JP5944631B2

JP5944631B2 - ショベル

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Publication number: JP5944631B2
Application number: JP2011160166A
Authority: JP
Inventors: 祐太杉山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: JP2013027170A

Description

本発明は、エンジンにより発電機として駆動される電動発電機を備えたショベルに関する。

従来、機械式駆動部としてのエンジンと、エンジンの回転をアシストするアシスト駆動部としての電動発電機とを備えたハイブリッド式ショベルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このハイブリッド式ショベルは、エンジンの始動時にエンジンによって回転駆動される電動発電機（ＩＰＭモータ）が発生させる誘起電圧と、所定の基準誘起電圧とを比較し、その誘起電圧が基準誘起電圧より小さい場合に、電動発電機の回転子に埋め込まれた永久磁石に減磁が生じていることを検出する。

なお、ＩＰＭモータは、コイルが設けられた固定子の内側に、永久磁石が埋め込まれた回転子を有し、固定子のコイルに電流を流して発生させた磁界と永久磁石で形成される磁界との相互作用により回転子を回転させる。したがって、回転子の回転力、すなわちＩＰＭモータの出力は、回転子に埋め込まれた永久磁石が形成する磁界の強さに比例する。ＩＰＭモータの回転子に埋め込まれた永久磁石は強力な磁石であるが、高温になると磁力が減少(減磁)する傾向があり、また、経年変化によって徐々に磁力が減少する傾向がある。回転子に埋め込まれた永久磁石の磁力が減少すると、ＩＰＭモータの出力が低下する。そのため、永久磁石の減磁を含め、永久磁石の異常を早期に検出することが重要である。

国際公開第１０／０９５６３９号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載の電動発電機の減磁検出は、電動発電機が発電機として機能したときに発生させる誘起電圧であり、エンジン及び電動発電機の回転数が安定した後で安定的に検出される誘起電圧に基づいて行われる必要がある。そのため、減磁検出を実行する時期がショベル非作動時に限定され、また、減磁検出のためだけの特別な時間が必要とされる。

上述の点に鑑み、本発明は、電動発電機の異常をより柔軟に検出可能なショベルを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、エンジンにより発電機として駆動される電動発電機を備えるショベルであって、電動機として機能する前記電動発電機の入力を表す入力物理量を取得する入力物理量取得部と、前記入力物理量取得部が取得する入力物理量に対応する、電動機として機能する前記電動発電機の出力を表す出力物理量を取得する出力物理量取得部と、出力物理量に対する入力物理量の割合に基づいて前記電動発電機の異常を検出する電動発電機異常検出部と、を備えることを特徴とする。

上述の手段により、本発明は、電動発電機の異常をより柔軟に検出可能なショベルを提供することを目的とする。

第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの側面図である。第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成例を示すブロック図である。第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの蓄電系の回路図である。第一実施例に係るハイブリッド式ショベルが実行する旋回用電動機異常検出処理の流れを示すフローチャートである。第五実施例に係るハイブリッド式ショベルが実行する旋回用電動機異常検出処理の流れを示すフローチャートである。判定値とレゾルバの電気角オフセットとの関係を示す図（その１）である。判定値とレゾルバの電気角オフセットとの関係を示す図（その２）である。第二実施例に係るハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。

図１は、本発明の第一実施例に係るハイブリッド式ショベルを示す側面図である。

ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端には、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、本発明の第１実施例に係るハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線（太線）、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線（細線）でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の二つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。また、電動発電機１２の回転軸には、回転数検出器の一例であるレゾルバ１２Ａが接続され、電動発電機１２の回転速度は、レゾルバ１２Ａにより検出される。なお、電動発電機１２は、ＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータ等の永久磁石モータで構成される。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ(右用)及び１Ｂ(左用)、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、並びにバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。なお、旋回用電動機２１は、ＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータ等の永久磁石モータで構成される。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、油圧アクチュエータのそれぞれの作動状態を検出する作動状態検出部として機能し、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

電力検出部Ｓ１は、インバータ１８と電動発電機１２との間でやり取りされる電力を検出する検出手段であり、電圧検出部Ｓ１１及び電流検出部Ｓ１２を含む。すなわち、電力検出部Ｓ１は、電動発電機１２がアシスト運転により消費する電力の値（電圧値及び電流値）、又は、電動発電機１２が発電運転により生成する電力の値（電圧値及び電流値）を検出する。

電力検出部Ｓ２は、インバータ２０と旋回用電動機２１との間でやり取りされる電力を検出する検出手段であり、電圧検出部Ｓ２１及び電流検出部Ｓ２２を含む。すなわち、電力検出部Ｓ２は、旋回用電動機２１が力行運転により消費する電力の値（電圧値及び電流値）、又は、旋回用電動機２１が回生運転により生成する電力の値（電圧値及び電流値）を検出する。

図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９、昇降圧コンバータ１００、第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０を含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３とが設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値及びキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８、インバータ２０、及び昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

ここで再び図２を参照してコントローラ３０の詳細について説明する。コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を旋回速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。この場合、圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６（旋回操作レバー）を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。具体的には、コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、キャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値、及びＤＣバス電流検出部１１４によって検出されるＤＣバス電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

旋回用電動機２１の回転速度は、回転数検出器の一例であるレゾルバ２２により検出される。コントローラ３０は、旋回用電動機２１の角速度ωに基づいて推定旋回回生電力(エネルギ)を演算で求める。そして、コントローラ３０は、演算で求めた推定旋回回生電力に基づいて、キャパシタ１９の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）の回生見込み目標値を演算により求める。コントローラ３０は、キャパシタ１９のＳＯＣを、求めた回生見込み目標値に近づけるようにハイブリッド式ショベルの各部を制御する。

図４は、蓄電系１２０の回路図である。昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための一対の電源接続端子１０４、インバータ１８、２０を接続するための一対の出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８、２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１８、２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値を検出する。キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値を検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。この平滑用のコンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持されている。キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９を流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。ＤＣ電流検出部１１４は、ＤＣバス１１０を流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。

昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ１９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図4では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

上述のような構成のハイブリッド式ショベルにおいて、キャパシタ１９のＳＯＣを常に高い状態に維持することで、キャパシタ１９からの電力で電気負荷をエネルギ効率の良い状態で駆動することができる。

次に、電動発電機１２の異常発生を検出するための検出原理について説明する。磁束の中を横断する導体に生じる電圧と導体の横断速度との関係で、ｅ＝Ｂ×ｌ×ｖの式が知られている。なお、ｅは電圧（Ｖ）を表し、Ｂは磁束（Ｗｂ／ｍ^２）を表し、ｌは導体長さ（ｍ）を表し、ｖは横断速度（ｍ／ｓ）を表す。

ここで、電動発電機１２に減磁が生じると、磁束Ｂが小さくなる。このため、電動発電機１２が一定の回転数で回転している場合、すなわち、一定の回転速度ｖで回転している場合には、減磁前と比べ、磁束Ｂの減少に比例して電圧ｅも小さくなる。

つまり、減磁前の電圧と回転速度の比（電圧／回転速度）を値「１」とすると、減磁後の電圧と回転速度の比（電圧／回転速度）は値「１」より小さい値になる。このように、電動発電機１２の異常判定は、回転速度（出力物理量）に対する電圧（入力物理量）の比の変化に基づいて行われる。

ここで、再び図２を参照しながらコントローラ３０の詳細を説明する。

コントローラ３０は、入力物理量取得部３００、出力物理量取得部３０１、及び電動発電機異異常検出部３０２を備え、上述の制御に加え、電動発電機１２の異常を検出する処理（以下、「電動発電機異常検出処理」とする。）を実行する。

入力物理量取得部３００は、電動発電機１２に対する入力を表す入力物理量を取得する機能要素である。入力物理量取得部３００は、例えば、下記の数式（１）で示すように、電力検出部Ｓ１が検出した、電動発電機１２に供給される入力電圧値［Ｖ］と入力電流値［Ａ］との乗算値を入力物理量［Ｗ］として取得する。

出力物理量取得部３０１は、入力物理量取得部３００が取得する入力物理量に対応する、電動発電機１２の出力を表す出力物理量を取得する機能要素である。出力物理量取得部３０１は、例えば、下記の数式（２）で示すように、電力検出部Ｓ１が検出した電動発電機１２に供給される入力電流値［Ａ］を所定の定格電流値［Ａ］で除した値をトルクモニタ値［％］として算出する。

そして、出力物理量取得部３０１は、下記の数式（３）で示すように、電動発電機１２の所定の定格トルク［Ｎ・ｍ］とトルクモニタ値［％］とを乗算して入力電流値［Ａ］のトルク換算値［Ｎ・ｍ］を算出する。

そして、出力物理量取得部３０１は、下記の数式（４）で示すように、レゾルバ１２Ａが検出した電動発電機１２の回転速度［ｒａｄ／ｓ］とトルク換算値［Ｎ・ｍ］との乗算値を出力物理量［Ｗ］として取得する。

電動発電機異常検出部３０２は、出力物理量に対する入力物理量の割合に基づいて電動発電機１２の異常を検出する機能要素である。電動発電機異常検出部３０２は、例えば、下記の数式（５）で示すように、出力物理量取得部３０１が取得した出力物理量［Ｗ］を入力物理量取得部３００が取得した入力物理量［Ｗ］で除した値を判定値として取得する。なお、判定値は、基本的には値「１」以下の値となり、判定値が値「１」に近いほど、すなわち、出力物理量の大きさが入力物理量の大きさに近いほど、電動発電機１２の動きは、理想的な状態に近い。

そして、電動発電機異常検出部３０２は、取得した判定値と所定の閾値とを比較し、判定値が閾値を下回る場合に、出力物理量の大きさが入力物理量の大きさにそぐわないとして、電動発電機１２の異常を検出する。この異常は、電動発電機１２における永久磁石の減磁、電動発電機１２の故障等に起因する。

電動発電機１２の異常を検出した場合、電動発電機異常検出部３０２は、キャビン１０内に設置されたディスプレイ、ＬＥＤインジケータ、ブザー、スピーカ等の出力装置（図示せず。）に対して制御信号を出力し、電動発電機１２の異常が検出されたことをハイブリッド式ショベルの操作者に伝えるようにする。

また、電動発電機異常検出部３０２は、取得した判定値を内部メモリに記憶し、判定値の推移を事後的に解析できるようにしてもよい。これにより、電動発電機異常検出部３０２は、判定値が閾値を下回った原因をより厳密に特定することができる。具体的には、電動発電機異常検出部３０２は、それまでの所定期間における判定値の平均減少率が所定値以上であれば（急激な減少であれば）、電動発電機１２の故障が原因であると判断し、所定値未満であれば（緩やかな減少であれば）、減磁が原因であると判断する。

また、第一実施例において、入力物理量［Ｗ］及び出力物理量［Ｗ］はともにその算出過程で入力電流値［Ａ］を用いているが、入力電流値［Ａ］を用いずに算出されてもよい。この場合、入力物理量及び出力物理量はともに、下記の数式（６）及び（７）で示すように、電圧値［Ｖ］として算出される。その結果、電動発電機異常検出部３０２は、より簡易に判定値を取得することが可能となる。

ここで、図５を参照しながら、コントローラ３０が電動発電機１２の異常を検出する処理（以下、「電動発電機異常検出処理」とする。）の流れについて説明する。なお、図５は、電動発電機異常検出処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの運転中、所定の制御周期で繰り返しこの電動発電機異常検出処理を実行する。

最初に、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、入力物理量取得部３００が取得した入力物理量と、出力物理量取得部３０１が取得した出力物理量とに基づいて判定値を取得する（ステップＳＴ１）。

その後、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、取得した判定値と所定の閾値とを比較し、判定値が閾値を下回るか否かを判定する（ステップＳＴ２）。

判定値が閾値を下回ると判定した場合（ステップＳＴ２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、電動発電機１２に異常があると判断し、出力装置に対して制御信号を出力してその旨をハイブリッド式ショベルの操作者に伝えるようにする（ステップＳＴ３）。

一方、判定値が閾値以上であると判定した場合（ステップＳＴ２のＮＯ）、コントローラ３０は、電動発電機１２が正常であると判断し、出力装置に対して制御信号を出力することなく今回の電動発電機異常検出処理を終了させる。

以上の構成により、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、電動発電機１２の動作不良や性能低下を招く電動発電機１２の異常を早期に検出することができる。

第二実施例に係るハイブリッド式ショベルは、入力物理量取得部３００が、キャパシタ電圧検出部１１２の出力と、キャパシタ電流検出部１１３の出力とに基づいて入力物理量を取得する点において第一実施例に係るハイブリッド式ショベルと異なるが、その他の点において共通する。

具体的には、入力物理量取得部３００は、例えば、下記の数式（８）で示すように、キャパシタ電圧検出部１１２が検出したキャパシタ電圧値［Ｖ］と、キャパシタ電流検出部１１３が検出したキャパシタ電流値［Ａ］との乗算値を入力物理量［Ｗ］として取得する。

出力物理量取得部３０１による出力物理量の取得方法、及び、電動発電機異常検出部３０２による判定値の取得方法は第一実施例と同様である。

なお、第二実施例において、コントローラ３０は、電動発電機異常検出処理を実行する前に、蓄電系１２０に接続された、電動発電機１２以外の電気負荷を停止させるようにする。第二実施例は、電動発電機１２のみが蓄電系１２０と電力のやり取りを行う状態を前提としているためである。

具体的には、コントローラ３０は、旋回用電動機２１の運転（力行運転及び回生運転）を停止させるようにする。また、リフティングマグネット等の電気負荷を搭載する場合、コントローラ３０は、それら電気負荷の運転も停止させるようにする。電動発電機１２のみが蓄電系１２０と電力のやり取りを行う状態（検出モード）を創出し、電動発電機異常検出部３０２が算出する判定値の信頼度を高めるためである。

なお、コントローラ３０は、電動発電機１２以外の電気負荷を積極的に停止させるのではなく、電動発電機１２以外の電気負荷が停止していることを確認した上で、電動発電機異常検出処理を実行するようにしてもよい。この場合、コントローラ３０は、電動発電機１２以外の電気負荷が動作している場合には、電動発電機異常検出処理の実行を中止する。

以上の構成により、第二実施例に係るハイブリッド式ショベルは、電動発電機１２の動作不良や性能低下を招く電動発電機１２の異常を早期に検出することができる。

第三実施例に係るハイブリッド式ショベルは、入力物理量取得部３００が、キャパシタ電圧検出部１１２の出力と、キャパシタ電流検出部１１３の出力と、インバータ２０と旋回用電動機２１の間でやり取りされる電力を検出する電力検出部Ｓ２の出力とに基づいて入力物理量を取得する点において第一及び第二実施例に係るハイブリッド式ショベルと異なる。

また、第三実施例に係るハイブリッド式ショベルは、旋回用電動機２１を停止させずに電動発電機異常検出処理を実行する点において第二実施例に係るハイブリッド式ショベルと異なる。

なお、その他の点においては、第一及び第二実施例に係るハイブリッド式ショベルと共通する。

具体的には、入力物理量取得部３００は、例えば、下記の数式（９）で示すように、キャパシタ電圧検出部１１２が検出したキャパシタ電圧値［Ｖ］と、キャパシタ電流検出部１１３が検出したキャパシタ電流値［Ａ］との乗算値であるキャパシタ出力［Ｗ］から、電力検出部Ｓ２における電圧検出部Ｓ２１及び電流検出部Ｓ２２のそれぞれが検出した旋回用電動機電圧値［Ｖ］と旋回用電動機電流値［Ａ］の乗算値である旋回用電動機出力［Ｗ］を差し引いた値を入力物理量［Ｗ］として取得する。なお、旋回用電動機出力［Ｗ］は、旋回用電動機２１が力行運転を行っている場合に正値となり、旋回用電動機２１が回生運転を行っている場合に負値となる。

なお、第三実施例に係るハイブリッド式ショベルがリフティングマグネットを搭載する場合、コントローラ３０は、蓄電系１２０とリフティングマグネットの間でやり取りされる電力を検出する電力検出部（図示せず。）の出力を追加的に考慮した上で、入力物理量［Ｗ］を取得する。具体的には、コントローラ３０は、キャパシタ出力［Ｗ］から旋回用電動機出力［Ｗ］及びリフティングマグネット出力［Ｗ］を差し引いた値を入力物理量［Ｗ］として取得する。リフティングマグネット以外の電気負荷が搭載される場合も同様である。

以上の構成により、第三実施例に係るハイブリッド式ショベルは、電動発電機１２の動作不良や性能低下を招く電動発電機１２の異常を早期に検出することができる。

第四実施例に係るハイブリッド式ショベルは、入力物理量取得部３００が、ＤＣバス電圧検出部１１１の出力と、ＤＣバス電流検出部１１４の出力とに基づいて入力物理量を取得する点において第一〜第三実施例に係るハイブリッド式ショベルと異なるが、その他の点において共通する。

具体的には、入力物理量取得部３００は、例えば、下記の数式（１０）で示すように、ＤＣバス電圧検出部１１１が検出したＤＣバス電圧値［Ｖ］と、ＤＣバス電流検出部１１４が検出したＤＣバス電流値［Ａ］との乗算値を入力物理量［Ｗ］として取得する。

以上の構成により、第四実施例に係るハイブリッド式ショベルは、電動発電機１２の動作不良や性能低下を招く電動発電機１２の異常を早期に検出することができる。

次に、図６〜図８を参照しながら、本発明の第五実施例に係るハイブリッド式ショベルで実行される電動発電機異常検出処理について説明する。

第五実施例に係るハイブリッド式ショベルは、判定値が所定の閾値を下回った原因をより厳密に特定できる点において第一〜第四実施例に係るハイブリッド式ショベルと異なるが、その他の点において共通する。なお、入力物理量取得部３００が入力物理量を取得する方法は、第一〜第四実施例のそれぞれで説明された方法のうちの何れの方法が採用されてもよい。

図６は、第五実施例に係るハイブリッド式ショベルが実行する電動発電機異常検出処理の流れを示すフローチャートである。

最初に、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、入力物理量取得部３００が取得した入力物理量と、出力物理量取得部３０１が取得した出力物理量とに基づいて判定値を算出する（ステップＳＴ１１）。

その後、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、算出した判定値と所定の閾値とを比較し、判定値が閾値を下回るか否かを判定する（ステップＳＴ１２）。

判定値が閾値以上であると判定した場合（ステップＳＴ１２のＮＯ）、コントローラ３０は、電動発電機１２が正常であると判断し、出力装置に対して制御信号を出力することなく今回の電動発電機異常検出処理を終了させる。

一方、判定値が閾値を下回ると判定した場合（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、レゾルバ１２Ａの原点値（ゼロ点を表す値）を変更する（ステップＳＴ１３）。

具体的には、コントローラ３０は、現在の原点値（以下、「基準原点値」とする。）から所定値を減じた値を新たな原点値として自動的に採用する。なお、コントローラ３０は、出力装置に対して制御信号を送信し、レゾルバ１２Ａの原点値の変更（低減）を促すメッセージを表示或いは音声出力して操作者にレゾルバ１２Ａの原点値を手動で変更（低減）させるようにしてもよい。

その後、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、入力物理量取得部３００が新たに取得した入力物理量と、出力物理量取得部３０１が新たに取得した出力物理量とに基づいて判定値を再度算出する（ステップＳＴ１４）。

その後、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、判定値の算出回数が設定値（例えば、初回の算出を含めて３回である。）に達したか否かを判定する（ステップＳＴ１５）。

判定値の算出回数が未だ設定値に達していない場合（ステップＳＴ１５のＮＯ）、コントローラ３０は、ステップＳＴ１３及びＳＴ１４の処理を再度実行する。

具体的には、コントローラ３０は、基準原点値に所定値を加えた値を新たな原点値として自動的に採用した上で、入力物理量取得部３００が新たに取得した入力物理量と、出力物理量取得部３０１が新たに取得した出力物理量とに基づいて判定値を再度算出する。ここでも、コントローラ３０は、出力装置に対して制御信号を送信し、レゾルバ１２Ａの原点値の変更（増大）を促すメッセージを表示或いは音声出力して操作者にレゾルバ１２Ａの原点値を手動で変更（増大）させるようにしてもよい。

判定値の算出回数が設定値に達した場合（ステップＳＴ１５のＹＥＳ）、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、これまでに算出した全ての判定値が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ１６）。

全ての判定値が所定の閾値未満であると判定した場合（ステップＳＴ１６のＹＥＳ）、コントローラ３０は、電動発電機１２に異常がある（例えば、電動発電機１２の故障、又は、電動発電機１２における永久磁石の減磁が生じている）と判断し、出力装置に対して制御信号を出力してその旨をハイブリッド式ショベルの操作者に伝えるようにする（ステップＳＴ１７）。

図７は、判定値とレゾルバ１２Ａの電気角オフセットとの関係を示す図であり、３回算出される判定値の全てが所定の閾値ＴＨ未満となる場合の関係を示す。電気角オフセット値Ｐ０は基準原点値であり、電気角オフセット値Ｐ１は１回目の変更が行われた後の原点値であり、電気角オフセット値Ｐ２は２回目の変更が行われた後の原点値である。なお、図中の実線で表される推移は、仮に全ての電気角オフセット値で判定値が算出された場合の判定値の推移を示す。

このように、コントローラ３０は、レゾルバ１２Ａの原点値を基準原点値の上下に順番に設定しながら、少なくとも二つの追加的な判定値（基準原点値における判定値を除く。）を算出する。そして、コントローラ３０は、３つ全ての判定値が閾値ＴＨを下回った場合に、その原因がレゾルバ１２Ａの位置ずれによるものではない、すなわち、その原因が電動発電機１２の故障、又は、電動発電機１２における永久磁石の減磁によるものであると判断する。

一方、判定値のうちの少なくとも一つが所定の閾値以上であると判定した場合（ステップＳＴ１６のＮＯ）、コントローラ３０は、レゾルバ１２Ａの位置ずれが生じていると判断し、出力装置に対して制御信号を出力してその旨をハイブリッド式ショベルの操作者に伝えるようにする（ステップＳＴ１８）。

図８は、図７と同様、判定値とレゾルバ１２Ａの電気角オフセットとの関係を示す図であり、３回算出される判定値のうちの一つが所定の閾値ＴＨ以上となる場合の関係を示す。

このように、コントローラ３０は、レゾルバ１２Ａの原点値を基準原点値の上下に順番に設定しながら、少なくとも二つの追加的な判定値（基準原点値における判定値を除く。）を算出する。そして、コントローラ３０は、３つの判定値のうちの少なくとも一つが閾値ＴＨ以上となった場合に、レゾルバ１２Ａの位置ずれが生じていると判断する。

この場合、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、３つの判定値のうちで最大となる判定値を算出したときの原点値（図８の電気角オフセット値Ｐ２）を新たな基準原点値として設定し、レゾルバ１２Ａの位置ずれを自動的に解消する。

なお、コントローラ３０は、１回目の原点値の変更後に算出した判定値が所定の閾値ＴＨ以上となった場合、２回目の原点値の変更を行うことなく、レゾルバ１２Ａの位置ずれが生じていると判断するようにしてもよい。この場合、コントローラ３０は、電動発電機異常検出部３０２により、１回目の原点値の変更後に採用された原点値を新たな基準原点値として設定する。

以上の構成により、第五実施例に係るハイブリッド式ショベルは、電動発電機１２の動作不良や性能低下を招く電動発電機１２の異常を早期に検出することができる。

また、第五実施例に係るハイブリッド式ショベルは、レゾルバ１２Ａの位置ずれを検出することができ、レゾルバ１２Ａの位置ずれが誤って電動発電機１２の異常として検出されるのを防止することができる。

また、第五実施例に係るハイブリッド式ショベルは、レゾルバ１２Ａの位置ずれを自動的に解消し、電動発電機１２の動作不良や性能低下を未然に防止し、或いは、電動発電機１２の動作不良や性能低下を早期に解消することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、第五実施例において、原点値の変更は２回とされているが、３回以上の変更が行われてもよい。

また、第五実施例において、変更後の原点値は、基準原点値を挟むように設定されているが、基準原点値より大きい側又は小さい側の何れか一方に設定されてもよい。

また、上述の実施例では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプ１４を駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明は、図９に示すようにエンジン１１で電動発電機１２を発電機として駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから、蓄積した電力によりインバータ１８Ａを通じてポンプ用電動機５００を駆動してメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することができる。この場合、電動発電機１２は、メインポンプ１４以外の負荷を駆動する電動機として機能してもよい。

１・・・下部走行体１Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ２・・・旋回機構３・・・上部旋回体４・・・ブーム５・・・アーム６・・・バケット７・・・ブームシリンダ８・・・アームシリンダ９・・・バケットシリンダ１０・・・キャビン１１・・・エンジン１２・・・電動発電機１２Ａ・・・レゾルバ１３・・・変速機１４・・・メインポンプ１５・・・パイロットポンプ１６・・・高圧油圧ライン１７・・・コントロールバルブ１８、１８Ａ・・・インバータ１９・・・キャパシタ２０・・・インバータ２１・・・旋回用電動機２２・・・レゾルバ２３・・・メカニカルブレーキ２４・・・旋回変速機２５・・・パイロットライン２６・・・操作装置２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー２６Ｃ・・・ペダル２７、２８・・・油圧ライン２９・・・圧力センサ３０・・・コントローラ１００・・・昇降圧コンバータ１０１・・・リアクトル１０２Ａ・・・昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ・・・降圧用ＩＧＢＴ１０２ａ、１０２ｂ・・・ダイオード１０４・・・電源接続端子１０６・・・出力端子１０７・・・平滑用コンデンサ１１０・・・ＤＣバス１１１・・・ＤＣバス電圧検出部１１２・・・キャパシタ電圧検出部１１３・・・キャパシタ電流検出部１１４・・・ＤＣバス電流検出部１２０・・・蓄電系３００・・・入力物理量取得部３０１・・・出力物理量取得部３０２・・・旋回用電動機異常検出部５００・・・ポンプ用電動機Ｓ１、Ｓ２・・・電力検出部Ｓ１１、Ｓ２１・・・電圧検出部Ｓ２１、Ｓ２２・・・電流検出部

Claims

エンジンにより発電機として駆動される電動発電機を備えるショベルであって、
電動機として機能する前記電動発電機の入力を表す入力物理量を取得する入力物理量取得部と、
前記入力物理量取得部が取得する入力物理量に対応する、電動機として機能する前記電動発電機の出力を表す出力物理量を取得する出力物理量取得部と、
出力物理量に対する入力物理量の割合に基づいて前記電動発電機の異常を検出する電動発電機異常検出部と、
前記電動発電機に電力を供給する蓄電器と、
前記蓄電器から入力される電力により電動機として機能し、一方で、回生した電力を前記蓄電器に出力する発電機として機能する旋回用電動機と、を備え、
前記入力物理量取得部は、前記蓄電器の出力電流と前記蓄電器の出力電圧との乗算値から、前記旋回用電動機の入力電流と前記旋回用電動機の入力電圧との乗算値、又は、前記旋回用電動機の出力電流と前記旋回用電動機の出力電圧との乗算値を差し引いた値を入力物理量として取得し、
前記出力物理量取得部は、前記電動発電機の入力電流をトルクに換算した値と前記電動発電機の回転数との乗算値を出力物理量として取得する、
ことを特徴とするショベル。
前記電動発電機異常検出部は、前記電動発電機の回転数を検出する回転数検出器の原点値を変えながら、出力物理量に対する入力物理量の割合を判定値として複数回算出し、算出した複数の判定値の全てが所定の閾値を下回る場合に前記電動発電機の異常を検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
前記電動発電機異常検出部は、最初に算出した判定値が前記所定の閾値を下回り、かつ、後に算出した判定値のうちの少なくとも一つが前記所定の閾値以上である場合に前記回転数検出器の位置ずれを検出する、
ことを特徴とする請求項２に記載のショベル。
エンジンにより発電機として駆動される電動発電機を備えるショベルであって、
電動機として機能する前記電動発電機の入力を表す入力物理量を取得する入力物理量取得部と、
前記入力物理量取得部が取得する入力物理量に対応する、電動機として機能する前記電動発電機の出力を表す出力物理量を取得する出力物理量取得部と、
出力物理量に対する入力物理量の割合に基づいて前記電動発電機の異常を検出する電動発電機異常検出部と、を備え、
前記電動発電機異常検出部は、
出力物理量に対する入力物理量の割合を判定値として算出し、算出した判定値に基づき、前記電動発電機の回転数を検出する回転数検出器の位置ずれが生じているか、或いは、前記電動発電機における永久磁石の減磁が生じているかを判断し、
前記電動発電機の回転数を検出する回転数検出器の原点値を変えながら、出力物理量に対する入力物理量の割合を判定値として複数回算出し、算出した複数の判定値の全てが所定の閾値を下回る場合に前記電動発電機の異常を検出し、
最初に算出した判定値が前記所定の閾値を下回り、かつ、後に算出した判定値のうちの少なくとも一つが前記所定の閾値以上である場合に前記回転数検出器の位置ずれを検出し、
前記所定の閾値以上であるとされた判定値を算出したときの原点値を、次回の基準原点値として設定する、
ことを特徴とするショベル。
エンジンにより発電機として駆動される電動発電機を備えるショベルであって、
電動機として機能する前記電動発電機の入力を表す入力物理量を取得する入力物理量取得部と、
前記入力物理量取得部が取得する入力物理量に対応する、電動機として機能する前記電動発電機の出力を表す出力物理量を取得する出力物理量取得部と、
出力物理量に対する入力物理量の割合に基づいて前記電動発電機の異常を検出する電動発電機異常検出部と、を備え、
前記電動発電機異常検出部は、
出力物理量に対する入力物理量の割合を判定値として算出し、算出した判定値に基づき、前記電動発電機の回転数を検出する回転数検出器の位置ずれが生じているか、或いは、前記電動発電機における永久磁石の減磁が生じているかを判断し、
前記電動発電機の回転数を検出する回転数検出器の原点値を変えながら、出力物理量に対する入力物理量の割合を判定値として複数回算出し、算出した複数の判定値の全てが所定の閾値を下回る場合に前記電動発電機の異常を検出し、
最初に算出した判定値が前記所定の閾値を下回り、かつ、後に算出した判定値のうちの少なくとも一つが前記所定の閾値以上である場合に前記回転数検出器の位置ずれを検出し、
前記所定の閾値以上であるとされた判定値のうちの最大の判定値を算出したときの原点値を、次回の基準原点値として設定する、
ことを特徴とするショベル。