JP6088299B2

JP6088299B2 - 作業機械および発電機

Info

Publication number: JP6088299B2
Application number: JP2013048675A
Authority: JP
Inventors: 誠北
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: JP2014176243A

Description

本発明は、主に、作業用のアクチュエータを駆動させる作業機械および発電機に関する。

従来、例えば耕運機のような作業機械では、エンジンの出力軸にトランスミッションを介して作業対象となる作業装置が接続され、エンジンが駆動することにより作業装置を作動させるようになされている。

また、作業機械の中には、エンジンに発電体が取り付けられ、エンジンが駆動することにより発電体で生成された電力をバッテリに蓄電し、バッテリに蓄電された電力でアクチュエータを作動させるようになされたものが提案されている（特許文献１）。

特開２０１０−２１３３８５号公報

上記のようなエンジンが駆動することにより作業装置を作動させる作業機械では、エンジンの出力を、トランスミッションを介して作業装置に伝達するため、大型化するという問題があった。また、エンジンの回転数に作業装置の作動が依存するため、例えば二以上の作業装置を作動させる際にはそれぞれを独立して制御することができないなど、作業装置を効率よく作動させることができないという問題があった。

また、上記のようなバッテリに蓄電された電力でアクチュエータを作動させる作業機械では、バッテリを設ける分だけ装置が大型化するといった問題があった。

そこで、本発明は、作業機械を小型化し、かつアクチュエータを効率よく作動させる作業機械および発電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の作業機械は、エンジンと、前記エンジンの出力軸に接続され、該出力軸を通じて伝達される該エンジンの動力により電力を生成するアキシャルギャップ発電体と、前記アキシャルギャップ発電体により生成された電力により直接作動する第１および第２のアクチュエータと、前記第１および第２のアクチュエータを制御するコントロールユニットとを備え、前記アキシャルギャップ発電体は、前記出力軸に固定され該出力軸と一体となって回転し、該出力軸と直交する両側面に、該出力軸の回転方向に沿って磁化方向が交互に逆向きとなるように複数の磁性体が配置されたロータと、前記ロータの軸方向の両側面に所定間隔離間して配置され、該ロータに配置される前記磁性体と対向する位置に複数のコイルが配置された第１および第２のステータとを備え、前記第１のステータに配置された複数のコイルのうち、一部のコイルにより生成された電力は前記コントロールユニットに供給され、該一部のコイル以外のコイルにより生成された電力は前記第１のアクチュエータに供給され、前記第２のステータに配置されたコイルにより生成された電力は、該第１のアクチュエータよりも消費電力が多い前記第２のアクチュエータに供給される。

前記作業機械は移動用の車輪が設けられ、前記車輪を回転させる前記第２のアクチュエータは、前記第２のステータに配置されたコイルにより生成された電力で作動し、作業用の前記第１のアクチュエータは、前記第１のステータに配置されたコイルにより生成された電力で作動してもよい。

また、本発明の発電機は、作業機械のアクチュエータに電力を供給する発電機であって、エンジンと、前記エンジンの出力軸に接続され、該エンジンの出力軸から出力される動力により電力を生成し、生成された電力により第１および第２のアクチュエータを直接作動させるアキシャルギャップ発電体と、を備え、前記アキシャルギャップ発電体は、前記出力軸に固定され該出力軸と一体となって回転し、該出力軸と直交する両側面に、該出力軸の回転方向に沿って磁化方向が交互に逆向きとなるように複数の磁性体が配置されたロータと、前記ロータの軸方向の両側面に所定間隔離間して配置され、該ロータに配置される前記磁性体と対向する位置に複数のコイルが配置された第１および第２のステータとを備え、前記第１のステータに配置された複数のコイルのうち、一部のコイルにより生成された電力は、前記第１および第２のアクチュエータを制御するコントロールユニットに供給され、該一部のコイル以外のコイルにより生成された電力は前記第１のアクチュエータに供給され、前記第２のステータに配置されたコイルにより生成された電力は、該第１のアクチュエータよりも消費電力が多い該第２のアクチュエータに供給される。

本発明は、作業機械を小型化し、かつアクチュエータを効率よく作動させることができる。

作業機械の全体構成を示す図である。発電機の構成を示す概略図である。作業機械の概略的な電気的構成を示した機能ブロック図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、作業機械１００の全体構成を示す図である。図１に示すように、作業機械１００は、耕運機であり、車体フレーム１１０に発電機１１２、駆動輪モータ１１４、回転爪モータ１１６等が搭載され、これらが車体カバー１１８により覆われている。車体フレーム１１０は、前方側で、両端に駆動輪１２０が固定された車軸１２２を回転自在に支持するとともに、後方側で、回転爪（ロータリー）１２４が複数固定された回転軸１２６を回転自在に支持する。また、車体フレーム１１０には、作業機械１００を扱う作業者が操作するためのハンドル１２８が取り付けられる。ハンドル１２８には、コントロールユニット１３０、および作業者が作業中に操作し得る位置に操作入力部１３２が取り付けられる。また、車体フレーム１１０には、後述するエンジン２００に供給される燃料を貯蔵する燃料タンク１３４が設けられる。

詳しくは後述するように、発電機１１２は、その動力により電力を生成し（発電し）、駆動輪モータ１１４、回転爪モータ１１６およびコントロールユニット１３０に電力を供給する。駆動輪モータ１１４は、発電機１１２から電力が供給されることにより回転し、駆動ベルト１３６を介して車軸１２２および駆動輪１２０を回転させる。回転爪モータ１１６は、発電機１１２から電力が供給されることにより回転し、作業ベルト１３８を介して回転軸１２６および回転爪１２４を回転させる。なお、駆動輪モータ１１４は、駆動輪１２０を回転させるため、すなわち作業機械１００を移動させるため、回転爪１２４を回転させる回転爪モータ１１６より、大きな出力が必要であり、その分消費電力も多い。

コントロールユニット１３０は、発電機１１２から電力が供給されることにより起動し、駆動輪モータ１１４および回転爪モータ１１６の回転方向（正回転および逆回転）および回転数を制御する。操作入力部１３２は、作業者からの指示を受け付けるための複数のボタンが設けられる。

図２は、発電機１１２の構成を示す概略図である。図２に示すように、発電機１１２は、エンジン２００、アキシャルギャップ発電体２０２、フライホイール部２０４、リコイルスターター２０６を含む構成とされる。

エンジン２００は、シリンダ２１０、ピストン２１２、ピストンロッド２１４、出力軸としてのクランク軸２１６、および点火プラグ２１８を含む構成とされる。エンジン２００は、シリンダ２１０内で点火プラグ２１８により点火された燃料が燃焼し、燃焼により生じる圧力でピストン２１２が上下方向に往復動することにより、ピストンロッド２１４を介してクランク軸２１６が回転する。クランク軸２１６のＰＴＯ（Power take off）側の端は、フライホイール部２０４内まで延在する。

アキシャルギャップ発電体２０２は、エンジン２００とフライホイール部２０４との間に、クランク軸２１６を軸方向に沿って囲むようにして配置される。アキシャルギャップ発電体２０２は、ハウジング２２０、ロータ２２２、第１ステータ２２４および第２ステータ２２６を含む構成とされ、ハウジング２２０内にロータ２２２、第１ステータ２２４および第２ステータ２２６が設けられる。

ロータ２２２は、中央部に貫通孔を有して円盤状に形成された円盤部材２３０が、当該貫通孔に挿通されたクランク軸２１６に固定される。円盤部材２３０は、クランク軸２１６の軸方向と直交する両側面に、周方向に沿って磁化方向が交互に逆向きとなるように複数の磁石２３２が配置される。

第１ステータ２２４は、中央部に貫通孔を有して円筒状に形成された円筒部材２４０がロータ２２２の一方の側面に対して所定間隔（例えば約１ｍｍ）離間するようにハウジング２２０に固定され、当該円筒部材２４０の貫通孔にクランク軸２１６が接触することなく回転自在に挿通される。第１ステータ２２４は、円筒部材２４０におけるロータ２２２の一方の側面と対向する面であって、ロータ２２２に配置された磁石２３２と対向する位置に、周方向に沿って例えば１８個のコイル２４２が配置される。コイル２４２は、１８個のうちの３個がそれぞれ連結され、また、残りの１５個が電気角１２０°ごとにＵ層、Ｖ層、Ｗ層の３層に分かれて連結される。なお、説明の便宜上、３個が結線されたコイル２４２群を電源コイル２４２ａと呼び、１５個がＵ層、Ｖ層、Ｗ層の３層に分かれて結線されたコイル２４２群を作業コイル２４２ｂと呼ぶ。

第２ステータ２２６は、中央部に貫通孔を有して円筒状に形成された円筒部材２５０がロータ２２２の他方の側面（第１ステータ２２４と対向する側面とは反対側の側面）に対して所定間隔（例えば約１ｍｍ）離間するようにハウジング２２０に固定され、当該円筒部材２５０の貫通孔にクランク軸２１６が接触することなく回転自在に挿通される。第２ステータ２２６は、円筒部材２５０におけるロータ２２２の他方の側面と対向する面であって、ロータ２２２に配置された磁石２３２と対向する位置に、周方向に沿って例えば１８個のコイル（以下、駆動コイルとも呼ぶ）２５２が配置される。駆動コイル２５２は、Ｕ層、Ｖ層、Ｗ層の３層に分かれて連結される。

アキシャルギャップ発電体２０２は、エンジン２００が駆動してクランク軸２１６とともにロータ２２２が回転すると、ロータ２２２に配置された磁石２３２の周囲の磁界が変化する。そして、この磁界の変化により、第１ステータ２２４の電源コイル２４２ａおよび作業コイル２４２ｂ、ならびに第２ステータ２２６の駆動コイル２５２に電磁誘導が生じる。その結果、電源コイル２４２ａでは単相交流電流が流れ、作業コイル２４２ｂおよび駆動コイル２５２では３相交流電流が流れる。このようにして、電源コイル２４２ａ、作業コイル２４２ｂおよび駆動コイル２５２では、電力が生成される。

フライホイール部２０４は、フライホイール２６０、ブロワフィン２６２、イグニッション磁石２６４、イグニッションコイル２６６を含む構成とされる。フライホイール２６０は、円盤状に形成され、一方の側面にクランク軸２１６が接続され、他方の面にブロワフィン２６２が取り付けられ、周面にイグニッション磁石２６４が取り付けられる。フライホイール２６０は、クランク軸２１６と一体となって回転する。ブロワフィン２６２は、外部の空気をエンジン２００に吹き付ける羽根が複数設けられる。イグニッションコイル２６６は、フライホイール２６０の周面から所定間隔離間した位置に配置され、点火プラグ２１８が電気的に接続される。イグニッションコイル２６６は、フライホイール２６０が回転することでイグニッション磁石２６４が変化させる磁界によって電磁誘導が起こり、この電磁誘導で生じる電圧差により点火プラグ２１８を点火させる。

リコイルスターター２０６は、フライホイール部２０４と隣接して設けられ、作業者の始動操作によりエンジン２００を始動させる。

図３は、作業機械１００の概略的な電気的構成を示した機能ブロック図である。図３では、各部を接続する信号線を細線で示し、各部を接続する電力線を太線で示す。図３に示すように、コントロールユニット１３０は、制御電源供給ユニット３００、回転爪モータ用ドライバユニット３０２、駆動輪モータ用ドライバユニット３０４を含む構成とされる。制御電源供給ユニット３００は、平滑コンデンサおよびレギュレータを有し、電源コイル２４２ａと電気的に接続されるとともに、回転爪モータ用ドライバユニット３０２および駆動輪モータ用ドライバユニット３０４と電気的に接続される。回転爪モータ用ドライバユニット３０２および駆動輪モータ用ドライバユニット３０４は、ダイオードブリッジ、平滑コンデンサ、ＰＷＭ（pulse width modulation）回路を有する例えば１２Ｖで作動するＩＣチップでなり、作業コイル２４２ｂおよび駆動コイル２５２と電気的にそれぞれ接続される。

操作入力部１３２は、回転爪１２４の回転方向（正転および逆転）を切り替えるための回転爪回転方向切替スイッチ（ＳＷ）４００、回転爪１２４の回転速度を切り替えるための回転爪回転速度切替スイッチ（ＳＷ）４０２、進行方向（前進および後進）を切り替えるための進行方向切替スイッチ（ＳＷ）４０４、および、進行速度を切り替えるための進行速度切替スイッチ（ＳＷ）４０６を含む構成とされる。回転爪回転方向切替スイッチ４００および回転爪回転速度切替スイッチ４０２は、作業者の操作に応じた信号を回転爪モータ用ドライバユニット３０２に出力する。進行方向切替スイッチ４０４および進行速度切替スイッチ４０６は、作業者の操作に応じた信号を駆動輪モータ用ドライバユニット３０４に出力する。

回転爪モータ１１６は、回転爪モータ用ドライバユニット３０２と電気的に接続され、また、例えばエンコーダやレゾルバでなる回転爪モータ用回転角度検出部１１６ａが取り付けられる。回転爪モータ用回転角度検出部１１６ａは、回転爪モータ１１６の回転角度を検出し、その検出結果を示す信号を回転爪モータ用ドライバユニット３０２に出力する。

駆動輪モータ１１４は、駆動輪モータ用ドライバユニット３０４と電気的に接続され、また、例えばエンコーダやレゾルバでなる駆動輪モータ用回転角度検出部１１４ａが取り付けられる。駆動輪モータ用回転角度検出部１１４ａは、駆動輪モータ１１４の回転角度を検出し、その検出結果を示す信号を駆動輪モータ用ドライバユニット３０４に出力する。

作業機械１００では、エンジン２００が駆動すると、電源コイル２４２ａ、作業コイル２４２ｂおよび駆動コイル２５２に電磁誘導が生じる。そして、電源コイル２４２ａから単相交流電流が制御電源供給ユニット３００に供給されるとともに、作業コイル２４２ｂおよび駆動コイル２５２から３相交流電流が回転爪モータ用ドライバユニット３０２および駆動輪モータ用ドライバユニット３０４にそれぞれ供給される。

制御電源供給ユニット３００は、供給される単相交流電流をダイオードブリッジで整流した後、平滑コンデンサで直流化し、レギュレータで例えば１２Ｖに定圧化して回転爪モータ用ドライバユニット３０２および駆動輪モータ用ドライバユニット３０４に供給する。

回転爪モータ用ドライバユニット３０２は、制御電源供給ユニット３００から供給される１２Ｖの直流電流で作動し、作業コイル２４２ｂから供給される３相交流電流をダイオードブリッジで整流した後、平滑コンデンサで直流化する。その後、回転爪モータ用ドライバユニット３０２は、ＰＷＭ回路により、直流化された電流を、回転爪回転方向切替スイッチ４００および回転爪回転速度切替スイッチ４０２から入力される信号に応じた回転方向および回転速度となるように変調して回転爪モータ１１６に出力する。

また、回転爪モータ用ドライバユニット３０２は、回転爪モータ用回転角度検出部１１６ａで検出される回転爪モータ１１６の回転角度を示す信号を所定間隔毎に受信する。そして、回転爪モータ用ドライバユニット３０２は、回転爪モータ用回転角度検出部１１６ａから受信した信号に基づいて、ＰＷＭ回路によりフィードバック制御を行い、回転爪モータ１１６を回転爪回転方向切替スイッチ４００および回転爪回転速度切替スイッチ４０２から入力される信号に応じた回転方向および回転速度で回転させる。これにより、作業機械１００は、作業者の回転爪回転方向切替スイッチ４００および回転爪回転速度切替スイッチ４０２に対する指示に応じた方向および速度で回転爪１２４を回転させる。

駆動輪モータ用ドライバユニット３０４は、制御電源供給ユニット３００から供給される１２Ｖの直流電流で動作し、駆動コイル２５２から供給される３相交流電流をダイオードブリッジで整流した後、平滑コンデンサで直流化する。その後、駆動輪モータ用ドライバユニット３０４は、ＰＷＭ回路により、直流化された電流を、進行方向切替スイッチ４０４および進行速度切替スイッチ４０６から入力される信号に応じた進行方向および進行速度となるように変調して駆動輪モータ１１４に出力する。

また、駆動輪モータ用ドライバユニット３０４は、駆動輪モータ用回転角度検出部１１４ａで検出される駆動輪モータ１１４の回転角度を示す信号を所定間隔毎に受信する。駆動輪モータ用ドライバユニット３０４は、駆動輪モータ用回転角度検出部１１４ａから受信した信号に基づいてＰＷＭ回路により、フィードバック制御を行い、進行方向切替スイッチ４０４および進行速度切替スイッチ４０６から入力される信号に応じた回転方向および回転速度で駆動輪モータ１１４を回転させる。これにより、作業機械１００は、作業者の進行方向切替スイッチ４０４および進行速度切替スイッチ４０６に対する指示に応じた方向および速度で進行する。

以上のように、作業機械１００は、発電機１１２のアキシャルギャップ発電体２０２で生成された電力（交流電流）で、駆動輪モータ１１４を直接作動させて駆動輪１２０を回転させるとともに、回転爪モータ１１６を直接作動させて回転爪１２４を回転させる。これにより、作業機械１００は、従来のようにバッテリに一旦蓄電させてからアクチュエータを作動させる場合と比して、バッテリを設けなくてよい分だけ小型化することができるとともに、バッテリの蓄電容量による使用時間の制限もなく、使い勝手を向上することができる。また、作業機械１００は、従来のようなエンジンの出力で作業対象となる作業装置を直接作動させる場合と比して、トランスミッションを設けなくてよい分だけ車幅方向を狭くできるとともに小型化することができる。特に、耕運機として使用する場合、農作物や畝の間を容易にすり抜けることができるようになり、有用である。

また、作業機械１００は、アキシャルギャップ発電体２０２の第１ステータ２２４（作業コイル２４２ｂ）および第２ステータ２２６（駆動コイル２５２）で生成された電力（交流電流）で、異なるアクチュエータである回転爪モータ１１６および駆動輪モータ１１４をそれぞれ作動させる。これにより、作業機械１００は、複雑な構成をとることなく、駆動輪モータ１１４および回転爪モータ１１６をそれぞれ独立して効率よく作動させることができる。

また、作業機械１００は、第１ステータ２２４に配置される複数のコイル２４２のうちの一部が電源コイル２４２ａとしてコントロールユニット１３０の動作用の電力（交流電流）を生成し、残りのコイル２４２が作業コイル２４２ｂとして回転爪モータ１１６の作動用の電力（交流電流）を生成するようにした。一方で、第２ステータ２２６に配置される複数のコイルの全てを駆動コイル２５２として駆動輪モータ１１４の作動用の電力（交流電流）を生成するようにした。これは、駆動輪モータ１１４が回転爪モータ１１６より電力を必要とし、また消費電力も多いことから、消費電力の少ない回転爪モータ１１６を作動させる方のコイル２４２の一部をコントロールユニット１３０の作動用の電源コイル２４２ａとして使用するものである。これにより、作業機械１００は、コントロールユニット１３０、駆動輪モータ１１４および回転爪モータ１１６に効率よく電力を供給することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上述の実施形態においては、アクチュエータとして、駆動輪１２０を駆動させる駆動輪モータ１１４および回転爪１２４を回転させる回転爪モータ１１６を適応した場合について述べたが、他の作業装置を駆動させるアクチュエータに適応でき、また、１つのアクチュエータのみであってもよい。

また、上述の実施形態においては、作業機械１００として耕運機に適応した場合について述べたが、作業機械は耕運機に限定されるものではない。

本発明は、作業用のアクチュエータを駆動させる作業機械および発電機に利用できる。

１００ …作業機械
１１２ …発電機
１１４ …駆動輪モータ
１１６ …回転爪モータ
１２０ …駆動輪
１２４ …回転爪
２００ …エンジン
２０２ …アキシャルギャップ発電体
２１６ …クランク軸
２２２ …ロータ
２２４ …第１ステータ
２２６ …第２ステータ

Claims

エンジンと、
前記エンジンの出力軸に接続され、該出力軸を通じて伝達される該エンジンの動力により電力を生成するアキシャルギャップ発電体と、
前記アキシャルギャップ発電体により生成された電力により直接作動する第１および第２のアクチュエータと、
前記第１および第２のアクチュエータを制御するコントロールユニットとを備え、
前記アキシャルギャップ発電体は、
前記出力軸に固定され該出力軸と一体となって回転し、該出力軸と直交する両側面に、該出力軸の回転方向に沿って磁化方向が交互に逆向きとなるように複数の磁性体が配置されたロータと、
前記ロータの軸方向の両側面に所定間隔離間して配置され、該ロータに配置される前記磁性体と対向する位置に複数のコイルが配置された第１および第２のステータとを備え、
前記第１のステータに配置された複数のコイルのうち、一部のコイルにより生成された電力は前記コントロールユニットに供給され、該一部のコイル以外のコイルにより生成された電力は前記第１のアクチュエータに供給され、前記第２のステータに配置されたコイルにより生成された電力は、該第１のアクチュエータよりも消費電力が多い前記第２のアクチュエータに供給されることを特徴とする作業機械。
前記作業機械は、移動用の車輪が設けられ、
前記車輪を回転させる前記第２のアクチュエータは、前記第２のステータに配置されたコイルにより生成された電力で作動し、
作業用の前記第１のアクチュエータは、前記第１のステータに配置されたコイルにより生成された電力で作動する請求項１に記載の作業機械。
作業機械のアクチュエータに電力を供給する発電機であって、
エンジンと、
前記エンジンの出力軸に接続され、該エンジンの出力軸から出力される動力により電力を生成し、生成された電力により第１および第２のアクチュエータを直接作動させるアキシャルギャップ発電体と、を備え、
前記アキシャルギャップ発電体は、
前記出力軸に固定され該出力軸と一体となって回転し、該出力軸と直交する両側面に、該出力軸の回転方向に沿って磁化方向が交互に逆向きとなるように複数の磁性体が配置されたロータと、
前記ロータの軸方向の両側面に所定間隔離間して配置され、該ロータに配置される前記磁性体と対向する位置に複数のコイルが配置された第１および第２のステータとを備え、
前記第１のステータに配置された複数のコイルのうち、一部のコイルにより生成された電力は、前記第１および第２のアクチュエータを制御するコントロールユニットに供給され、該一部のコイル以外のコイルにより生成された電力は前記第１のアクチュエータに供給され、前記第２のステータに配置されたコイルにより生成された電力は、該第１のアクチュエータよりも消費電力が多い該第２のアクチュエータに供給されることを特徴とする発電機。