JP5930890B2

JP5930890B2 - 電力変換装置及び電力変換装置を搭載したショベル

Info

Publication number: JP5930890B2
Application number: JP2012154182A
Authority: JP
Inventors: 聡哲吉田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: JP2014017984A

Description

本発明は、スイッチング素子を含む電力変換装置、及び電力変換装置を搭載したショベルに関する。

近年、建設作業機械等の動力発生機械に、地球環境に配慮した省燃費、低公害、低騒音等の性能が求められている。これらの要請を満たすために、油圧ポンプに代えて、または油圧ポンプの補助として電動発電機を利用したショベル等の作業機械が登場している。電動発電機を組み込んだ作業機械においては、電動発電機から発生する余剰の運動エネルギが電気エネルギに変換され、キャパシタ等の蓄電装置に蓄積される。キャパシタには、例えば電気二重層キャパシタが用いられる。

蓄電装置から出力される直流電力を、インバータで交流電力に変換し、電動発電機を駆動する。逆に、電動発電機が発生した電力により、蓄電装置が充電される。

特開２０１１−１３０６５３号公報

電動機を駆動するときに、インバータ回路内のスイッチのオンオフが繰り返される。ショベルの旋回体を電動機で旋回させる時には、インバータと電動機との間で大電流が流れるため、スイッチのオンオフに伴って発生する電磁ノイズが大きくなる。電磁ノイズは、通気孔や配線を通って、筐体の外部に放射される。ショベル等の建設作業機械には、画像処理装置、監視装置、通信装置等の種々の電子機器が搭載されている。インバータ及び電源ケーブルから発生する電磁ノイズにより、これらの電子機器の動作が不安定になる場合がある。さらに、ショベルの周囲の無線機器にノイズが混入してしまう。
また、インバータ回路を継続的に使用すると、インバータ回路を収容する筐体内の温度が上昇する。温度上昇によって筐体内の圧力が増加すると、筐体内の水蒸気圧が飽和水蒸気圧を超え、結露が発生する場合がある。
本発明の目的は、インバータ回路から発生するノイズの影響を軽減することができ、かつ結露の発生を抑制することができる電力変換装置、及びそれを搭載したショベルを提供することである。

本発明の一観点によると、
電流のオンオフ制御を行うスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を収容し、壁面に通気孔が設けられた筐体と、
前記通気孔に取り付けられ、前記筐体内のガスを外部に放出するベントフィルタと、
前記通気孔を塞ぐように配置され、前記ベントフィルタを覆い、電磁ノイズを遮断するが、ガスの流通は許容するノイズ遮断部材と
を有する電力変換装置が提供される。

ベントフィルタを通して、筐体内のガスが外部に放出されるため、結露の発生を防止することができる。また、ノイズ遮断部材が、通気孔を通した電磁ノイズの、外部への漏洩
を防止する。

図１は、実施例によるショベルの平面図である。図２は、実施例によるショベルの側面図である。図３は、実施例によるショベルのブロック図である。図４は、実施例によるショベルに搭載される電力変換装置の断面図である。図５は、実施例の変形例による電力変換装置の断面図である。図６は、実施例によるショベルに搭載されている蓄電回路のブロック図である。

図１に、実施例によるハイブリッド型ショベルの概略平面図を示す。上部旋回体７０に、旋回軸受け７３を介して、下部走行体（走行装置）７１が取り付けられている。上部旋回体７０に、エンジン７４、メインポンプ７５、旋回用電動機７６、油タンク７７、冷却ファン７８、運転台７９、蓄電回路８０、電動発電機８３、及び電力変換装置（インバータ）８４、８５が搭載されている。エンジン７４、メインポンプ７５、及び電動発電機８３が、トルク伝達機構８１を介して相互にトルクの送受を行う。メインポンプ７５は、ブーム８２等の油圧シリンダに圧油を供給する。

図２に、実施例１によるハイブリッド型ショベルの側面図を示す。下部走行体７１に、旋回軸受け７３を介して上部旋回体７０が搭載されている。旋回用電動機７６（図１）が、その駆動対象である上部旋回体７０を、下部走行体７１に対して、時計回り、または反時計周りに旋回させる。上部旋回体７０に、ブーム８２が取り付けられている。ブーム８２は、油圧駆動されるブームシリンダ８９により、上部旋回体７０に対して上下方向に揺動する。ブーム８２の先端に、アーム８７が取り付けられている。アーム８７は、油圧駆動されるアームシリンダ９０により、ブーム８２に対して前後方向に揺動する。アーム８７の先端にバケット８８が取り付けられている。バケット８８は、油圧駆動されるバケットシリンダ９１により、アーム８７に対して揺動する。

蓄電回路８０、及びインバータ８４、８５が、上部旋回体７０に搭載されている。さらに、上部旋回体７０に通信装置８６が搭載されている。通信装置８６は、ショベルに搭載されている種々のセンサで検出された情報を、管理センタに送信する。また、管理センタからの種々の信号を受信する。運転台７９には、通信装置としてラジオ受信機が備えられており、操作者はラジオ受信機で受信した信号を、音声で聴取することができる。

油タンク７７は、油圧回路の油を貯蔵する。冷却ファン７８は、油圧回路の油温の上昇を抑制する。操作者は、運転台７９に着座して、ハイブリッド型ショベルを操作する。

図３に、実施例によるハイブリッド型ショベルのブロック図を示す。図３において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気制御系を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。

エンジン７４の駆動軸がトルク伝達機構８１の入力軸に連結されている。エンジン７４には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン７４は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。

電動発電機８３の駆動軸が、トルク伝達機構８１の他の入力軸に連結されている。電動発電機８３は、電動（アシスト）運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機８３には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型（ＩＰ
Ｍ）モータが用いられる。

トルク伝達機構８１は、２つの入力軸と１つの出力軸とを有する。この出力軸には、メインポンプ７５の駆動軸が連結されている。

エンジン７４に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機８３がアシスト運転を行い、電動発電機８３の駆動力がトルク伝達機構８１を介してメインポンプ７５に伝達される。これにより、エンジン７４に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン７４に加わる負荷が小さい場合には、エンジン７４の駆動力がトルク伝達機構８１を介して電動発電機８３に伝達されることにより、電動発電機８３が発電運転される。

制御装置１３０が、中央処理装置（ＣＰＵ）１３０Ａ及び内部メモリ１３０Ｂを含む。ＣＰＵ１３０Ａは、内部メモリ１３０Ｂに格納されている駆動制御用プログラムを実行する。制御装置１３０は、表示装置１３５に、各種装置の劣化状態等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。さらに、制御装置１３０は、通信装置８６を制御することにより、管理センタ等と通信を行う。

メインポンプ７５は、高圧油圧ライン１１６を介して、コントロールバルブ１１７に油圧を供給する。コントロールバルブ１１７は、運転者からの指令により、油圧モータ１０１Ａ、１０１Ｂ、ブームシリンダ８９、アームシリンダ９０、及びバケットシリンダ９１に油圧を分配する。油圧モータ１０１Ａ及び１０１Ｂは、それぞれ図１、図２に示した下部走行体７１に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

三相交流配線６０が、インバータ８４と電動発電機８３とを接続する。直流配線（バスライン）６１が、インバータ８４と蓄電回路８０とを接続する。三相交流配線６２が、旋回用電動機７６とインバータ８５とを接続する。直流配線（バスライン）６３が、インバータ８５と蓄電回路８０とを接続する。三相交流配線６０、６２、及び直流配線６１、６３が、それぞれ配線部電磁シールド５０、５２、５１、５３で被覆されている。インバータ８４、８５、及び蓄電回路８０は、制御装置１３０により制御される。

インバータ８４は、制御装置１３０からの指令に基づき、電動発電機８３の運転制御を行う。電動発電機８３のアシスト運転と発電運転との切り替えが、インバータ８４により行われる。

電動発電機８３がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路８０からインバータ８４を通して電動発電機８３に供給される。電動発電機８３が発電運転されている期間は、電動発電機８３によって発電された電力が、インバータ８４を通して蓄電回路８０に供給される。

旋回用電動機７６は、インバータ８５によって交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回用電動機７６には、例えばＩＰＭモータが用いられる。旋回用電動機７６の力行動作中は、蓄電回路８０からインバータ８５を介して旋回用電動機７６に電力が供給される。旋回用電動機７６が、減速機１２４を介して、上部旋回体７０（図１、図２）を旋回させる。回生運転時には、上部旋回体７０の回転運動が、減速機１２４を介して旋回用電動機７６に伝達されることにより、旋回用電動機７６が回生電力を発生する。発生した回生電力は、インバータ８５を介して蓄電回路８０に供給される。これにより、蓄電回路８０内の蓄電装置が充電される。

レゾルバ１２２が、旋回用電動機７６の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、制御装置１３０に入力される。旋回用電動機７６の運転前と運転後における回転軸の
回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。

メカニカルブレーキ１２３が、旋回用電動機７６の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ１２３の制動状態と解除状態とは、制御装置１３０からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

パイロットポンプ１１５が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン１２５を介して操作装置１２６に供給される。操作装置１２６は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置１２６は、パイロットライン１２５から供給される１次側の油圧を、運転者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ライン１２７を介してコントロールバルブ１１７に伝達されると共に、他の油圧ライン１２８を介して圧力センサ１２９に伝達される。

圧力センサ１２９で検出された圧力の検出結果が、制御装置１３０に入力される。これにより、制御装置１３０は、下部走行体７１、旋回用電動モータ７６、ブーム８２、アーム８７、及びバケット８８（図２）の操作の状況を検知することができる。

図４に、実施例による電力変換装置８４の断面図を示す。筐体本体１１Ａの開口部が蓋１１Ｂで塞がれている。筐体１１Ａと蓋１１Ｂとで、内部に閉じた空間を画定する筐体１１が構成される。筐体本体１１Ａ及び蓋１１Ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の導電材料で形成されている。筐体１１内に、インバータ素子１４が収容されている。インバータ素子１４は、電流のオンオフ制御を行うスイッチング素子を含む。筐体本体１１Ａの底面に冷却プレート１２が固定されている。インバータ素子１４は、冷却プレート１２に固定される。冷却プレート１２内に流路１３が形成されている。流路１３に冷却媒体を流通させることにより、インバータ素子１４を冷却することができる。

コネクタ２０が、プラグ（接詮）２２とレセプタクル（接栓座）２１とを含む。レセプタクル２１は筐体１１に固定されている。プラグ２２は、配線６０の端部に取り付けられている。配線６０の芯線６５が、絶縁被膜６６で被覆されている。配線部電磁シールド５０が配線６０を被覆している。配線部電磁シールド５０は、金属膜（金属箔）５０Ａと、磁性材料を含有する配線部塗膜５０Ｂとの２層を含む。

プラグ２２は金属ケースを含む。金属ケースは、例えば分離可能な２つの部分で構成される。２つの部分で配線６０の端部を挟むことにより、配線６０の端部がプラグ２２に固定される。実施例においては、プラグ２２を構成する金属ケースが、配線部電磁シールド５０の金属膜５０Ａ及び配線６０を挟んでいる。これにより、金属膜５０Ａがプラグ２２の金属ケースに電気的に接続される。

レセプタクル２１は、絶縁性のケースと、中心導体２５とを含む。配線６０の芯線６５が、レセプタクル２１の中心導体２５に接続される。中心導体２５は、バスバー２６により、インバータ素子１４に接続される。

筐体部電磁シールド５５が筐体１１を覆う。さらに、コネクタ部電磁シールド５６が、コネクタ２０のプラグ２２の外側の表面を覆う。筐体部電磁シールド５５及びコネクタ部電磁シールド５６には、それぞれ筐体部塗膜及びコネクタ部塗膜が用いられる。筐体部塗膜及びコネクタ部塗膜は磁性材料を含む。

プラグ２２の金属ケース、及びレセプタクル２１の絶縁性のケースが、ボルトとナットからなる締結具２７により、筐体１１に固定される。プラグ２２の金属ケースは、レセプタクル２１の絶縁性のケースよりも外側において、筐体１１の外側の表面に接触する。こ
れにより、プラグ２２の金属ケースが筐体１１に電気的に接続される。

筐体１１は、上部旋回体７０、旋回軸受け７３、及び下部走行体７１（図２）を介して接地されている。具体的には、筐体１１は、ショベルの機体に電気的に接続されており、機体を介して接地される。配線部電磁シールド５０の金属膜５０Ａが、プラグ２２の金属ケースを介して筐体１１に電気的に接続されているため、配線部電磁シールド５０にも接地電位が与えられる。このため、配線６０の芯線６５を流れる電流により発生する電磁ノイズの放射を抑制することができる。なお、導電性の筐体１１及びプラグ２２の金属ケースも、電磁シールドとして作用する。これにより、通信装置（例えばラジオ受信機）や、運転台７９に備えられた画像表示装置等が受ける電磁ノイズの影響を低減することができる。

筐体１１の壁面、例えば蓋１１Ｂに、通気孔１５が形成されている。この通気孔１５にベントフィルタ１６が取り付けられている。ベントフィルタ１６は、筐体１１内の気圧が外部の気圧より高くなると、筐体１１内のガスを外部に放出する。筐体１１の外部から筐体１１の内部へのガスの流入は、禁止する。

筐体１１の内側の表面に、通気孔１５を塞ぐように、ノイズ遮断部材１７が配置されている。ノイズ遮断部材１７は、筐体１１内で発生した電磁ノイズを遮断するが、ガスの流通は許容する。ノイズ遮断部材１７には、例えばエキスパンドメタル、または軟磁性材料からなるシールド布等が用いられる。ベントフィルタ１６は、例えば主として樹脂で形成される。このため、ベントフィルタ１６は、電磁ノイズを遮断する機能を有さない。実施例においては、ノイズ遮断部材１７が配置されているため、インバータ素子１４で発生した電磁ノイズが、通気孔１５を通って筐体１１の外部に放射されることを抑制することができる。ノイズ遮断部材１７は、ガスの流通を許容するため、ベントフィルタ１６を介したガスの放出を阻害することがない。このため、筐体１１内における結露の発生を防止することができる。

ノイズ遮断部材１７の網目寸法は、遮断すべき電磁ノイズの周波数により選定される。網目の寸法が大きすぎると、高周波の電磁ノイズを遮断しにくくなる。網目の寸法が小さすぎると、ガスの十分な流通を確保することが困難になる。これらを考慮して、ノイズ遮断部材１７の網目の寸法を決定することが好ましい。

図４では、ノイズ遮断部材１７を筐体１１の内側の表面に取り付けたが、図５に示すように、筐体１１の外側の表面にノイズ遮断部材１７を取り付けてもよい。

図６に、蓄電回路８０（図３）のブロック図を示す。蓄電回路８０は、蓄電装置２３及び昇降圧コンバータ２４を含む。昇降圧コンバータ２４は、バスライン６１を介してインバータ８４及び８５に接続されている。バスライン６１は、平滑キャパシタ等を含む。昇降圧コンバータ２４は制御装置１３０により制御され、蓄電装置２３の充放電の制御を行う。放電時には、蓄電装置２３の端子間電圧を昇圧して、蓄電装置２３からバスライン６１に電力を供給する。充電時には、バスライン６１に蓄積されている電力を蓄電装置２３に供給する。昇降圧コンバータ２４は、直流電力を、電圧の異なる直流電力に変換する電力変換装置として機能する。温度センサ２８が蓄電装置２３の温度を測定する。測定結果が制御装置１３０に入力される。

昇降圧コンバータ２４は、図４または図５に示したインバータ８４のインバータ素子１４を昇降圧コンバータ回路に置き換えた構造と同一の構造を有する。昇降圧コンバータ回路は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオード、リアクトル等で構成される。昇降圧コンバータ２４を、図４または図５に示したインバータ８４と同
様の構造とすることにより、昇降圧コンバータ２４からの電磁ノイズの放射を抑制し、かつ結露の発生を防止することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１１筐体
１１Ａ筐体本体
１１Ｂ蓋
１２冷却プレート
１３流路
１４インバータ素子
１５通気孔
１６ベントフィルタ
１７ノイズ遮断部材
２０コネクタ
２１レセプタクル（接栓座）
２２プラグ（接栓）
２３蓄電装置
２４昇降圧コンバータ
２５中心導体
２７締結具
２８温度センサ
５０、５１、５２、５３配線部電磁シールド
５０Ａ金属膜
５０Ｂ配線部塗膜
５５筐体部電磁シールド
６０三相交流配線
６１直流配線（バスライン）
６２三相交流配線
６３直流配線
６５芯線
６６絶縁被膜
７０上部旋回体
７１下部走行体
７３旋回軸受け
７４エンジン
７５メインポンプ
７６旋回用電動機
７７油タンク
７８冷却ファン
７９運転台
８０蓄電回路
８１トルク伝達機構
８２ブーム
８３電動発電機
８４、８５電力変換装置（インバータ）
８６通信装置
８７アーム
８８バケット
８９ブームシリンダ
９０アームシリンダ
９１バケットシリンダ
１０１Ａ、１０１Ｂ油圧モータ
１１５パイロットポンプ
１１６高圧油圧ライン
１１７コントロールバルブ
１２２レゾルバ
１２３メカニカルブレーキ
１２４減速機
１２５パイロットライン
１２６操作装置
１２７油圧ライン
１２８、１２９圧力センサ
１３０制御装置
１３０Ａ中央処理装置
１３０Ｂ内部メモリ
１３５表示装置

Claims

電流のオンオフ制御を行うスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を収容し、壁面に通気孔が設けられた筐体と、
前記通気孔に取り付けられ、前記筐体内のガスを外部に放出するベントフィルタと、
前記通気孔を塞ぐように配置され、前記ベントフィルタを覆い、電磁ノイズを遮断するが、ガスの流通は許容するノイズ遮断部材と
を有する電力変換装置。
前記ノイズ遮断部材は、前記筐体の内側または外側の表面に取り付けられて前記ベントフィルタを覆っている請求項１に記載の電力変換装置。
前記ベントフィルタの一部分は、前記筐体の内側または外側の表面から突出しており、前記ノイズ遮断部材は、前記ベントフィルタの突出した部分を覆っている請求項１または２に記載の電力変換装置。
さらに、
レセプタクルとプラグとを含むコネクタであって、前記レセプタクルが前記筐体に固定され、前記プラグが配線の端部に取付けられ、前記プラグは、前記配線を被覆する金属膜に電気的に接続された金属部分を含むコネクタと
を有し、
前記プラグの金属部分は前記筐体に電気的に接続される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
下部走行体と、
前記下部走行体に取り付けられた旋回軸受けと、
前記旋回軸受けにより、前記下部走行体に対して旋回可能に支持された上部旋回体と、
前記上部旋回体に配置された運転台と、
前記上部旋回体に搭載された電動機と、
前記電動機の運転制御を行うインバータと、
前記インバータを収容し、壁面に通気孔が設けられた筐体と、
前記通気孔に取り付けられ、前記筐体内のガスを外部に放出するベントフィルタと、
前記通気孔を塞ぐように配置され、前記ベントフィルタを覆い、電磁ノイズを遮断するが、ガスの流通は許容するノイズ遮断部材と
前記インバータと前記電動機とを接続する配線と、
を有するショベル。