JP4546914B2 - 電動作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械であって、作業装置、旋回体及び走行体等の複数の可動部のそれぞれに対応して設けられる電動モータを、選択的に制御可能な電動作業機械に関する。

油圧作業機械、例えば油圧ショベルは、複数の可動部、すなわち作業装置、旋回体及び走行体を備えている。作業装置は複数の油圧シリンダにより駆動されるようになっていて、旋回体及び走行体はそれぞれ油圧モータにより駆動されるようになっている。油圧シリンダや油圧モータはメインポンプから吐出される圧油により駆動されるようになっている。メインポンプと油圧シリンダや油圧モータとの間には、油圧制御弁が介在して、この油圧制御弁を操作することにより、メインポンプから油圧シリンダや油圧モータに供給される各圧油の流れが制御されるようになっている。油圧ショベルに搭載されるエンジン（内燃機関）は１台であり、このエンジンによりメインポンプが駆動されるようになっている。

このように構成された油圧ショベルでは、回転数が一定に制御されたエンジンによりメインポンプが駆動され、メインポンプから油圧シリンダや油圧モータに供給される圧油の流れが主に油圧制御弁の操作により制御される。

また、前述した油圧ショベルではエンジンの排ガス、騒音及び振動が公害になるので、エンジン及び燃料タンクの替わりに電動モータ及びバッテリを搭載して、前記公害を解消又は低減した電動ショベルが開発されている。この種の電動ショベルとしては、例えば特許文献１に示される電動ショベル（以下「第１従来技術」という）がある。

第１従来技術では、前述の油圧ショベルと同様に、回転数が一定に制御された電動モータによりメインポンプが駆動され、このメインポンプから油圧シリンダや油圧モータに供給される圧油の流れが主に油圧制御弁の操作により制御される。このため、電動モータが必要以上の動力を出力している状態になりやすい。つまり、動力損失が大きくなりやすく、バッテリに蓄えられたエネルギが無駄に消費されやすいという問題があった。

特許文献１には、第１従来技術の問題を解決するための別の電動ショベル（以下「第２従来技術」という）も示されている。この第２従来技術は、作業装置、旋回体及び走行体のそれぞれに対応するように設けられる複数の電動モータと、これらの電動モータを選択的に制御可能なモータ制御手段を備えている。つまり、第２従来技術では、各電動モータを必要なときにのみ駆動するようにして、動力損失を低減している。
特開２０００−２７３９１３公報

ところで、油圧ショベルで現在普及しているものは、メインポンプの駆動時に維持するエンジンの回転数を、オペレータが所望の値に設定することができるようになっている。メインポンプを駆動する際のエンジンの回転数を設定することは、メインポンプの吐出流量、言い換えると、作業装置、旋回体及び走行体の動作速度の上限を一度にまとめて調節することと等しい。

これに対し、前述した第１従来技術及び第２従来技術のどちらも、作業装置、旋回体及び走行体のそれぞれの動作速度を一度にまとめて調節できる構成になっていない。このため、前述のようにエンジンの回転数を所望の値に設定できる油圧ショベルの操縦に慣れたオペレータにとって、第１，第２従来技術は操作性の不十分なものであった。

なお、第１従来技術では、バッテリに蓄えられたエネルギが無駄に消費されやすいという問題があるので、第２の従来技術のように複数の可動部のそれぞれに対応して設けられる複数の電動モータを備える電動作業機械において、複数の可動部のそれぞれの動作速度の上限を一度にまとめて設定できるようにすることが要望されている。

本発明は、前述の要望に応じるためになされたもので、その目的は、複数の可動部のそれぞれに対応するように設けられる複数の電動モータを備える電動作業機械において、複数の可動部のそれぞれの動作速度の上限を一度にまとめて設定することができる電動作業機械を提供することにある。

本発明は、複数の可動部と、これらの可動部のそれぞれに対応するように設けられる複数の電動モータと、これらの電動モータを選択的に制御可能なモータ制御手段とを備える電動作業機械において、異なる複数の指令値を選択的に指令可能な入力装置と、前記複数の可動部のそれぞれを駆動する際の前記複数の電動モータのそれぞれの回転数を、前記入力装置からの指令値に応じて、一度にまとめて設定する回転数一括設定手段とを備え、前記複数の可動部は回転型可動部と作業装置とを含み、前記複数の電動モータのうち前記作業装置に対応するように設けられる第１電動モータと前記作業装置との間に油圧回路が介在し、この油圧回路は、前記第１電動モータにより駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油により駆動され前記作業装置を駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する油圧制御弁とを含み、前記複数の電動モータのうち前記回転可動部に対応するように設けられる第２電動モータと前記回転型可動部とは、回転力を直接的に伝達可能に接続され、前記モータ制御手段は、レバー操作に応じて前記第２電動モータの出力トルクを制御するトルク制御手段を備え、前記回転数一括設定手段は、前記第１電動モータの回転数を、前記入力装置からの指令値に応じて設定する回転数設定手段と、前記第２電動モータの出力トルクの上限を前記入力装置からの指令値に応じて設定することによって前記第２電動モータの回転数の上限を設定する上限回転数設定手段とからなることを特徴とする。

このように構成された本発明では、回転数一括設定手段が、複数の電動モータのそれぞれの回転数を、入力装置からの指令値に応じて一度にまとめて設定する。つまり、オペレータは入力装置を操作することで、複数の可動部の動作速度の上限を一度にまとめて設定することができる。

本発明では、前述したようにオペレータが入力装置を操作することで、複数の可動部のそれぞれの動作速度の上限を一度にまとめて設定することができる。この結果、電動作業機械の操作性の向上に貢献できる。

本発明の電動作業機械の最良の実施形態について説明する。

図１は本発明の電動作業機械の最良の実施形態の左側面図、図２は図１に示す実施形態の前面を部分的に透視して旋回用駆動装置及び走行用駆動装置を示す図、図３は図１に示す実施形態の上面図、図４は図１に示す実施形態における作業装置、旋回体及び走行体を制御するためのシステムを示すブロック図、図５は、図４に示すコントローラの機能を示すブロック図、図６は図５に示す作業用インバータ制御手段が行う処理を示す図、図７は図５に示す旋回用インバータ制御手段が行う処理を示すブロック図、図８は図７示す処理により設定された旋回用電動モータの出力トルク特性線の一例を示す図である。

図１に示すように、本実施形態は電動ショベルであり、複数の可動部、すなわち、履帯を駆動して走行する走行体１０と、この走行体１０上に旋回可能に設けられる旋回体２０と、この旋回体２０の前部中央に設けられ掘削作業等を行うことが可能な作業装置３０とを備えている。

作業装置３０は、一端が旋回体２０に回動可能に結合されるブーム３１と、このブーム３１の他端に一端が回動可能に結合されるアーム３２と、このアーム３２の他端に回動可能に結合されるバケット３３とから構成されている。ブーム３１はブームシリンダ３１ａ、アーム３２はアームシリンダ３２ａ、バケット３３はバケットシリンダ３３ａにより駆動されるようになっている。これらのシリンダ３１ａ〜３３ａは油圧シリンダである。

図２に示すように、本実施形態は、旋回体２０を駆動する旋回駆動装置２１を備えている。この旋回駆動装置２１は、旋回体２０の駆動専用に設けられた旋回用電動モータ２２と、走行体１０のトラックフレーム１１と旋回体２０のメインフレーム２０ａとを相対的な回転が可能に結合する旋回輪ベアリング２３と、この旋回輪ベアリング２３に旋回用電動モータ２２の回転を伝達する旋回用減速機２４とを備えている。また、図３に示すように、旋回体２０において旋回駆動装置２１の後方には複数の駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄが格納されていて、これらの駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄから得られる電気エネルギで旋回用電動モータ２２が駆動されるようになっている。

図２に示すように、本実施形態は、走行体１０を駆動する走行駆動装置を備えている。この走行駆動装置は、走行体１０の左右両側部のそれぞれに設けられている。図２では走行体１０の左側部（図２では右側）に設けられている左走行駆動装置１２のみ示し、右走行駆動装置の図示を省略してある。左走行駆動装置１２は、保護カバー１７で覆われた左走行用電動モータ１３Ａと、履帯１６と噛み合うスプロケット１５と、このスプロケット１５に左走行用電動モータ１３Ａの回転を伝達する走行用減速機１４とを備えている。走行体１０の右側部に設けられている右走行駆動装置も同様の構成である。図４では、走行体１０の右側部に設けられている右走行用走行装置の右走行用電動モータ１３Ｂとしてある。これらの左走行用電動モータ１３Ａ及び右走行用電動モータ１３Ｂも、図３に示す駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄから得られる電気エネルギで駆動されるようになっている。

なお、左走行用電動モータ１３Ａ及び右走行用電動モータ１３Ｂと駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄは、図２に示すスリップリング１８を介して接続されていて、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄから左走行用電動モータ１３Ａ及び右走行用電動モータ１３Ｂのそれぞれへの電力の供給が、旋回体２０の旋回に妨げられないようになっている。

図４に示すように、本実施形態は作業装置３０を駆動する油圧駆動回路４０を備えている。

この油圧駆動回路４０は、ブームシリンダ３１ａ、アームシリンダ３２ａ及びバケットシリンダ３３ａを駆動する圧油となる作動油を、作動油タンク４５から吸上げて吐出する可変容量型ポンプ４１を備えている。この可変容量型ポンプ４１は、電気信号に応じて吐出流量を変化させる可変機構部４１ａを備えている。また、この可変容量型ポンプ４１は、カップリング４３を介して作業装置３０の駆動専用に設けられた作業用電動モータ４２に結合している。つまり、作業装置３０と作業用電動モータ４２との間には油圧駆動回路４０を介在している。また、作業用電動モータ４２も、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄから得られる電気エネルギで駆動されるようになっている。図３に示すように、可変容量型ポンプ４１、カップリング４３及び作業用電動モータ４２は、旋回体２０内における作業装置３０の右側方に、作業用電動モータ４２を前にして前後方向に並べられた状態で格納されている。また、作動油タンク４５は、可変容量型ポンプ４１の後方に配置されている。

また、油圧駆動回路４０は、可変容量型ポンプ４１とブームシリンダ３１ａとの間に介在して、可変容量型ポンプ４１からブームシリンダ３１ａに供給される圧油の流れを制御するブーム用油圧制御弁と、可変容量型ポンプ４１とアームシリンダ３２ａとの間に介在して、可変容量型ポンプ４１からアームシリンダ３２ａに供給される圧油の流れを制御するアーム用油圧制御弁と、可変容量型ポンプ４１とバケットシリンダ３３ａに介在して可変容量型ポンプ４１からバケットシリンダ３３ａに供給される圧油の流れを制御するバケット用油圧制御弁とを備えている。これらの油圧制御弁は油圧パイロット式の弁である。図４では、これらの油圧制御弁をまとめて油圧制御弁群４４としてある。この油圧制御弁群４４は、図３に示すように旋回駆動装置２１の後方に設定されている。

同図４に示すように、本実施形態は、油圧制御弁群４４に含まれるブーム用油圧制御弁、アーム用油圧制御弁及びバケット用油圧制御弁のそれぞれを操作するための油圧操作回路５０を備えている。この油圧操作回路５０は、ブーム用油圧制御弁の弁位置をブームシリンダ３１ａのボトム側油室に圧油が導かれる弁位置に切換えるためのパイロット圧を生成する第１ブーム用パイロット弁と、同弁位置をブームシリンダ３１ａのロッド側油室に圧油が導かれる弁位置に切換えるためのパイロット圧を生成する第２ブーム用パイロット弁とを備えている。また、アーム用油圧制御弁の弁位置をアームシリンダ３２ａのボトム側油室に圧油が導かれる弁位置に切換えるためのパイロット圧を生成する第１アーム用パイロット弁と、同弁位置をアームシリンダ３２ａのロッド側油室に圧油が導かれる弁位置に切換えるためのパイロット圧を生成する第２アーム用パイロット弁とを備えている。また、バケット用油圧制御弁の弁位置をバケットシリンダ３３ａのボトム側油室に圧油が導かれる弁位置に切換えるためのパイロット圧を生成する第１バケット用パイロット弁と、同弁位置をバケットシリンダ３３ａのロッド側油室に圧油が導かれる弁位置に切換えるためのパイロット圧を生成する第２バケット用パイロット弁とを備えている。これらのパイロット弁は電磁弁である。図４では、これらのパイロット弁をまとめてパイロット弁群５４としてある。このパイロット弁群５４は、図３に示すように旋回駆動装置２１の左斜め後方で、油圧制御弁群４４の左斜め前方に設置されている。

また、油圧操作回路５０は、パイロット弁群５４に含まれる第１，第２ブーム用パイロット弁、第１，第２アーム用パイロット弁及び第１，第２バケット用パイロット弁のそれぞれが生成するパイロット圧の油圧源となるパイロットポンプ５１を備えている。このパイロットポンプ５１は、カップリング５３を介してパイロット用電動モータ５２に結合している。このパイロット用電動モータ５２も駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄから得られる電気エネルギで駆動されるようになっている。駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄとパイロット用電動モータ５２との間には、パイロット用電動モータ５２の回転数及び出力トルクを制御可能なパイロット用インバータ５５が介在している。このパイロット用インバータ５５は、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄからコンダクタ制御盤９２を介して供給された直流電力を３相交流電力に変換して、パイロット用電動モータ５２に供給するようになっている。また、図３に示すように、パイロットポンプ５１、カップリング５３及びパイロット用電動モータ５２は、旋回体２０内おける作業装置３０の右側方で作業用電動モータ４２の前方に、パイロット用電動モータ５２を左にして左右方向に並べられた状態で格納されている。また、パイロット用インバータ５５は旋回体２０の後端に格納されている。

また、本実施形態は、ブーム３１とバケット３３を操縦するためのブーム・バケット操作レバー装置を備えている。このブーム・バケット操作レバー装置は、前後方向における操作レバーの傾倒角度に相応する電圧Ｖｂｏの前後傾倒操作信号と、同左右方向における操作レバーの傾倒角度に相応する電圧Ｖｂｕの左右傾倒操作信号とを出力するようになっている。また、本実施形態は、アーム３２と旋回体２０を操縦するためのアーム・旋回操作レバー装置を備えている。このアーム・旋回操作レバー装置も、前後方向における操作レバーの傾倒角度に相応する電圧Ｖａの前後傾倒操作信号と、同左右方向における操作レバーの傾倒角度に相応する電圧Ｖｔの左右傾倒操作信号を出力するようになっている。また、本実施形態は、前後方向へ傾倒操作可能な左走行操作レバー装置７１Ａ及び右走行操作レバー装置７１Ｂを備えている（図５参照）。左走行操作レバー装置７１Ａは、前後方向における操作レバーの傾倒角度に相応する電圧Ｖｍｌの傾倒操作信号を出力するようになっている。右走行操作レバー装置７１Ｂは、前後方向における操作レバーの傾倒角度に相応する電圧Ｖｍｒの傾倒操作信号を出力するようになっている。これらの操作レバー装置はキャブ２０ｂ内に設けられている（図示せず）。図４では、これらの操作レバー装置をまとめてレバー操作手段７０として描いてある。

また、本実施形態は、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄと作業用電動モータ４２との間に介在して作業用電動モータ４２の回転数及び出力トルクを制御可能な作業用インバータ６０と、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄと旋回用電動モータ２２との間に介在して旋回用電動モータ２２の回転数及び出力トルクを制御可能な旋回用インバータ６１と、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄと左走行用電動モータ１３Ａとの間に介在して左走行用電動モータ１３Ａの回転数及び出力トルクを制御可能な左走行用インバータ６２Ａと、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄと右走行用電動モータ１３Ｂとの間に介在して右走行用電動モータ１３Ｂの回転数及び出力トルクを制御可能な右走行用インバータ６２Ｂとを備えている。これらのインバータ６０，６１，６２Ａ，６２Ｂのそれぞれは、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄからコンダクタ制御盤９２を介して供給された直流電力を３相交流電力に変換して、作業用電動モータ４２、旋回用電動モータ２２、左走行用電動モータ１３Ａ及び右走行用電動モータ１３Ｂのそれぞれに供給するようになっている。また、これらのインバータ６０，６１，６２Ａ，６２Ｂは、図３に示すように旋回体２０の後端に左右方向に並べられた状態で格納されている。

また、本実施形態は、異なる複数の指令値を選択的に指令可能な入力装置、例えばダイヤルの回転角度に相応する電圧Ｖｎの回転操作信号を出力する入力装置からなる回転数設定ダイヤル７２を備えている。この回転数設定ダイヤル７２は、作業用電動モータ４２の駆動時に維持する作業用電動モータ４２の回転数を電圧の形で指令するための装置である。この回転数設定ダイヤル７２はキャブ２０ｂ内に設けられている（図示せず）。

また、本実施形態は、コントローラ８０を備えている。このコントローラ８０は制御用バッテリ９１Ａ，９１Ｂから得られる電気エネルギで駆動されるようになっている。コントローラ８０に対する電力の供給・遮断はキースイッチ７３のオン・オフにより行われるようになっている。また、コントローラ８０は起動後に、コンダクタ制御盤９２のコンダクタ９２ａを閉じさせるためのコンダクタ制御信号を、コンダクタ制御盤９２に出力するようになっている。なお、図３に示すように、制御用バッテリ９１Ａ，９１Ｂは、旋回体２０において駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄの右側方に格納されていて、コンダクタ制御盤９２は、旋回体２０の左側部に設けられている。また、コントローラ８０とキースイッチ７３はキャブ２０ｂ内に設けられている（図示せず）。

コントローラ８０は、図５に示すように、パイロット弁制御手段８１と、可変容量型ポンプ制御手段８２とを備えている。

パイロット弁制御手段８１は、ブーム・バケット操作レバー装置の前後傾倒操作信号の電圧Ｖｂｏに対応する第１ブーム用パイロット弁や第２ブーム用パイロット弁の動作量の制御値Ｃｂｏを算出して、算出された制御値Ｃｂｏに相応するブーム制御信号を第１ブーム用パイロット弁や第２ブーム用パイロット弁に出力するようになっている。また、ブーム・バケット操作レバー装置の左右傾倒操作信号の電圧Ｖｂｕに対応する第１バケット用パイロット弁や第２バケット用パイロット弁の動作量の制御値Ｃｂｕを算出し、算出された制御値Ｃｂｕに相応するバケット制御信号を第１バケット用パイロット弁や第２バケット用パイロット弁に出力するようになっている。また、アーム・旋回操作レバー装置の前後傾倒操作信号の電圧Ｖａに対応する第１アーム用パイロット弁や第２アーム用パイロット弁の動作量の制御値Ｃａを算出して、算出された制御値Ｃａに相応するアーム制御信号を第１アーム用パイロット弁や第２アーム用パイロット弁に出力するようになっている。なお、図５では、ブーム・バケット操作レバー装置の機能と、アーム・旋回操作レバー装置の前後傾倒操作信号を出力する機能とをまとめて作業指令部７０ａとしてある。

可変容量型ポンプ制御手段８２は、ブーム・バケット操作レバー装置の前後傾倒操作信号の電圧Ｖｂｏ、ブーム・バケット操作レバー装置の左右傾倒操作信号の電圧Ｖｂｕ、及び、アーム・旋回操作レバー装置の前後傾倒操作信号の電圧Ｖａに基づいて、可変容量型ポンプ４１の吐出流量の制御値Ｃｆを算出し、算出された制御値Ｃｆに相応する吐出流量制御信号を可変機構部４１ａに出力するようになっている。

また、コントローラ８０は、作業用インバータ制御手段８３と、旋回用インバータ制御手段８４と、左走行用インバータ制御手段８５Ａ及び右走行用インバータ制御手段８５Ｂとを備え、これらによって作業用電動モータ４２、旋回用電動モータ２２、左走行用電動モータ１３Ａ及び右走行用電動モータ１３Ｂを選択的に制御可能なモータ制御手段を構成している。また、これらの手段８３，８４，８５Ａ，８５Ｂは協働することによって、作業用電動モータ４２、旋回用電動モータ２２、左走行用電動モータ１３Ａ及び右走行用電動モータ１３Ｂのそれぞれが作業装置３０、旋回体２０、走行体１０のそれぞれを駆動する際のそれぞれの回転数を、回転数設定ダイヤル７２からの指令値（電圧Ｖｎ）に応じて、一度にまとめて設定する回転数一括設定手段として機能するようになっている。

作業用インバータ制御手段８３は、図６に示すように、予め記憶された関数Ｆｒに基づいて回転操作信号の電圧Ｖｎに対応する目標回転数ＩＲＰＭを算出し、算出された目標回転数ＩＲＰＭに相応する回転数指令信号を作業用インバータ６０に出力するようになっている。つまり、作業用インバータ制御手段８３は、作業用電動モータ４２の回転数を、回転数設定ダイヤル７２からの指令値（電圧Ｖｎ）に応じて設定する回転数設定手段として機能するようになっている。

旋回用インバータ制御手段８４は、図７に示すように、予め記憶された関数Ｆｔ１に基づいて、アーム・旋回操作レバー装置の左右傾倒操作信号の電圧Ｖｔに対応する旋回用電動モータ２２の目標出力トルクＴ１を算出する第１目標出力トルク算出器８４ａを備えている。つまり、旋回用インバータ制御手段８４は、アーム・旋回操作レバー装置の左右方向へのレバー操作に応じて旋回用電動モータ２２の出力トルクを制御するトルク制御手段として機能するようになっている。なお、図５では、電圧Ｖａの左右傾倒操作信号を出力する機能を旋回指令部７０ｂとしてある。

また、旋回用電動モータ２２は回転数センサを内蔵していて、この回転数センサで検出された実回転数ＲＲＰＭが、旋回用インバータ６１を介して旋回用インバータ制御手段８４にフィードバックされるようになっている（図４参照）。

そして、旋回用インバータ制御手段８４は、図７に示すように、予め記憶された関数Ｆｃに基づいて、作業用インバータ制御手段８３が算出した目標回転数ＩＲＰＭに対応する係数Ｋを算出する係数算出器８４ｄを備えている。また、係数Ｋで実回転数ＲＲＰＭを除して虚回転数ＦＲＰＭを算出する除算器８４ｃと、予め記憶された関数Ｆｔ２に基づいて虚回転数ＦＲＰＭに対応する旋回用電動モータ２２の目標出力トルクＴ２を算出する第２目標出力トルク算出器８４ｂとを備えている。また、第１目標出力トルクＴ１と第２目標出力トルクＴ２のどちらか小さい方を選択して、選択された目標出力トルクに相応する出力トルク指令信号を旋回用インバータ６１に出力する最小値選択器８４ｅを備えている。

係数算出器８４ｄで用いられる関数Ｆｃは、目標回転数ＩＲＰＭが０近傍の所定値以上の範囲で、係数Ｋが目標回転数ＩＲＰＭに比例し、目標回転数ＩＲＰＭが最高値のときにＫ＝１が得られるように設定されている。

第２目標出力トルク算出器８４ｂで用いられる関数Ｆｔ２は、電流の供給に伴う旋回用電動モータ２２の発熱の程度や、旋回体２０の駆動に必要な出力トルクや旋回速度を得られることを考慮して、旋回用電動モータ２２の出力トルクの上限を規定したものであり、図８に実線で示す出力トルク特性線ＣＬｒのように、最高出力トルクＴｍａｘ、最高回転数Ｎｍａｘ１となるように規定されている。

なお、左走行用インバータ制御手段８５Ａ及び右走行用インバータ制御手段８５Ｂについては、旋回用インバータ制御手段８４と同様の構成で同様に動作するので説明を省略する。また、コントローラ８０は、パイロットポンプ５１を一定の回転数で駆動させるための回転数指令信号をパイロット用インバータ５５に出力する手段や、コンダクタ９２ａを閉じさせるコンダクタ制御信号をコンダクタ制御盤９２に出力する手段を備えているが（図４参照）、これらの手段の図示は省略してある。

このように構成された本実施形態は次のように動作する。

キースイッチ７３がオンするとコントローラ８０が起動する。そして、コントローラ８０はコンダクタ制御盤９２にコンダクタ制御信号を出力する。これによりコンダクタ９２ａがオンし、駆動用バッテリ９０Ａ〜９０Ｄからパイロット用インバータ５５、作業用インバータ６０、旋回用インバータ６１、左走行用インバータ６２Ａ及び右走行用インバータ６２Ｂのそれぞれに、直流電力が供給されるようになる。また、コントローラ８０は、パイロット用インバータ５５に回転数指令信号を出力する。これにより、パイロット用インバータ５５が、目標回転数に対応する周波数の３相交流電力をパイロット用電動モータ５２に供給し続けるようになり、この結果、パイロット用電動モータ５２が目標回転数で回転している状態が維持される。

また、回転数設定ダイヤル７２からコントローラ８０へは、そのときのダイヤルの回転角度に相応する回転操作信号が出力される。回転操作信号を入力したコントローラ８０では、作業用インバータ制御手段８３が、回転操作信号の電圧Ｖ１に対応する目標回転数ＩＲＰＭを関数Ｆｒに基づいて算出し、算出された目標回転数ＩＲＰＭに相応する回転数指令信号を作業用インバータ６０に出力する。作業用インバータ６０は回転数指令信号から得られた目標回転数ＩＲＰＭに対応する周波数の３相交流電力を作業用電動モータ４２に供給する。これにより、作業用電動モータ４２が駆動される。なお、作業用電動モータ４２の回転中、作業用電動モータ４２に内蔵された回転数センサから作業用インバータ６０に、実回転数ＲＲＰＭがフィードバックされる。作業用インバータ６０は、実回転数ＲＲＰＭと目標回転数ＩＲＰＭとを比較しながら作業用電動モータ４２に供給する電流の大きさを調整し、すなわち、作業用電動モータ４２の出力トルクを調整し、目標回転数ＩＲＰＭを維持する。

このようにして作業用電動モータ４２が駆動されている状態で、ブーム・バケット操作レバー装置の前後傾倒操作信号、同操作レバー装置の左右傾倒操作信号、及びアーム・旋回操作レバー装置の前後傾倒操作信号の少なくとも１を、コントローラ８０が入力したとする。例えば、ブーム・バケット操作レバー装置の操作レバーが中立位置から前方向へ傾倒操作されたことにより出力された前後傾倒操作信号を、コントローラ８０が入力したとする。

このとき、コントローラ８０のパイロット弁制御手段８１は、入力された前後傾倒操作信号の電圧Ｖｂｏから第２ブーム用パイロット弁の動作量の制御値Ｃｂｏを算出し、算出された制御値Ｃｂｏに対応するブーム制御信号を第２ブーム用パイロット弁に出力する。これに伴って第２ブーム用パイロット弁が切換わり、ブーム用油圧制御弁にパイロット圧が与えられ、ブーム用油圧制御弁が切換わる。これによって、可変容量型ポンプ４１からブーム用油圧制御弁を介してブームシリンダ３１ａのロッド側油室に圧油が供給され、ブームシリンダ３１ａが収縮する。一方、コントローラ８０の可変容量型ポンプ制御手段８２は、入力された前後方向操作信号の電圧Ｖｂｏに対応する吐出流量の制御値Ｃｆを算出し、算出された制御値Ｃｆに相応する吐出流量制御信号を可変機構部４１ａに出力する。これによって可変容量型ポンプ４１の吐出流量が変化する。このようにブームシリンダ３１ａに供給される圧油の流れと可変容量型ポンプ４１の吐出流量とを制御することによって、ブーム下げ速度が制御される。

また、旋回指令部７０ｂからの左右傾倒操作信号、例えばアーム・旋回操作レバー装置の操作レバーが中立位置から左方向へ傾倒操作されたことにより出力された左右傾倒操作信号を、コントローラ８０が入力したとする。

このとき、コントローラ８０の旋回用インバータ６１では、第１目標出力トルク算出器８４ａが、左右操作信号の電圧Ｖｔに対応する目標出力トルクＴ１を算出する。また、係数算出器８４ｄが、目標回転数ＩＲＰＭに対応する係数Ｋを算出し、除算器８４ｃがコントローラ８０にフィードバックされた実回転数ＲＲＰＭを係数Ｋで除して虚回転数ＦＲＰＭを算出し、第２目標出力トルク算出器８４ｂが、虚回転数ＦＲＰＭに対応する第２目標出力トルクＴ２を算出する。そして、第１目標出力トルクＴ１と第２目標出力トルクＴ２のどちらか小さい方を最小値選択器８４ｅが選択して、選択された目標出力トルクに相応する出力トルク指令信号を旋回用インバータ６１に出力する。旋回用インバータ６１は、出力トルク指令信号から得られた目標出力トルクに対応する電流の３相交流電力を旋回用電動モータ２２に供給する。

ここで、目標回転数ＩＲＰＭと旋回用電動モータ２２の制御との関係について例を挙げて説明する。

目標回転数設定ダイヤル７２により指令された目標回転数ＩＲＰＭが、例えば最高値であった場合、旋回用インバータ制御手段８４では、係数算出器８４ｄにより係数Ｋ＝１が算出されるので、除算器８４ｃにより算出される虚回転数ＦＲＰＭが実回転数ＲＲＰＭと等しくなる（ＦＲＰＭ＝ＲＲＰＭ）。これに伴い、第２目標出力トルク算出器８４ｂで算出される第２目標出力トルクＴ２は、図８に実線で示す出力トルク特性線ＣＬｒ上の値、すなわち、関数Ｆｔ２で規定される出力トルクの上限となる。したがって、旋回用電動モータ２２は、関数Ｆｔ２で規定される出力トルクの上限内で、駆動することになる。

これに対し、目標回転数ＩＲＰＭが最高値よりも低い場合、旋回用インバータ制御手段８４では、係数算出器８４ｄにより係数Ｋ＜１が算出されるので、除算器８４ｃにより算出される虚回転数ＦＲＰＭが実回転数ＲＲＰＭよりも高くなる（ＲＲＰＭ＜ＦＲＰＭ）。ここで、実回転数ＲＲＰＭ＝Ｎｒ、虚回転数ＦＲＰＭ＝Ｎｆとすると、特性線ＣＬｒ上で実回転数Ｎｒに対応する出力トルクはＴｒとなり、同じく特性線ＣＬｒ上で虚回転数Ｎｆに対応する出力トルクはＴｒよりも小さいＴｆとなる。つまり、第２目標出力トルク算出器８４ｂにより算出される第２目標トルクＴ２は、図８に破線で示す出力トルク特性線ＣＬｆ上の値、すなわち、出力トルクが特性線ＣＬｒ上の値よりも小さい値となる。したがって、旋回用電動モータ２２は、関数Ｆｔ２で規定される出力トルクの上限よりも低い上限内で、駆動することになる。

また、出力トルク特性線ＣＬｆで得られる最高回転数Ｎｍａｘ２は出力トルク特性線ＣＬｒで得られる最高回転数Ｎｍａｘ１よりも低いので、旋回用電動モータ２２の回転数の上限も低くなる。つまり、旋回用インバータ制御手段８４は、旋回用電動モータ２２の出力トルクの上限を目標回転数ＩＲＰＭに応じて設定することによって、旋回用電動モータ２２の回転数の上限を設定する上限回転数設定手段として機能している。

本実施形態によれば次の効果を得られる。

本実施形態では、作業用インバータ制御手段８３、旋回用インバータ制御手段８４、左走行用インバータ制御手段８５Ａ及び右走行インバータ制御手段８５Ｂが協働して回転数一括設定手段として機能する。つまり、作業装置３０を駆動する際に維持する作業用電動モータ４２の回転数を目標回転数ＩＲＰＭに設定することと、旋回用電動モータ２２、左走行用電動モータ１３Ａ及び右走行用電動モータ１３Ｂのそれぞれの回転数の上限を設定することとを、回転数設定ダイヤル７２から指令値（電圧Ｖｎ）に応じて、一度にまとめて行うことができる。これにより、回転数設定ダイヤル７２を回転操作することによって、作業装置３０、旋回体２０及び走行体１０のそれぞれの動作速度の上限を一度にまとめて設定することができ、電動ショベルの操作性の向上に貢献できる。

また、本実施形態では、旋回用インバータ制御手段８４が、アーム・旋回操作レバー装置の左右方向へのレバー操作に応じて旋回用電動モータ２２の出力トルクを制御するトルク制御手段として機能するようになっている。これにより、駆動開始の旋回体２０の動作を、旋回体２０を油圧モータで駆動するときの動作に似せることができ、旋回体を油圧モータで駆動する油圧ショベルの操縦に慣れたオペレータが、旋回体を電動モータで駆動する電動ショベルを操縦したときに抱く操作感覚の違和感を小さくすることができる。

なお、本実施形態は、走行体を備える電動ショベルに本発明を適用した例であるが、本発明はこれに限らず、走行体を備えていない台船ショベル等に適用してもよい。また、走行可能ではあるが旋回はできない作業機械に適用してもよい。

本発明の電動作業機械の最良の実施形態の左側面図である。 図１に示す実施形態の前面を部分的に透視して旋回用駆動装置及び走行用駆動装置を示す図である。 図１に示す実施形態の上面図である。 図１に示す実施形態における作業装置、旋回体及び走行体を制御するためのシステムを示すブロック図である。 図４に示すコントローラの機能を示すブロック図である。 図５に示す作業用インバータ制御手段が行う処理を示す図である。 図５に示す旋回用インバータ制御手段が行う処理を示す図である。 図７示す処理により設定された旋回用電動モータの出力トルク特性線の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 走行体
１１ トラックフレーム
１２ 左走行駆動装置
１３Ａ 左走行用電動モータ（第２電動モータ）
１３Ｂ 右走行用電動モータ（第２電動モータ）
１４ 走行用減速機
１５ スプロケット
１６ 履帯
１７ 保護カバー
２０ 旋回体
２０ａ メインフレーム
２０ｂ キャブ
２１ 旋回駆動装置
２２ 旋回用電動モータ（第２電動モータ）
２３ 旋回輪ベアリング
２４ 旋回用減速機
３０ 作業装置
３１ ブーム
３１ａ ブームシリンダ
３２ アーム
３２ａ アームシリンダ
３３ バケット
３３ａ バケットシリンダ
４０ 油圧駆動回路
４１ 可変容量型ポンプ
４１ａ 可変機構部
４２ 作業用電動モータ（第１電動モータ）
４３ カップリング
４４ 油圧制御弁群
４５ 作動油タンク
５０ 油圧操作回路
５１ パイロットポンプ
５２ パイロット用電動モータ
５３ カップリング
５４ パイロット弁群
５５ パイロット用インバータ
６０ 作業用インバータ
６１ 旋回用インバータ
６２Ａ 左走行用インバータ
６２Ｂ 右走行用インバータ
７０ レバー操作手段
７０ａ 作業指令部
７０ｂ 旋回指令部
７１Ａ 左走行操作レバー装置
７１Ｂ 右走行操作レバー装置
７２ 回転数設定ダイヤル
７３ キースイッチ
８０ コントローラ
８１ パイロット弁制御手段
８２ 可変容量型ポンプ制御手段
８３ 作業用インバータ制御手段（回転数設定手段）
８４ 旋回用インバータ制御手段（上限回転数設定手段）
８４ａ 第１目標出力トルク算出器
８４ｂ 第２目標出力トルク算出器
８４ｃ 除算器
８４ｄ 係数算出器
８４ｅ 最小値選択器
８５Ａ 左走行用インバータ制御手段（上限回転数設定手段）
８５Ｂ 右走行用インバータ制御手段（上限回転数設定手段）
９０Ａ〜９０Ｄ 駆動用バッテリ
９１Ａ，９１Ｂ 制御用場バッテリ
９２ コンダクタ制御盤
９２ａ コンダクタ

Claims (1)

1. 複数の可動部と、これらの可動部のそれぞれに対応するように設けられる複数の電動モータと、これらの電動モータを選択的に制御可能なモータ制御手段とを備える電動作業機械において、
   異なる複数の指令値を選択的に指令可能な入力装置と、
   前記複数の可動部のそれぞれを駆動する際の前記複数の電動モータのそれぞれの回転数を、前記入力装置からの指令値に応じて、一度にまとめて設定する回転数一括設定手段とを備え、
   前記複数の可動部は回転型可動部と作業装置とを含み、
   前記複数の電動モータのうち前記作業装置に対応するように設けられる第１電動モータと前記作業装置との間に油圧回路が介在し、この油圧回路は、前記第１電動モータにより駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油により駆動され前記作業装置を駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油の流れを制御する油圧制御弁とを含み、
   前記複数の電動モータのうち前記回転可動部に対応するように設けられる第２電動モータと前記回転型可動部とは、回転力を直接的に伝達可能に接続され、
   前記モータ制御手段は、レバー操作に応じて前記第２電動モータの出力トルクを制御するトルク制御手段を備え、
   前記回転数一括設定手段は、前記第１電動モータの回転数を、前記入力装置からの指令値に応じて設定する回転数設定手段と、前記第２電動モータの出力トルクの上限を前記入力装置からの指令値に応じて設定することによって前記第２電動モータの回転数の上限を設定する上限回転数設定手段とからなる
   ことを特徴とする電動作業機械。

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