JP3859076B2

JP3859076B2 - ハイブリッド方式の作業機

Info

Publication number: JP3859076B2
Application number: JP2003134371A
Authority: JP
Inventors: 博夫菅家; 勉乾
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2004343827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力源としてエンジンと電動機（以下、「モータ」という）とを備えるハイブリッド方式の作業機に関し、特に、作業機の走行方向の反転や走行停止の制御を簡単にすることができるようにしたハイブリッド方式の作業機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耕耘機や芝刈り機等の作業機においては、通常の屋外の作業では、エンジンを動力源としたものを使用する一方、低い運転音が要求される地域ではモータを動力源としたものを使用していた。このように、従来は、エンジンで駆動される作業機とモータで駆動される作業機とが個々に使い分けられていた。
【０００３】
これに対して、近年、動力源としてエンジンとモータの両方を混成使用する、いわゆるハイブリッド方式の作業機が提案されている。例えば、特開２００１−１６１１０４号公報には、ロータリ作業機を備えた管理機において、管理機本体の走行駆動と発電機駆動用にエンジンを使用し、作業機の駆動用には前記発電機で充電されたバッテリを使用するハイブリッド方式の管理機が開示されている。この管理機では、作業機の正逆転切り換えを、モータの回転方向切り換えによって行えるようにして、従来複雑であった作業機の操作機構を簡素化している。
【０００４】
また、従来から、エンジン駆動作業機をリモートコントロールするために、走行部を操作性の良好なモータにすることも行われている（特開平３−４３０１３号公報）。このエンジン駆動作業機の前進および後進の切り換えも、モータの回転方向の切り換えで行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のハイブリッド方式の管理機において、エンジン駆動される発電機の出力をバッテリを介さずにモータへ直接供給するようにしてバッテリを省略する等、制御回路を簡素化することが考えられる。この場合、モータの正転および逆転の切り換え回路は、制御回路を簡素化するための障害となりやすい。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点を解消して、制御回路を複雑にしないで出力取り出し軸を正転および逆転できるようにするのに好適なハイブリッド方式の作業機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、エンジンと、該エンジンで駆動される発電機と、該発電機から供給される電力で駆動されるモータとを有するハイブリッド方式の作業機において、前記エンジンで駆動される太陽歯車と、前記モータで前記太陽歯車の周りに公転される遊星歯車と、前記遊星歯車に噛み合うとともに出力軸を構成する内歯車とからなり、前記エンジンおよび前記モータからの入力を混成して前記出力軸から出力させる遊星歯車装置を具備し、前記モータの一方向回転の回転数によって、前記出力軸の回転数および回転方向を決定するように構成した点に第１の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、前記出力軸に連結されて回転される走行用駆動輪を備えた点に第２の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、前記エンジンが、ほぼ定速運転されて作業機本体の駆動源を構成している点に第３の特徴がある。
【００１０】
さらに、本発明は、前記発電機からバッテリを介さず直接供給される電力で前記モータが駆動されるようにした点に第４の特徴がある。
【００１１】
上記第１の特徴によれば、エンジンの回転数を変化させず、モータの回転方向も変化させず、モータの一方向での回転数を変更するだけで、遊星歯車装置の出力軸の回転数および回転方向を制御することができる。
【００１２】
第２の特徴によれば、モータの回転数を変更するだけで、走行用駆動輪の回転速度および回転方向を制御でき、作業機の前進および後退や速度変更が可能である。
【００１３】
第３の特徴によれば、エンジンによって作業機本体を定速で駆動しつつ、モータで作業機の走行速度や方向を制御することができる。
【００１４】
第４の特徴によれば、発電機の出力電力を蓄積するためのバッテリを省略して回路を簡素化するのと相まって、モータの正逆回転の切り換えのための構成も省略できるので、一層の簡素化が可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２は本発明の一実施形態に係るハイブリッド方式作業機としての芝刈機の全体斜視図、図３は芝刈機の要部平面図である。図２において、芝刈機のカッタハウジング１の前部には一対の前車輪Ｗｆ，Ｗｆが、また後部に一対の後車輪Ｗｒ，Ｗｒが懸架される。カッタハウジング１の中央部にはバーチカル型エンジンＥが搭載され、エンジンＥの上方突出部にはエンジンカバーＣが被せられる。またカッタハウジング１の後部両側には後方に向って後上りに延びる操作ハンドルＨが設けられ、さらに、カッタハウジング１の後部には、刈り取られた芝を収容するためのグラスバッグＢが設けられる。
【００１６】
図３において、カッタハウジング１の中央部は下面つまり地面側が開放された中空円筒状の空間であり、ブレードカッタ（作業機本体）４が収容されるカッタ室３が形成される。ブレードカッタ４は、エンジンＥのクランク軸５に連結され、エンジンで駆動されてカッタ室３内で回転する。カッタハウジング１の進行方向右側には、カッタ室３の出口から後方に延び、前記グラスバッグＢに通じる芝放出口２が形成される。ブレードカッタ４で刈り取られた芝等は、この芝放出口２を通ってグラスバッグＢに集められる。
【００１７】
カッタハウジング１の後部左右両側には、後輪支持部材１４，１４が配置され、該支持部材１４，１４には後車輪Ｗｒ，Ｗｒの車軸１６，１６が軸架される。左右の支持部材１４，１４は連結軸１９で互いに結合され、該連結軸１９と平行に出力軸１７が設けられる。出力軸１７は変速機２０を介してモータ７に結合されるとともに、出力軸１７の両端は、それぞれ前記支持部材１４，１４側に延びて後輪Ｗｒ，Ｗｒの車軸１６，１６に連結される。出力軸１７と車軸１６，１６との間には減速歯車機構８を介してもよいし、出力軸１７の延長部両端に後輪Ｗｒ，Ｗｒを結合するようにして車軸１６，１６を省略してもよい。
【００１８】
前記変速機２０には、エンジンＥの出力軸も連結される。変速機２０は、遊星歯車装置を備え、モータ７およびエンジンＥの回転数によって決定される回転数および回転方向の駆動力を出力する。詳細は後述する。
【００１９】
エンジンＥの上部を覆うエンジンカバーＣ内には、図示しないリコイルスタータが収容される。エンジンカバーＣには、リコイルスタータのスタータロープ（図示しない）に結合されるスタータグリップ１５が保持されている。
【００２０】
図４は、上記芝刈り機の全体システムを示すブロック図である。同図において、エンジンＥには、発電機Ｇが連結される。発電機Ｇは、例えば、アウタロータ式三相交流発電機である。発電機Ｇの出力はモータ７の駆動回路１０に接続され、駆動回路１０は、入力された交流を位相制御してモータ７に供給する。モータ７は、例えば、直流モータであるが、ユニバーサルモータ等であってもよい。駆動回路１０は、このモータ７に適合した駆動出力を発生する。エンジン回転数は目標回転数に維持するように制御される。エンジンＥの回転はブレードカッタ４に伝達されるとともに、かさ歯車２１等で方向転換され、伝達軸２２を介して変速機２０に伝達される。
【００２１】
図５は、駆動回路１０の一例を示す回路図である。同図において、駆動回路１０は、発電機Ｇの三相出力巻線に接続されたサイリスタブリッジ１０１と、ＣＰＵ１０２とを備える。点線で示すように、平滑用のコンデンサ１０３を設けても良いが、回路ユニットの小型化を図るためには、このコンデンサ１０３を省略することが好ましい。モータ７は直流ブラシモータである。ＣＰＵ１０２は、発電機Ｇの単相副巻線ＳＣから電力を得ることができる。
【００２２】
この構成において、ＣＰＵ１０２は、モータ電流を検出し、このモータ電流に基づいてサイリスタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを位相制御し、モータ７の出力を制御する。つまり、サイリスタの導通位相角つまりオンタイミングを変えて、発電機Ｇの出力交流の波形内の導通割合を制御する。
【００２３】
駆動回路１０は、負荷に対応したモータ電流を検出する。モータ７にかかる負荷が変化すると、モータ電流が変化する。モータ電流の変化に伴ってモータ電圧も変化する。例えば、運転中に負荷が増大してモータ電流が増大すると、モータ電圧は低下する。その結果、モータ回転数が低下してトルクが低下する。このままでは、走行速度が低下するので、目標回転数を維持させるため、出力を増大させてモータ電圧を増大させる。
【００２４】
なお、芝刈り機にバッテリを搭載した場合には、モータロック等の過電流を想定し、電流を検出して過電流時に駆動素子を停止して保護する回路が必要である。これに対して、この駆動回路１０では、バッテリを使用せずに、発電機Ｇから直接モータ７へ電力を供給するようにし、かつ発電機Ｇの最大出力電力がモータ７へ供給される最大制御電力以内となるようにした。したがって、駆動回路１０に使用される駆動素子（図５の例ではサイリスタとダイオード）の容量は発電機Ｇの出力電流の最大値で決定できるので、過電流に対する保護回路を省略することができる。
【００２５】
発電機Ｇの出力を、モータ定格＋α（モータの静止状態から走行状態までの加速に必要な容量）とするのがよい。すなわち、モータが必要とする最大作業能力電流値が、出力インピーダンスによって制限される発電機Ｇの最大出力電流値となるようにする。こうすることにより、上述のように、駆動回路１０の駆動素子の保護機能を省くことができる。
【００２６】
図１は、駆動輪つまり後輪の駆動装置のブロック図である。変速機２０は遊星歯車装置２３並びにモータ側減速機２４およびエンジン側減速機２５を含む。これら両減速機２４，２５は、周知の歯車装置を使用できる。遊星歯車装置２３は、太陽歯車２６、遊星歯車２７および内歯車２８からなる。モータ側減速機２４の出力軸２９には小歯車３０が結合され、エンジン側減速機２５の出力軸３１には太陽歯車２６が結合される。遊星歯車２７はアーム３２に回転自在に設けられ、アーム３２は前記出力軸３１と同軸上にアイドル状態つまり回転自在に設けられた中間歯車３３に対して偏心位置に結合される。内歯車２８の軸つまり変速機２０の出力軸３４はかさ歯車等図示しない歯車で出力軸１７に連結される。
【００２７】
図１において、エンジンＥの回転は減速機２５を介して太陽歯車２６に伝達され、太陽歯車２６の回転は遊星歯車２７を介して内歯車２８に伝達される。一方、モータ７の回転が減速機２４、小歯車３０を介して中間歯車３３に伝達され、遊星歯車２７が太陽歯車２６の周りに回転する。遊星歯車２７が太陽歯車２６の周囲を回転することにより、内歯車２８は太陽歯車２６の周囲を回転する。
【００２８】
この遊星歯車装置２３の各歯車の回転方向および回転数を回転数線図を参照して説明する。図６は、遊星歯車装置の回転数線図である。図６の各回転数線図において、縦軸に遊星歯車装置２３の各歯車の回転数（太陽歯車の回転数に対する他の歯車の回転数比率）を示す。横軸の一端に太陽歯車２６の回転数比を示し、他端に内歯車２８の回転数比を示す。そして、太陽歯車２６の歯数Ｚｓと内歯車２８の歯数Ｚｒの逆数比で決定される位置に遊星歯車２７の公転数比を示す。図に示すように、太陽歯車２６、遊星歯車２７、および内歯車２８の回転数比は直線Ｖ上に乗る。したがって、遊星歯車２７の公転数比は横軸上の歯数の逆数比で分割された点Ｄから延びる縦線と直線Ｖとの交点で示される。
【００２９】
図６（ａ）は芝刈り機の停止状態における回転数比である。太陽歯車２６の回転数に対する内歯車２８の回転数比を「０」にするためには、遊星歯車２７の公転数比を「Ｚｓ／（Ｚｒ＋Ｚｓ）」にする。つまり、エンジンＥの駆動回転数に対して、遊星歯車２７が回転数比Ｚｓ／（Ｚｒ＋Ｚｓ）で公転するようにモータ７を駆動すると内歯車２８は停止し、芝刈り機の走行は停止する。例えば、モータ側減速機２４の減速比が「１／２０」、エンジン側減速機２５の減速比が「１／６．８」、太陽歯車２６の歯数Ｚｓが「３４」、内歯車２８の歯数Ｚｒが「９０」である場合、エンジンＥを３４００ｒｐｍ、モータ７を２７００ｒｐｍでそれぞれ駆動すると変速機２０の出力軸３４の回転数は０ｒｐｍである。
【００３０】
図６（ｂ）は芝刈り機の最大速度前進状態における回転数比である。太陽歯車２６の回転数に対して遊星歯車２７の公転数比を「１」にすると、内歯車２８の回転数比は「１」になる。例えば、エンジンＥを３４００ｒｐｍで駆動し、モータ７を１００００ｒｐｍで回転させると、変速機２０の出力軸３４は５００ｒｐｍで正転つまり太陽歯車２６と同方向に回転する。
【００３１】
図６（ｃ）は芝刈り機の最大速度後進状態における回転数比である。太陽歯車２６の回転数に対して遊星歯車２７の公転数比を「０」にすると、内歯車２８の回転数比は負になる。つまり内歯車２７は太陽歯車２６対して回転数比Ｚｓ／Ｚｒで逆回転する。したがって、図６（ｃ）に示した各歯車の回転数比になるようにエンジンＥおよびモータ７を回転させれば、つまり遊星歯車２７を公転させるモータ７を停止させれば芝刈り機を後退させることができる。例えば、エンジンＥの回転数を３４００ｒｐｍ、モータ７の回転数を０ｒｐｍにすると、内歯車２８は１９０ｒｐｍで逆転する。
【００３２】
このように、エンジンＥの回転数に対してモータ７の回転数を変化させるだけで、モータ７の回転方向は変化させずに、変速機２０の出力軸３４の回転数および回転方向を変えることができる。
【００３３】
なお、エンジン回転数の変動によって変速機２０の出力軸３４の回転数、つまり芝刈り機の走行速度が変化しないように、モータ７は、エンジン回転数に応じて可変とするのがよい。すなわち、図６に示した各走行状態における回転数比を維持するためには、エンジン回転数が変化すればモータ７の回転数も、これに応じて変化させなければならないのが理解されるであろう。但し、モータ７を逆転しないという前提があるので、後進速度はエンジンの回転数に伴って変化する。
【００３４】
図７は、エンジン回転数とモータ回転数との関係を各走行状態毎に示す図である。図示のように、モータ回転数は、最大速度での前進および停止を維持するためにエンジン回転数が下がると、それに応じて低下させられる。後進時にはモータ７は停止させたままである。
【００３５】
エンジン回転数に応じた目標モータ回転数を、予めテーブル等に設定しておくか、計算によって求め、この目標モータ回転数に合うようにモータ７の回転数を制御する。エンジン回転数は、発電機Ｇの発電電力の周波数に基づいて検出する等、周知の適宜の方法を使用して検出することができる。
【００３６】
上述の実施形態は、作業機としての芝刈り機を例にしたが、本発明は、これに限らず、耕耘機や除雪機等、エンジン駆動される耕耘ロータリや除雪用オーガ等の作業機本体と、作業機本体を搭載または連結して移動させるため、エンジンおよびモータで駆動される車体とを有する種々の作業機に適用することができる。
【００３７】
また、本発明は、発電電力をバッテリに蓄積せずに直接モータに供給するもにに限らず、発電機の出力電力を蓄積するバッテリを搭載し、このバッテリの電力によってモータを駆動させる作業機にも適用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項４の発明によれば、モータの回転数を一方向で変更するだけの簡単な構成で遊星歯車装置の出力軸の回転数および回転方向を制御できる。
【００３９】
請求項２の発明によれば、モータの回転数を一方向で変更するだけで、作業機の前進および後進の切り換えおよび速度制御を行うことができる。
【００４０】
請求項３の発明によれば、エンジンをほぼ定速で回転して作業機本体を駆動することができる。例えば、作業機が芝刈り機であれば、作業機本体としてのカッタブレードをほぼ定速で回転させて刈り後の仕上がりを良好に保持できる。また、作業機が耕耘機であれば、作業機本体としてのロータリをほぼ定速で回転させて安定な耕耘作業を行うことができる。
【００４１】
請求項４の発明によれば、バッテリ搭載を省略して回路を簡素化したうえに、さらにモータの正逆切り換え制御の省略による構成の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る作業機の走行用駆動装置のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る芝刈り機の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る芝刈り機の要部平面図である。
【図４】芝刈り機の全体システムを示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る作業機の駆動回路の一例を示す図である。
【図６】減速機を構成する遊星歯車装置の回転数比線図である。
【図７】モータとエンジンの回転数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１…カッタハウジング、２…芝放出口、３…カッタ室、４…ブレードカッタ、５…クランク軸、７…モータ、８…減速歯車機構、１０…駆動回路、１７…出力軸、２０…変速機、２３…遊星歯車装置、２６…太陽歯車、２７…遊星歯車、２８…内歯車、１０１…サイリスタブリッジ、１０２…ＣＰＵ、Ｅ…エンジン、Ｇ…発電機

Claims

エンジンと、該エンジンで駆動される発電機と、該発電機から供給される電力で駆動されるモータとを有するハイブリッド方式の作業機において、
前記エンジンで駆動される太陽歯車と、
前記モータで前記太陽歯車の周りに公転される遊星歯車と、
前記遊星歯車に噛み合うとともに出力軸を構成する内歯車とからなり、
前記エンジンおよび前記モータからの入力を混成して前記出力軸から出力させる遊星歯車装置を具備し、
前記モータの一方向回転の回転数によって、前記出力軸の回転数および回転方向を決定するように構成したことを特徴とするハイブリッド方式の作業機。
前記出力軸に連結されて回転される走行用駆動輪を備えたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド方式の作業機。
前記エンジンが、ほぼ定速運転されて作業機本体の駆動源を構成していることを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド方式の作業機。
前記発電機からバッテリを介さず直接供給される電力で前記モータが駆動されるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド方式の作業機。