を出力するインバータと、前記インバータから直流電力が供給されるリフティングマグネットと、を備える作業機械の制御装置である。この制御装置は、前記インバータに接続された本体制御装置と、前記発電機に取り付けられた発電機温度センサ、又は前記リフティングマグネットに取り付けられたマグネット温度センサとを備える。前記本体制御装置は、前記発電機温度センサにより検出された前記発電機の温度、又は前記マグネット温度センサにより検出された前記リフティングマグネットの温度が第１温度に達したら前記インバータの出力を制限し、前記第１温度よりも低い第２温度にまで戻ったら出力制限を解除するように制御構成されている。

本発明によると、発電機温度センサにより検出された発電機の温度、又はマグネット温度センサにより検出されたリフティングマグネットの温度が第１温度に達したらインバータの出力を制限する。これにより、リフティングマグネット（マグネット）の温度上昇を抑制することができ、マグネットを構成するコイルのインダクタンスの劣化やコイル破壊を防止することができる。
なお、インバータの出力を制限している間は、その制限量に応じてマグネットの吸着力は低下するが、その後、温度が低下したら出力制限を解除するので、マグネットの吸着力は回復する。

本発明の一実施形態に係るマグネットの制御構成を示すブロック図である。 図２（ａ）は、マグネットへの印加電圧の時間変化を示す図であり、図２（ｂ）は、マグネットへの印加電圧の上限値と発電機の温度との関係（マップ）を示す図である。 マグネットおよび発電機のそれぞれの温度の時間変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制御フローを示すフローチャートである。 マグネットへの印加電圧の上限値と発電機の温度との関係（マップ）の変形例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明におけるリフティングマグネット（マグネット）は、作業機械に取り付けられて使用されるものであり、リフティングマグネットを備える作業機械の例としては、例えば、特開２００７−４５６１５号公報に記載のハンドリング機（リフマグ機とも呼ばれる）がある。

（マグネットまわりの機器構成）
図１に示すように、リフマグ機のエンジン１（例えばディーゼルエンジン）には発電機２が接続されている。エンジン１の駆動力によって発電機２が発電した交流電力は、インバータ３にて直流電力に変換される。直流電力は、インバータ３からマグネット４（リフティングマグネット）へ供給される。エンジン１の回転数に応じた交流電力（電圧）が発電機２からインバータ３へ出力される。吸着スイッチ７がＯＮになると、インバータ３からの直流電力でマグネット４が励磁されて、磁性廃棄物をマグネット４で吸着することが可能となる。マグネット４は、インバータ３から送られてきた電圧に応じた磁力に励磁される。なお、作業条件にもよるが、マグネット４の励磁開始から釈放までの時間は、作業１回当り、例えば２０秒前後である。

インバータ３にはリフマグ機の本体制御装置としてのコントローラ５が接続されており、発電機２に取り付けられた温度センサ８（発電機温度センサ）からの発電機温度信号、およびマグネット４に取り付けられた温度センサ９（マグネット温度センサ）からのマグネット温度信号がコントローラに取り込まれる。また、コントローラ５には、アクセル信号やアクチュエータ操作信号が取り込まれ、これら信号をもとにしてコントローラ５は、エンジン１のＥＣＵ６（Engine Control Unit）にエンジン回転数の指令信号を出したり、インバータ３に出力値指令の信号を出したりするように構成されている。また、コントローラ５には、マグネット吸着中の信号がインバータ３から取り込まれる。本発明の一実施形態に係る制御装置は、上記したコントローラ５と、温度センサ８，９とで構成される。

（インバータの出力制御）
発電機２の温度に基づいて以下に記載するインバータ３の出力制御（マグネット４への印加電圧の制御）を行うようにコントローラ５は制御構成されている。まず、図２（ａ）を参照しつつ、マグネット４の励磁開始から釈放までの間のマグネット４への印加電圧の時間変化の基本について説明する。コントローラ５からの出力値指令により、励磁開始直後は、所定の電圧Ｖｂを超える電圧Ｖａ（過励磁電圧）でマグネット４は励磁される（過励磁域）。この電圧Ｖａでの励磁時間は例えば３〜５秒である。その後、電圧Ｖｂでマグネット４は励磁され、磁性廃棄物の移動などが終了するとマグネット４は釈放される。マグネット４が釈放されるまでの電圧Ｖｂで励磁される期間、すなわち定常域の長さ（励磁時間）は、作業によって異なるが、例えば１５秒程度である。

ここで、マグネット４を構成するコイルに電流を流すとマグネット４の温度が上昇するのであるが、前記したように、マグネット４はインバータ３から送られてきた電圧に応じた磁力に励磁され、且つ、発電機２からインバータ３へ供給された電力がインバータ３からマグネット４へ送られるため、マグネット４の温度上昇と発電機２の温度上昇との間には相関関係があり（例えば図３参照）、マグネット４の温度が上昇すると、発電機２の温度も上昇する。よって、本実施形態では、マグネット４の温度上昇を抑制するために、温度センサ８により検出された発電機２の温度に基づいて、マグネット４への印加電圧の上限値を設定している。マグネット４への印加電圧の上限値設定は、図２（ｂ）に示すマップをコントローラ５が有しており（コントローラ５にマップが予めインプットされており）、当該コントローラ５が行う。
なお、マグネット４を励磁するのは長時間連続して行うものではなく、前記したように、作業１回当りの励磁時間は２０秒前後であり、作業の合間はマグネット４のコイルに電流は流れていない。

図２（ｂ）に示すマップの内容を説明する。発電機２の温度が第１温度Ｔ１になるまでは、マグネット４への印加電圧の上限値は前記した電圧Ｖａであり、この状態はインバータ３の出力制限を特に行っていない通常時の状態である。発電機２の温度が第１温度Ｔ１に達したら、次の吸着作業では、マグネット４への印加電圧の上限値を下げる（インバータ３の出力を制限する）。このとき（次の吸着作業開始時）の発電機２の温度が例えばＴ４（Ｔ４＞Ｔ１）であれば、コントローラ５は、図２（ｂ）に示すマップに基づきマグネット４への印加電圧の上限値を電圧Ｖａよりも低い電圧Ｖｔ４に設定する（制限する）。これにより、図２（ａ）に示したように、励磁開始直後の過励磁域での印加電圧は、電圧Ｖｔ４となる。なお、定常域で印加される電圧Ｖｂは、電圧Ｖｔ４よりも低いため、定常域での印加電圧は電圧Ｖｂのままである。

図２（ｂ）に示すマップにおいて、第１温度Ｔ１から温度Ｔ５までの間が右下がりの直線になっていることからわかるように、本実施形態では、発電機２の温度上昇にあわせてインバータ３の出力の制限量を徐々に線形で増大させている。

インバータ３の出力の制限量を徐々に増大させていった結果、マグネット４へ印加する予め決められた下限電圧Ｖｍｉｎ（マグネット４への予め決められた下限出力）に達した場合、その後しばらくの間の吸着作業時は、コントローラ５は下限電圧Ｖｍｉｎを維持させて、当該下限電圧Ｖｍｉｎでマグネット４を励磁する。なお、本実施形態では、Ｖｍｉｎ＝Ｖｂとしている。これにより、図２（ａ）に示したように、励磁開始直後の過励磁域での印加電圧も定常域での印加電圧も電圧Ｖｂとなる。

その後、発電機２の温度が第３温度Ｔ３にまで低下したら、第３温度Ｔ３から第２温度Ｔ２までの間が左上がりの直線になっていることからわかるように、本実施形態では、発電機２の温度下降にあわせてインバータ３の出力の制限量を徐々に線形で減少させている。

インバータ３の出力の制限量を徐々に減少させていった結果、発電機２の温度が第２温度Ｔ２にまで戻ったらインバータ３の出力制限を解除する。出力制限の解除により、過励磁域では電圧Ｖａがマグネット４へ印加され、定常域では電圧Ｖｂがマグネット４へ印加されるようになる。

なお、前記した第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、第３温度Ｔ３の大小関係は、第２温度Ｔ２＜第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２＜第３温度Ｔ３という関係である。第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、および第３温度Ｔ３は、例えば、それぞれ、１１０℃、１００℃、および１０５℃である。

ここで、発電機２の温度が第１温度Ｔ１になってからインバータ３の出力の制限量を徐々に増大させていった際、下限電圧Ｖｍｉｎになるまで印加電圧を制限する前に発電機２の温度が上昇から下降に転じる場合がある（作業間隔が長くなった場合などである）。この場合、発電機２の温度が第２温度Ｔ２以下であれば、インバータ３の出力制限をその時点で解除する。発電機２の温度が依然として第２温度Ｔ２を超えていれば、図２（ｂ）に示すマップに基づいて上記したマグネット４への印加電圧の上限値を下げる（Ｖａ未満とする（マップのうちの右下がりの部分または左上がりの部分を使う））出力制限制御を行う。なお、本実施形態のマップの場合、第３温度Ｔ３≦発電機２の温度≦第１温度Ｔ１である場合は、下限電圧Ｖｍｉｎをマグネット４への印加電圧の上限値とする。

（マグネットおよび発電機のそれぞれの温度の時間変化について）
図３は、発電機２のある出力におけるマグネット４および発電機２のそれぞれの温度の時間変化を示す図である。図３に示したように、単位時間（数十秒程度）毎のマグネット４の温度の変化量Ｔｍと発電機２の温度の変化量Ｔｇとの差は、時間変化によらずある程度の範囲に収まる。

（制御フロー）
図４を参照しつつ、コントローラ５による印加電圧の制御フローを説明する。前提として、エンジン１が回転しているとき、エンジン回転数に応じた発電機２からの出力でマグネット４は励磁される状態にある。

マグネット４の温度の変化量Ｔｍと発電機２の温度の変化量Ｔｇとの差（差の絶対値）が予め決められた適正な値以下かどうかを判断する（ステップ１（Ｓ１））。適正な値を超えていれば（Ｓ１でＹＥＳ）、マグネット４が非吸着中であることを条件に（ステップ２（Ｓ２）でＹＥＳ）、インバータ３の出力であるマグネット４への印加電圧の上限値を、予め決められた温度変化異常時のＶｔ（Ｖｔ＜Ｖａ）にする（ステップ３（Ｓ３））。温度変化異常時のＶｔは、例えば、定常域での電圧Ｖｂである。これにより、マグネット４への印加電圧は、上記Ｖｔに上限値が設定される。なお、上記Ｖｔにマグネット４への印加電圧の上限値が設定されるのは、Ｔｍ−Ｔｇの絶対値が適正な値以下に戻るまで継続される。マグネット４が非吸着中であるというのは、マグネット４が非励磁の場合はもちろんであるが、マグネット４が励磁中であっても磁性廃棄物などの荷を下ろした状態、すなわち荷が落下しない状態のときを含んでいる（ステップ５でも同様）。

Ｔｍ−Ｔｇの絶対値が適正な値以下であれば（Ｓ１でＮＯ）、発電機２の温度が高温であるか否か、すなわち温度センサ８により検出された発電機２の温度が第１温度Ｔ１（図２参照）に達しているか否かを判断する（ステップ４（Ｓ４））。発電機２の温度が高温であれば（Ｓ４でＹＥＳ）、マグネット４が非吸着中であることを条件に（ステップ５（Ｓ５）でＹＥＳ）、発電機２の温度から図２（ｂ）に示すマップに基づいて、マグネット４への印加電圧の上限値Ｖｔを求める（ステップ６（Ｓ６））。このＶｔの求め方（決め方）については、前記した図２（ｂ）の説明を参照されたい。そしてコントローラ５は、インバータ３の出力であるマグネット４への印加電圧の上限値を、図２（ｂ）に示すマップから求めた上記Ｖｔ（Ｖｔ＜Ｖａ）にする（ステップ７（Ｓ７））。発電機２の温度が高温でなければ（Ｓ４でＮＯ）、すなわち発電機２の温度が第１温度Ｔ１に達していなければ、出力制限は特になく、通常時の印加電圧（過励磁域はＶａ、定常域はＶｂ）でマグネット４を励磁することになる（ステップ８（Ｓ８））。

（マップの変形例）
図２（ｂ）に示すマップの変形例を図５に示している。図２（ｂ）に示すマップでは、温度センサ８により検出された発電機２の温度が第１温度Ｔ１に達した後は、インバータ３の出力であるマグネット４への印加電圧の上限値を徐々に小さくしていき、その後、第３温度Ｔ３にまで発電機２の温度が低下したら、マグネット４への印加電圧の上限値を徐々に大きくしていった（戻していった）が、これに代えて、発電機２の温度が第１温度Ｔ１に達したら、マグネット４への印加電圧の上限値をすぐに例えばＶｍｉｎにまで小さくし、その後は、発電機２の温度が第２温度Ｔ２にまで戻る（低下する）まで、上限値をＶｍｉｎに制限する。そして、発電機２の温度が第２温度Ｔ２にまで戻ったら、出力制限を解除して、過励磁域は電圧Ｖａをマグネット４に印加する。

（その他の実施形態）
前記した実施形態では、温度センサ８により検出された発電機２の温度に基づいてインバータ３の出力を制限する例を示したが、これに代えて、温度センサ９により検出されたマグネット４の温度に基づいて、発電機２の温度に基づく場合と同様のインバータ３の出力制限制御（前記した制御）を行うことも好ましい。保護対象であるマグネット４の温度を直接制御することになるので、より正確なマグネット保護制御となる。なお、マグネット４は衝撃力を受けやすい部分であるので、温度センサ９として耐久性を考慮した温度センサを採用する。

（変形例）
図２（ｂ）に示した実施形態では、インバータ３の出力の制限量を徐々に線形（直線状）で増大させたり減少させたりしているが、インバータ３の出力の制限量を非線形（直線状でない）で増大させたり減少させたりしてもよい。

下限電圧Ｖｍｉｎを定常域のＶｂと同じにする（Ｖｍｉｎ＝Ｖｂ）とする必要は必ずしもない。すなわち、下限電圧Ｖｍｉｎ≠Ｖｂであってもよい。

前記した実施形態のように、発電機２の温度に基づいてインバータ３の出力を制限する制御を行う場合は、マグネット４に温度センサ９を取り付ける必要は必ずしもない。マグネット４に温度センサ９を取り付けない場合は、マグネット４の温度の変化量Ｔｍと発電機２の温度の変化量Ｔｇとの差に基づく制御は行わないことになる。

前記した実施形態では、コントローラ５からインバータ３への出力指令によりマグネット４への印加電圧を制限することでインバータ３の出力を制限しているが、これに代えて、コントローラ５からエンジン１（ＥＣＵ６）への回転数指令によりエンジン回転数を制限することで発電機２の出力を制限してインバータ３の出力を制限してもよい。

その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。

（作用効果）
本発明によると、発電機温度センサにより検出された発電機の温度、又はマグネット温度センサにより検出されたリフティングマグネットの温度が第１温度に達したらインバータの出力を制限する。これにより、リフティングマグネット（マグネット）の温度上昇を抑制することができ、マグネットを構成するコイルのインダクタンスの劣化やコイル破壊を防止することができる。なお、インバータの出力を制限している間は、その制限量に応じてマグネットの吸着力は低下するが、その後、温度が低下したら出力制限を解除するので、マグネットの吸着力は回復する。

本発明において、本体制御装置（コントローラ５）は、検出された発電機の温度、又は検出されたマグネットの温度が第１温度に達したらインバータの出力の制限制御を開始するとともにその制限量を徐々に増大させていき、発電機の温度、又はマグネットの温度が第２温度よりも高い第３温度にまで低下したらインバータの出力制限量を徐々に減少させていくように制御構成されていることが好ましい。この構成によると、マグネットの吸着力の変化を低く抑えることができる。

また本発明において、本体制御装置（コントローラ５）は、インバータの出力の制限量を徐々に増大させていった結果、インバータの出力が、リフティングマグネットへの予め決められた下限出力（例えば、下限電圧Ｖｍｉｎ）に達した場合、当該下限出力を維持し、その後、検出された発電機の温度、又は検出されたマグネットの温度が前記第３温度にまで低下したらインバータの出力制限量を徐々に減少させていくように制御構成されていることが好ましい。この構成によると、マグネットの吸着力の変化を低く抑えることができる。

また本発明において、前記した実施形態のように、発電機温度センサ、およびマグネット温度センサをいずれも備えており、本体制御装置（コントローラ５）は、検出された発電機の温度の変化量Ｔｇと検出されたマグネットの温度の変化量Ｔｍとの差を求め、この差が異常な値であると判断すると、インバータの出力を制限するように制御構成されていることが好ましい。この構成によると、二つの温度の変化量を比較することで、温度センサの故障等による温度誤検出のリスクを軽減することができる。

また本発明において、本体制御装置（コントローラ５）は、マグネットの温度ではなく、検出された発電機の温度に基づいてインバータの出力制御を行うように制御構成されていることが好ましい。発電機２への温度センサの取り付けは容易であり、且つ発電機２に温度センサを取り付ける場合、耐久性考慮レベルが比較的低い温度センサを採用することができるからである。さらには、マグネット４への温度センサの取り付けを省略し、発電機２のみに温度センサを取り付けることにすれば、マグネット４への温度センサの取り付けを省略した分、温度センサの数を少なくすることができる。

１：エンジン
２：発電機
３：インバータ
４：マグネット（リフティングマグネット）
５：コントローラ（本体制御装置）
６：ＥＣＵ
７：吸着スイッチ
８：温度センサ（発電機温度センサ）
９：温度センサ（マグネット温度センサ）
Ｔ１：第１温度
Ｔ２：第２温度
Ｔ３：第３温度
Ｖｍｉｎ：下限電圧（下限出力）
Ｔｇ：発電機の温度の変化量
Ｔｍ：リフティングマグネットの温度の変化量

Claims (5)

1. エンジンと、前記エンジンに接続された発電機と、前記発電機が発電した交流電力を直流電力に変換し、且つ直流電力を出力するインバータと、前記インバータから直流電力が供給されるリフティングマグネットと、を備える作業機械の制御装置であって、
   前記インバータに接続された本体制御装置と、
   前記発電機に取り付けられた発電機温度センサ、又は前記リフティングマグネットに取り付けられたマグネット温度センサと、
   を備え、
   前記本体制御装置は、前記発電機温度センサにより検出された前記発電機の温度、又は前記マグネット温度センサにより検出された前記リフティングマグネットの温度が第１温度に達したら前記インバータの出力を制限し、前記第１温度よりも低い第２温度にまで戻ったら出力制限を解除するように制御構成されている、
   ことを特徴とする、作業機械の制御装置。
2. 請求項１に記載の作業機械の制御装置において、
   前記本体制御装置は、検出された前記発電機の温度、又は検出された前記リフティングマグネットの温度が第１温度に達したら前記インバータの出力の制限制御を開始するとともにその制限量を徐々に増大させていき、前記第２温度よりも高い第３温度にまで低下したら前記インバータの出力制限量を徐々に減少させていくように制御構成されている、
   ことを特徴とする、作業機械の制御装置。
3. 請求項２に記載の作業機械の制御装置において、
   前記本体制御装置は、前記インバータの出力の制限量を徐々に増大させていった結果、前記インバータの出力が、前記リフティングマグネットへの予め決められた下限出力に達した場合、当該下限出力を維持し、その後、検出された前記発電機の温度、又は検出された前記リフティングマグネットの温度が前記第３温度にまで低下したら前記インバータの出力制限量を徐々に減少させていくように制御構成されている、
   ことを特徴とする、作業機械の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の作業機械の制御装置において、
   前記発電機温度センサ、および前記マグネット温度センサをいずれも備えており、
   前記本体制御装置は、検出された前記発電機の温度の変化量と検出された前記リフティングマグネットの温度の変化量との差を求め、この差が異常な値であると判断すると、前記インバータの出力を制限するように制御構成されている、
   ことを特徴とする、作業機械の制御装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の作業機械の制御装置において、
   前記本体制御装置は、検出された前記発電機の温度に基づいて前記インバータの出力制御を行うように制御構成されている、
   ことを特徴とする、作業機械の制御装置。

Images