JP4580978B2 - リフティングマグネット仕様の作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、リフティングマグネット仕様の作業機械に関するものであり、特に、リフティングマグネット装置を効率よく励磁することのできるリフティングマグネット仕様の作業機械に関するものである。

従来、強力な電磁石を利用して鉄材などの磁性部材を吸着し、移動先において該電磁石の吸着力を釈放する、いわゆるリフティングマグネット仕様の作業機械（例えばマテリアル・ハンドリング装置）が広く利用されている。従来のリフティングマグネット仕様の作業機械としては、例えば、図４に示すようなものがある。同図において、作業機械（機械本体図示略）にはエンジン１が搭載されている。該エンジン１の駆動軸には、機械本体側の各シリンダ及び各油圧モータを含む所要の油圧アクチュエータに作動用圧油を供給するメインポンプ（油圧ポンプ）２及び発電機用油圧ポンプ３が共通に取付けられている。該発電機用油圧ポンプ３の吐出口は、発電機用油圧モータ４の圧油口に連通しており、該発電機用油圧モータ４に発電機５が直結されている。

発電機５の出力端子には、該発電機５の交流出力を直流に変換して出力するコンバータ６が接続されている。コンバータ６の次段には、該コンバータ６で変換された直流をリフティングマグネット装置励磁用の所要レベルの直流電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ７が接続されている。該ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、直流電圧の昇降圧機能を有するとともに直流電力は変えず、直流電圧の昇降圧前後はゼロであるスイッチ機能も有している。該ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子にリフティングマグネット装置８のコイル８ａが接続されている。

前記ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、制御装置９の制御を受けて変換動作が行われる。前記コンバータ６以降の各機器は、制御装置９に接続されている制御スイッチ（図示せず）のオン／オフにより動作する。また、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ７の直流ライン１０に、コイル８ａに蓄積されるエネルギを吸収するための大容量のコンデンサ１１が接続されている。

一方、前記メインポンプ２の吐出口は、方向切換機能を持つコントロールバルブ１２の給油ポートに連通されている。該コントロールバルブ１２は、複数の切換位置を備えており、一方の切換位置における出力ポートには、ブーム用、アーム用又はフォーク用等のシリンダ１３が接続され、他方の切換位置における出力ポートには、旋回用、右走行用又は左走行用等の油圧モータ１４が接続されている。

そして、エンジン１により発電機用油圧ポンプ３及び発電機用油圧モータ４を介して発電機５が回転されて交流発電が行われる。制御装置９に接続されている制御スイッチがオンされると、発電機５の交流出力がコンバータ６で直流に変換された後、ＤＣ−ＤＣコンバータ７で所要レベルの直流電圧に変換されてリフティングマグネット装置８（のコイル８ａ）に供給され、対象物の吸着が開始される。

図５に示すように、吸着開始時には、リフティングマグネット装置８のコイル８ａに定格電圧以上の電圧が印加されて強励磁が行われる。該強励磁から所定時間経過後に定格電圧の印加による定常励磁が行われる。定常励磁期間後の釈放時にコイル８ａへの電圧印加を停止すると、コイル８ａに蓄積されたエネルギが、コンデンサ１１に吸収される。コイル８ａへの定格電圧印加の停止後、消磁のために逆方向に所定電圧が印加される。消磁開始から所定時間経過後に逆方向の電圧印加が停止されてリフティング作業が終了する。

リフティングマグネット仕様の作業機械に関連する具体的な従来技術としては、例えば日本国特許第３３９５１４５号公報に開示されたリフティングマグネット装置が知られている。この従来技術は、制御装置及びリフティングマグネット本体を備え、制御装置には作業機械の電気動力源が接続されている。該電気動力源は、作業機械に標準的に装備されている電気動力源としてのオルタネータであり、該オルタネータは、定格電圧ＤＣ２４Ｖで、定格容量５０Ａのものが使用されている。一方、前記リフティングマグネット本体の定格電圧は、オルタネータの定格電圧と同一のものが使用されている。そして、制御装置は、電気動力源の出力を入力電源として、リフティングマグネット本体に所定の制御電圧を供給するようにしている。このような構成により、この従来技術では、専用の動力源を不要としている。

上記特許第３３９５１４５号に係る従来技術においては、電気動力源として、作業機械に標準的に装備されているいわゆる電装用のＤＣ２４Ｖのオルタネータを利用してリフティングマグネット本体を駆動している。即ち、リフティングマグネット本体を電装部品の一つと捉えた構造と言える。しかし、ＤＣ２４Ｖ駆動のリフティングマグネット本体では、実用上吸着力は弱く、特に、図５の強励磁部分の電力を十分に提供することができない。

そのため、実用的な吸着力を得るには、既に説明した図４の例のように、一般的には、エンジンの駆動軸に取付けた発電機用油圧ポンプによって発電機用油圧モータを駆動し、これにより発電機を駆動して所定の電力を得るように構成していた。

しかしながら、この構成は、エネルギ効率が低い上に、装置が大掛かりになるという問題があった。特に、リフティングマグネット装置は、その性質上、吸着開始時の強励磁に対応するために何時でも高出力の電力供給態勢を確保しておく必要がある。そのため、それに見合う大型のエンジンを用意するか、それより若干小さいエンジンを常に高回転させておく必要があって、コスト増大、装置の大型化、エネルギ効率の低下、あるいは騒音増大等の面で不具合の発生を招き易かった。また、この構成は、リフティングマグネット装置のコイルに蓄積されるエネルギ吸収用の大容量のコンデンサを用意する必要があり、リフティングマグネット装置の励磁系の機器が大型化するという問題もあった。

本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、リフティングマグネット装置の特性を生かしてエネルギを効率的に活用し、電源や励磁系の機器の小型化（同じ大きさならばより強力化）を図るとともに、低コスト化、省エネルギ化、低騒音化を実現可能としたリフティングマグネット仕様の作業機械を提供することをその課題としている。

本発明は、この課題を解決するために、リフティングマグネット装置を備え、下部走行体と上部旋回体とを有するリフティングマグネット仕様の作業機械において、電源と、該電源からの電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、前記作業機械における回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源とを備え、前記電源及び蓄電装置は、前記リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給可能に接続され、且つ、前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源は、前記蓄電装置に自身の回生電気エネルギを供給可能に接続されると共に、該回生電気エネルギを前記リフティングマグネット装置に、前記蓄電装置を介することなく供給可能に接続されていることを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械を提供する。

本発明に係る作業機械は、電源と、該電源からの電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、を備える。この電源及び蓄電装置は、リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給可能に接続されている。これにより、リフティングマグネット装置は基本的に、電源からも蓄電装置からも電気エネルギの供給を受けることができる。一方、この種の作業機械には、例えば、下部走行体の走行機構、上部旋回体の旋回機構、あるいはリフティングマグネット装置を上下・前後等に移動、位置決めするためのブームやアーム等の作業機構のように、電源、あるいは油圧ポンプ等を駆動源とする被駆動体が必ず存在する。

ここで、リフティングマグネット仕様の作業機械においては、その特性上、ある地点での下降・吸着（励磁）、上昇・回転移動、別の地点での釈放、ある地点への戻り・下降、再励磁、の繰り返しとなることが多く、これらの被駆動体の減速・停止と、該リフティングマグネット装置の励磁の開始とがほとんどの場合「同時」に発生する。換言すると、旋回機構、ブーム、アーム等の「被駆動体の減速・停止が行われるとき」、即ち、「当該被駆動体から回生エネルギ（回生電力）を回収し得るとき」に、リフティングマグネット装置は、励磁開始のための大電力を必要とすることが多いということになる。

本発明では、この点に着目し、被駆動体に発生した回生電気エネルギを単に蓄電装置に蓄電可能とするだけでなく、（蓄電装置を経由せずに）直接リフティングマグネット装置に供給可能とする構成を採用した。これにより、エンジンや蓄電装置等にそれほど大容量のものを採用しなくても、あるいは、エンジン等を常に高回転で運転させなくても、吸着開始時の強励磁に必要な大電力を効率よくリフティングマグネット装置に供給することができ、装置の小型化、静音化が実現できる。逆の見方をするならば、従来と同一の電源、あるいは同一の蓄電装置を用意することにより、従来よりも強力な吸着能力を発揮させることができる。

また、蓄電装置を経由しない分、エネルギの回収効率をより高く維持でき、この面でも、省エネ効果が期待できる。

本発明のバリエーションとしては、例えば、上記構成に加え、更に、前記リフティングマグネット装置が、その釈放時に発生する回生電気エネルギを、前記被駆動体の駆動源に、前記蓄電装置を介することなく供給可能に接続されている構成を付加したリフティングマグネット仕様の作業機械が考えられる。

リフティングマグネット装置は、移動先における磁性部材の釈放時に回生電気エネルギが発生する。このとき、多くの場合、ブームは上昇を開始し、また、旋回機構は再び移動元に戻るために旋回を開始する。この構成によれば、リフティングマグネット装置から得られたこれらの被駆動体の駆動源に、蓄電装置を介することなく回生電気エネルギを供給でき、これらの被駆動体の駆動を円滑にかつ効率的に開始することができる。

本発明の変形例としては、例えば、前記作業機械における回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源が、具体的には前記上部旋回体の旋回機構の駆動源である構成が考えられる。

リフティングマグネット仕様の作業機械の場合、吸着開始時において必ずや発生するであろうと考えられる動きとして上部旋回体の旋回機構の減速・停止がある。これは、リフティングマグネット仕様の作業機械の作業の大半が特定の場所に存在する鋼材等の磁性部材を他の場所に移動させる作業であるためである。従って、リフティングマグネット装置に上部旋回体の旋回機構の駆動源からの回生電気エネルギを直接供給可能とすることで、本発明特有の効果を顕著に得ることができる。

本発明の他の変形例としては、例えば、前記作業機械における回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源が、具体的には前記リフティングマグネット装置の吊り下げ位置を制御するためのブームの駆動源である構成が考えられる。

リフティングマグネット仕様の作業機械において、同様に吸着開始時において必ずや発生するであろうと考えられる動きとしてリフティングマグネット装置の吊り下げ位置を制御するためのブームの降下の減速・停止がある。これは、リフティングマグネット仕様の作業機械の作業の性質上、特定の場所に存在する鋼材等の磁性部材の吸着に行うときには、ブームを駆動して磁性部材を吸着可能な高さまでリフティングマグネット装置を降下させる必要があり、ブーム降下の減速・停止と同時にその吸着を開始することが多いためである。そのため、この変形例のように、リフティングマグネット装置に対し、ブームの駆動源からその回生エネルギを蓄電装置を介することなく供給可能とすることで、本発明特有の効果を顕著に得ることができる。

なお、ここでいう「リフティングマグネット装置の吊り下げ位置を制御するためのブーム」には、アームに対する用語として通常用いられる狭義の概念のブームのほか、例えば、該狭義のブームの設置角度が固定されており、リフティングマグネット装置の吊り下げ位置を制御するために狭義のアームが上下に揺動されるような構造の場合には、そのようなアームをも含む広義の概念のブームも含まれる。

なお、本発明においては、リフティングマグネット装置と（蓄電装置を介することなく）相互に接続される被駆動体の駆動源は、後述する実施形態のように、２以上であっても良い。

本発明の他の変形例としては、前記電源が、前記作業機械に搭載されたエンジンと、該エンジンによって発電を行う発電機とを有するようにした構成が考えられる。

本発明では、電源の具体的な構成は特に限定されないが、この変形例によれば、油圧ポンプや油圧モータを介在させない分、効率的な発電を行うことができ、且つ、エンジンと発電機の容量の選択次第で、リフティングマグネット装置の容量に依らず、その要求する電気エネルギを確実に供給することができる。

なお、このように電源をエンジンと発電機とで構成する場合は、当該発電機は、例えば、前記リフティングマグネット装置における対象物の吸着開始から釈放までの１サイクルの励磁に要する平均電力を発電するように設定すると良い。

本発明では、作業機械の被駆動体において発生する回生エネルギをリフティングマグネット装置の励磁における電力供給に効率的に活用しているため、従来のように、強励磁に備えた発電を行う必要がない。そのため、その分発電機を小型化できる。また、エンジンを、常に最高出力を供給可能とするべく常時高回転で予備的に運転している必要がなくなり、エンジンの最大回転速度を低く設定することができる。したがって、省エネと同時に低騒音作業が可能になるという利点が得られる。

逆に、発電機として、例えば、作業機械に標準的に装備されているＤＣ２４Ｖのオルタネータを利用するような場合であっても従来以上の吸着力を発揮でき、適用の範囲を拡大できる。

本発明の他の変形例としては、前記蓄電装置が、２次電池及びキャパシタの双方を有するように構成することが考えられる。

この変形例に依れば、容量確保の点で優れる２次電池と応答性に優れるキャパシタの相乗作用により、大容量で且つ応答性に優れる蓄電を行うことができ、操作性に優れた大容量の吸着作業を実現できる。

この場合、回収された回生電気エネルギを、前記２次電池又はキャパシタの何れに蓄電するかを選択可能な制御装置を備えるようにすると、上記作業を最大限に効率よく実現できる。

また、本発明の他の変形例として、前記電源及び蓄電装置が、前記下部走行体に電気エネルギを供給可能に接続されているように構成すると一層良好である。

この変形例に依れば、設計によっては、オール電化された作業機械とすることも可能である。

本発明は、リフティングマグネット装置を備え、下部走行体と上部旋回体とを有するリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法において、例えば、電源からの電気エネルギを蓄電装置に蓄積する第１の電気エネルギ供給ステップと、前記電源及び蓄電装置から、前記リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給する第２の電気エネルギ供給ステップと、前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源から、前記リフティングマグネット装置に、前記蓄電装置を介することなく回生電気エネルギを供給する第３の電気エネルギ供給ステップと、を含むことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法と捉えることもできる。

また、本発明は、リフティングマグネット装置を備え、下部走行体と上部旋回体とを有するリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法において、電源からの電気エネルギを蓄電装置に蓄積する第１の電気エネルギ供給ステップと、前記電源及び蓄電装置から、前記リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給する第２の電気エネルギ供給ステップと、前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源から、前記リフティングマグネット装置に、前記蓄電装置を介することなく回生電気エネルギを供給する第３の電気エネルギ供給ステップと、前記リフティングマグネット装置から前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源に、前記蓄電装置を介することなくリフティングマグネット装置の釈放時の回生電気エネルギを供給する第４の電気エネルギ供給ステップと、を含むことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法と捉えることもできる。

本発明に依れば、リフティングマグネット装置の特性を生かして回生エネルギを効率的に活用することを可能とし、当該作業機械に要求される特性に応じ、設計次第で、この利点を電源や励磁系装置の小型化、強力化、低コスト化、省エネルギ化、低騒音化等の実現に適用することができる。

実施形態１に係るリフティングマグネット仕様の作業機械のブロック構成図。 実施形態２に係るリフティングマグネット仕様の作業機械のブロック構成図。 実施形態３に係るリフティングマグネット仕様の作業機械のブロック構成図。 従来のリフティングマグネット仕様の作業機械のブロック構成図。 図４のリフティングマグネット仕様の作業機械における印加電圧及び電流の波形図。

以下、本発明が適用されたリフティングマグネット仕様の作業機械の実施形態の一例を図面を参照して詳述する。図１は、リフティングマグネット仕様の作業機械のブロック構成図である。なお、図１及び後述の実施形態を示す図２、図３において、前記図４における構成要素と同一乃至均等のものは、前記と同一符号を以って示し、重複した説明を省略する。

まず、図１を用いて、本実施形態１に係るリフティングマグネット仕様の作業機械の構成を説明する。なお、図１においては、各機器間の接続関係が模式的に描かれており、現実の配線態様とは必ずしも一致していない。

本実施形態１では、エンジン１の駆動軸に、発電機５のみが取付けられている。該エンジン１及び発電機５によって（より具体的には、エンジン１、発電機５、及び交流を直流に変換するコンバータ６によって）電源が構成されている。発電機５には、コンバータ６を介して直流ライン１０が接続されている。なお、油圧アクチュエータ用のメインポンプ（油圧ポンプ）２の前段には、直流ライン１０に現れる直流電圧を交流に変換して出力するインバータ１５と、該インバータ１５の交流出力で回転駆動される電動機１６とが設けられ、前記メインポンプ２は、該電動機１６の出力軸に取付けられている。

前記直流ライン１０には、蓄電装置２０、及びＤＣ−ＤＣコンバータ７を介してリフティングマグネット装置８のコイル８ａが接続されている。また、この直流ライン１０には、直流を交流に変換するインバータ機能、及び交流を直流に変換するコンバータ機能の双方を有する変換装置１７が設けられ、該変換装置１７に、作業機械における上部旋回体の旋回機構の駆動源としての機能を備えた発電電動機１８が接続されている。このように、本実施形態１では、上部旋回体が発電電動機１８によって駆動されるので、コントロールバルブ１２の他方の切換位置における出力ポートには、旋回用を除いた右走行用又は左走行用のみの油圧モータ１９が接続されている。

前記発電機５では、リフティングマグネット装置８における対象物の吸着開始時の強励磁から釈放時までの１サイクルの励磁に必要な平均電力に対応した交流電力が発電され、強励磁における電力を賄うという趣旨での発電は行われない。

前記蓄電装置２０としては、リチウムイオン電池等の２次電池又は入出力密度の高い電気二重層コンデンサ（キャパシタ）があり、電気二重層コンデンサでは、電気エネルギの吸収を行うときにおいて良好な応答性が得られ、２次電池では、大容量の電気エネルギの蓄積が可能である。本実施形態１では、蓄電装置２０は、２次電池及びキャパシタ（いずれも図示略）の双方を有しており、且つ、制御装置９により回収された回生電気エネルギを、２次電池又はキャパシタの何れに蓄電するかを選択可能である。尚、２次電池にはリチウムイオン電池の他にニッケル水素電池、鉛電池等がある。このほか、燃料電池のような発電装置と組み合わせた蓄電装置であっても良い。

蓄電装置２０は、前記発電機５の交流出力を、コンバータ６で直流に変換して直流の電気エネルギとして蓄積する。また、蓄電装置２０は、リフティングマグネット装置８とＤＣ−ＤＣコンバータ７を介して電気エネルギの授受が可能である。すなわち、リフティングマグネット装置８における対象物の釈放時には、そのコイル８ａに蓄積されたエネルギを吸収して直流の電気エネルギとして蓄積可能であり、一方、リフティングマグネット装置８の励磁の際には、該蓄電装置２０側からも、蓄積している前記直流の電気エネルギを、リフティングマグネット装置８側に供給可能である。

更に、この蓄電装置２０は、変換装置１７を介して前記発電電動機１８との間でも電気エネルギの授受機能を有している。即ち、蓄電装置２０は、発電電動機１８のブレーキ時に発電される回生電気エネルギを、変換装置１７を介して蓄積可能である。一方、発電電動機１８の作動時には、蓄電装置２０から、発電電動機１８に対し、変換装置１７を介して電気エネルギを供給し、該発電電動機１８を電動機として駆動可能である。

ここで、この実施形態１では、リフティングマグネット装置８と上部旋回体の旋回駆動源としての発電電動機１８との間で相互に電気エネルギの授受が（前記蓄電装置２０を介することなく）行える構成とされている。すなわち、リフティングマグネット装置８の励磁の際には、発電電動機１８にて回収された回生電気エネルギが、蓄電装置２０を介することなく、リフティングマグネット装置８に供給可能である。換言すると、蓄電装置２０からは、例えば強励磁のときなど、発電機５の発電電気エネルギ及び発電電動機１８の回生電気エネルギだけではリフティングマグネット装置８で要求される電力を賄いきれないときにのみ、リフティングマグネット装置８に対して電力供給が行われる。

また、リフティングマグネット装置８の釈放時には、リフティングマグネット装置８にて回収された回生電気エネルギが、蓄電装置２０を介することなく、発電電動機１８に供給可能である。換言すると、蓄電装置２０からは、発電機５の発電電気エネルギ及びリフティングマグネット装置８の回生電気エネルギだけでは発電電動機１８の駆動が困難なときにのみ、発電電動機１８に対して電力供給が行われる。

いずれの場合も、作業機械のいずれかの部分においてそのときに必要とする電気エネルギに対して、発電又は回生された電気エネルギが量的に上回るときには、蓄電装置２２にその余剰分が蓄積されるようになっている。

なお、前記エンジン１、メインポンプ２の出力（吐出流量）、発電機５、コンバータ６、インバータ１５，変換装置１７、及び電動機１６等の各機器は、いずれも制御装置９内の制御回路によって、図示せぬリレー、スイッチ素子等を介して制御される。

次に、上述のように構成されたリフティングマグネット仕様の作業機械の作用を説明する。発電機５が、エンジン１で直接回転駆動されて交流電力が発電される。該発電機５で発電された交流電力が、コンバータ６で直流に変換された後それぞれ、ＤＣ−ＤＣコンバータ７を介してリフティングマグネット装置８のコイル８ａ励磁用の電力として供給される。また、変換装置１７を介して上部旋回体駆動用の発電電動機１８に供給される。更に、インバータ１５を介して所要の油圧アクチュエータ駆動用の電動機１６に供給される。このように、基本的には発電機５の発電する電力により、リフティングマグネット装置８のコイル８ａ、上部旋回体の発電電動機１８及び所要の油圧アクチュエータ用の電動機１６が駆動される。

ここで、リフティングマグネット装置８のコイル８ａが励磁される場合をより詳細に説明する。発電機５では、前述したように、リフティングマグネット装置８における対象物の吸着開始時の強励磁から釈放時までの１サイクルの励磁に必要な平均電力に対応した交流電力が発電される。制御装置９に接続されている制御スイッチがオンとされると、発電機５の交流出力がコンバータ６で直流に変換された後、ＤＣ−ＤＣコンバータ７で所要レベルの直流電圧に変換されてリフティングマグネット装置８のコイル８ａに供給される。

該コイル８ａへの直流電圧の印加により、リフティングマグネット装置８が励磁されて対象物の吸着が開始される。吸着の開始に当たっては、強励磁に必要な大電力が必要とされる。したがって、発電機５によって発電された電気エネルギのほか、旋回体駆動用の発電電動機１８側に回生電気エネルギが得られているときは、この回生電気エネルギが（蓄電装置２０の側に回らずに）該リフティングマグネット装置８に直接的に供給される。

リフティングマグネット仕様の作業機械は、鉄材等の磁性部材を特定の場所から別の場所にまで移動する作業の繰り返しとなることが多く、吸着と同時、あるいは前後して上部旋回体の旋回機構の減速・停止が多くの場合行われている。そのため、このときに発電電動機１８から回収される回生電気エネルギを蓄電装置２０を通さずにそのままリフティングマグネット装置８に送り込むことにより、強励磁に必要な電力の一部を効率的に供給することができる。

なお、それでも不足する分については、直流の電気エネルギを蓄積している蓄電装置２０側からも、該不足分を補うようにして、リフティングマグネット装置８に対し電気エネルギの供給が行われる。

リフティングマグネット装置８の強励磁後、定格電圧の印加による定常励磁が行われる。該定常励磁期間後の定格電圧の印加が停止される釈放時には、リフティングマグネット装置８のコイル８ａに蓄積されたエネルギが回生される。なお、この回生時に、上部旋回体を駆動するために、発電電動機１８が駆動される態勢に入っていたときには、この回生電気エネルギは、発電機５によって発電される電気エネルギと共に該発電電動機１８の駆動に使用される。この結果、余剰が出るときには、その余剰分が蓄電装置２０に蓄積され、不足が生じるときは、その不足分が蓄電装置２０から供給される。

コイル８ａへの定格電圧印加の停止後、消磁のために逆方向に所定電圧が印加される。該逆方向の所定電圧の印加は、図示省略の極性切換回路により、ＤＣ−ＤＣコンバータ７からの出力直流電圧の極性が切換えられて行われる。消磁開始から所定時間経過後に該逆方向の電圧印加が停止されてリフティング作業が終了する。

さらに、発電機５の発電電力により、所要の油圧アクチュエータ駆動用の電動機１６が回転駆動される場合は、発電機５の交流出力がコンバータ６で直流に変換された後、インバータ１５を介して電動機１６に供給される。そして、この所要の油圧アクチュエータ駆動時にも、蓄電装置２０から電動機１６に対し電力が適宜に供給される。

上述したように、本実施形態１に係るリフティングマグネット仕様の作業機械においては、発電機５を、エンジン１で直接回転駆動することで、発電効率が向上してリフティングマグネット装置８を効率よく励磁するとともに、上部旋回体駆動用の発電電動機１８を効率よく作動させることができ、さらに、リフティングマグネット装置８及び発電電動機１８においてそれぞれ発生した回生電気エネルギを、相互に効率的に相手側に供給することができ、全体として非常にエネルギ効率の高い運転を実現することができる。

すなわち、特に、リフティングマグネット装置８の強励磁においても充分な電気エネルギを供給することができ、しかも、発電機５、あるいは蓄電装置２０のいずれについても、リフティングマグネット装置８の強励磁時の電気エネルギを賄うだけの容量を必ずしも確保する必要はない。

その結果、その分、従来よりも容量の小さなエンジン、あるいは蓄電装置を使用したり、または、エンジンをより低速で運転させたりすることができるようになり、リフティングマグネット装置８及び上部旋回体の駆動系に係る装置の小型化、低コスト化、省エネルギ化、あるいは低騒音化を実現することができる。

次に、本発明の実施形態２を図面に従って詳述する。図２は、リフティングマグネット仕様の作業機械のブロック構成図である。

エンジン１の駆動軸１ａには、該エンジン１と共に電源を構成し、発電機としてだけでなく、電動機としても機能する発電電動機２１と、油圧アクチュエータ用のメインポンプ２とが第１、第２変速機３０、３２、を介してパラレルに取付けられている。

第１変速機３０は、発電電動機２１の駆動軸２１ａに組み込まれたピニオン３４、エンジン１の駆動軸１ａに組み込まれたギヤ３６によって構成され、発電電動機２１側からエンジン１を見たときに減速機、エンジン１側から発電電動機２１を見たときに増速機としての機能を有している。また、第２変速機３２は、前記ギヤ３６及びメインポンプ２の駆動軸２ａに組み込まれたピニオン３８によって構成され、エンジン１側からポンプ２を見たときに増速機としての機能を有している。

その他の構成は、前記実施形態１のものとほぼ同様である。

そして、発電電動機２１とメインポンプ２とが変速機３０、３２を介してエンジン１で共通に回転駆動されて発電電動機２１から交流電力が発電される。該発電電動機２１で発電された交流電力は、変換装置２２で直流電力に変換された後、直流ライン１０に至る。蓄電装置２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ７、リフティングマグネット装置８、変換装置１７、及び発電電動機１８の構成・作用については、前述した実施形態１と基本的に同様である。

一方、メインポンプ２による所要の油圧アクチュエータの駆動時において、メインポンプ２に高負荷が必要なときは、蓄電装置２０から変換装置２２を介して発電電動機２１に電力が供給され、該発電電動機２１が電動機として駆動される。これにより、エンジン１のトルクアシストが行われてメインポンプ２から前記高負荷に対応したポンプ出力が得られる。

このように、本実施形態２に係るリフティングマグネット仕様の建設機械においては、前記実施形態１における作用効果とほぼ同様の作用効果が得られると共に、さらに、メインポンプ２に高負荷が必要なときに、蓄電装置２０から発電電動機２１に電力を供給して該発電電動機２１を電動機として駆動し、エンジン１のトルクアシストを行なうことができる。そのため、エンジン１が小型でもメインポンプ２から前記高負荷に対応したポンプ出力を得ることができる。また、リフティングマグネット装置８や発電電動機１８に関してだけでなく、メインポンプ２の駆動に関しても、エンジン１を、常に最高出力を供給すべく高回転で予備的に運転している必要がなくなり、エンジン１の最大回転数を更に低く設定することができて、一層の省エネと同時に低騒音作業が可能になる。

なお、前記図１及び図２の構成において、前記直流ライン１０と蓄電装置２０との間には、電圧調整用の昇降圧コンバータを介在させてもよい。また、前記直流ライン１０に図に記載のない回生機能付き電動アクチュエータを接続しても発電電動機１８と同様の効果を得ることが可能である。

図３に、本発明の実施形態３を示す。この実施形態３では、先の実施形態２に係る構成をベースとし、ブームを駆動するためのブームシリンダ１３Ｂのボトム側に両方向ポンプモータ５２を接続し、さらに発電電動機５４を連結している。発電電動機５４は、変換装置５６を介して直流ライン１０に接続されている。

この構成により、ブームシリンダ１３Ｂが収縮されるとき（ブームが降下されるとき）にボトム側に存在していた圧油のエネルギを両方向ポンプモータ５２及び発電電動機５４を介して回生することができ、先の実施形態１、２において旋回機構用の発電電動機１８において回収した回生電気エネルギと同様に、これをリフティングマグネット装置８の駆動用電気エネルギとして活用することができる。

ブームシリンダ１３Ｂが収縮するときに回収することのできる回生電気エネルギは、量的にかなり大きく、これを（蓄電装置２０を介してではなく）そのままリフティングマグネット装置８の励磁のために活用できる効果は大きい。この結果、特に、リフティングマグネット装置８の強励磁における大電力を一層効率的に供給することが可能になる。

また、この構成は、ブーム自体の駆動は基本的に油圧駆動系によって実現しており、ブーム駆動を完全に電動化しているわけではない。そのため、ブームを駆動するための大型の電動機や、該大型の電動機をも駆動するための大容量の電源系を用意する必要がない。そのため、基本的に従来の構成に若干の改変を加えるだけで効率的なエネルギ活用を行うことができるようになる。

さらに、この構成では、ブームシリンダ１３Ｂを伸長させるとき（ブームを上昇させるとき）には、油圧ポンプ２Ａ、２Ｂの経路による駆動のほか、必要に応じこの変換装置５６、→発電電動機５４、→両方向ポンプモータ５２の経路からも圧油を供給することができ、ブームの上げ動作をより円滑に行うことができるようになっている。

なお、このブームシリンダ１３Ｂからの回生電気エネルギも（作業機械全体に余剰が発生するときには）適宜蓄電装置２０において吸収・蓄電可能とされている。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。例えば、上記実施形態１〜３では、何れも、油圧駆動の部分が残されていたが、さらに下部走行体の駆動源をも蓄電装置からの電気エネルギで駆動するようにした作業機械や、油圧駆動の部分を一切なくしてオール電化した作業機械等においても、本発明は適用可能である。

例えば建設機械等において多く採用されている、リフティングマグネット仕様の作業機械に適用可能である。

Claims (11)

1. リフティングマグネット装置を備え、下部走行体と上部旋回体とを有するリフティングマグネット仕様の作業機械において、
   電源と、
   該電源からの電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、
   前記作業機械における回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源とを備え、
   前記電源及び蓄電装置は、前記リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給可能に接続され、且つ、
   前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源は、前記蓄電装置に自身の回生電気エネルギを供給可能に接続されると共に、該回生電気エネルギを前記リフティングマグネット装置に、前記蓄電装置を介することなく供給可能に接続されている
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
2. リフティングマグネット装置を備え、下部走行体と上部旋回体とを有するリフティングマグネット仕様の作業機械において、
   電源と、
   該電源からの電気エネルギを蓄積する蓄電装置と、
   前記作業機械における回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源とを備え、
   前記電源及び蓄電装置は、前記リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給可能に接続され、
   前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源は、前記蓄電装置に自身の回生電気エネルギを供給可能に接続されると共に、該回生電気エネルギを、前記リフティングマグネット装置に、前記蓄電装置を介することなく供給可能に接続され、且つ、
   前記リフティングマグネット装置は、その釈放時に発生する回生電気エネルギを、前記被駆動体の駆動源に、前記蓄電装置を介することなく供給可能に接続されている
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
3. 請求項１または２において、
   前記作業機械における回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源が、前記上部旋回体の旋回機構の駆動源である
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記作業機械における回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源が、前記リフティングマグネット装置の吊り下げ位置を制御するためのブームの駆動源である
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記電源は、前記作業機械に搭載されたエンジンと、該エンジンによって発電を行う発電機とを有する
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
6. 請求項５において、
   前記発電機は、前記リフティングマグネット装置における対象物の吸着開始から釈放までの１サイクルの励磁に要する平均電力を発電するように設定されている
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記蓄電装置が、２次電池及びキャパシタの双方を有する
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
8. 請求項７において、
   更に、回収された回生電気エネルギを、前記キャパシタ又は２次電池の何れに蓄電するかを選択可能な制御装置を備える
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
   前記電源及び蓄電装置が、前記下部走行体の駆動源に電気エネルギを供給可能に接続されている
   ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械。
10. リフティングマグネット装置を備え、下部走行体と上部旋回体とを有するリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法において、
    電源からの電気エネルギを蓄電装置に蓄積する第１の電気エネルギ供給ステップと、
    前記電源及び蓄電装置から、前記リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給する第２の電気エネルギ供給ステップと、
    前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源から、前記リフティングマグネット装置に、前記蓄電装置を介することなく回生電気エネルギを供給する第３の電気エネルギ供給ステップと、を含む
    ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法。
11. リフティングマグネット装置を備え、下部走行体と上部旋回体とを有するリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法において、
    電源からの電気エネルギを蓄電装置に蓄積する第１の電気エネルギ供給ステップと、
    前記電源及び蓄電装置から、前記リフティングマグネット装置に電気エネルギを供給する第２の電気エネルギ供給ステップと、
    前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源から、前記リフティングマグネット装置に、前記蓄電装置を介することなく回生電気エネルギを供給する第３の電気エネルギ供給ステップと、
    前記リフティングマグネット装置から前記回生電気エネルギが発生し得る被駆動体の駆動源に、前記蓄電装置を介することなくリフティングマグネット装置の釈放時の回生電気エネルギを供給する第４の電気エネルギ供給ステップと、を含む
    ことを特徴とするリフティングマグネット仕様の作業機械の運転方法。