JP6522458B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は旋回減速機を備える建設機械に関する。

エンジンの暖機と同時に蓄電器を暖機する建設機械が知られている（特許文献１参照。）。

特開２０１３−５２８６６号公報

しかしながら、上述の建設機械は、暖機後に作業を開始するも、旋回減速機内の潤滑油の温度が低くその粘性が高い場合に通常時と比べて操作特性が変化してしまう。

上述に鑑み、暖機が終了した後に直ちに旋回駆動系を違和感なく操作できる建設機械を提供することが望まれる。

本発明の実施例に係る建設機械は、下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体を旋回駆動する旋回用電動機と、前記旋回用電動機の回転を減速する旋回減速機と、前記旋回用電動機を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、エンジンの暖機、油圧系の暖機、及びキャパシタの暖機のうちの少なくとも１つを実行させ、同時に、前記旋回用電動機を動作させ或いは発熱させて前記旋回減速機内の潤滑油を温める。

上述の手段により、暖機が終了した後に直ちに旋回駆動系を違和感なく操作できる建設機械が提供される。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 図１に示すショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。 旋回駆動装置の構成例を示すブロック図である。 旋回駆動装置の部分断面図である。 暖機処理の一例の流れを示すフローチャートである。 旋回用電動機を流れる三相電流のそれぞれの時間的推移を示す図である。 旋回駆動装置の部分断面図である。 冷却系の構成例を示す図である。 旋回用電動機における回転磁界を発生させる三相合成電流と電流位相角との関係を示す概略図である。 旋回用電動機が発生させる発生トルクと電流位相角との関係を示す図である。 各相の直流励磁電流の時間的推移を示す図である。

図１は本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルの側面図である。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、バケット６は、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は図１に示すショベルの駆動系の構成例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い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い実線でそれぞれ示されている。

エンジン１１と電動発電機１２は変速機１３の２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のメインポンプ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、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。右側走行用油圧モータ１Ａ、左側走行用油圧モータ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、キャパシタ１９及び昇降圧コンバータ１００を含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。蓄電系１２０にはインバータ２０を介して旋回用モータ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の出力軸２１ｂにはレゾルバ２２及び旋回減速機２４が接続される。旋回減速機２４は比較的高い減速比（例えば１／２００）を有する。旋回減速機２４の出力軸２４Ａにはメカニカルブレーキ２３が接続される。旋回用電動機２１と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回減速機２４とにより、負荷駆動系として旋回駆動装置４０が構成される。なお、電流計２１Ａは、旋回用電動機２１を流れる電流を検出する装置であり、制御弁２３Ａは、パイロットポンプ１５の吐出圧を用いるメカニカルブレーキ２３の作動・解除を切り替える電磁弁である。また、温度計２４Ｓは旋回減速機２４の温度を検出する装置であり、例えば、旋回減速機２４内の潤滑油の温度を検出するバイメタル式温度計である。

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、操作装置２６の操作内容を圧力の形で検出する装置であり、検出値をコントローラ３０に対して出力する。

コントローラ３０はショベルの駆動制御を行う制御装置である。コントローラ３０は、例えば、ＣＰＵ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。

また、コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される旋回レバー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から供給される旋回レバー信号は、上部旋回体３を旋回させるために操作装置２６の１つである旋回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、蓄電系１２０の昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。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）に基づいて蓄電系１２０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を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

上述のような構成のショベルによる作業では、上部旋回体３を旋回駆動するために、インバータ２０を介して供給される電力により旋回用電動機２１が駆動される。旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転力は、旋回減速機２４を介して旋回減速機２４の出力軸（旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａ）に伝達される。

図３は旋回駆動装置４０の構成例を示すブロック図である。上述のように、旋回駆動装置４０は、駆動源としての三相交流モータ（例えばＩＰＭモータ）である旋回用電動機２１を含む。旋回用電動機２１の出力軸側には旋回減速機２４として遊星減速機が接続される。

旋回減速機２４は、１段目（高速段）の旋回減速機２４−１と２段目（低速段）の旋回減速機２４−２とを含む。２段目の旋回減速機２４−２はメカニカルブレーキ２３（ディスクブレーキ）を間に挟んで１段目の旋回減速機２４−１に組み付けられる。但し、メカニカルブレーキ２３は、２段目の旋回減速機２４−２の出力軸（旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａ）のところに配置されてもよい。

１段目の旋回減速機２４−１の出力軸にはメカニカルブレーキ２３としてのディスクブレーキが設けられ且つ２段目の旋回減速機２４−２の入力軸に結合される。２段目の旋回減速機２４−２の出力軸は旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａとなる。出力軸４０Ａに結合される出力ギアは旋回機構２のリングギアに接続され、出力軸４０Ａの回転力により旋回機構２が回転駆動される。なお、旋回減速機２４は１段構成であってもよく、３段以上の構成であってもよい。

図４は旋回駆動装置４０のうち、旋回減速機２４及びメカニカルブレーキ２３を構成する部分の断面図である。１段目の旋回減速機２４−１を構成する遊星減速機の太陽歯車４２は旋回用電動機２１の出力軸２１ｂに固定されている。太陽歯車４２は複数の遊星歯車４４に噛合している。各遊星歯車４４は、旋回減速機２４−１の出力軸を構成する遊星キャリア４６に回転可能に支持されている。遊星キャリア４６は、ギアケース７２に対して、ベアリング５８を介して回転可能に支持されている。そして、各遊星歯車４４は、ギアケース７０の内面に形成された内歯歯車４８に噛合している。同様に、２段目の旋回減速機２４−２を構成する遊星減速機の太陽歯車８２は、旋回減速機２４−１の遊星キャリア４６に固定されている。太陽歯車８２は複数の遊星歯車８４に噛合している。各遊星歯車８４は、旋回減速機２４−２の出力軸を構成する遊星キャリア８６に回転可能に支持されている。遊星キャリア８６は、旋回減速機２４の出力軸（旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａ）を構成し、ベアリング５９を介してギアケース７４に回転可能に支持されている。そして、各遊星歯車８４は、ギアケース７４の内面に形成された内歯歯車８８に噛合している。

また、旋回減速機２４は、各歯車を潤滑するための潤滑油ＬＢ１が、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ｅ、ギアケース７０、７２、及び７４、並びに、遊星キャリア８６（出力軸４０Ａ）によって密閉される構造を有する。

旋回用電動機２１の出力軸２１ｂが回転して太陽歯車４２が回転すると、遊星歯車４４が回転（自転）する。遊星歯車４４はギアケース７０の内面に形成された内歯歯車４８に噛合しており、遊星歯車４４の回転力で内歯歯車４８が形成されたギアケース７０が回転しようとする。ところが、ギアケース７０は旋回用電動機２１のエンドプレート２１ｅに固定されているので回転できない。その結果、遊星歯車４４を支持しながら自ら回転可能に支持されている遊星キャリア４６が回転する。

遊星キャリア４６が回転して太陽歯車８２が回転すると、遊星歯車８４が回転（自転）する。遊星歯車８４はギアケース７４の内面に形成された内歯歯車８８に噛合しており、遊星歯車８４の回転力で内歯歯車８８が形成されたギアケース７４が回転しようとする。ところが、ギアケース７４はギアケース７２、７０を介してエンドプレート２１ｅに固定されているので回転できない。その結果、遊星歯車８４を支持しながら自ら回転可能に支持されている遊星キャリア８６が回転する。

以上のような歯車作用により、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転が減速されて出力軸４０Ａから出力される。

メカニカルブレーキ２３は、主にブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２で構成され、ギアケース７２と遊星キャリア４６との間に配置される。

ブレーキプレート６２は、ブレーキディスク６０の上下両側に配置される。上側のブレーキプレート６２の上には、ピストン６４が、遊星キャリア４６の回転軸方向に移動可能な状態で配置されている。ピストン６４はスプリング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、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。また、ブレーキディスク６０は遊星キャリア４６に対して回転できないように接続されている。そのため、ブレーキディスク６０に作用するブレーキ力が遊星キャリア４６に加わるブレーキ力となる。

ピストン６４とギアケース７２との間には、作動油を供給可能な油圧空間が形成され、油圧空間にブレーキ解除ポートが接続されている。パイロットポンプ１５からブレーキ解除ポートを介して油圧空間に作動油を供給すると、ピストン６４が作動油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。

次に、コントローラ３０による暖機について説明する。コントローラ３０は、例えば、エンジン１１の暖機、油圧系の暖機、及びキャパシタ１９の暖機のうちの少なくとも１つを行うと同時に旋回減速機２４の暖機を行う。エンジン１１の暖機はエンジン１１をアイドリングさせることで実行される。油圧系の暖機はメインポンプ１４から作動油を吐出させることで実行される。キャパシタ１９の暖機はキャパシタ１９を充放電させることで実行される。旋回減速機２４の暖機は旋回用電動機２１を動作させることで実行される。

また、コントローラ３０は、図２に示すように、旋回制御部３１、暖機要否判定部３２、及び暖機制御部３３を機能要素として含む。

旋回制御部３１は旋回用モータの動きを制御する機能要素である。旋回制御部３１は、例えば、旋回操作に基づく旋回指令をインバータ２０に対して出力する。具体的には、圧力センサ２９が検出する旋回レバーの操作量に応じてインバータ２０に対する電流指令の大きさを決定する。

暖機要否判定部３２は、例えば、外気温、作動油温、エンジン冷却水温、旋回減速機２４に関する温度等が所定温度以下の場合に暖機を行う必要があると判定する。

暖機制御部３３は、暖機を開始させた後、所定の終了条件が満たされた場合に暖機（旋回減速機２４の暖機を含む。）を終了させる。例えば、エンジン１１の暖機を実行している場合にはエンジン１１の温度が所定温度に達したときにその暖機を終了させる。或いは、キャパシタ１９の暖機を実行している場合にはキャパシタ１９の温度が所定温度に達したときにその暖機を終了させる。また、暖機を開始させてから所定時間が経過したときにその暖機を終了させてもよい。

［実施例１］
ここで、図５を参照し、コントローラ３０が必要に応じて暖機を実行する処理（以下、「暖機処理」とする。）について説明する。図５は暖機処理の一例の流れを示すフローチャートである。コントローラ３０は、ショベルを起動したときにこの暖機処理を実行する。

最初に、コントローラ３０の暖機要否判定部３２は、暖機を行う必要があるかを判定する（ステップＳ１）。暖機要否判定部３２は、外気温、作動油温、エンジン冷却水温、旋回減速機２４に関する温度（例えば旋回減速機２４内の潤滑油の温度）等の少なくとも１つが所定温度以下の場合に暖機を行う必要があると判定する。例えば、エンジン冷却水温が所定温度以下の場合にエンジン１１、油圧系、キャパシタ１９、及び旋回減速機２４の暖機を行う必要があると判定する。なお、エンジン１１、油圧系、及びキャパシタ１９のそれぞれの暖機を行う必要があるかを個別に判定してもよい。例えば、エンジン冷却水温が所定温度以下の場合にエンジン１１の暖機を行う必要があると判定してもよく、作動油温が所定温度以下の場合に油圧系の暖機を行う必要があると判定してもよく、潤滑油の温度が所定温度以下の場合に旋回減速機２４の暖機を行う必要があると判定してもよい。

暖機を行う必要があると判定した場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントローラ３０の暖機制御部３３は暖機を開始させる（ステップＳ２）。本実施例では、暖機制御部３３は、例えば、エンジン１１、油圧系、キャパシタ１９、旋回減速機２４の何れか１つの暖機を行う必要があると判定した場合、エンジン１１の暖機、油圧系の暖機、及びキャパシタ１９の暖機を開始させると同時に旋回減速機２４の暖機を開始させる。

暖機を行う必要がないと判定した場合（ステップＳ１のＮＯ）、コントローラ３０は、暖機を開始させることなく、暖機処理を終了させる。

また、暖機制御部３３は、暖機を開始させた後で所定の終了条件が満たされた場合にその暖機を終了させる。例えば、暖機制御部３３は、エンジン１１の温度が所定温度に達したときにエンジン１１、油圧系、キャパシタ１９、及び旋回減速機２４の暖機を終了させる。なお、暖機制御部３３は、エンジン１１、油圧系、キャパシタ１９、旋回減速機２４のそれぞれの終了条件を個別に判断し、それぞれの暖機を個別に終了させてもよい。また、エンジン１１、油圧系、及びキャパシタ１９の何れかの暖機を終了させると同時に旋回減速機２４の暖機を終了させてもよい。

上述の構成により、コントローラ３０は、エンジン１１、油圧系、及びキャパシタ１９のうちの少なくとも１つの暖機の終了時に旋回減速機２４内の潤滑油を温まった状態（低粘度状態）にすることができる。そのため、暖機終了後に直ちに操作者が旋回駆動系を違和感なく操作できるようにする。

［実施例２］
次に、図６を参照し、旋回減速機２４内の潤滑油を攪拌して温めるための動作の一例である旋回用電動機２１の往復回転について説明する。なお、図６は旋回用電動機２１を流れる三相電流のそれぞれの時間的推移を示す図であり、Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流の時間的推移をそれぞれ実線、点線、一点鎖線で表す。また、図６の例では、時刻ｔ１において旋回用電動機２１の動作が開始した場合を想定する。

コントローラ３０は、三相のモータ励磁電流のそれぞれの往復励磁を所定の回転角度範囲で行う。所定の回転角度範囲は、モータ軸の回転角度（機械角）の範囲であり、例えば、３６０度を磁極数で除した値（電気角で１８０度に対応する機械角）以上の範囲である。例えば磁極数が８極の場合、暖機制御部３３は、往復回転開始時のモータ回転角度から４５度だけ旋回用電動機２１の回転子を一方向に回転させた後、逆方向に４５度回転させる。その結果、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流を電気角で１８０度以上推移させることで往復回転中の三相電流のそれぞれの積算値を平準化でき、熱バランスを改善できる。すなわち、旋回用電動機２１の回転位置をずらすことで、三相コイルの何れかに発熱（ジュール損失）が集中せず、局所的な発熱によるコイルの損傷を抑制できる。なお、所定の回転角度範囲は、所定の２つのギアの間のバックラッシュ分であってもよく、そのバックラッシュ分にギアの弾性変形分を加えた範囲であってもよい。例えば、出力軸４０Ａに結合される出力ギアと旋回機構２のリングギアとの間のバックラッシュ分であってもよく、そのバックラッシュ分にギアの弾性変形分を加えた範囲であってもよい。その結果、上部旋回体３の旋回角度を変化させずに往復回転を実行できる。これにより、コントローラ３０は、旋回用電動機２１を動作（回転）させて旋回減速機２４を暖機させつつも（潤滑油を攪拌させつつも）上部旋回体３を動作（旋回）させないようにすることができる。また、所定の回転角度範囲は、ブレーキディスク６０と共に回転する被駆動ギアとその被駆動ギアを駆動する駆動ギアとの間のバックラッシュ分であってもよく、そのバックラッシュ分にギアの弾性変形分を加えた範囲であってもよい。この場合、メカニカルブレーキ２３は望ましくは作動状態とされる。上部旋回体３の固定を確実にするためである。これにより、メカニカルブレーキ２３に負荷が加わることも防止でき、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２の摩耗も防止できる。

具体的には、暖機制御部３３は、時刻ｔ２において往復回転開始後のモータ回転角度が４５度に達すると三相のモータ励磁電流のそれぞれの推移パターンを反転させる。具体的には、三相のモータ励磁電流のそれぞれが時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間で辿った推移パターンを逆行するように三相のモータ励磁電流のそれぞれを推移させる。その結果、旋回用電動機２１は逆方向への回転を開始する。そして、時刻ｔ３において逆回転開始後のモータ回転角度が４５度に達してモータ回転角度が往復回転開始時のモータ回転角度に戻ると、三相のモータ励磁電流のそれぞれの推移パターンを再び反転させる。具体的には、三相のモータ励磁電流のそれぞれが時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間で辿った推移パターンを逆行するように、すなわち、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間で辿った推移パターンと同じように三相のモータ励磁電流のそれぞれを推移させる。そして、時刻ｔ４において再反転後のモータ回転角度が４５度に達すると三相のモータ励磁電流のそれぞれの推移パターンをさらに反転させる。このように、暖機制御部３３は、所定の回転角度毎に三相のモータ励磁電流のそれぞれの推移パターンを反転させる。そして、所定の終了条件が満たされるまでその往復回転を継続させる。

この往復回転により、コントローラ３０は、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂと一体的に回転する旋回減速機２４−１の太陽歯車４２を所定の回転角度範囲で往復回転させる。そして、太陽歯車４２と遊星歯車４４とのかみ合いによる摩擦熱によって太陽歯車４２及びその周辺の温度を上昇させることができる。また、太陽歯車４２の周囲に存在する潤滑油を攪拌して温めることができる。

また、所定の終了条件は適宜設定されるが、旋回系が十分な温度になったことを条件としてもよい。例えば、旋回用電動機２１を流れる三相電流の少なくとも１つの１往復回転分の積算値に基づいて決定されてもよい。この場合、暖機制御部３３は、１往復回転毎に、旋回用電動機２１を流れる三相電流のそれぞれの１往復回転分の積算値を導き出す。そして、１往復回転分の積算値の何れかが所定値以下となった場合に終了条件が満たされたとして旋回減速機２４の暖機を終了させてもよい。

また、暖機制御部３３は、上部旋回体３の旋回角度が短期的には変動しても長期的に見て変動しないように旋回用電動機２１を往復回転させてもよい。また、上部旋回体３の旋回角度が長期的に見て変動しないように往復回転の中心を移動させてもよい。

［実施例３］
次に図７を参照し、旋回用電動機２１が発生させた熱を利用して旋回減速機２４を暖機するための構成について説明する。図７は旋回駆動装置４０の部分断面図であり、図４に対応する。図７の構成は、エンドプレート２１ｅとギアケース７０とが周縁部ＭＴで嵌合するように構成される点、及び、エンドプレート２１ｅの少なくとも一部がアルミニウム、銅等の良熱伝導体ＨＴで構成される点において図４の構成と相違する。しかしながら、図７の構成はその他の部分で図４の構成と共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違点を詳細に説明する。

本実施例では、ギアケース７０は上端面の外縁に環状の凸部を有する。そして、エンドプレート２１ｅは、ギアケース７０の凸部とかみ合うようにその下端面の外縁に環状の凹部を有する。旋回用電動機２１と旋回減速機２４とが嵌合構造を介して互いに接触するこの構成は、エンドプレート２１ｅとギアケース７０の接触面積を増大させて旋回用電動機２１が発生させた熱の旋回減速機２４への伝達効率を高める効果をもたらす。なお、本実施例では、エンドプレート２１ｅとギアケース７０との嵌合は環状凸部と環状凹部の一対の組み合わせにより実現されるが、複数対の組み合わせで実現されてもよい。また、環状凸部がエンドプレート２１ｅに形成され且つ環状凹部がギアケース７０に形成されてもよい。また、環状構造以外の嵌合構造が採用されてもよい。

また、良熱伝導体ＨＴはエンドプレート２１ｅの下端面に埋め込まれている。旋回減速機２４内の潤滑油ＬＢ１と接触できるようにするためである。また、良熱伝導体ＨＴは嵌合構造のない中央部に埋め込まれている。嵌合構造がある部分の機械強度に悪影響を及ぼさないようにするためである。但し、エンドプレート２１ｅはその全体が良熱伝導体ＨＴで形成されてもよい。旋回用電動機２１が発生させた熱が良熱伝導体ＨＴを介して旋回減速機２４に伝達されるこの構成は、旋回用電動機２１が発生させた熱の旋回減速機２４及び潤滑油ＬＢ１への伝達効率を高める効果をもたらす。

そのため、コントローラ３０は、旋回用電動機２１を動作させることで旋回用電動機２１自身と旋回減速機２４を効率的に暖機することができる。なお、旋回用電動機２１の暖機は、旋回用電動機２１の制御性の変化を緩和或いは防止できる点でも有効である。旋回用電動機２１が低温状態（例えば−３０℃）にある場合、標準温度状態（例えば２０℃）にある場合に比べ、三相コイルのそれぞれの抵抗値が大きくなってしまうためである。また、低温状態にある場合には、旋回用電動機２１に取り付けられた電圧センサ、温度センサ等の各種センサが標準温度状態のときのようには動作せず、異常値を出力するおそれがあるためである。

また、コントローラ３０は、旋回用電動機２１を動作させて旋回減速機２４を暖機することでメカニカルブレーキ２３の作動・解除に用いる作動油を温めることができる。そのため、低温状態にあるメカニカルブレーキ２３をより早期に解除できる。

次に図８を参照し、旋回用電動機２１が発生させた熱を利用して旋回減速機２４を暖機するための別の構成である冷却系９０について説明する。図８は冷却系９０の構成例を示す図である。冷却系９０は、通常、各種機器の冷却に用いられるシステムであり、主に、冷却液ポンプ９１、ラジエータ９２、冷却液タンク９３、及び冷却管９４を含む。本実施例では、旋回減速機２４の暖機のためにこの冷却系９０を利用する。

冷却液ポンプ９１は、冷却液タンク９３に蓄えられた冷却液を吸い込んで吐出し、冷却管９４で構成される冷却回路内で冷却液を循環させる。本実施例では、冷却液ポンプ９１は、ラジエータ９２を介して吸い込んだ冷却液を吐出する。その後、冷却液は、コントローラ３０、キャパシタ１９、インバータ１８、インバータ２０、昇降圧コンバータ１００、旋回用電動機２１、旋回減速機２４、電動発電機１２、及び変速機１３の各種機器に隣接するように配置された冷却管９４内を通って流れ、ラジエータ９２に戻る。なお、本実施例では冷却液は水とＬＬＣ（ロングライフクーラント）の混合液である。

冷却液ポンプ９１は、暖機を行う必要があると判定したコントローラ３０から作動信号を受けると、その作動信号に応じて作動を開始する。そして、冷却液ポンプ９１は、各種機器が発生させた熱で温められた（潤滑油ＬＢ１より温かい）冷却液を旋回減速機２４に供給して旋回減速機２４の暖機を早めることができる。なお、各種機器は、エンジン、油圧系、キャパシタ１９、又は旋回用電動機２１の何れかの暖機のために動作することで熱を発生させる。例えば、冷却液ポンプ９１は、旋回用電動機２１に電流を供給するために動作するインバータ２０が発生させた熱と旋回用電動機２１自身が発生させた熱とで温められた冷却液を旋回減速機２４に供給して旋回減速機２４の暖機を早めることができる。

なお、冷却管９４のうち、旋回減速機２４に隣接する管部分は、潤滑油ＬＢ１が溜まっている旋回減速機２４の下部に隣接する部分が多くなるように配置されてもよく、或いは、その下部のみに隣接するように配置されてもよい。

また、インバータ２０と旋回駆動装置４０とは互いの筐体が接触するように配置されてもよく、それぞれの筐体の接触部分の少なくとも一部が良熱伝導体ＨＴで形成されてもよい。筐体同士の熱伝達率を高めるためである。

また、本実施例では、旋回減速機２４に隣接する管部分は冷却管９４を流れる冷却液の全てが必ず通るように構成されるが、冷却液の一部が選択的に流れるように構成されてもよい。この場合、冷却液の流れ方向を切り替える切替弁、冷却液の流量を調整する流量制御弁等が用いられてもよい。

旋回用電動機２１が発生させた熱が冷却系９０を介して旋回減速機２４に伝達される上述の構成は、旋回用電動機２１が発生させた熱の旋回減速機２４及び潤滑油ＬＢ１への伝達効率を高める効果をもたらす。そのため、コントローラ３０は、冷却系９０及び旋回用電動機２１を動作させることで旋回用電動機２１及び旋回減速機２４を効率的に暖機できる。

［実施例４］
次に図９及び図１０を参照し、旋回用電動機２１でトルクを発生させずに発熱させる方法について説明する。

図９は、旋回用電動機２１における回転磁界を発生させる三相合成電流と電流位相角βとの関係を示す概略図である。具体的には、図９は、回転子が作る磁束の方向をｄ軸とし、ｄ軸と直交する方向（電気角で９０度の方向）をｑ軸とし、Ｕ相軸に対するｄ軸の位相（以下、「モータ磁極角度」とする。）をθとして示す。図９において、電流位相角βはｑ軸に対する三相合成電流Ｉｔの位相として表される。したがって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、以下の式で表される。なお、Ａは振幅を表す。

また、図１０は旋回用電動機２１が発生させる発生トルクと電流位相角βとの関係を示す。図１０では、縦軸がトルクに対応し、横軸が電流位相角βに対応する。また、旋回用電動機２１の発生トルクはマグネットトルクとリラクタンストルクの合計で表され、実線が発生トルクの推移を示し、破線がマグネットトルクの推移を示し、一点鎖線がリラクタンストルクの推移を示す。また、トルクは単位法で表される。

図１０に示すように、旋回用電動機２１の発生トルクは、電流位相角βが＋π／６（＋３０度）のときに極大値となり、＋５π／６（＋１５０度）のときに極小値となり、＋π／２（＋９０度）又は−π／２（−９０度）のときにゼロとなる。また、電流位相角βが−π／２の近傍にあるときの発生トルクの傾きは、電流位相角βが＋π／２の近傍にあるときの発生トルクの傾きよりも小さい。すなわち、発生トルクは、電流位相角βが−π／２の近傍にあるときに、電流位相角βが＋π／２の近傍にあるときよりも安定的となる。

そこで、コントローラ３０は、旋回用電動機２１の通常運転の場合に採用される電流位相角（発生トルクの絶対値が最大となる＋π／６及び＋５π／６）からずれた電流位相角βとなるように各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値を決定する。発生トルクが小さくなるようにするためである。例えば、電流位相角βが−π／２±π／６の範囲内にある角度となるように各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値を決定する。発生トルクが略ゼロとなるようにするためである。

本実施例では、電流位相角βが−π／２となるように各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値を決定する。そして、旋回用電動機２１を直流励磁することでトルクを発生させずに発熱させる。また、コントローラ３０は、電流位相角βを−π／２±π／６の範囲内に維持しながら各相の電流を所定時間毎に変化させてもよい。各相の電流の積算値の不均衡を抑制して発熱のアンバランスを抑えるためである。また、コントローラ３０は、電流位相角βが＋π／２となるように各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値を決定してもよい。

なお、電流位相角βが−π／２のときの各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、以下の式で表される。

具体的には、コントローラ３０は、レゾルバ２２の出力に基づいて磁極角度θを導き出した上で、上述の式を用いて各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値を導き出す。この構成により、コントローラ３０は、磁極角度θに基づいて導き出した各相の電流値で旋回用電動機２１を直流励磁することでトルクを発生させずに旋回用電動機２１を発熱させることができる。また、トルクを発生させないため、メカニカルブレーキ２３は非作動状態であってもよい。また、トルクを発生させないため、メカニカルブレーキ２３が作動状態であったとしてもメカニカルブレーキ２３に負担が加わることはない。

また、コントローラ３０は、図１１に示すように各相の直流励磁電流の値を所定時間毎に変化させてもよい。すなわち、旋回用電動機２１の回転位置を所定時間毎にずらしてもよい。具体的には、コントローラ３０は、所定時間毎に電流位相角βを切り替えてもよい。なお、図１１は、各相の直流励磁電流の時間的推移を示す図であり、実線がＵ相電流Ｉｕ、破線がＶ相電流Ｉｖ、一点鎖線がＷ相電流Ｉｗの時間的推移を表す。また、電流は単位法で表される。

この実施例では、コントローラ３０は、所定時間Ｄが経過する度に各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値を切り替えて直流励磁を繰り返す。例えば、コントローラ３０は、電流位相角βが＋９０度となる各相の電流値の組み合わせと、電流位相角βが−９０度となる各相の電流値の組み合わせとを交互に切り替えながら直流励磁を繰り返してもよい。この構成により、コントローラ３０は、電流値の切り替えのとき以外はトルクを発生させずに旋回用電動機２１を発熱させることができる。また、各相の電流の積算値を平準化でき、三相コイルの何れかに発熱が集中するのを緩和できるため、局所的な発熱によるコイルの損傷を抑制できる。なお、所定時間Ｄは可変であってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

また、旋回減速機２４の暖機（旋回用電動機２１の暖機を含む。）は、エンジン１１の暖機、油圧系の暖機、及びキャパシタ１９の暖機のうちの少なくとも１つと同時に実行される。同時の場合、旋回減速機２４の暖機は、旋回用電動機２１の往復回転でキャパシタ１９の電力を消費することでキャパシタ１９の暖機を早めることができる。或いは、旋回用電動機２１の往復回転で電動発電機１２が発電した電力を消費することで電動発電機１２を駆動するエンジン１１の暖機を早めることができる。或いは、キャパシタ１９及び電動発電機１２の少なくとも一方の発熱で冷却系９０の冷却液を温めることで旋回減速機２４の暖機を早めることができる。

また、上述の実施例では、コントローラ３０は太陽歯車４２を所定の２つのギアの間のバックラッシュ分だけ往復回転させる。しかしながら、これは、それら２つのギアの接触の有無にかかわらずバックラッシュ分だけ強制的に往復回転させることを意味しない。例えば、コントローラ３０は、それら２つのギアが接触したことを検知した場合に太陽歯車４２の回転方向を反転させてもよい。

１・・・下部走行体 １Ａ・・・右側走行用油圧モータ １Ｂ・・・左側走行用油圧モータ 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 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・・・キャパシタ ２１・・・旋回用電動機 ２１Ａ・・・電流計 ２１ｂ・・・出力軸 ２１ｅ・・・エンドプレート ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２３Ａ・・・制御弁 ２４、２４−１、２４−２・・・旋回減速機 ２４Ｓ・・・温度計 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・・・旋回制御部 ３２・・・暖機要否判定部 ３３・・・暖機制御部 ４０・・・旋回駆動装置 ４０Ａ・・・出力軸 ４２・・・太陽歯車 ４４・・・遊星歯車 ４６・・・遊星キャリア ４８・・・内歯歯車 ５８、５９・・・ベアリング ６０・・・ブレーキディスク ６２・・・ブレーキプレート ６４・・・ピストン ７０、７２、７４・・・ギアケース ８２・・・太陽歯車 ８４・・・遊星歯車 ８６・・・遊星キャリア ８８・・・内歯歯車 ９０・・・冷却系 ９１・・・冷却液ポンプ ９２・・・ラジエータ ９３・・・冷却液タンク ９４・・・冷却管 １００・・・昇降圧コンバータ １２０・・・蓄電系 ＨＴ・・・良熱伝導体 ＭＴ・・・周縁部

Claims (7)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に旋回可能に搭載される上部旋回体と、
   前記上部旋回体を旋回駆動する旋回用電動機と、
   前記旋回用電動機の回転を減速する旋回減速機と、
   前記旋回用電動機を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、エンジンの暖機、油圧系の暖機、及びキャパシタの暖機のうちの少なくとも１つを実行させ、同時に、前記旋回用電動機を動作させ或いは発熱させて前記旋回減速機内の潤滑油を温める、
   建設機械。
2. 前記制御装置は、前記旋回用電動機で前記旋回減速機を動作させて前記旋回減速機内の潤滑油を攪拌する、
   請求項１に記載の建設機械。
3. 前記制御装置は、前記旋回用電動機を動作させて前記旋回用電動機が発生させた熱を利用して前記旋回減速機を暖機する、
   請求項１又は２に記載の建設機械。
4. 前記旋回用電動機が発生させた熱は良熱伝導体を介して前記旋回減速機に伝達され、
   前記良熱伝導体は、前記旋回減速機の筐体よりも高い熱伝達率を有する、
   請求項１乃至３の何れかに記載の建設機械。
5. 前記旋回用電動機と前記旋回減速機は嵌合構造を介して互いに接触する、
   請求項１乃至４の何れかに記載の建設機械。
6. 前記旋回用電動機が発生させた熱は冷却系を介して前記旋回減速機に伝達される、
   請求項１乃至５の何れかに記載の建設機械。
7. 前記エンジン、前記油圧系、又は前記キャパシタの暖機のために動作する機器が発生させた熱は冷却系を介して前記旋回減速機に伝達される、
   請求項１乃至６の何れかに記載の建設機械。

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