JP6113499B2 - リフマグ付き作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、リフティングマグネットを用いて作業を行う作業機械に関する。

鋼材や鉄鋼物を運搬したり移動したりするための作業機械として、作業アタッチメントとしてリフティングマグネット（一般的に「リフマグ」と称する）が設けられた作業機械が用いられる。このような作業機械を、「リフマグ付き作業機械」あるいは「リフマグ機」と称する。

リフティングマグネット（リフマグ）は、電磁力により鋼材や鉄鋼物を吸着して保持する電磁石である。したがって、リフマグで作業するときには、リフマグに電流を供給して励磁し、電磁吸着力を発生させる必要がある。このようなリフマグを作業アタッチメントとして用いることのできる作業機械として、ハイブリッドショベルが用いられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２００６／０８０１００

特許文献１に記載されたリフマグ付き作業機械では、蓄電装置の充放電制御を行うコンバータ等の装置が新たに必要となってしまい、作業機械の部品点数が増え、製造コストが上昇してしまう。

さらに、ハイブリッド作業機械の蓄電装置（バッテリ）からの電力のみでリフマグを駆動すると、蓄電装置の充電率は低下してしまう。このため、蓄電装置に電力を供給するためにアシストモータが駆動されて発電することとなる。そのような状況で、リフマグの出力が要求されるとアシストモータの発電量が大きくなってしまう。その結果、アシストモータを駆動するエンジンに大きな負荷がかかり、エンジンが負荷に負けて停止（エンスト）するおそれがある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、蓄電装置を用いずにリフマグに供給する電力を得ることのできるリフマグ付き作業機械を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、下部走行体と、該下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、該上部旋回体に搭載され、先端部にリフティングマグネットが設けられたアタッチメントと、該アタッチメントを駆動するための油圧を発生する油圧ポンプを駆動するエンジンと、前記リフティングマグネットに供給する電力を発生する発電機と、前記発電機から前記リフティングマグネットへの電力供給を制御する制御部とを有し、前記発電機の入力軸は前記エンジンの出力軸に機械的に連結されており、前記制御部は、前記リフティングマグネットを駆動する際に、前記発電機の発電電力の立ち上がりを制御する構成とされ、前記リフティングマグネットへの電力供給指令が出され、前記エンジンへ前記リフティングマグネットの要求に対して負荷が加わった後、前記エンジンのトルク増加により前記要求された出力まで上昇する間に、前記エンジンの回転数が前記負荷に負けて過度に低下することを抑制するように、前記エンジンの回転数が所定回転数だけ低下すると、前記発電機の発電電力を低減させることを特徴とするリフマグ付き作業機械が提供される。

上述の発明によれば、エンジンにより発電機が直接駆動されて発電することができるため、発電機を駆動するために油圧ポンプ及び油圧モータをエンジンと発電機との間に設ける必要はなく、リフマグ付き作業機械の構成を簡素化して製造コストを低減することができる。

本発明の一実施形態によるリフマグ付きショベルの側面図である。 図１に示すリフマグ付きショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 リフマグの駆動を開始したときの発電電流を制御する処理のフローチャートである。 リフマグへの電力要求が出された際の、発電機からの出力電流の変化、エンジンの回転数の変化、及び発電機からの出力電圧の変化を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態によるリフマグ付き作業機械について説明する。

図１は、リフマグ付き作業機械の一例であるリフマグ付きショベルの側面図である。リフマグ付きショベルは、ショベルのアームの先端に取り付けるアタッチメントとして、バケットの代りにリフティングマグネット（以下、「リフマグ」と称する）を取り付けたものである。

図１に示すリフマグ付き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、アーム５、及びリフティングマグネット（リフマグ）６、及び、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が搭載される。上部旋回体３には、運転室を有するキャビン１０及びエンジンや電動機を含む動力源が搭載される。

図２は、リフマグ付き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、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実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の出力軸１１ａは、変速機１３の入力軸に接続されている。変速機１３は一つの入力軸と、二つの出力軸を有している。リフマグ６に電力を供給するための発電部としての発電機１２の入力軸１２ａは、変速機１３の出力軸の一つに機械的に連結されている。変速機１３のもう一つの出力軸には、油圧ポンプであるメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が連結されている。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。

コントロールバルブ１７は、リフマグ付きショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ１７には、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、バケットシリンダ９、及び旋回用油圧モータ２Ａが、高圧油圧ラインを介して接続される。旋回用油圧モータ２Ａは、上部旋回体３を旋回させる旋回機構２を駆動するための動力源である。

発電機１２の電力出力端はインバータ１８Ａを介してＤＣバス１１０に電気的に接続されている。ＤＣバス１１０には、リフマグ６が電気的に接続されている。リフマグ６は、磁気吸着力を発生するための電磁石を含んでいる。リフマグ６は、ＤＣバス１１０から電力が供給されることで駆動され、磁気吸着力を発生する。

ＤＣバス１１０には、ＤＣバス１１０の電圧を検出するためのＤＣバス電圧検出部１１１が配設されている。ＤＣバス電圧検出部１１１が検出したＤＣバス電圧値は、コントローラ３０に供給される。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃ、及びボタンスイッチ２６Ｄを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃには、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がそれぞれ接続される。圧力センサ２９が検出したパイロット油圧の油圧値は、コントローラ３０に供給される。

説明の便宜上、図２ではボタンスイッチ２６Ｄを、操作装置２６とは分離したスイッチとして示すが、ボタンスイッチ２６Ｄは操作者の右側に位置するレバー２６Ａの頂部に配設される押ボタンスイッチである。ボタンスイッチ２６Ｄはコントローラ３０に電気的に接続され、ボタンスイッチ２６Ｄからの電気信号はコントローラ３０に供給される。ボタンスイッチ２６Ｄはリフマグ６の操作（励磁（吸着）又は消磁（釈放）の切替操作）を行うためのスイッチである。励磁用スイッチと消磁用スイッチを別々に設けてもよい。この場合、操作者の左前方にあるレバー２６Ｂに励磁用スイッチを設置し、操作者の右前方にあるレバー２６Ａに励磁用スイッチを設置してもよい。

以上のように、本実施形態によるリフマグ付きショベルは、エンジン１１を動力源とし、エンジン１１の出力で発電機１２及びメインポンプ１４を駆動するリフマグ付き作業機械である。エンジン１１、発電機１２、及びメインポンプ１４は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。

以下、各部についてさらに詳細に説明する。

エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンなどの内燃機関であり、その出力軸１１ａは減速機１３の入力軸に機械的に連結される。エンジン１１は、リフマグ付きショベルの運転中は常時運転される。

発電機１２は、エンジン１１の動力によって駆動されることで発電する。発電機１２の発電運転はインバータ１８Ａによって制御される。発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータで構成することができる。発電機１２の入力軸１２ａは変速機１３の出力軸の一方に接続される。

変速機１３は、１つの入力軸と２つの出力軸を有する。変速機１３の入力軸には、エンジン１１の出力軸１１ａが機械的に連結される。また、変速機１３の出力軸のもう一方にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。

以上のように、発電機１２の入力軸１２ａは、変速機１３を介して、エンジン１１の出力軸１１ａに機械的に連結されている。したがって、エンジン１１の出力軸１１ａが回転すると発電機１２の入力軸１２ａも必ず回転する。エンジン１１の出力軸１１ａの回転数と発電機１２の入力軸１２ａの回転数の比は、変速機１３における変速比で決まる。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生する油圧ポンプである。メインポンプ１４が発生する油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、及び旋回用油圧モータ２Ａの各々を駆動するために供給される。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する油圧ポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、及び旋回用油圧モータ２Ａの各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８Ａは、上述の如く発電機１２とＤＣバス１１０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８Ａが発電機１２を発電運転させて得られた電力は、ＤＣバス１１０を介してリフマグ６に供給される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１８Ｂは、リフマグ６とＤＣバス１１０との間に設けられる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１８Ｂは、コントローラ３０からの指令に基づき、電磁石をオンにする際に、ＤＣバス１１０の電圧を所定の電圧まで昇圧し、昇圧した電圧をリフマグ６に供給する。

コントローラ３０は、本実施形態によるリフマグ付きショベル全体の駆動制御を行う制御装置であり、発電機１２に係わるインバータ１８Ａを制御するための機能も含む。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る駆動制御用のプログラムを実行することにより、インバータ１８Ａを制御して、発電機１２の発電制御を行う。

以上のような構成のリフマグ付きショベルにおいて、発電機１２が発電運転して得られる電力は、全てリフマグ６に供給される。したがって、発電機１２はエンジン１１が運転されているときに常に回転している状態（アイドリング運転）とし、リフマグ６への電力供給指示があったときだけ、インバータ１８Ａの制御により発電運転に切換えればよい。

そこで、本実施形態では、発電機１２をエンジン１１に機械的に連結しておき、リフマグ６への電力供給指示があったときだけ、インバータ１８Ａの制御により発電機１２を発電運転させる。これにより、エンジン１１の出力を発電機１２に直接供給することができるようになり、エンジン１１からの動力（エネルギ）を、極力損失を押えながら、電力（エネルギ）に変換することができ、効率的なエネルギ変換を達成することができる。

発電機１２をエンジン１１に機械的に連結することで、リフマグ６への電力供給指令が出されたら即時に発電機１２を発電運転に切換えることができ、発電機１２は発電運転を即時に開始することができる。したがって、スイッチボタン２６Ｄからリフマグ６を励磁するための信号がコントローラ３０に入力されると、極めて短時間で発電機１２の発電運転を開始して発電を行うことができる。これにより、ショベルの操作者がリフマグ６を駆動しようとしてから、実際にリフマグ６に電磁吸着力が生じるまで応答時間を極めて短くすることができる。

ただし、リフマグ６に供給する電力が大きいと、すなわち、電動機１２が発電すべき電力が大きいと、電動機１２を駆動するエンジン１１にとって電動機１２の駆動は大きな負荷となる。例えば、リフマグ６の駆動を開始した直後は、エンジン１１への負荷が、リフマグ６に供給する電力分だけ急激に増大する。ところが、エンジン１１は燃料の噴射によりトルクを増大させるため、発電機１２の電気的な応答性に対して、エンジン１１の応答性は悪い。このため、発電機１２の出力が増加する際、発電機１２のトルクの立ち上がりに対して、エンジン１１のトルクの立ち上がりは追随できない。この場合、エンジン１１の回転数が負荷に負けて過度に低下し、最悪の場合はエンジン１１が停止（エンスト）することも考えられる。

そこで、本実施形態では、発電機１２が発電運転を開始した直後の発電機１２による発電量が徐々に増大するようにインバータ１８Ａで発電機１２を発電制御することで、エンジン１１に急激な負荷が加わらないようにしている。

図３は、本実施形態において、リフマグ６の駆動を開始したときの発電電流を制御する処理のフローチャートである。リフマグ６を駆動する前は、発電機１２は発電運転を行なっておらず、発電機１２の出力は０である（ステップＳ１）。リフマグ６での作業を行なうためにリフマグ吸着スイッチがＯＮとなると（ステップＳ２）、発電機要求出力が上昇する（ステップＳ３）。これにより、発電機１２から出力される電流が所定の傾きで上昇する。

次に、コントローラ３０は、発電機１２からリフマグ６に流れる電流値Ｉが所定値Ｉｍａｘより小さいか否かを判定する（ステップＳ４）。電流値Ｉが所定値Ｉｍａｘより小さい（Ｉ＜Ｉｍａｘ）と判定されると（ステップＳ４のＹＥＳ）、コントローラ３０は、ステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５において、コントローラ３０は、エンジン１１の回転数の低減量ΔＮを算出する。低減量ΔＮは、エンジン１１の回転数の設定値Ｎｓｅｔから、エンジン１１の回転数の検出値Ｎｄｅｔを減算することで求められる（ΔＮ＝Ｎｓｅｔ−Ｎｄｅｔ）。続いて、ステップＳ６において、コントローラ３０は、エンジン１１の回転数の低減量ΔＮが所定の閾値Ｎｔｈを超えたか否かを判定する。すなわち、コントローラ３０は、低減量ΔＮが閾値Ｎｔｈより大きくなった（ΔＮ＞Ｎｔｈ）か否かを判定する。

エンジン１１の回転数の低減量ΔＮが所定の閾値Ｎｔｈを超えていない（ΔＮ≦Ｎｔｈ）と判定されると、処理はステップＳ３に戻り、発電機１２から出力する電流を上昇させる。一方、エンジン１１の回転数の低減量ΔＮが所定の閾値Ｎｔｈを超えた（ΔＮ＞Ｎｔｈ）と判定されると、処理はステップＳ７に進む。ステップＳ７では、コントローラ３０は、発電機１２の出力電流を所定の電流値Ｉｍｉｎまで低減する制御を行なう。この所定の電流値Ｉｍｉｎとは、エンジン１１の回転数が必ず上昇に転じるように設定された電流値である。

ステップＳ７の処理が終了すると、処理はステップＳ３に戻り、ステップＳ４〜Ｓ７の処理を繰り返す。そして、ステップＳ４において、発電機１２からリフマグ６に流れる電流値Ｉが所定値Ｉｍａｘに等しいと判定されると（Ｉ＝Ｉｍａｘ）、コントローラ３０は今回の処理を終了する。

図４は、リフマグ６への電力要求が出された際の、発電機１２からの出力電流の変化、エンジン１１の回転数の変化、及び発電機１２からの出力電圧の変化を示すグラフである。図３において、本実施形態による発電制御を行った場合の変化が実線で示されており、本実施形態による発電制御を行わない場合の一例が二点鎖線で示されている。実線と二点鎖線が同じ位置となる部分では、図示の便宜上、二点鎖線を僅かにずらして示している。

まず、図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１においてリフマグ６に供給するための電力を発電するように発電機１２に要求が出されたものとする。発電機１２への要求出力は時刻ｔ１から短時間でリフマグ６に供給すべき電力値に上昇する。

通常、電磁石からなるリフマグ６に供給される電流は、リフマグ６の電磁コイルに印加する電圧により決まる。一方、リフマグ６（電磁石）の吸着力は電磁コイルに流れる電流値により決まる。したがって、リフマグ６に流れる電流値を制御するためには、リフマグに印加する電圧を制御する必要がある。

通常、リフマグ６の励磁を効率的に行うために、励磁開始時（時刻ｔ１）の電圧を所定の電圧まで高めるように設定する（図４（ｄ）参照）。すなわち、時刻ｔ１において吸着用ボタンスイッチ２６Ｄが押されると、対象物をリフマグ６へ吸着させるべく、コントローラ３０はＤＣ−ＤＣコンバータ１８Ｂへ電圧指令を出力する。その際、ＤＣバス１１０の電圧を高めるべく、コントローラ３０はインバータ１８Ａへ発電の要求出力を送出する。これにより、発電機１２は発電運転を開始する。

このような出力電圧となるよう発電制御を行うと、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に発電機１２が要求出力に対応した電流を出力するため、発電機１２の出力電流は急激に上昇する（図４（ｂ）の二点鎖線参照）。発電機１２の出力電流は、発電機１２が発生する負荷、すなわち発電機１２の入力軸１２ａを回転させるためのトルクに相当する。図４（ｂ）の二点鎖線で示すようにトルクが増大すると、エンジン１１の負荷が急激に増大することとなり、エンジン１１が負荷に負けて所定の回転数を維持できなくなる場合がある。この場合、トルクがある程度増大した時点で、図４（ｃ）の二点鎖線で示すようにエンジン１１の回転数は急激に低下し、エンジン１１は停止してしまう（エンスト）。エンジン１１の回転数が低下すれば、発電機１２の回転数も低下して、図４（ｂ）の二点鎖線で示すように、発電機１２の出力電流も急激に低下し、ゼロとなる。

そこで、本実施形態では、継続的に電流を上昇させるのではなく、図４（ｂ）に示すように、段階的に電流を増加するように発電制御を行うことで、発電機１２によるエンジン１１への負荷の急激な増大を抑制し、エンジン１１の回転数が維持されるようにしている。

本実施形態では、時刻ｔ１において吸着用ボタンスイッチ２６Ｄが押されると、コントローラ３０はインバータ１８Ａへ発電の要求出力を送出する。インバータ１８Ａは、発電機１２を発電運転させて要求出力を出力させるように制御する。したがって、発電機１２は発電運転を開始し、急激な立ち上がりで電流Ｉを出力し始める。ところが、急激に電流Ｉを立ち上げてしまうと、エンジン１１のトルクの増加が追いつかなくなってしまい、エンジン１１の回転数は低下し始めてしまう。

そこで、本実施形態では、エンジン１１の回転数Ｎｄｅｔを検出しておき、予め設定されたエンジンの回転数Ｎｓｅｔより所定の回転数だけ低下した際に、発電機１２が出力する電流を低減させる。具体的には、図４（ｂ）に示すように、エンジン１１の回転数の設定値Ｎｓｅｔから検出値Ｎｄｅｔを減算して求めた偏差ΔＮが時刻ｔ２において閾値Ｎｔｈに等しくなったため、コントローラ３０は発電機１２への要求出力を低減することで、発電機１２が出力する電流Ｉを所定の電流値Ｉｍｉｎまで低減させる。すると、発電機１２によるエンジン１１への付加が低減され、低減していたエンジン１１の回転数は上昇に転じる。その後、インバータ１８Ａは電動機１２への要求出力を増加させて電動機１２からの出力電流Ｉは再び上昇する。

コントローラ３０は、上述の制御を繰り返し、時刻ｔ３において、発電機１２からの出力電流が所定の最大電流値Ｉｍａｘとなる。その後、発電機１２からの出力電流Ｉは最大電流値Ｉｍａｘに維持される。

以上のように、本実施形態によれば、電動機１２の発電運転における電流立ち上がり部分の電流値上昇を制御することで（すなわち、発電機１２の発電電力の立ち上がりを制御することで）、電動機１２の発電運転によりエンジン１１に加わる負荷の急激な増大を抑制することができる。したがって、電動機１２をエンジンに機械的に連結（直結）しても、リフマグ６の駆動時にエンジン１１に急激に大きな負荷が加わることが防止され、エンジン１１の回転数を維持することができる。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回用油圧モータ
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ リフティングマグネット（リフマグ）
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 発電機
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
１８Ａ インバータ
１８Ｂ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７，２８ パイロットライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
１１０ ＤＣバス

Claims (4)

1. 下部走行体と、
   該下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、
   該上部旋回体に搭載され、先端部にリフティングマグネットが設けられたアタッチメントと、
   該アタッチメントを駆動するための油圧を発生する油圧ポンプを駆動するエンジンと、
   前記リフティングマグネットに供給する電力を発生する発電機と、
   前記発電機から前記リフティングマグネットへの電力供給を制御する制御部と
   を有し、
   前記発電機の入力軸は前記エンジンの出力軸に機械的に連結されており、
   前記制御部は、
   前記リフティングマグネットを駆動する際に、前記発電機の発電電力の立ち上がりを制御する構成とされ、前記リフティングマグネットへの電力供給指令が出され、前記エンジンへ前記リフティングマグネットの要求に対して負荷が加わった後、前記エンジンのトルク増加により前記要求された出力まで上昇する間に、前記エンジンの回転数が前記負荷に負けて過度に低下することを抑制するように、前記エンジンの回転数が所定回転数だけ低下すると、前記発電機の発電電力を低減させることを特徴とするリフマグ付き作業機械。
2. 下部走行体と、
   該下部走行体に対して旋回自在に搭載された上部旋回体と、
   該上部旋回体に搭載され、先端部にリフティングマグネットが設けられたアタッチメントと、
   該アタッチメントを駆動するための油圧を発生する油圧ポンプを駆動するエンジンと、
   前記リフティングマグネットに供給する電力を、前記リフティングマグネットへの電力指令に対応して発生する発電機と、
   前記発電機から前記リフティングマグネットへの電力供給を制御する制御部とを有し、
   前記発電機の入力軸は前記エンジンの出力軸に機械的に連結されており、
   前記制御部は、
   前記リフティングマグネットを駆動する際に、前記発電機の発電電力の立ち上がりを制御する構成とされ、前記リフティングマグネットへの電力供給指令が出され、前記エンジンへ前記リフティングマグネットの要求に対して負荷が加わった後、前記エンジンのトルク増加により前記要求された出力まで上昇する間に、前記エンジンの回転数が前記負荷に負けて過度に低下することを抑制するように、前記発電機の発電電力を低減させることを特徴とするリフマグ付き作業機械。
3. 請求項１又は２に記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記発電機の出力端はインバータを介してＤＣバスに電気的に接続され、前記ＤＣバスには前記リフティングマグネットが電気的に接続されており、
   前記リフティングマグネットと前記ＤＣバスとの間には、ＤＣ−ＤＣコンバータが設けられていることを特徴とするリフマグ付き作業機械。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のリフマグ付き作業機械であって、
   前記エンジンが所定の回転数を維持できるように制御されることを特徴とするリフマグ付き作業機械。

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