JP6366981B2 - ショベル - Google Patents

Description

本開示は、ショベルに関する。

ブーム、アーム及びバケットのそれぞれを動かす複数の油圧アクチュエータと、エンジン駆動の発電機が発電する電気で旋回体を旋回させる旋回用電動機とを備えたハイブリッド型ショベルが知られている（特許文献１）。

これらのショベルは、旋回用レバーを操作することによって旋回体の旋回を行い、旋回用レバーを中立位置に戻すことによって旋回体の旋回を停止させている。

特開２００７−２３９４５４号公報

ショベルの電動旋回モータはショベルの仕様で求められる旋回出力に応じて定められ、具体的にはショベルの運用上に必要な出力を出すことができる程度の定格の電動旋回モータが選定される。しかし、電動旋回モータの減速トルクは加速トルクと同じであるため、減速トルクを大きくするためには定格の大きなモータを用いる必要がある。
ここで、比較的減速トルクが大きい油圧旋回モータと同程度の減速トルクを旋回電動モータに持たせようとすると、必要以上にモータの定格が大きくなってしまう。

本開示の一局面によれば、
旋回体と、
該旋回体を旋回駆動する旋回用電動機と、
前記旋回体を制動するためのブレーキ機構と
前記旋回用電動機と前記ブレーキ機構の制御を行い、前記旋回用電動機を回生制動させながら前記ブレーキ機構を作動させることにより前記旋回体を減速させる制御装置を備え、
前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際に、前記旋回体の速度に応じて、前記ブレーキ機構の作動又は非作動の切替、及び、制動力の掛け具合の調整を行う、ショベルが提供される。

旋回が制動しやすいショベルを提供する。

一実施形態に係るショベルの側面図である。 一実施形態に係るショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 図１に示すショベルに搭載される旋回駆動装置の制御機構を示すブロック図である。 図３に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理を説明するフローチャートである。 図１に示すショベルに搭載される旋回駆動装置の制御機構の変形例を示すブロック図である。 図５に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理の一例を説明するフローチャートである。 図５に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理の変形例を説明するフローチャートである。 図３に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理のさらなる変形例を説明するフローチャートである。 図３に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理のさらなる変形例を説明するフローチャートである。 図１に示すショベルに搭載される上部旋回体の速度波形の一例を示す図である。 図１に示すショベルに搭載される旋回駆動装置の制御機構のさらなる変形例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら実施例について詳細に説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

まず、本発明の一実施形態に係るショベルの全体構成及び駆動系の構成について説明する。図１は、一実施形態に係るショベルの側面図である。

図１に示す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が旋回自在に搭載されている。上部旋回体３上には、ブーム４の一端が回動自在に取り付けられている。ブーム４の先端には、アーム５の一端が回動自在に取り付けられ、アーム５の先端には、バケット６が回動可能に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。

本実施形態に係るショベルは、電動機を用いた電動旋回用の旋回駆動装置が搭載されているハイブリッド型のショベルであって、旋回駆動装置に供給する電力を蓄積する蓄電装置を有する。しかしながら、本発明は、電動旋回を採用した任意のショベルに適用でき、例えば外部電源から電力が供給される電気駆動式ショベルにも適用できる。

図２は、一実施形態に係るショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを太い実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を細線でそれぞれ示す。

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、ともに増力機としての変速機１３の入力軸に接続されている。また、この変速機１３の出力軸には、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。

コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。この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、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。
また、電動発電機１２には、インバータ１８及び昇降圧コンバータ１００を介して蓄電装置としてのバッテリ１９が接続される。このインバータ１８と昇降圧コンバータ１００との間は、ＤＣバス１１０によって接続されている。

また、ＤＣバス１１０には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。ＤＣバス１１０は、バッテリ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間で電力の授受を行うために配設されている。ＤＣバス１１０には、ＤＣバス電流値を検出するためのＤＣバス電流検出部１１１が接続されている。

そして、昇降圧コンバータ１００には、コンバータ電流値を検出するためのコンバータ電流検出部１０６が接続されている。バッテリ１９には、バッテリ電流値を検出するためのバッテリ電流検出部１０７が接続されている。インバータ２０には、インバータ電流値を検出するためのインバータ電流検出部１０８が接続されている。これらの検出部１０６乃至１０８、１１１によって検出される各電流値は、コントローラ３０に入力される。

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（ブレーキ機構）、及び旋回減速機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。

操作装置２６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及びレバー操作検出部としての圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、ショベルの電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このようなショベルは、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型ショベルである。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。

エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は変速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、ショベルの運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、電動（アシスト）運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機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。電動発電機１２の回転軸は変速機１３の他方の入力軸に接続される。

変速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が電動（アシスト）運転を行い、電動発電機１２の駆動力が変速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が変速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

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ポンプである。この油圧は、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、及びバケットシリンダ９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、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧をオペレータの操作入力に応じて制御する。コントロールバルブ１７は、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。オペレータの操作入力は、キャビン１０内の運転席に着座しながらレバーを操作する手動操作、又は、遠隔地からの遠隔操作によって行われる。

コントローラ３０は、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速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。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を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と昇降圧コンバータ１００との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２を電動運転している際には、必要な電力をバッテリ１９と昇降圧コンバータ１００からＤＣバス１１０を介して電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２を発電運転している際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス１１０及び昇降圧コンバータ１００を介してバッテリ１９に充電する。図２には、旋回用電動機（１台）及びインバータ（１台）を含む実施の形態を示すが、その他マグネット機構や旋回機構部以外の駆動部として備えることで、複数の電動機及び複数のインバータをＤＣバス１１０に接続するようにしてもよい。

バッテリ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してインバータ１８及びインバータ２０に接続されている。バッテリ１９は、電動発電機１２の電動（アシスト）運転と旋回用電動機２１の力行運転との少なくともどちらか一方が行われている場合に、電動（アシスト）運転又は力行運転に必要な電力を供給するための電源である。また、バッテリ１９は、電動発電機１２の発電運転と旋回用電動機２１の回生運転の少なくともどちらか一方が行われている場合に、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。

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バッテリ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、バッテリ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替制御を行い、これによりバッテリ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替制御は、バッテリ電流検出部１０７によって検出されるバッテリ電流値に基づき、コントローラ３０によって行われる。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサである。具体的には、レゾルバ２２は、旋回用電動機２１と機械的に連結することで旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出する。これにより、レゾルバ２２は、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出することにより、上部旋回体３の回転角度及び旋回方向が導出される。また、図２にはレゾルバ２２を取り付けた形態を示すが、電動機の回転センサを有しないインバータ制御方式を用いてもよい。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令信号に基づき、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。これによって、上部旋回体３を保持する。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構２に機械的に伝達する減速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力として上部旋回体３へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、上部旋回体３で発生した回転を増速して旋回用電動機２１に機械的に伝達することができる。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）をオペレータの操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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内の油圧が制御される。これによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

レバー操作検出部としての圧力センサ２９は、操作装置２６の操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化を検出する。そして、圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。これにより、操作装置２６に入力される操作量を的確に把握することができる。また、ここでは、レバー操作検出部としての圧力センサを用いるハイブリッド型ショベルについて説明するが、操作装置２６に入力される旋回機構２を旋回させるための操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。

次に、旋回駆動装置４０の制御機構について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１に示すショベルに搭載される旋回駆動装置の制御機構を示すブロック図である。

図３に示すように、旋回用電動機２１には、メカニカルブレーキ２３を間に挟んで旋回減速機２４が接続される。メカニカルブレーキ２３は、ブレーキディスク６０、ブレーキプレート６２、ピストン６４、スプリング６６、及びシリンダ６８を含んで構成される。ブレーキディスク６０の上下両側には、ブレーキプレート６２が配置されている。ブレーキが作動状態にあるときは、ピストン６４はスプリング６６により押圧されて常に上側のブレーキプレート６２に押し付けられている。上側のブレーキプレート６２がピストン６４により押圧されると、ブレーキディスク６０は上下のブレーキプレート６２により挟まれて押圧される。ブレーキディスク６０が上下のブレーキプレート６２により挟まれて押圧されることで、ブレーキディスク６０の回転を阻止しようとするブレーキ力がブレーキディスク６０に作用する。そして、油圧ライン５７を介してシリンダ６８に、パイロットポンプ１５から作動油を供給すると、ピストン６４が作動油の油圧により押し上げられて、ブレーキプレート６２を押圧する力が無くなり、ブレーキは解除される。パイロットポンプ１５は、電磁比例弁５０を介して、油圧ライン５７によって、シリンダ６８に接続されている。

コントローラ３０は、オペレータの操作入力に応じて電磁比例弁５０の制御を行う。具体的には、オペレータが、旋回用電動機２１を回転させる旋回用レバー２６Ａを操作し上部旋回体３を旋回させる場合、オペレータの操作入力に基づき、コントローラ３０は、電磁比例弁５０に対し指令信号を送信する。この指令信号に対応して電磁比例弁５０が制御される。オペレータによる旋回用レバー２６Ａの操作とは、旋回用レバー２６Ａを中立位置から左旋回方向又は右旋回方向の何れかの方向に傾倒させる場合の操作のことをいう。この場合には、上部旋回体３が左右何れかの方向に旋回されることになるため、コントローラ３０から電磁比例弁５０に対し指令信号を送信し、電磁比例弁５０の弁開度を開状態とする。電磁比例弁５０の弁開度が開状態となると、油圧ライン５７を介してシリンダ６８に、パイロットポンプ１５からの作動油が供給されるため、メカニカルブレーキ２３が解除される。これに対し、オペレータが旋回用レバー２６Ａを中立位置に戻し、上部旋回体３の旋回を停止させる場合には、コントローラ３０から電磁比例弁５０への指令信号は解除され、電磁比例弁５０の弁開度が閉状態となる。この場合は、シリンダ６８への作動油の供給は遮断され、メカニカルブレーキ２３が作動することになる。

メカニカルブレーキ２３の作動は、旋回用電動機２１の回生による制動の途中で行ってもよいし、同時であってもよい。旋回用電動機２１の回生による制動により発電された電力が十分であると判断されてから、メカニカルブレーキ２３を作動させてもよい。コントローラ３０は、電磁比例弁５０への指令信号のタイミングを制御することができる。

ここで、コントローラ３０によるレバー操作の状況の判断は、コントローラ３０に所定周期毎に入力されるレバーの操作量に基づいて行われる。具体的には、前回のレバーの操作量と現在のレバーの操作量を比較することにより判断する。例えば、レバーの操作量を中立位置からの傾倒量と定義する。中立位置のレバーの操作量をゼロとし、前回のレバーの操作量と現在のレバーの操作量を導出する。これによって、レバー操作の状況を判断する。

次に、メカニカルブレーキ２３を作動させるタイミングについて、図５を参照しながら説明する。図４は、図３に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理を説明するフローチャートである。

図４に示すように、上部旋回体３の旋回速度Ｖが第１速度Ｖａ以下の低速になったときに（ステップＳ１のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３が作動するように制御してもよい（ステップＳ２）。上部旋回体３の旋回速度Ｖが第１速度Ｖａ以下になるまでは（ステップＳ１のＮＯ）、メカニカルブレーキ２３を解除の状態とする（ステップＳ３）。すなわち、上部旋回体３の旋回速度Ｖが第１速度Ｖａを超えて旋回しているときには、メカニカルブレーキ２３を解除の状態とする。このように、最初は旋回用電動機２１の回生による制動を行い、上部旋回体３の旋回速度Ｖが低速になった時点で、メカニカルブレーキ２３を補助的に作動させてもよい。

本構成によれば、メカニカルブレーキ２３が摩耗するのを低減することができる。旋回用レバー２６Ａを中立位置に戻した時点で、既に、上部旋回体３の旋回速度Ｖが第１速度Ｖａ以下の低速である場合には、メカニカルブレーキ２３を用いずに、旋回用電動機２１の回生による制動のみによって、上部旋回体３の旋回を停止させてもよい。

なお、メカニカルブレーキ２３の作動のタイミングは、旋回速度Ｖによって行う場合に限られない。所定時間の経過後に、メカニカルブレーキ２３を作動させる構成としてもよい。

上述のように、メカニカルブレーキ２３の制動力を設定することにより、上部旋回体３が相対的に早い状態から減速を開始する場合に、メカニカルブレーキ２３を併用する。これによって、上部旋回体３を早く減速することができる。

また、上部旋回体３が相対的に遅く旋回している場合は、メカニカルブレーキ２３を併用させない。このように、上部旋回体３の旋回速度によって、メカニカルブレーキ２３の作動、非作動を行うことにより、メカニカルブレーキ２３の寿命が向上するとともに、回生による制動より早く停止することが可能となる。また、油圧モータで旋回を行う油圧ショベルの停止感にマッチングすることができる。このように、或る速度Ｖａ（所定値）を条件に、メカニカルブレーキの作動、非作動（解除）を切り換えるという簡易な制御によっても、油圧モータで旋回を行う油圧ショベルの停止感にマッチングすることができる。

このように、上部旋回体３を停止させる際に、旋回用電動機２１の回生による制動に、メカニカルブレーキ２３による制動を補助ブレーキとして用いることによって、上部旋回体３の停止を速やかに行うことができる。

図５は、図１に示すショベルに搭載される旋回駆動装置の制御機構の変形例を示すブロック図である。

本実施形態に係るハイブリッド型ショベルに搭載されるメカニカルブレーキ２３は、制動力を調整することができる。この調整は、電磁比例弁５０の弁開度を調整してパイロットポンプ１５からシリンダ６８への作動油の供給量を制御することによって行う。これにより、スプリング６６がブレーキプレート６２を押圧する力を調整する。所望の押圧力に対応する作動油がシリンダ６８内に供給された場合は、電磁比例弁５０の弁開度を閉状態にする。図５に示すように、電磁比例弁５０とシリンダ６８を接続する油圧ライン５７には圧力センサ５２が設けられている。所望の作動油量がシリンダ６８内に供給されたか否かは、この圧力センサ５２の検出値に基づきコントローラ３０が判断する。圧力センサ５２の検出値に基づき、所望の押圧力に対応する作動油量がシリンダ６８内に供給されたことを、コントローラ３０が判断する場合は、電磁比例弁５０への指令信号を解除して弁開度を閉状態にする。

旋回用電動機２１にはレゾルバ２２が接続されており、レゾルバ２２からの出力信号により検出される上部旋回体３の実際の旋回速度Ｖに基づき、メカニカルブレーキ２３の制動力を複数の制動力に制御することができる。詳細は後述する。

本構成を有することにより、メカニカルブレーキ２３を複数の制動力に制御することができる。この制動力は、上部旋回体３の旋回速度Ｖに応じて連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。

また、パイロットポンプ１５から油圧ライン５７を介してシリンダ６８内に供給される作動油の圧力を制御することにより、旋回用電動機２１の回生による制動に加えて、摩擦トルクを徐々に発生させることもできる。シリンダ６８内に供給される作動油の圧力は、コントローラ３０からの指令信号によって、電磁比例弁５０の弁開度を制御することにより行う。例えば、メカニカルブレーキ２３のブレーキプレート６２周辺の潤滑油の温度を温度センサ（不図示）により計測し、温度センサの検出値に基づく粘性の変化から摩擦トルクの変化を演算し、その演算結果に基づき、電磁比例弁５０の弁開度を制御する。この演算は、コントローラ３０のＣＰＵにより行う。

続いて、図５の実施形態に係る旋回駆動装置４０'のコントローラ３０の制御処理について、図６を参照しながら説明する。図６は、図５に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理の一例を説明するフローチャートである。

減速時に、旋回速度Ｖが第２速度Ｖｘ以上であるか否かの判断が行われる（ステップＳ１１）。

そして、旋回速度Ｖが第２速度Ｖｘ以上であると判断される場合には（ステップＳ１１のＹＥＳ）、コントローラ３０によって、旋回速度Ｖが第３速度Ｖｙ（＞Ｖｘ）以上であるか否かの判断が行われる（ステップＳ１２）。旋回速度Ｖが第３速度Ｖｙ以上、の高速で旋回している場合は（ステップＳ１２のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３の制動力を強く設定して強い制動力を発生させる（ステップＳ１５）。一方、旋回速度Ｖが第２速度Ｖｘ未満である場合は（ステップＳ１１のＮＯ）、メカニカルブレーキ２３の制動力を弱く設定して弱い制動力を発生させる（ステップＳＳ１３）。

なお、旋回速度Ｖが第２速度Ｖｘ以上で第３速度Ｖｙよりも小さい場合には（ステップＳ１１のＹＥＳ、ステップＳ１２のＮＯ）、メカニカルブレーキ２３を中程度に設定して中程度の制動力を発生させる（ステップＳ１４）。

このように、上部旋回体３の旋回速度Ｖに応じて、メカニカルブレーキ２３の制動力を複数の制動力に制御可能な構成にしてもよい。これによって、旋回速度Ｖに応じた適切な制動力を得ることができる。このように、上部旋回体３の速度に応じて、メカニカルブレーキ２３の制動力を可変に制御してもよい。メカニカルブレーキ２３の制動力は、圧力によって制御する。

なお、本フローチャートにおいては、上部旋回体３の旋回速度Ｖに応じて、３段階に制動力を設定する場合を例示して説明したが、この構成には限定されない。３段階以上に制動力を設定してもよいし、制動力を無段階に設定してもよい。さらに、段階的ではなく、旋回速度Ｖに応じて連続的に制動力を設定してもよい。

また、本発明は、上部旋回体３の旋回速度に基づいて、メカニカルブレーキ２３の制動力を設定する場合に限定されない。旋回用電動機２１の回転速度、関連する２次的な情報等に基づいて、メカニカルブレーキ２３の制動力を設定する構成としてもよい。なお、本実施形態においては、制動力が固定されているメカニカルブレーキ２３を除外するものではない。

次に、図５の実施形態に係る旋回駆動装置４０'のコントローラ３０の制御処理の別の例について、図７を参照しながら説明する。図７は、図５に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理の変形例を説明するフローチャートである。

本実施形態に係るショベルは、上部旋回体３を駆動させる旋回用レバーの操作と旋回情報に応じて、メカニカルブレーキ２３の作動及び非作動を切り換えることができる。こので、旋回情報には、上部旋回体３の旋回速度、旋回方向、旋回電動機２１の電流値情報等が含まれる。

以下では、上部旋回体３が旋回している場合において、オペレータが旋回用レバー２６Ａを上部旋回体３の旋回方向と逆方向まで操作した場合、所謂、逆ノッチ操作を行った場合について説明する。

まず、減速時に、旋回用レバー２６Ａが逆ノッチ操作されているか否かが判断される（ステップＳ２１）。逆ノッチ操作が行われていると判断する場合に（ステップＳ２１のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３を作動させる（ステップＳ２２）。逆ノッチ操作が行われているか否かは、上部旋回体３の旋回速度、旋回方向、旋回電動機２１の電流値情報等に基づいて、コントローラ３０が判断する。逆ノッチ操作により、旋回用レバー２６Ａを中立位置に戻すよりも、旋回用電動機２１の回生による制動が大きくなる。この回生による制動に、メカニカルブレーキ２３による制動が作用するため、より速やかに上部旋回体３を停止させることができる。

オペレータによって逆ノッチ操作が行われたか否かの判断は、上部旋回体３の回転角度及び旋回方向、又は前回のレバーの操作量に対する現在のレバーの操作量の変位を比較することによって行う。

コントローラ３０には、レゾルバ２２からの出力信号に基づき、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向が入力され、これによって、上部旋回体３の回転角度及び旋回方向が導出される。また、コントローラ３０には、旋回用レバー２６Ａの操作量に対応する電気信号が入力され、これによって、前回及び現在のレバーの操作量が導出される。

次に、図５の実施形態に係る旋回駆動装置４０'のコントローラ３０のさらに異なる制御処理について、図８を参照しながら説明する。図８は、図３に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理のさらなる変形例を説明するフローチャートである。

蓄電系に何等かの異常が生じた場合は蓄電系に旋回用電動装置の回生によるエネルギーを供給することは好ましくない。したがって、この場合にはメカニカルブレーキを作動させて、回生による蓄電系へのエネルギを減少させることが好ましい。尚、異常が生じた状態においてこのような制御を行うことも可能であるし、異常が生じうると予想される場合に、回生による蓄電系へのエネルギを減少させることにより、未然に異常を防止することができる。以下具体的に説明する。

コントローラ３０は、各部の電流値の監視を行っている。具体的には、コントローラ３０には、昇降圧コンバータ電流値Ｉｃ、バッテリ電流値Ｉｂ、インバータ電流値Ｉｖ、及びＤＣバス電流値Ｉｄがそれぞれ入力される。これによって、コントローラ３０は上記電流値を取得する（ステップＳ３１乃至Ｓ３４）。より詳細には、昇降圧コンバータ電流値Ｉｃは昇降圧コンバータ電流検出部１０６によって検出される（図２参照）。バッテリ電流値Ｉｂはバッテリ電流検出部１０７によって検出される（図２参照）。インバータ電流値Ｉｖはインバータ電流検出部１０８によって検出される（図２参照）。ＤＣバス電流値ＩｄはＤＣバス電流検出部１１１によって検出される（図２参照）。

そして、上記電流値のうち、何れかの電流値が許容電流値を超えている場合に、メカニカルブレーキ２３を作動させる（ステップＳ３９）。例えば、まず、Ｉｃが昇降圧コンバータ１００の許容電流値Ｉｃａを超えているか否かが判断され（ステップＳ３５）、超えている場合には（ステップＳ３５のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３を作動させる。

ＩｃがＩｃａを超えていない場合には（ステップＳ３５のＮＯ）、Ｉｖがインバータ２０の許容電流値Ｉｖａを超えているか否かが判断され（ステップＳ３６）、超えている場合には（ステップＳ３６のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３を作動させる。

そして、ＩｖがＩｖａを超えていない場合には（ステップＳ３６のＮＯ）、Ｉｂがバッテリ１９の許容電流値Ｉｂａを超えているか否かが判断され（ステップＳ３７）、超えている場合には（ステップＳ３７のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３を作動させる。

そして、ＩｂがＩｖｂを超えていない場合には（ステップＳ３７のＮＯ）、ＩｄがＤＣバスの許容電流値Ｉｄａを超えているか否かが判断され（ステップＳ３８）、超えている場合には（ステップＳ３８のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３を作動させる。

このように、昇降圧コンバータ１００、バッテリ１９、インバータ２０、及びＤＣバス１１０の電流値の確認に優先順位を任意に付けて、確認を行うことができる。

上記電流値のうち何れかの電流値に異常がある場合には、上部旋回体３を速やかに停止させることができる。これによって、旋回用電動機２１等に過剰な電流が供給され続けるのを未然に防止することができる。

上記電流値異常によるメカニカルブレーキ２３の作動は、旋回用レバー２６Ａの操作量Ｘの如何にかかわらず実行される。

また、蓄電系（蓄電装置、コンバータ、ＤＣバスを含む）については電圧も監視している。蓄電装置の電圧及びＤＣバスの電圧である。コンバータがDCバスの電圧が所定範囲に入るように電圧制御を行う。しかし、コンバータがエネルギを吸収できない状態にあったり、過渡的に発DCバス電圧が高い状態になることがある。（たとえば、アシストモータが発電した場合）このようなDCバスの電圧が高い状態であって、旋回モータから回生エネルギを受けると、許容電圧を超えてしまうと判断される場合に、メカニカルブレーキを作動させる。DCバスに流入する回生エネルギが減少し、許容電圧内に収めることが可能になる。蓄電装置（キャパシタ）の電圧が高い場合も同様に考えられる。

このように、回生エネルギを吸収できない、または吸収する悪影響が出ると想定される合にメカ的にブレーキを加えることで回生エネルギを減少させるという保護機能を備えると好ましい。

次に、図５の実施形態に係る旋回駆動装置４０'のコントローラ３０のさらに異なる制御処理について、図９を参照しながら説明する。図９は、図３に示す旋回駆動装置の制御機構の制御処理のさらなる変形例を説明するフローチャートである。

コントローラ３０はバッテリ１９の残存容量Ｑｂの監視を行っており、バッテリ１９の充電状態を判断することができる。

コントローラ３０には、バッテリ１９から直接、残存容量Ｑｂが入力される。これによって、コントローラ３０は、バッテリ１９の残存容量Ｑｂを取得する（ステップＳ４１）。次いで、コントローラ３０は、バッテリ１９が満充電状態であるか否か、の判断を行う。具体的には、コントローラ３０において、バッテリ１９の残存容量Ｑｂが所定値（閾値）以上であるか否か、の判断が行われる。（ステップＳ４２）。そして、バッテリ１９の残存容量Ｑｂが所定値以上の場合は最大蓄電容量Ｑｂａに達していると判断し（ステップＳ４２のＹＥＳ）、メカニカルブレーキ２３を作動させる（ステップＳ４３）。旋回用電動機２１の回生電力をバッテリ１９に蓄電することができないため、旋回用電動機２１の回生による制動を行うことなく、メカニカルブレーキ２３を作動させて上部旋回体３を停止させる。

以上の通り、蓄電系の管理情報に基づいてメカニカルブレーキを動作させることで、蓄電系を保護することができる。

また、バッテリ１９の残存容量Ｑｂではなく、バッテリ１９の電圧値の監視を行ってもよい。
図１０は、図１に示すショベルに搭載される上部旋回体の速度波形の一例を示す図である。横軸は、時間Ｔを示し、縦軸は、上部旋回体３の旋回速度Ｖを示す。実線部は、時間に対する本実施形態の速度波形の推移を示し、破線部は、時間に対する本実施形態に係る旋回駆動装置の制御機構を用いない場合の速度波形の推移を示す。

オペレータが旋回用レバー２６Ａを徐々に傾倒させて、時刻Ｔ０から上部旋回体３の旋回速度Ｖが上昇していき、速度Ｖ１になった時点で減速させて、上部旋回体３を停止させる場合について説明する。

本実施形態に係る旋回駆動装置の制御機構を用いない場合、すなわち、旋回用電動機２１の回生により上部旋回体３の制動を行う場合、図１０の破線部に示すように、上部旋回体３は時刻Ｔ２で停止する。これに対し、本実施形態に係る旋回駆動装置の制御機構を用いる場合は、図１０の実線部に示すように、上部旋回体３は時刻Ｔ１で停止させることができる。

旋回用電動機２１の回生による制動に、メカニカルブレーキ２３による制動を補助ブレーキとして用いることにより、上部旋回体３の停止を速やかに行うことができる。

以上、ハイブリッド型ショベルに設けられる旋回駆動装置を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

本実施形態では、ブレーキ機構として、ブレーキの解除又は作動を油圧によって切り換えるメカニカルブレーキ２３を設けた旋回駆動装置を例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、図１１に示す旋回駆動装置４０''のように、比例ソレノイド７０によって、上側のブレーキプレート６２をブレーキディスク６０に押し付ける構成としたブレーキであってもよい。この場合には、コントローラ３０はレゾルバ２２からの検出信号に基づき上部旋回体３の旋回速度Ｖを取得し、その旋回速度Ｖに適切な押し付け力Ｆになるようにプランジャ７２の飛び出し量を制御する。これにより、旋回速度Ｖに応じた適切な押し付け力Ｆをブレーキプレート６２に付与することができる。

プランジャ７２の飛び出し量やブレーキプレート６２の変位を検知する位置センサ７１によって、ブレーキの制動力を演算し、上部旋回体３の旋回速度Ｖに応じて、この押し付け力Ｆを制御し複数の制動力に制御してもよい。或いは、比例ソレノイド７０の押し付け力を検知するフォースセンサによってブレーキの制動力の検知を直接行い、複数の制動力に制御してもよい。なお、これらのセンサに限定されず、ブレーキの制動力を検出できれば、センサの種類は問わない。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 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
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、２０ インバータ
１９ バッテリ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ（ブレーキ機構）
２４ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
３１ 速度指令変換部
３２ 駆動制御装置
４０、４０'、４０'' 旋回駆動装置
５０ 電磁比例弁
５２ 圧力センサ
１００ 昇降圧コンバータ
１０６ コンバータ電流検出部
１０７ バッテリ電流検出部
１０８ インバータ電流検出部
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電流検出部

Claims (8)

1. 旋回体と、
   該旋回体を旋回駆動する旋回用電動機と、
   前記旋回体を制動するためのブレーキ機構と
   前記旋回用電動機と前記ブレーキ機構の制御を行い、前記旋回用電動機を回生制動させながら前記ブレーキ機構を作動させることにより前記旋回体を減速させる制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際に、前記旋回体の速度に応じて、前記ブレーキ機構の作動又は非作動の切替、及び、制動力の掛け具合の調整を行う、ショベル。
2. 前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際、前記旋回体の速度が所定以下である場合に、前記ブレーキ機構を作動させる、請求項１に記載のショベル。
3. 前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際、前記ブレーキ機構の制動力を、前記旋回体の速度が高くなるほど大きくなるように調整する、請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際、前記旋回体を駆動させる旋回用レバーの操作と旋回情報とに応じて、前記ブレーキ機構を作動させる、請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
5. 前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際、前記旋回体を駆動させる旋回用レバーが、前記旋回体の旋回方向と逆方向に操作されたことを判断した場合に、前記ブレーキ機構を作動させる、請求項４に記載のショベル。
6. 蓄電装置と、
   該蓄電装置の充放電を制御するコンバータと、
   該コンバータに接続されたＤＣバスに接続され前記旋回用電動機を駆動するインバータと、を備え、
   前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際、蓄電系の管理情報に基づいて前記ブレーキ機構を作動させる、請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
7. 前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際、前記蓄電装置の残存容量または電圧値が所定値以上である場合に、前記ブレーキ機構を作動させる、請求項６に記載のショベル。
8. 前記制御装置は、前記旋回体を減速させる際、前記ＤＣバスの電圧が所定値以上である場合に、前記ブレーキ機構を作動させる、請求項７に記載のショベル。

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