JP3877909B2 - Swivel drive device for construction machinery - Google Patents

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英昭 吉松
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Kobe Steel Ltd
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機をアクチュエータとする建設機械の旋回駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、建設機械の分野では、出力に対する機器の小型軽量さにより、油圧アクチュエータが広く用いられていた。しかしながら、油圧アクチュエータは電気アクチュエータに比べてエネルギー効率が悪い。例えば、油圧アクチュエータの作動方向、出力及び速度を制御する場合、油圧ポンプの吐出油を制御弁でその方向、圧力及び流量を制御する。従って、油圧エネルギーを制御弁で絞り捨てる部分が多く、エネルギー損失が大きい。
【0003】
特に、建設機械の旋回動作の場合、例えばショベルのブーム上昇動作等と同時に行われることが多く、エネルギー効率の面からも独立したアクチュエータで制御することが好ましい。そこで、建設機械における動作や目的に応じて、油圧アクチュエータと電気アクチュエータを併用する、いわゆるハイブリッド建設機械が提案されている。
【0004】
一般に、電動機等の電気アクチュエータの動作特性と油圧アクチュエータの動作特性とは必ずしも一致しない。
【0005】
電動機をアクチュエータとする場合、中立位置に対する操作レバーの方向に応じて電動機の回転方向が切り替えられ、また操作レバーの操作量に応じて回転数(又はトルク)が制御される。回転数制御では、常にシステムの持つ最大トルクが指令される。また、トルク制御では、中立位置では電動機のトルクが0であり、駆動力も制動力も発生していないフリー状態にある。上部旋回体に制動をかける場合、旋回方向とは逆に操作レバーを操作し、電動機に逆方向のトルクを発生させる。
【0006】
一方、油圧モータをアクチュエータとする場合、中立位置に対する操作レバーの方向に応じて油圧モータの回転方向が切り替えられ、また操作レバーの操作量に応じて吐出油の流量が制御され、油圧モータの回転数が制御される。また、操作レバーを戻すと制動力が働き、中立位置では油圧モータは回転せず、油圧モータの最大トルクで制動ロックされる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、油圧アクチュエータと電気アクチュエータを併用したハイブリッド建設機械であっても、従来の油圧アクチュエータによる建設機械の操作に慣れたユーザにとってはその動作特性が同一又は近似していることが望ましい。例えば、高速で旋回している上部旋回体に制動をかける場合、電動機の制動トルクが小さいと制動距離が長くなる。そのため、従来の油圧アクチュエータによる場合と比較して、停止位置よりもかなり手前から制動をかけなければならず、正確な位置に停止することが困難となり、また動作サイクルタイムが長くなると言う問題点を有していた。
【0008】
また、本質的に電動機等の電気アクチュエータは、油圧アクチュエータと比較して、出力に対する小型軽量さの点でやや劣るが、制動トルクの大きな電動機を使用すると、電動機自体のサイズがさらに大きくなり、建設機械、特に自走式のものに搭載するには適さないと言う問題点を有していた。
【0009】
本発明は、上記従来例の問題点を解決するためになされたものであり、小型の電動機をアクチュエータとして使用しつつ、所望する動作特性が得られる建設機械の旋回駆動装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の建設機械の旋回駆動装置は、電動機をアクチュエータとして、下部走行体に対して上部旋回体を旋回駆動するものであって、旋回加速時には電動機を電動機特性で使用し、旋回減速時には電動機を発電機特性で使用し、旋回加速時と旋回減速時で異なったトルク特性を使用するとともに、電動機を発電機特性で使用する場合には、電動機の吸収トルクの最大値を回転数に関係なく一定値に制御することを特徴とする。
【0011】
また、旋回加速時における所定回転数以上の領域では、電動機を弱め界磁制御することが好ましい。
【0012】
さらに、旋回減速時において、電動機を回生制動することが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の建設機械の旋回駆動装置について、その一実施形態であるショベルを例にして説明する。本実施形態のショベルの構成を図1に示す。
【0014】
図1において、下部走行体10は、一対のクローラ11及びクローラフレーム12(図では片側のみを示す)、各クローラ11を独立して駆動制御する一対の油圧モータ13,14(図2参照)及びその減速機構等で構成されている。
【0015】
上部旋回体20は、旋回フレーム21と、旋回フレーム21上に設けられた駆動源としてのエンジン22と、エンジン22により駆動される発電機23と、発電機により発生された電力を蓄えるためのバッテリ24と、発電機23又はバッテリ24からの電力により駆動される駆動源としての電動機25と、電動機25の回転を減速する減速機構を含み電動機25の駆動力により下部走行体10に対して上部旋回体20(旋回フレーム21)を旋回駆動させるための旋回機構26等で構成されている。
【0016】
また、上部旋回体20には、起伏可能なブーム31と、ブーム31を駆動するためのブームシリンダ32と、ブーム31の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム33と、アーム33を駆動するためのアームシリンダ34と、アーム33の先端に回転可能に軸支されたバケット35と、バケット35を駆動するためのバケットシリンダ36等で構成されたショベル機構30が搭載されている。さらに、上部旋回体20の旋回フレーム21上には、ブームシリンダ32、アークシリンダ34、バケットシリンダ36を駆動制御するための油圧ポンプ41及び各シリンダごとに設けられた油圧制御弁42(図2参照)等で構成された油圧制御機構40が搭載されている。
【0017】
次に、本実施形態の制御システムのブロック構成を図2に示す。図2中、太線は機械的駆動系統を、中線は油圧駆動系統を、細線は電気的駆動系統を示す。図2に示すように、エンジン22の駆動力は油圧ポンプ41に伝達される。油圧制御弁41は、図示しない操作手段からの動作指令に応じて、右走行用油圧モータ13、左走行用油圧モータ14、ブームシリンダ32、アームシリンダ34及びバケットシリンダ36への動作油の吐出量及び吐出方向を制御する。
【0018】
一方、エンジン22の駆動力は増速機構29を介して発電機23に伝達される。発電機23は所定の交流電力を発生し、発生された交流電力は制御器27等により直流に変換され、バッテリ24に蓄えられる。一方、制御器27又はバッテリ24からの直流電力はインバータ28により所定の電圧及び周波数のパルス信号に変換され、電動機25に入力される。また、後述するように、上部旋回体20の旋回減速時において電動機25を発電機特性で使用する場合、電動機25により回生された電力を直流に変換してバッテリ24に蓄える。
【0019】
電動機25として、希土類永久磁石を回転子とするDCブラシレスモータ(IPM:Internal Permanent Magnetモータとも言う)を用いる。上部旋回体20の旋回加速時において電動機25を電動機特性で使用する場合、制御器27及びインバータ28は、DCブラシレスモータの電機子と界磁位置が常にトルク発生に有利になるように、回転子の位置を検出し、電機子直流フィードバック制御を行う。さらに、電機子に流す電流のタイミングを変化させ、界磁の最も強い回転位置と電流のピーク位置を少しずらせることによって弱め界磁制御を行い、回転数の増加に伴ってトルクが減少する領域でのトルクを増加させている。
【0020】
電動機25の回転数−トルク特性を図3に示す。図中、破線は磁気飽和がない場合の回転数−トルク特性を示し、実線は弱め界磁制御を行った実際の回転数−トルク特性を示す。電動機出力はトルクと回転数の積で表されるため、弱め界磁制御を行うことにより、回転数を高くする(又は同じ回転数でトルクを大きくする)ことにより、小型の電動機で大出力を得ることができる。なお、本実施形態では、上部旋回体20の旋回減速時において、後述するように電動機25を発電機特性で使用する。
【0021】
次に、本実施形態の旋回駆動装置における電動機25の回転数NとトルクTの関係を図4に示す。図4中、回転数Nが正の領域は左旋回、Nが負の領域は右旋回とする。また、第1象限は左旋回加速時に電動機25を電動機特性で使用する場合を示し、第4象限は左旋回減速時に電動機25を発電機特性で使用する場合を示す。第3象限は右旋回加速時に電動機25を電動機特性で使用する場合を示し、第2象限は右旋回減速時に電動機25を発電機特性で使用する場合を示す。
【0022】
図4からわかるように、第1象限及び第3象限に示す旋回加速時には、所定回転数未満の領域では電動機25の出力トルクが一定となり、所定回転数以上の領域では回転数の増加に応じて出力トルクが減少するように制御する。また、第2象限及び第4象限に示す旋回減速時には、電動機を発電機特性で使用し、電動機の吸収トルクを回転数に関係なく一定値に制御している。
【0023】
なお、図4中太い実線で描いた特性は、本実施形態における旋回システムの最大トルクT0で制御する場合を表したものであり、旋回トルクを制御できるシステムであれば、図中矢印で示すように、例えばトルクT1で旋回を開始し、トルクT2で減速を開始するように、任意の特性が得られる。
【0024】
比較のため、従来例のように旋回減速時に電動機25を回転数が増加するとトルクが減少する特性で使用する場合について説明する。電動機25を電動機特性で減速する、すなわち電動機に逆方向のトルクを発生させる場合、図3に示す電動機の回転数−トルク特性に沿って逆向きに制動する。例えば減速開始時の回転数がNaとNbの間の場合、減速開始時の回転数Nが高いほど制動トルクが小さく、制動力が小さい。従って、停止するまでの時間と制動距離が長くなる。なお、回転数に対するトルクが一定の領域が広い大出力電動機を使用すれば、図4の第2象限及び第4象限に示すような旋回減速時における特性が得られるが、電動機自体が大型となり、本発明の目的である電動機の小型化に反することとなり、適切ではない。
【0025】
本実施形態の旋回駆動装置における電動機25を従来例と同様に電動機特性で減速する場合の回転数NとトルクTの関係を図5に示す。図5中、回転数Nが正の領域は左旋回、Nが負の領域は右旋回とする。また、第1象限は左旋回加速時に電動機25を電動機特性で使用する場合を示し、第4象限は左旋回減速時に電動機25を電動機特性で使用する場合を示す。第3象限は右旋回加速時に電動機25を電動機特性で使用する場合を示し、第2象限は右旋回減速時に電動機25を電動機特性で使用する場合を示す。
【0026】
制動力と制動時間及び制動距離の関係を図6に示す。図6中、横軸に時間をとり、縦軸に電動機25の回転数(角速度ω(rad/s))及び制動距離(制動開始から停止までの回転角θ(rad))をとる。また、ωと記した曲線は制動力を表し、θと表した曲線は制動距離を表す。また、各実線は制動力が大きい場合を示す、破線は制動力が小さい場合を示す。
【0027】
次に、電動機25の電動機特性と発電機特性の違いについて、直流電動機を例にして説明する。電源電圧をE0、電動機の内部抵抗をR、電動機に流れる電流をi、電動機の逆起電力定数をK、電動機のロータの角速度をωとする。
【0028】
電動機特性で使用する場合、定常状態では、
0=Ri+Kω、従って
i=(E0−Kω)/R ・・・(1)
が成り立つ。電流iは上記式(1)で表され、角速度ωが大きくなるほど逆起電力が大きくなり、電流が小さくなる。なお、電動機のトルクは電流に比例するため、電流が流れにくい分だけ、制動トルクも小さくなる。
【0029】
一方、発電機特性で使用する場合、定常状態では、
0=Ri−Kω、従って
i=(E0+Kω)/R ・・・(2)
が成り立つ。電流iは上記式(2)で表され、角速度ωが大きくなるほど逆起電力が大きくなり、電流が大きくなり、制動トルクも大きくなる。電動機特性の場合フレミングの左手の法則に従い、発電機特性の場合フレミングの右手の法則に従う。従って、発電機特性では、電動機特性の場合と比較して力の向きが逆になり、制動力が発生する。なお、DCブラシレスモータの場合、現在の回転方向とは逆向きに回転させるタイミングでチョッパを入力するだけで、回生制動を行う。
【0030】
以上のように、電動機を発電機特性で使用する場合に、電流値を大きくすることにより、制動力を大きくすることができる。しかしながら、電流値が大きくなると、電動機の効率が低下し内部発熱が大きくなり、コイルの絶縁破壊等を引き起こす可能性がある。これに対して、建設機械の旋回駆動装置は常時駆動されるものではなく、また1回の旋回量は最大でも180度程度である。また、電動機による制動時間もせいぜい数秒程度である。従って、短時間定格で電動機の熱容量を計算することができ、電動機25として小型のものを用いても特に問題は生じない。
【0031】
なお、上記実施形態はショベルを例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、移動式クレーンや定置式クレーン等電動機をアクチュエータとする旋回駆動装置の使用が可能な全ての建設機械に適用できることは言うまでもない。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の建設機械の旋回駆動装置によれば、電動機をアクチュエータとして、下部走行体に対して上部旋回体を旋回駆動するものであって、旋回加速時には電動機を電動機特性で使用し、旋回減速時には電動機を発電機特性で使用し、旋回加速時と旋回減速時で異なったトルク特性を使用ことを特徴とする。
【0033】
すなわち、旋回減速の開始時には通常の電動機特性でなく発電機特性で電動機を使用するので制動力が大きく、制動開始から停止するまでの時間及び制動距離を短くすることができる。
【0034】
また、電動機を発電機特性で使用する場合において、電動機の吸収トルクの最大値を回転数に関係なく一定値に制御することにより、制動開始時から一定で、かつ最大の制動力を得ることができる。
【0035】
さらに、旋回加速時における前記所定回転数以上の領域では、電動機を弱め界磁制御することにより、小型電動機でありながら大出力を得ることが可能となる。
【0036】
さらに、旋回減速時において電動機を回生制動することにより、制動時に発生した電力をバッテリに蓄えることができ、省エネルギー化を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の建設機械の旋回駆動装置の一実施形態であるショベルの構成を示す図である。
【図2】 上記一実施形態の制御システムのブロック構成を示す図である。
【図3】 一般的な電動機の回転数−トルク特性を示す図である。
【図4】 上記一実施形態の旋回駆動装置における電動機の回転数NとトルクTの関係を示す図である。
【図5】 比較例として、上記一実施形態の旋回駆動装置を従来例と同様の方法で制御した場合の電動機の回転数NとトルクTの関係を示す図である。
【図6】 上記一実施形態の制御方法と従来の制御方法による制動時間及び制動距離の違いを示す図である。
【符号の説明】
10:下部走行体
11:クローラ
12:クローラフレーム
13:右走行用油圧モータ
14:左走行用油圧モータ
20:上部旋回体
21:旋回フレーム
22:エンジン
23:発電機
24:バッテリ
25:電動機
26:旋回機構
27:制御器
28:インバータ
29:増速機構
30:ショベル機構
31:ブーム
32:ブームシリンダ
33:アーム
34:アームシリンダ
35:バケット
36:バケットシリンダ
40:油圧制御機構
41:油圧ポンプ
42:油圧制御弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a turning drive device for a construction machine using an electric motor as an actuator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the field of construction machinery, hydraulic actuators have been widely used due to the small size and light weight of the equipment for output. However, hydraulic actuators are less energy efficient than electric actuators. For example, when the operation direction, output and speed of the hydraulic actuator are controlled, the direction, pressure and flow rate of the oil discharged from the hydraulic pump are controlled by a control valve. Therefore, there are many portions where hydraulic energy is squeezed out by the control valve, and energy loss is large.
[0003]
In particular, in the case of a turning operation of a construction machine, for example, it is often performed simultaneously with, for example, an excavator boom raising operation, and it is preferable to control with an actuator independent from the viewpoint of energy efficiency. In view of this, a so-called hybrid construction machine has been proposed in which a hydraulic actuator and an electric actuator are used in combination according to the operation and purpose of the construction machine.
[0004]
In general, the operating characteristics of an electric actuator such as an electric motor do not necessarily match the operating characteristics of a hydraulic actuator.
[0005]
When the motor is an actuator, the rotation direction of the motor is switched according to the direction of the operation lever with respect to the neutral position, and the rotation speed (or torque) is controlled according to the operation amount of the operation lever. In rotational speed control, the maximum torque of the system is always commanded. In the torque control, the motor torque is 0 at the neutral position, and no driving force or braking force is generated. When braking the upper revolving structure, the operating lever is operated in the direction opposite to the turning direction to generate a torque in the reverse direction in the electric motor.
[0006]
On the other hand, when the hydraulic motor is used as an actuator, the rotation direction of the hydraulic motor is switched according to the direction of the operation lever with respect to the neutral position, and the flow rate of the discharged oil is controlled according to the operation amount of the operation lever. The number is controlled. When the operation lever is returned, a braking force is applied, and the hydraulic motor does not rotate at the neutral position, and the brake is locked with the maximum torque of the hydraulic motor.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, even for a hybrid construction machine using both a hydraulic actuator and an electric actuator, it is desirable for the user who is used to the operation of the construction machine using a conventional hydraulic actuator to have the same or similar operating characteristics. For example, when braking is applied to the upper turning body turning at high speed, the braking distance becomes longer if the braking torque of the electric motor is small. Therefore, compared to the conventional hydraulic actuator, braking must be applied considerably before the stop position, making it difficult to stop at an accurate position and increasing the operation cycle time. Had.
[0008]
In addition, electric actuators such as electric motors are inherently inferior in terms of small size and light weight with respect to output compared to hydraulic actuators. However, using electric motors with large braking torque further increases the size of the electric motor itself, resulting in construction. There was a problem that it was not suitable for mounting on machines, particularly self-propelled ones.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems of the conventional example, and an object of the present invention is to provide a turning drive device for a construction machine that can obtain desired operation characteristics while using a small electric motor as an actuator. It is said.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a turning drive device for a construction machine according to the present invention drives an upper turning body with respect to a lower traveling body using an electric motor as an actuator, and uses the electric motor with electric motor characteristics during turning acceleration. When turning and decelerating, use the motor with the generator characteristics, and when using the torque characteristics that are different between turning acceleration and turning, and when using the motor with the generator characteristics, the maximum absorption torque of the motor Is controlled to a constant value regardless of the rotational speed .
[0011]
Further, where that put during turning acceleration at a constant rotational speed or more areas, it is preferable that the field-weakening control of the electric motor.
[0012]
Furthermore, it is preferable that the motor is regeneratively braked at the time of turning deceleration.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The turning drive device for a construction machine according to the present invention will be described by taking an excavator as an example thereof as an example. The configuration of the excavator of this embodiment is shown in FIG.
[0014]
In FIG. 1, a lower traveling body 10 includes a pair of crawlers 11 and a crawler frame 12 (only one side is shown in the figure), a pair of hydraulic motors 13 and 14 (see FIG. 2) that independently drive and control each crawler 11, and The speed reduction mechanism is used.
[0015]
The upper swing body 20 includes a swing frame 21, an engine 22 as a drive source provided on the swing frame 21, a generator 23 driven by the engine 22, and a battery for storing electric power generated by the generator. 24, an electric motor 25 as a drive source driven by electric power from the generator 23 or the battery 24, and a reduction mechanism that decelerates the rotation of the electric motor 25. It comprises a turning mechanism 26 and the like for driving the body 20 (the turning frame 21) to turn.
[0016]
Further, the upper swing body 20 drives a boom 31 that can be raised and lowered, a boom cylinder 32 for driving the boom 31, an arm 33 that is rotatably supported near the tip of the boom 31, and the arm 33. An excavator mechanism 30 including an arm cylinder 34 for rotating, a bucket 35 rotatably supported at the tip of the arm 33, a bucket cylinder 36 for driving the bucket 35, and the like is mounted. Further, on the swing frame 21 of the upper swing body 20, a hydraulic pump 41 for driving and controlling the boom cylinder 32, the arc cylinder 34, and the bucket cylinder 36, and a hydraulic control valve 42 provided for each cylinder (see FIG. 2). ) Etc. are mounted.
[0017]
Next, a block configuration of the control system of the present embodiment is shown in FIG. In FIG. 2, a thick line indicates a mechanical drive system, a middle line indicates a hydraulic drive system, and a thin line indicates an electrical drive system. As shown in FIG. 2, the driving force of the engine 22 is transmitted to the hydraulic pump 41. The hydraulic control valve 41 discharges the operating oil to the right traveling hydraulic motor 13, the left traveling hydraulic motor 14, the boom cylinder 32, the arm cylinder 34, and the bucket cylinder 36 in accordance with an operation command from an operating unit (not shown). And the discharge direction is controlled.
[0018]
On the other hand, the driving force of the engine 22 is transmitted to the generator 23 via the speed increasing mechanism 29. The generator 23 generates predetermined AC power, and the generated AC power is converted into DC by the controller 27 and the like and stored in the battery 24. On the other hand, DC power from the controller 27 or the battery 24 is converted into a pulse signal having a predetermined voltage and frequency by the inverter 28 and input to the electric motor 25. As will be described later, when the electric motor 25 is used with generator characteristics when the upper-part turning body 20 is decelerated, the electric power regenerated by the electric motor 25 is converted into direct current and stored in the battery 24.
[0019]
As the electric motor 25, a DC brushless motor (also referred to as an IPM: Internal Permanent Magnet motor) using a rare earth permanent magnet as a rotor is used. When the electric motor 25 is used with electric motor characteristics when the upper swing body 20 is accelerated to rotate, the controller 27 and the inverter 28 are arranged so that the armature and the field position of the DC brushless motor are always advantageous for torque generation. Is detected and armature DC feedback control is performed. Furthermore, the field weakening control is performed by changing the timing of the current flowing through the armature and slightly shifting the rotational position of the strongest field and the peak position of the current, and in a region where the torque decreases as the rotational speed increases. The torque is increased.
[0020]
The rotation speed-torque characteristic of the electric motor 25 is shown in FIG. In the figure, the broken line shows the rotational speed-torque characteristic when there is no magnetic saturation, and the solid line shows the actual rotational speed-torque characteristic subjected to field-weakening control. Since the motor output is represented by the product of torque and rotation speed, high output can be obtained with a small motor by increasing the rotation speed (or increasing the torque at the same rotation speed) by performing field-weakening control. Can do. In the present embodiment, when the upper swing body 20 is turned and decelerated, the electric motor 25 is used with the generator characteristics as described later.
[0021]
Next, FIG. 4 shows the relationship between the rotational speed N of the electric motor 25 and the torque T in the turning drive device of this embodiment. In FIG. 4, a region where the rotational speed N is positive is left-turning, and a region where N is negative is turning right. The first quadrant shows a case where the electric motor 25 is used with motor characteristics during left turn acceleration, and the fourth quadrant shows a case where the electric motor 25 is used with generator characteristics during left turn deceleration. The third quadrant shows the case where the electric motor 25 is used with motor characteristics during right turn acceleration, and the second quadrant shows the case where the electric motor 25 is used with generator characteristics during right turn deceleration.
[0022]
As can be seen from FIG. 4, at the time of turning acceleration shown in the first quadrant and the third quadrant, the output torque of the electric motor 25 is constant in the region below the predetermined rotational speed, and according to the increase in the rotational speed in the region above the predetermined rotational speed. Control is performed so that the output torque decreases. Further, at the time of turning deceleration shown in the second quadrant and the fourth quadrant, the electric motor is used with the generator characteristics, and the absorption torque of the electric motor is controlled to a constant value regardless of the rotational speed.
[0023]
The characteristic drawn with a thick solid line in FIG. 4 represents a case where the control is performed with the maximum torque T 0 of the turning system in the present embodiment. If the system can control the turning torque, it is indicated by an arrow in the figure. as, for example, to start the turning torque T 1, to start decelerating torque T 2, any characteristics can be obtained.
[0024]
For comparison, a case will be described in which the electric motor 25 is used with the characteristic that the torque decreases as the number of rotations increases during turning deceleration as in the conventional example. When the electric motor 25 is decelerated with electric motor characteristics, that is, when reverse torque is generated in the electric motor, braking is performed in the reverse direction along the rotational speed-torque characteristic of the electric motor shown in FIG. For example, when the rotational speed at the start of deceleration is between Na and Nb, the higher the rotational speed N at the start of deceleration, the smaller the braking torque and the smaller the braking force. Therefore, the time until stopping and the braking distance become longer. In addition, if a large output motor with a wide torque constant region is used, the characteristics at the time of turning deceleration as shown in the second quadrant and the fourth quadrant of FIG. 4 can be obtained, but the motor itself becomes large, This is contrary to the miniaturization of the electric motor which is the object of the present invention, and is not appropriate.
[0025]
FIG. 5 shows the relationship between the rotational speed N and torque T when the electric motor 25 in the turning drive device of the present embodiment is decelerated with electric motor characteristics as in the conventional example. In FIG. 5, a region where the rotational speed N is positive is left-turning, and a region where N is negative is turning right. The first quadrant shows a case where the electric motor 25 is used with electric motor characteristics during left turn acceleration, and the fourth quadrant shows a case where the electric motor 25 is used with electric motor characteristics during left turn deceleration. The third quadrant shows a case where the electric motor 25 is used with electric motor characteristics during right turn acceleration, and the second quadrant shows a case where the electric motor 25 is used with electric motor characteristics during right turn deceleration.
[0026]
FIG. 6 shows the relationship between the braking force, the braking time, and the braking distance. In FIG. 6, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the rotation speed (angular velocity ω (rad / s)) and braking distance (rotation angle θ (rad) from the start to stop of braking) of the motor 25. A curve denoted by ω represents braking force, and a curve denoted by θ represents braking distance. Each solid line indicates a case where the braking force is large, and a broken line indicates a case where the braking force is small.
[0027]
Next, the difference between the motor characteristics and the generator characteristics of the motor 25 will be described using a DC motor as an example. The power supply voltage is E 0 , the internal resistance of the motor is R, the current flowing through the motor is i, the counter electromotive force constant of the motor is K, and the angular velocity of the rotor of the motor is ω.
[0028]
When used with motor characteristics, in steady state,
E 0 = Ri + Kω, therefore i = (E 0 −Kω) / R (1)
Holds. The current i is expressed by the above formula (1). As the angular velocity ω increases, the back electromotive force increases and the current decreases. Since the torque of the motor is proportional to the current, the braking torque is also reduced by the amount that the current does not flow easily.
[0029]
On the other hand, when used with generator characteristics, in steady state,
E 0 = Ri−Kω, therefore i = (E 0 + Kω) / R (2)
Holds. The current i is expressed by the above equation (2). As the angular velocity ω increases, the back electromotive force increases, the current increases, and the braking torque also increases. In the case of motor characteristics, Fleming's left-hand rule is followed. In the case of generator characteristics, Fleming's right-hand rule is followed. Therefore, in the generator characteristics, the direction of the force is reversed as compared with the case of the motor characteristics, and a braking force is generated. In the case of a DC brushless motor, regenerative braking is performed only by inputting a chopper at the timing of rotating in the direction opposite to the current rotation direction.
[0030]
As described above, when the electric motor is used with the generator characteristics, the braking force can be increased by increasing the current value. However, when the current value increases, the efficiency of the electric motor decreases and internal heat generation increases, which may cause insulation breakdown of the coil. On the other hand, the turning drive device of the construction machine is not always driven, and the amount of one turn is about 180 degrees at the maximum. Also, the braking time by the electric motor is at most about several seconds. Therefore, the heat capacity of the electric motor can be calculated with a short-time rating, and no particular problem occurs even if a small electric motor 25 is used.
[0031]
Although the above embodiment has been described by taking an excavator as an example, the present invention is not limited to this, and any swing drive device using an electric motor as an actuator such as a mobile crane or a stationary crane can be used. Needless to say, it can be applied to construction machinery.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the turning drive device for a construction machine of the present invention, the electric motor is used as an actuator to drive the upper turning body with respect to the lower traveling body. It is characterized in that the motor is used as a generator characteristic during turning deceleration, and different torque characteristics are used during turning acceleration and turning deceleration.
[0033]
That is, at the start of turning deceleration, the motor is used with the generator characteristics instead of the normal motor characteristics, so that the braking force is large, and the time and braking distance from the start of braking to the stop can be shortened.
[0034]
In addition, when using the motor with generator characteristics, the maximum value of the absorption torque of the motor is controlled to a constant value regardless of the rotational speed, so that a constant and maximum braking force can be obtained from the start of braking. it can.
[0035]
Furthermore, in the region of the predetermined number of revolutions or more during turning acceleration, it is possible to obtain a large output while being a small motor by performing field-weakening control of the motor.
[0036]
Furthermore, by regenerative braking of the electric motor during turning deceleration, the electric power generated during braking can be stored in the battery, and energy saving can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an excavator as an embodiment of a turning drive device for a construction machine according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a block configuration of a control system according to the embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a rotational speed-torque characteristic of a general electric motor.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the rotational speed N and torque T of the electric motor in the turning drive device of the one embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the rotational speed N and torque T of an electric motor when the turning drive device of the one embodiment is controlled by a method similar to that of a conventional example as a comparative example.
FIG. 6 is a diagram illustrating a difference in braking time and braking distance between the control method of the embodiment and the conventional control method.
[Explanation of symbols]
10: Lower traveling body 11: Crawler 12: Crawler frame 13: Hydraulic motor for right traveling 14: Hydraulic motor for left traveling 20: Upper rotating body 21: Turning frame 22: Engine 23: Generator 24: Battery 25: Electric motor 26: Turning mechanism 27: Controller 28: Inverter 29: Speed increasing mechanism 30: Excavator mechanism 31: Boom 32: Boom cylinder 33: Arm 34: Arm cylinder 35: Bucket 36: Bucket cylinder 40: Hydraulic control mechanism 41: Hydraulic pump 42: Hydraulic control valve

Claims (3)

電動機をアクチュエータとして、下部走行体に対して上部旋回体を旋回駆動する建設機械の旋回駆動装置であって、旋回加速時には電動機を電動機特性で使用し、旋回減速時には電動機を発電機特性で使用し、旋回加速時と旋回減速時で異なったトルク特性を使用するとともに、電動機を発電機特性で使用する場合には、電動機の吸収トルクの最大値を回転数に関係なく一定値に制御することを特徴とする建設機械の旋回駆動装置。A swing drive device for a construction machine that uses an electric motor as an actuator to drive the upper swivel with respect to the lower traveling body, and uses the motor with the motor characteristics when accelerating the turn and uses the motor with the generator characteristics when decelerating the turn. When using torque characteristics that differ between turning acceleration and turning deceleration, and when using the motor with generator characteristics, the maximum absorption torque of the motor must be controlled to a constant value regardless of the rotational speed. A swing drive device for a construction machine. 旋回加速時における所定回転数以上の領域では、電動機を弱め界磁制御することを特徴とする請求項1記載の建設機械の旋回駆動装置。Turning the place that put when accelerating at a constant rotational speed or more regions, swing drive system for a construction machine according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that the field-weakening control of the electric motor. 旋回減速時において電動機を回生制動することを特徴とする請求項1又は2記載の建設機械の旋回駆動装置。 3. The turning drive device for a construction machine according to claim 1, wherein the electric motor is regeneratively braked during turning deceleration.
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