JP5775144B2 - 重機用のエネルギー管理システム - Google Patents

Description

関連特許出願の相互参照
本願は、明細書、図面、特許請求の範囲、および要約を含み、参照によりその全体を本明細書に援用する、２０１０年３月２３日に出願された、優先権出願の米国特許出願第１２／７３０，０２７号の利益を主張するものである。

本開示は、概して、建設および掘削機械などの重機の分野に関する。より具体的には、本開示は、通常、重機の要素と併用される油圧システムなどの油圧システムで使用するエネルギー管理システムに関する。

バックホー、パワーショベル、および他の重機は、建設、掘削、および採鉱に使用される。重機の幾つかは、様々な作業を行うために、ショベル、バケット、またはオーガなどの作業用具を作動させる。そのような重機は、繰り返しパターンの作業動作で作業用具を動作させるのに油圧システムを利用することがある。例えば、採鉱ショベルは、１回につき約３０秒〜６０秒の繰り返しサイクルパターンでバケットを昇降させて、１日当たり２４時間稼働することがある。掘削リグなどの重機の他の部分も、繰り返しサイクルでドリルまたはブームを昇降させるが、より遅い速度で動作する。作業用具を制御可能に昇降させるにはエネルギーが必要である（例えば、持ち上げ作業、制動摩擦など）。

一実施形態は、エネルギー管理システムを有する装置に関する。装置は、関節式アーム、作業用具、およびエネルギー管理システムを含む。関節式アームは、関節式アームを動作させるように設計された油圧アクチュエータを含み、作業用具は、関節式アームに固定される。エネルギー管理システムは、第１の構成と第２の構成との間で調整可能であり、油圧式回転機械と、油圧式回転機械に連結された電気式回転機械とを含む。エネルギー管理システムが第１の構成にある場合、油圧式回転機械および電気式回転機械は、油圧ポンプを駆動する電気モータとして機能する。エネルギー管理システムが第２の構成にある場合、油圧式回転機械および電気式回転機械は、発電機を駆動する油圧モータとして機能する。

別の実施形態は、エネルギー管理システムを有する装置に関する。装置は、関節式アーム、バケット、センサシステム、コントローラ、双方向弁、および油圧式回転機械に連結された電気式回転機械を含む。関節式アームは、１つまたは複数の油圧アクチュエータによって駆動され、バケットはアームに固定され、油圧アクチュエータの操作によって動作可能である。第１のセンサシステムは、関節式アームに連結される。コントローラは、第１のセンサシステムに接続され、第１のセンサシステムからのデータは、関節式アームおよびバケットに蓄えられたポテンシャルエネルギーの推定値を導出するのに使用される。コントローラは、ポテンシャルエネルギーの推定値がしきい値を超え、バケットが下降しつつある場合に、双方向弁を通じて油圧流体の方向を変えるように設計される。電気式回転機械および油圧式回転機械は、双方向弁によって付与される油圧流体の方向に応じて、油圧流体にエネルギーを付加し、油圧流体からエネルギーを取り出して電気を生成するように設計される。

さらに別の実施形態は、エネルギー管理システムを有する装置に関する。装置は、関節式アーム、センサ、コントローラ、および双方向弁システムを含む。関節式アームは、１つまたは複数の油圧アクチュエータによって駆動され、バケット、破砕機、グラップル、またはオーガのうちの少なくとも１つを動作させるように設計される。センサシステムは、関節式アームの位置を検出するように設計され、コントローラは、センサシステムに連結される。コントローラは、関節式アームが第１の位置にあることをセンサシステムが検出した場合に、双方向弁システムを通じて油圧流体の方向を反転させるように設計される。

代替の例示的な実施形態は、通常特許請求の範囲に列挙される他の特徴および特徴の組み合わせに関する。

添付の図と併用した場合に、以下の詳細な説明から本開示がより完全に理解されるであろう。添付の図において、同じ参照数字は同じ要素を指す。

例示的な実施形態による装置の側面図である。 例示的な実施形態によるエネルギー管理システムの概略図である。 別の例示的な実施形態による、第１の構成で動作するエネルギー管理システムの概略図である。 第２の構成で動作する図３のエネルギー管理システムの概略図である。 例示的な実施形態によるエネルギー管理システムの制御の流れ図である。 例示的な実施形態による装置の側面図である。 別の例示的な実施形態による装置の側面図である。 さらに別の例示的な実施形態による装置の側面図である。

例示的な実施形態を詳細に示す図を参照する前に、本願が、明細書に記載した、または図に示した細部または手順に限定されないのは当然のことである。用語は説明のみを目的とし、限定するものとみなすべきではないことも当然のことである。

図１を参照して、動力装置は、作業用具を駆動するために油圧システムを使用することができる。少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、油圧アクチュエータ１１４、１１６、１１８を使用して、パワーショベル１１０の関節式アーム１１２のセグメント１２０、１２２を駆動することができる。非限定的な例として、パワーショベル１１０は、２つのアームセグメント１２０、１２２（例えば、アーム、部分品（ｐｏｒｔｉｏｎ）、リンク機構など）およびバケット１２４（例えば、ショベル）を有することができる。そのような装置では、第１のセグメント１２０は、第１の接合部１２８（例えば、ピン、ピボットなど）でパワーショベル１１０の本体１２６（例えば、フレーム、ハウジングなど）に連結される。第２の中間セグメント１２２は、第２の接合部１３０で第１のセグメント１２０に連結されている。また、バケット１２４は、第３の接合部１３２で第２のセグメント１２２に連結されている。

第１の油圧アクチュエータ１１４は、本体１２６と第１のセグメント１２０との間で第１の接合部１２８をまたいでいる。第２の油圧アクチュエータ１１６は、第１のセグメント１２０と第２のセグメント１２２との間で第２の接合部１３０をまたいでいる。また、第３の油圧アクチュエータ１１８は、第１のセグメント１２０または第２のセグメント１２２のいずれかとバケット１２４との間で第３の接合部１３２をまたいでいる。一部の実施形態では、油圧アクチュエータ１１４、１１６、１１８は、ロッド（例えば、ピストン）およびバレル（例えば、シリンダ）装置を含み、ロッドおよびバレル装置では、加圧された油圧流体が、バレルに対してロッドを押すか、または引いて、油圧アクチュエータ１１４、１１６、１１８の軸方向長さを変える。

一部の実施形態では、第１の接合部１２８、第２の接合部１３０、および第３の接合部１３２は、セグメント１２０、１２２が鉛直平面内でのみ回転できるように拘束される。そのような実施形態では、パワーショベル１１０の本体１２６は、本体１２６と駆動系１３６（例えば、トランスミッションに連結され、ホイールに連結されたドライブシャフト、無限軌道、ポンツーンなど）との間などの本体１２６の下に配置された接合部１３４のまわりを水平方向に回転するようにさらに構成することができる。本体１２６の水平方向の回転により、関節式アーム１１２およびバケット１２４も回転する。

各油圧アクチュエータ１１４、１１６、１１８は、長さが制御可能に伸縮するように構成されている。第１の油圧アクチュエータ１１４の動作により、第１のセグメント１２０が第１の接合部１２８を中心として移動する。第１のセグメント１２０の移動により、次に第２のセグメント１２２およびバケット１２４が第１の接合部１２８を中心として移動する。したがって、第１の油圧アクチュエータ１１４の長さを伸長させることで、第１のセグメント１２０が、第１の接合部１２８を中心として鉛直方向上方に回転し、第２のセグメント１２２およびバケット１２４が持ち上がる。同様の態様で、第２の油圧アクチュエータ１１６および第３の油圧アクチュエータ１１８を駆動して、第２のセグメント１２２およびバケット１２４を制御可能に動作させることができる。

関節式アーム１１２のセグメント１２０、１２２およびバケット１２４が持ち上がると、ポテンシャルエネルギーが得られる。単純化した例によれば、そのようなポテンシャルエネルギーは、関節式アーム１１２およびバケット１２４（およびそれらに保持される任意の物質）の質量中心の高さと、それらの質量と、重力加速度との積にほぼ正比例することができる。より正確な計算では、摩擦エネルギー損失、熱、音響損失、電気抵抗、および他のその種の損失も要因として計算に入れる。関節式アーム１１２およびバケット１２４が下降するときに、ポテンシャルエネルギーを浪費するか、またはセグメント１２０、１２２およびバケット１２４の動作にかかわる運動エネルギーに変換することができる。一部の例では、余分な運動エネルギーを制御して、セグメント１２０、１２２およびブラケット１２４の動作を遅くするか、または止める。例示的な実施形態によれば、余分な運動エネルギーの一部または全部を、回生プロセスを有するエネルギー管理システムによって、電気に変換することができる。

例示的な実施形態によれば、パワーショベル１１０は、関節式アーム１１２およびバケット１２４の動作を検出する、かつ／または定量化するように構成されたセンサ１３８、１４０、１４２を含む。一部の実施形態では、センサ１３８、１４０、１４２は、関節式アーム１１２およびバケット１２４の位置を直接測定するように構成されている。一部のそのような実施形態では、センサ１３８、１４０、１４２は、関節式アーム１１２の接合部１２８、１３０、１３２に連結され、第１のセグメント１２０と第２のセグメント１２２との間の角度Ａ１などの、接合部１２８、１３０、１３２に連結されたセグメント１２０、１２２間の角度を測定する。一部の実施形態では、センサ１３８、１４０、１４２は、エンコーダ、リゾルバ、ポテンショメータなどの角度位置測定装置を含む。次いで、関節式アーム１１２およびバケット１２４の位置を制御回路１４４（例えば、プロセッサ）で計算することができ、次いで、その位置情報を使用して、関節式アーム１１２およびバケット１２４に蓄えられたポテンシャルエネルギーを推定することができる。他の実施形態では、線形電圧差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）または他のセンサを使用して、アクチュエータの長さを測定する。さらに別の実施形態では、関節式アームに直接的にか、または間接的にかのいずれかで連結された、様々なタイプの市販センサが使用される。

他の実施形態では、センサ１３８、１４０、１４２は、関節式アーム１１２およびバケット１２４の位置に概ね関連するパラメータ、または他の関連パラメータを測定する。パラメータの測定値に基づいて、関節式アーム１１２およびバケット１２４の位置および／または質量を推定することができ、次いで、この位置および／または質量を使用して、ポテンシャルエネルギーを推定することもできる。一部のそのような実施形態では、関節式アーム１１２のセグメント１２０、１２２に連結された歪みゲージにより、重量と、地面に対するセグメント１２０、１２２の向きに関する情報とが得られる。例えば、第１の向きは、大きくなった軸方向応力と相関することができ、一方、第２の向きでは、歪みゲージによって検出される剪断応力が大きくなり得る。他の実施形態では、センサのさらに精巧なシステムを使用することができる（例えば、レーザ測距器、セグメントに連結された固体ジャイロスコープなど）。本明細書での本開示には、広範なセンサが含まれるが、センサのそのような精巧なシステムは、コストを上げ、複雑さが増すためにあまり好ましくない。一部の実施形態では、作業用具に接続された油圧分岐回路（例えば、図３に示す分岐回路３４８、３５０）の油圧流体の圧力を検出する補助センサ（例えば、圧力センサ、ロードセルなど）により、作業用具（例えば、負荷を保持するショベル）の重量の推定値が得られる。他の実施形態では、電気式または油圧式回転機械に作用するトルクフィードバックを使用して、システムの負荷を測定する。

引き続き図１を参照して、パワーショベル１１０は、エネルギー管理システム１４８の構成要素を支持するように構成されたハウジングおよびフレーム１４６をさらに含む。例示的な実施形態によれば、エネルギー管理システム１４８は、原動機１５０（例えば、内燃機関、ディーゼルエンジンなど）、発電機１５２（例えば、交流発電機、可逆電気モータ（ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒ）など）、油圧ポンプ１５６を駆動する電気モータ１５４、および油圧制御システム１５８を含む。原動機１５０は発電機１５２を駆動し、発電機１５２は、電気を生成して電気モータ１５４を駆動する。次に、電気モータ１５４は油圧ポンプ１５６を駆動し、油圧ポンプ１５６は、油圧制御システム１５８によって、関節式アーム１１２およびバケット１２４の油圧アクチュエータ１１４、１１６、１１８に制御可能に供給される油圧流体を駆動する。一部の実施形態では、油圧流体を使用して、本体１２６と、駆動系１３６または他の構成要素との間の、水平方向に回転する接合部を駆動することもできる。一部の実施形態では、複数の原動機、発電機、電気モータ、油圧ポンプ、および制御システムを組み合わせて、または単独で使用することができる。

図２を参照すると、重機用のエネルギー管理システム２１０は、電気エネルギーシステム２１２および油圧エネルギーシステム２１４を含み、システム２１２、２１４は動作可能に連結されている。電気エネルギーシステム２１２は、エネルギー源２１６、電気式回転機械（ＥＲＭ）２１８、および電気貯蔵装置２２０を含む。油圧エネルギーシステム２１４は、油圧式回転機械（ＨＲＭ）２２２、油圧貯蔵装置２２４、双方向弁２２６、アクチュエータ弁２２８、およびアクチュエータ２３４を含む。一部の実施形態では、センサシステム２３２は、制御回路、および１つまたは複数のセンサを含み、エネルギー管理システム２１０の様々な構成要素に連結されている。

電気エネルギーシステム２１２は、図１に関連して説明したように、原動機および交流発電機を含むことができるエネルギー源２１６を含む。他の実施形態では、エネルギー源２１６には、バッテリ、コンデンサ、燃料電池、配電網への接続器、蒸気、またはエネルギー源の組み合わせが含まれる。一部の実施形態では、電気貯蔵装置２２０には、バッテリ（例えば、リチウムイオン電池アレイ）、コンデンサ（例えば、二重層コンデンサ、スーパコンデンサ、超コンデンサなど）、フライホイール、ねじりばねなどが含まれる。電気式回転機械２１８には、（例えば、ロータおよびステータを備える）電気モータ、交流発電機、および／または電気を機械運動に変換することも、機械運動を電気に変換することも可能な電気機械（例えば、可逆電気モータ／発電機、または双方向電気式回転機械）が含まれる。

電気エネルギーシステム２１２の構成要素間の電気の流れは、制御回路、センサ、および電気バスによって管理することができる。一部の実施形態では、電気バスは、ＡＣバス、ＤＣバス、またはそれらの組み合わせ（例えば、整流器を含む）である。エネルギー管理システム２１０が追加のエネルギーを必要とする場合、センサシステム２３２は、エネルギー源２１６から電力を引き出し、さらに、電気貯蔵装置２２０から電力を引き出し、電気式回転機械２１８に電力を供給するようにシステムに指令することができる。超過電力がバス２３０に供給されると、超過電力は、電気貯蔵装置２２０に送るか、または接地することができる。

油圧エネルギーシステム２１４は油圧式回転機械２２２を含み、油圧式回転機械２２２は、油圧流体用のポンプを含むことができる。一部の実施形態では、ポンプは、軸方向カムまたは三重ピストンポンプなどの容積移送式ポンプである。ポンプ（例えば、第１または順方向の構成の油圧式回転機械２２２）は、一部の実施形態では、電気式回転機械２１８によって駆動される。他の実施形態では、ポンプは別の原動機によって駆動される。油圧式回転機械２２２はまた、油圧モータを含む（または、油圧式回転機械２２２が第２のもしくは逆転した構成にある場合に油圧モータとして機能する）ことができ、油圧モータは、油圧エネルギーをシャフトの機械回転に変換する。油圧モータは、電気エネルギーシステム２１２の交流発電機などの交流発電機に連結することができる。一部の実施形態では、油圧式回転機械２２２は、油圧ポンプとしても、油圧モータとしても機能する（例えば、双方向油圧式回転機械）ように構成されている。

引き続き図２の油圧エネルギーシステム２１４を参照して、油圧貯蔵装置２２４（例えば、アキュムレータタンク）は、蓄積した油圧流体を貯蔵するように構成されている。一部の実施形態では、油圧貯蔵装置２２４は、圧力下で油圧流体を貯蔵するように設計されるので、加圧した油圧流体のポテンシャルエネルギーが制御可能に蓄えられる。油圧エネルギーシステム２１４は、双方向弁２２６およびアクチュエータ弁２２８をさらに含む。双方向弁２２６（例えば、制御弁、リバーシブル弁）は、油圧式回転機械２２２に出入りする、または複数の油圧式回転機械の群に出入りする油圧流体の流れを制御するように構成されている。アクチュエータ弁２２８は、図１に示す油圧アクチュエータ１１４、１１６、１１８の１つなどのアクチュエータ２３４に出入りする油圧流体の流れを制御するように構成されている。一部の実施形態では、弁２２６、２２８は分かれており、センサシステム２３２の制御回路によって独立して制御可能である。他の実施形態では、弁２２６、２２８は単一の弁または弁システムを形成する。

図２に示すように、エネルギー管理システム２１０の電気エネルギーシステム２１２および油圧エネルギーシステム２１４は、電気式回転機械２１８と油圧式回転機械２２２との間などで連結されている。したがって、エネルギー管理システム２１０は、エネルギーを電気エネルギーシステム２１２から油圧エネルギーシステム２１４に制御可能に送り、さらには、エネルギーを油圧エネルギーシステム２１４から電気エネルギーシステム２１２に制御可能に送るように設計されている。前者の方向のエネルギーの流れは、電気モータから油圧ポンプに移動することができる。後者の方向のエネルギーの流れは、油圧モータから発電機に移動することができる。一部の実施形態では、エネルギー管理システム２１０のエネルギーは、電気貯蔵装置２２０、または（例えば、加圧した油圧流体として）油圧貯蔵装置２２４に貯蔵することができる。特定の実施形態では、電気貯蔵装置２２０にエネルギーを貯蔵するのが好ましい。

ここで、別の例示的な実施形態による図３〜４を参照すると、エネルギー管理システム３１０は、重機で使用されるように構成されている。システム３１０は、発電機３１４に連結された原動機３１２を含む。一部の実施形態では、原動機３１２は内燃機関である。発電機３１４からの電気は、２つの電気式回転機械（ＥＲＭ）３２２、３２４用のコントローラ３１８、３２０（例えば、モータ駆動コントローラ）と、電気エネルギー貯蔵装置３２８用のコントローラ３２６（例えば、充電状態コントローラ）とに連結されたバス３１６に入る。他の実施形態では、別の数量の電気式回転機械およびエネルギー貯蔵装置をバス３１６に連結することができる（例えば、図２に示す電気式回転機械２１８を参照のこと）。さらに、各コントローラ３１８、３２０、３２６は、同様にバス３１６に連結された主コントローラ３３０（例えば、プロセッサ、コンピュータ、回路など）によって制御することができる。主コントローラ３３０は、人間のオペレータまたは自動操作装置から命令を受け取ることができる動作コマンド入力装置３３２または他のインターフェイスに接続することができる。

エネルギー管理システム３１０は、第１の回転機械対３３４および第２の回転機械対３３６をさらに含み、いずれの対３３４、３３６も、電気式回転機械３２２、３２４および油圧式回転機械３３８、３４０を含む。他の実施形態に関連して説明したように、電気式回転機械３２２、３２４は、エネルギーの第１の流れがシステム３１０を通過時に、油圧式回転機械３３８、３４０を駆動するように構成され、油圧式回転機械３３８、３４０は、エネルギーの第２の流れがシステム３１０を通過時に、電気式回転機械３２２、３２４を駆動するように構成されている。エネルギーの第１の流れの場合（図３を参照のこと）、電気式回転機械３２２、３２４は、油圧ポンプとして機能する油圧式回転機械３３８、３４０を駆動する電気モータとして機能する。エネルギーの第２の流れの場合（図４を参照のこと）、油圧式回転機械３３８、３４０は油圧モータとして機能し、油圧式回転機械３３８、３４０は、発電機として機能する電気式回転機械３２２、３２４を駆動する。他の実施形態では、他の数量の回転機械対を使用する（例えば、少なくとも２つ、少なくとも４つ、１つなど）。さらに他の実施形態では、単一の電気式回転機械が、（例えば、ギヤ装置を介して）２つ以上の油圧式回転機械に連結されるか、または単一の油圧式回転機械が、２つ以上の電気式回転機械に連結される。

各油圧式回転機械３３８、３４０は、油圧タンク３４４および双方向制御弁３４６をさらに含む油圧回路３４２（例えば、油圧システム、配管、バスなど）に連結されている。一部の実施形態では、双方向制御弁３４６は、共通のマニホルドを共有する複数の個別弁（例えば、カートリッジ弁、スプール弁など）を含み、各個別弁は、特定の油圧分岐回路３４８、３５０（例えば、分岐、サブシステムなど）に連結されている。各分岐回路３４８、３５０は、作業用具３５６、３５８（または他の油圧駆動式構成要素）を駆動するように構成された油圧アクチュエータ３６０、３６２に連結されている。主コントローラ３３０は、双方向制御弁３４６に連結され、システム３１０を通る油圧流体の流れを管理するために、双方向制御弁３４６を動作させるように構成されている。例示的な実施形態によれば、双方向制御弁３４６によってもたらされる油圧流体の方向性流れにより、（同じ構成要素セットを用いて）ポテンシャルエネルギーを回収しながら、作業用具３５６、３５８を昇降させる能力が付与される。さらに、作業用具３５６、３５８のポテンシャルエネルギーは、（例えば、制動時に）熱に変換されないで、電気エネルギーに変換されて貯蔵されるので、油圧流体の温度が下がり、油圧流体を冷却する熱交換器に必要とされる動力が減り、シールなどの油圧部品の有効寿命が延びる。

引き続き図３〜４を参照して、エネルギー管理システム３１０は、説明したように、分岐回路３４８、３５０をさらに含み、各分岐回路３４８、３５０は、作業用具３５６、３５８の１つに接続されている。例示的な実施形態によれば、システム３１０は、単一の（すなわち、一体の）双方向システムであり、作業用具３５６、３５８のポテンシャルエネルギーは、作業用具３５６、３５８を持ち上げる動作をもたらす同じシステム構成要素を通じて回収することができ、作業用具を駆動し、エネルギーを回収するのに異なるシステムを使用するのに対して、システム３１０の部品点数およびコストが削減され、システム３１０の複雑さが軽減される。例えば、効率の悪い実施形態では、油圧ポンプを駆動するのにエンジンが使用され、エネルギーを回収するのに発電機および別の油圧モータが使用されることがある。反対に、一部の好ましい実施形態では、構成要素の重複は起こらず、作業用具の上昇時も、下降時も同じ構成要素を使用する。

一部の実施形態では、システム３１０は、作業用具３５６、３５８、または関節式アームのセグメント（例えば、図１を参照のこと）などの他の構成要素に連結された油圧アクチュエータ３６０、３６２（例えば、油圧シリンダ、テレスコープ型シリンダ、プランジャ型シリンダ、差動シリンダ、リフレイジングシリンダ（ｒｅｐｈｒａｓｉｎｇ ｃｙｌｉｎｄｅｒ）、位置検出型「高性能」油圧シリンダ、または他の市販アクチュエータ）を含むことができる。各アクチュエータ３６０、３６２は、油圧アクチュエータ３６０、３６２に出入りする油圧流体の流れを制御するように構成された油圧アクチュエータ制御弁３５２、３５４の一方に接続されている。一部の実施形態では、油圧アクチュエータ制御弁３５２、３５４は、双方向制御弁３４６に組み込まれる。他の実施形態では、システム３１０を通る油圧流体をさらに制御するために、双方向制御弁３４６および油圧アクチュエータ制御弁３５２、３５４に加えて、別の弁も使用される。油圧アクチュエータ３６０、３６２は、作業用具３５６、３５８に連結されて、エネルギー管理システム３１０によって引き継がれる、動作コマンド入力装置３３２による作業用具３５６、３５８の制御を可能にする。

例示的な実施形態によれば、位置測定装置（ＰＭＤ）３６４、３６６または他のセンサは、各油圧アクチュエータ３６０、３６２に連結され、作業用具３５６、３５８の位置または油圧アクチュエータ３６０、３６２の状態に関するデータを主コントローラ３３０に供給する。ＬＶＤＴまたはロードセルなどの付加的な位置測定装置３６８、３７０が、必要に応じて、作業用具３５６、３５８または関連する構成要素に連結され、主コントローラ３３０および／またはオペレータにとって有用な補足データを供給することができる。

例示的な実施形態によれば、主コントローラ３３０は、位置測定装置３６４、３６６、３６８、３７０によって供給されたデータを使用して、作業用具３５６、３５８に蓄えられたポテンシャルエネルギー量を推定する。ポテンシャルエネルギーを解放する（例えば、ショベル作業用具を下降させるなど）態様で作業用具３５６、３５８を調整するように命令が出された場合、主コントローラ３３０（例えば、制御回路、制御ロジック）のプロセッサは、双方向制御弁３４６を反転させて、油圧流体が油圧式回転機械３３８、３４０を駆動し、ひいては、電気式回転機械３２２、３２４を駆動するのを可能にして、電気を生成するかどうかを算定するように構成されている。例えば、主コントローラ３３０が、得られる電気が双方向制御弁３４６を反転させることに伴うエネルギーコストを超えると推定した場合、主コントローラ３３０は、双方向制御弁３４６を反転させることができる。次いで、作業用具３５６、３５８のポテンシャルエネルギーからもたらされた電気エネルギーは、バス３１６を介して電気エネルギー貯蔵装置３２８に送られ、後で使用することができる。

図５を参照すると、エネルギー管理システム４１０を動作させる方法はいくつかのステップを含む。１つのステップ４１２は、作業用具または他の付属物を動作させるコマンドなどの動作コマンドを供給することを含む。動作コマンドステップ４１２は、最初に、人間−機械間または機械−機械間インターフェイス（例えば、遠隔装置、ジョイスティック、コンソールなど）を経て主制御回路に実施することができる。動作コマンドステップ４１２は、付属物（例えば、図１に示すアームセグメント１２０、１２２）に蓄えられたポテンシャルエネルギーを増やすか、減らすか、または変えない態様で、付属物を動作させるための命令を含むことができる。別のステップ４１４は、付属物の位置を検出することを含む。より具体的には、ステップ４１４は、旋回軸（例えば、図１に示す接合部１２８、１３０、１３２を参照のこと）に対する付属物の垂直方向および水平方向の位置を検出することを含む。ステップ４１４は、センサ（例えば、図３〜４に示すＰＭＤ３６４、３６６を参照のこと）によって供給されるデータに基づいて位置を推定することをさらに含む。

さらに別のステップ４１６は、位置の推定値に基づいて、ポテンシャルエネルギーの増加（またはそのようなものがないこと）を推定することを含む。他の実施形態では、ステップはさらに、またはそれに代えて、付属物を繰り返しパターンで動作させることで発生するエネルギーの計算に基づいて、ポテンシャルエネルギーの増加を推定することを含む。推定値から、エネルギーが回収可能であると分かった場合、さらなるステップの第１のシーケンス４２０を実行することができる。しかし、推定値から、エネルギーが回収できないと分かった場合、さらなるステップの第２のシーケンス４１８を実行することができる。他の実施形態では、推定値から、回収可能なエネルギーが所定のしきい値を超えると分かった場合、さらなるステップの第１のシーケンス４２０を実行する。しきい値は、双方向弁を反転させることに伴うエネルギーコスト、または他のコスト（例えば、油圧流体の運動量、摩擦など）に対応させることができる。

推定ステップで求めた回収可能なエネルギーの推定値が正の場合、システムの制御回路はいくつかの命令を出すことができ、その結果、さらなるステップの第１のシーケンス４２０が実行される。１つのステップ４２２は、アクチュエータから油圧流体を受け取るようにエネルギー管理システムの双方向弁を動作させることを含む。別のステップ４２４は、双方向弁に接続された油圧式回転機械を油圧モータとして動作させることを含む。したがって、ステップ４２４は、油圧流体を受け取り、油圧流体のエネルギーを油圧式回転機械のシャフトの回転に変換することをさらに含む。さらに別のステップ４２６は、電気式回転機械を発電機として動作させることを含む。したがって、ステップ４２６は、油圧式回転機械から回転機械エネルギーを受け取り、その回転機械エネルギーを電気に変換することをさらに含む。さらに別のステップ４２８は、電気を貯蔵または使用することを含むことができる。

推定ステップで求めた回収可能なエネルギーの推定値が負の場合、システムの制御回路はいくつかの命令を出すことができ、その結果、さらなるステップの第２のシーケンス４１８が実行される。１つのステップ４３０は、油圧流体をアクチュエータに供給するようにエネルギー管理システムの双方向弁を動作させることを含む。別のステップ４３２は、電気式回転機械を電気モータとして動作させることを含み、電気は、モータの回転するシャフトの形態の回転機械エネルギーに変換される。さらに別のステップ４３４は、油圧式回転機械を油圧ポンプとして動作させ、油圧流体の流れにエネルギーを付加する（例えば、流体を加圧する）ことを含む。さらに別のステップ４３６は、油圧流体を使用して作業用具を駆動することを含む。

図６〜８を参照して、本明細書に開示したエネルギー管理システムは、一般的には、広範な油圧駆動式装置に対応する。この装置は、周期的な作業（例えば、昇降）を行うように構成された作業用具または他の構成要素を動作させるための油圧アクチュエータ（例えば、リニア油圧シリンダ）を含む。図６を参照して、掘削機５１０の関節式アーム５１２およびバケット５１４の移動を利用して電力を回生するために、エネルギー管理システム５１６を使用することができる。関節式アーム５１２は、バケット５１４を掘削機５１０の本体５１８に向かって引き寄せ、アーム５１２のセグメント５２０およびバケット５１４を周期的に持ち上げる。アーム５１２に蓄えられたポテンシャルエネルギーを推定するためのデータを供給するために、センサ５２２、５２４を関節式アーム５１２に配置する、あるいは連結することができる。掘削機５１０に取り付けられたプロセッサ５２６が、ポテンシャルエネルギーがしきい値を超えると推定した場合、プロセッサ５２６は、エネルギーを生成するために、掘削機５１０の内部の双方向弁５２８を反転させて、油圧流体が油圧式回転機械５３０および電気式回転機械５３２を駆動することができるようにする。図７〜８を参照して、建設機械６１０用のバックホー６１２またはローダバケット６１４のいずれかの移動を利用して電力を回生するために、本明細書で説明したエネルギー管理システムを使用することができる。また、本明細書で説明したエネルギー管理システムは、並列の関節式アーム７１４およびアクチュエータ７１６で動作するスキッドローダ７１０のショベル７１２と共に使用することができる。さらに様々な他の例示的実施形態によれば、本明細書で説明したエネルギー管理システムは、アクチュエータによって持ち上げられるアームを有し、端部にバスケットまたはフックの付いたクレーンと共に使用することができる。本明細書で説明したエネルギー管理システムは、掘削リグにブームでドリルを支持させて使用することができる。さらに、本明細書で説明したエネルギー管理システムは、油圧式の昇降台またはエレベータで使用することができる。

様々な例示的な実施形態で示したエネルギー管理システムおよび装置の構造および構成は単なる例示である。少数の実施形態のみが本開示で詳細に説明されたが、本明細書で説明した対象の新規の教示および利点から実質的に逸脱することなく、多数の修正が可能である（例えば、様々な大きさ、寸法、構造、形状、および比率、パラメータ値、取付構成、材料の使用法、色、向きなど）。例えば、一部の実施形態では、装置の回転運動量を電気エネルギーに回生することができる。別の例では、空気圧アクチュエータおよびポンプを本明細書で説明した油圧アクチュエータおよびポンプに代えて使用することができる。一体に形成されるとして示した一部の要素を複数の部品または要素から構築することができ、要素の位置を逆にする、あるいは変えることができ、分離した要素の種類もしくは数量、または位置を変更する、または変えることができる。任意のプロセス、論理アルゴリズム、または方法ステップの順序または一連の並びを代替実施形態に従って変える、または並べ直すことができる。様々な例示的実施形態の設計、動作条件、および構成に関して、本出願の範囲から逸脱することなく、他のものへの置換え、修正、変更、および省略を行うこともできる。

Claims (17)

1. エネルギー管理システムを有する装置であって、油圧アクチュエータを有し、油圧アクチュエータによって動作する関節式アームと、関節式アームに連結された作業用具と、第１の構成と第２の構成との間で調整可能なエネルギー管理システムと、を含み、
   前記エネルギー管理システムは、油圧式回転機械と、油圧式回転機械に連結された電気式回転機械と、を含み、
   第１の構成において、油圧式回転機械および電気式回転機械は、油圧ポンプを駆動する電気モータとして機能し、
   第２の構成において、油圧式回転機械および電気式回転機械は、発電機を駆動する油圧モータとして機能し、
   前記エネルギー管理システムが前記第１の構成にある場合に、油圧流体を供給して前記油圧アクチュエータを駆動するように構成された油圧回路をさらに含み、前記エネルギー管理システムが前記第２の構成にある場合に、前記油圧回路は、前記油圧アクチュエータから油圧流体を回収し、電力を生成し、
   前記油圧回路は、前記エネルギー管理システムが前記第１の構成にある場合に、油圧流体を油圧式回転機械から前記油圧アクチュエータに送り、前記エネルギー管理システムが前記第２の構成にある場合に、油圧流体を油圧アクチュエータから油圧式回転機械に送るように構成されたカートリッジ弁システムを含み、
   関節式アームおよび作業用具に蓄えられたポテンシャルエネルギーの量を推定するように構成された制御回路をさらに含み、制御回路は、推定値がしきい値を超え、作業用具が下降しつつある場合に、カートリッジ弁システムを通じて油圧流体の方向を変えるように構成されることを特徴とする装置。
2. 油圧アクチュエータに連結された位置測定装置をさらに含み、制御回路は、位置測定装置からのデータを使用して、ポテンシャルエネルギーの量を推定するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 位置測定装置には、直線位置測定装置が含まれる、請求項２に記載の装置。
4. 関節式アームの接合部に連結された角度位置測定装置をさらに含み、制御回路は、角度位置測定装置からのデータを使用して、ポテンシャルエネルギーの量を推定するように構成される、請求項１に記載の装置。
5. 角度位置測定装置は、エンコーダ、またはリゾルバの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の装置。
6. エネルギー管理システムを有する装置であって、
   １つまたは複数の油圧アクチュエータによって駆動される関節式アームと、
   関節式アームに連結されたセンサシステムと、
   センサシステムに連結されたコントローラであって、センサシステムからのデータが、装置に蓄えられたポテンシャルエネルギーの推定値を導出するために使用される、コントローラと、双方向弁と、を含み、前記コントローラは、推定値がしきい値を超え、関節式アームが下降しつつある場合に、弁を通じて油圧流体の方向を変えるように構成され、
   装置は、油圧式回転機械に連結された電気式回転機械をさらに含み、電気式回転機械および油圧式回転機械は、双方向弁によって付与される油圧流体の方向に応じて、油圧流体にエネルギーを付加し、油圧流体からエネルギーを取り出して電気を生成するように構成され、
   前記エネルギー管理システムにおいて、油圧式回転機械および電気式回転機械は、油圧ポンプを駆動する電気モータとして機能する第１の構成の場合に、油圧流体を供給して前記油圧アクチュエータを駆動するように構成された油圧回路をさらに含み、
   前記エネルギー管理システムにおいて、油圧式回転機械および電気式回転機械は、発電機を駆動する油圧モータとして機能する第２の構成の場合に、前記油圧回路は、前記油圧アクチュエータから油圧流体を回収し、電力を生成し、
   前記油圧回路は、前記エネルギー管理システムが前記第１の構成にある場合に、油圧流体を油圧式回転機械から前記油圧アクチュエータに送り、前記エネルギー管理システムが前記第２の構成にある場合に、油圧流体を油圧アクチュエータから油圧式回転機械に送るように構成されたカートリッジ弁システムを含むことを特徴とする装置。
7. センサシステムは、関節式アームを動作させるのに使用される油圧アクチュエータの構成を検出するように構成された直線位置測定装置を含む、請求項６に記載の装置。
8. センサシステムは、関節式アームの接合部の構成を検出するように構成された角度位置測定装置を含む、請求項６に記載の装置。
9. 角度位置測定装置は、エンコーダ、またはリゾルバの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の装置。
10. 双方向弁はカートリッジ弁システムである、請求項６に記載の装置。
11. エネルギー管理システムを有する装置であって、
    １つまたは複数の油圧アクチュエータによって駆動される関節式アームと、
    関節式アームの位置を検出するように構成されたセンサシステムと、
    センサシステムに連結されたコントローラと、
    双方向弁システムと、
    を含み、コントローラは、センサシステムが第１の位置にある関節式アームを検出した場合に、弁システムを通じて油圧流体の流れの方向を反転させるように構成され、
    装置は、油圧式回転機械をさらに含み、油圧式回転機械が第１の方向に回転することで、油圧流体にエネルギーが付加され、油圧式回転機械が第２の方向に回転することで、油圧流体からエネルギーが取り出され、双方向弁システムは、油圧式回転機械に出入りする油圧流体の流れを制御するように構成され、
    前記エネルギー管理システムにおいて、油圧式回転機械および電気式回転機械は、油圧ポンプを駆動する電気モータとして機能する第１の構成の場合に、油圧流体を供給して前記油圧アクチュエータを駆動するように構成された油圧回路をさらに含み、
    前記エネルギー管理システムにおいて、油圧式回転機械および電気式回転機械は、発電機を駆動する油圧モータとして機能する第２の構成の場合に、前記油圧回路は、前記油圧アクチュエータから油圧流体を回収し、電力を生成し、
    前記油圧回路は、前記エネルギー管理システムが前記第１の構成にある場合に、油圧流体を油圧式回転機械から前記油圧アクチュエータに送り、前記エネルギー管理システムが前記第２の構成にある場合に、油圧流体を油圧アクチュエータから油圧式回転機械に送るように構成されたカートリッジ弁システムを含むことを特徴とする装置。
12. 油圧式回転機械に連結され、油圧式回転機械を駆動するように構成された電気式回転機械をさらに含み、電気式回転機械によって油圧式回転機械を回転させることで電気が消費され、油圧式回転機械によって電気式回転機械を回転させることで電気が生成される、請求項１１に記載の装置。
13. 発電機および燃焼機関をさらに含み、燃焼機関は発電機を駆動するように構成され、発電機は電気式回転機械に電気を供給するように構成される、請求項１２に記載の装置。
14. 電気エネルギー貯蔵装置をさらに含み、電気エネルギー貯蔵装置は、電気式回転機械によって生成された電気エネルギーを貯蔵するように構成される、請求項１３に記載の装置。
15. 電気エネルギー貯蔵装置は、コンデンサおよびバッテリの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の装置。
16. 電気式回転機械に連結されたトルクフィードバックシステムをさらに含む、請求項１４に記載の装置。
17. トルクフィードバックシステムからのデータ、およびセンサシステムからのデータは、関節式アームに蓄えられたポテンシャルエネルギーの推定値を導出するためにコントローラによって使用され、推定値は、双方向弁システムを反転させるかどうかを判断する場合にコントローラによって使用される、請求項１６に記載の装置。

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