KR101488984B1 - 하이브리드 굴삭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 굴삭기를 개시한다. 상기 하이브리드 굴삭기는 엔진과 연결되어 교류 전원을 발생하는 전동기 발전기; 상기 전동기 발전기로부터 상기 교류 전원을 수신하여 제1 직류 전원으로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터로부터 제1 직류 전원을 수신하여 상기 제1 직류 전원을 전압 및 주파수가 변화된 제1 제어 교류 전원을 발생시켜 출력하는 제1 인버터; 상기 제1 인버터로부터 제1 제어 교류 전원을 수신하여 선회부를 동작시키는 선회 전동기; 제2 직류 전원을 출력하는 주행 전용 축전지; 상기 주행 전용 축전지로부터 제2 직류 전원을 수신하여 상기 제2 직류 전원을 전압 및 주파수가 변화된 제2 제어 교류 전원을 발생시켜 출력하는 제2 인버터; 및 상기 제2 인버터로부터 제2 제어 교류 전원을 수신하여 주행부를 동작시키는 주행 전동기를 포함한다.

Description

하이브리드 굴삭기{Hybrid Excavator}
본 발명은 하이브리드 굴삭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주행과 선회 동작을 각각 별도의 전동기를 이용해 동작되게 함으로써 각각의 사용 빈도수에 따라 선택적인 동작을 할 수 있어 사용되는 에너지의 소모를 최소화할 수 있게 하는 하이브리드 굴삭기에 관한 것이다.
일반적으로, 굴삭기는 건축 및 토목 공사시 땅을 파거나 메우는 굴삭작업, 경토암반 파쇄 등의 브레이커 작업, 흙다짐과 같은 컴팩터 작업, 절단 등의 크라샤 작업과 같은 다양한 작업 기능을 가진 건설기계를 말한다.
이러한 굴삭기는 보통 주행 동력을 얻기 위해 디젤 엔진 등의 엔진을 탑재하고 있고, 이 엔진의 힘을 이용하여 유압 펌프를 구동하며, 유압 펌프에서 토출되는 작동유를 유압 모터나 유압 실린더 등의 유압 액추에이터로 공급함으로써 주행용 크롤러 또는 타이어의 회전이나 붐, 아암, 버켓 등의 각 작업 부위를 동작시키고 있다.
이와 같이 주지된 굴삭기는 디젤 엔진과 같은 엔진을 탑재하고 있기 때문에 작업장소에 제한을 받지 않고 자유롭게 작업할 수 있는 장점을 가진다.
하지만, 화석연료인 경유는 갈수록 고갈되어 가고 있어 대체 에너지의 필요성이 심각하게 대두되고 있을 뿐만 아니라, 연료값이 비싸고, 중장비라는 특수성 때문에 특히 연료 소모량이 많아 운전비용이 증대되는 단점이 있어 왔다.
이러한 단점을 보완하기 위해 근래에 개발되는 것이 하이브리드 굴삭기이며, 도 1은 일반적인 하이브리드 굴삭기에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 엔진(1)에서 출력된 에너지는 전동기 발전기(2)를 통해 유압 펌프(3)에 공급되어 유압 펌프(3)를 동작시킨다. 동작된 유압 펌프(3)는 콘트롤 밸브(4)를 거쳐 붐 실린더(8), 암, 버켓 실린더(7) 및 유압 모터(5)를 동작시킨다. 유압 모터(5)에 의해 주행부(6)가 동작된다. 또한, 전동기 발전기(2)에서 발생된 전기 에너지를 인버터(9)를 통해 제어하며 전동 모터(11)를 동작시켜 선회부(12)를 구동한다. 또한 전동기 발전기에서 발생되는 에너지는 축전지(10)에 저장하여 엔진 효율을 증대시키도록 하고 있다.
하지만, 종래 기술의 경우 주행부가 엔진 출력과 연결된 유압 펌프로 동작되고 있어 주행 동작 또는 정지에 따른 연료 소비가 여전히 많이 있다는 단점이 있다.
이로 인해 엔진에 이용되는 디젤 연료의 불필요한 낭비를 초래하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 주행과 선회 동작을 각각 별도의 전동기를 이용해 동작되게 함으로써 각각의 사용 빈도수에 따라 선택적인 동작을 할 수 있어 사용되는 에너지의 소모를 최소화할 수 있게 하는 하이브리드 굴삭기를 제공함에 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기는 엔진과 연결되어 교류 전원을 발생하는 전동기 발전기; 상기 전동기 발전기로부터 상기 교류 전원을 수신하여 제1 직류 전원으로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터로부터 제1 직류 전원을 수신하여 상기 제1 직류 전원을 전압 및 주파수가 변화된 제1 제어 교류 전원을 발생시켜 출력하는 제1 인버터; 상기 제1 인버터로부터 제1 제어 교류 전원을 수신하여 선회부를 동작시키는 선회 전동기; 제2 직류 전원을 출력하는 주행 전용 축전지; 상기 주행 전용 축전지로부터 제2 직류 전원을 수신하여 상기 제2 직류 전원을 전압 및 주파수가 변화된 제2 제어 교류 전원을 발생시켜 출력하는 제2 인버터; 및 상기 제2 인버터로부터 제2 제어 교류 전원을 수신하여 주행부를 동작시키는 주행 전동기를 포함한다.
상기 하이브리드 굴삭기는 상기 컨버터와 제2 인버터 사이에 위치하며, 상기 주행 전용 축전지가 소정 시간 내에 방전될 것으로 판단되면 상기 컨버터를 상기 제2 인버터에 연결하여 상기 컨버터로부터의 제1 직류 전원이 상기 제2 인버터에 인가되도록 스위칭되는 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 굴삭기는 상기 주행 전용 축전지의 사용가능한 전력량을 측정하는 전력검출수단을 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 굴삭기는 플러그-인(plug-in) 방식으로 외부 충전 시설에 연결되어 상기 주행 전용 축전지가 충전될 수 있도록 하는 충전용 코드를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주행과 선회 동작을 각각 별도의 전동기를 이용해 동작되게 함으로써 각각의 사용 빈도수에 따라 선택적인 동작을 할 수 있어 사용되는 에너지의 소모를 최소화할 수 있게 하는 효과가 있다.
또한, 별도로 구성된 선회부와 주행부에 의해 동작이 빈번하더라도 전기 에너지를 이용하기 때문에 화석 연료 이용에 따른 에너지 낭비 및 이산화탄소 발생을 최소할 수 있는 기대 효과가 있다.
도 1은 종래의 일반적인 하이브리드 굴삭기를 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 하이브리드 굴삭기를 나타내는 블록도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 블록 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 굴삭기는 엔진(20), 전동기 발전기(21), 유압 펌프(22), 메인 콘트롤 밸브(23), 붐 실린더(24), 암, 버켓 실린더(25), 컨버터(30)를 포함한다. 또한, 하이브리드 굴삭기는 선회 전동기용 인버터(26a), 선회 전동기(27), 선회부(27a), 주행 전동기용 인버터(26b), 주행 전동기(28) 및 주행부(28a), 주행 전용 축전지(29), 비상 전력선(29a), 전력검출수단(29b), 충전용 코드(29c), 및 컨버터(30)와 비상전력선(29a) 사이에 위치된 스위치(미도시)를 포함한다. 도 2에서는, 컨버터(30)에 비상전력선(29a)이 연결된 것으로 도시되어 있지만, 컨버터(30)는 스위치를 통해 비상전력선(29a)에 연결된다.
엔진(110)은 일반적인 화석 연료(휘발유, 경유 또는 가스)를 연소시켜 굴삭기의 구동에 필요한 기본적인 동력을 발생시킨다. 전동기 발전기(21)는 엔진(110)의 구동축과 연결되어 엔진(110)으로부터 발생된 동력을 이용하여 전기 에너지 즉, 교류(AC) 전원을 생성한다. 전동기 발전기(21)에 의해 생성된 교류 전원에 의해 유압 펌프(22)가 구동될 수 있다. 메인 콘트롤 밸브(control valve)(23)는 유압 펌프(22)에 의하여 가압된 유압유(hydraulic oil)를 압력, 유량 및 유동방향을 변화시켜 제어된 유량을 붐 실린더(24) 및 암, 버켓 실린더(25)에 공급한다.
이에 따라, 본 발명의 하이브리드 굴삭기는 엔진(20)에 의해 유압 펌프(22)가 구동되어 생성된 유량 및 유압이 메인 콘트롤 밸브(23)를 경유하여 붐 실린더(24) 및 암, 버켓 실린더(25)에 유량을 공급하여 움직인다.
이러한 구성들의 동작에 따라 운전자가 조이스틱을 이용해 신호를 발생시키면 메인 콘트롤 밸브(23)에서 스풀을 전환하여 동작하게 된다.
또한, 전동기 발전기(21)에 의해 생성된 교류 전원은 컨버터(30)에 공급된다. 컨버터(30)는 공급되는 교류 전원을 직류(DC) 전원으로 변환하여 출력한다. 출력된 직류 전원은 컨버터(30)의 출력에 연결된 선회 전동기용 인버터(26a)에 공급된다. 상기 컨버터(30)는 선회 전동기용 인버터(26a)와 함께(integrally) 구현될 수도 있다.
선회 전동기용 인버터(26a)는 컨버터(30)로부터 제공되는 직류 전원을 재단하여 전압 및 주파수가 변화된 교류(AC) 전원으로 변환한다. 구체적으로, 선회 전동기(27)는 유도 전동기(Induction Motor)이기 때문에, 선회 전동기용 인버터(26a)는 선회 전동기(27)의 회전속도를 제어하기 위해 주파수와 극수가 조절된 선회용 제어 교류 전원을 제공한다. 선회 전동기(27)는 선회 전동기용 인버터(26a)로부터 선회용 제어 교류 전원이 인가되면, 선회용 제어 교류 전원의 주파수 및 전압에 따라 그 회전속도가 제어되어 선회부(27a)를 구동하게 된다.
또한, 주행 전동기용 인버터(26b)는 주행 전용 축전지(29)에 연결되어 있다. 다시 말해, 주행 전동기용 인버터(26b)는 주행 전용 축전지(29)로부터 직류 전원을 공급받는다. 주행 전용 축전지(29)는 일반적으로 충전용 코드(29c)를 통해 외부 전원에 의해 충전되며, 주행 전동기용 인버터(26b)에게 직류(DC) 전원을 공급한다. 즉, 주행 전용 축전지는 플러그 인(plug-in) 방식으로 외부 충전 시설에 연결되어 충전될 수 있다.
주행 전동기용 인버터(26b)는 주행 전용 축전지(29)로부터 제공되는 직류 전원을 재단하여 전압 및 주파수가 변화된 주행용 제어 교류(AC) 전원으로 변환한다. 구체적으로, 주행 전동기(28)는 유도 전동기이기 때문에, 주행 전동기용 인버터(26b)는 주행 전동기(28)의 회전속도를 제어하기 위해 주파수와 극수가 조절된 주행용 제어 교류 전원을 제공한다. 주행 전동기(28)는 주행 전동기용 인버터(26b)로부터 주행용 제어 교류 전원이 인가되면, 주행용 제어 교류 전원의 주파수 및 전압에 따라 그 회전속도가 제어되어 주행부(28a)를 구동하게 된다.
다시 말해, 주행 전동기(28)는 주행 전동기용 인버터(26b)로부터 주행용 제어 교류 전원이 인가되면, 주행용 제어 교류 전원의 주파수 및 전압에 따라 그 회전속도가 제어되어 주행부(28a)를 구동하게 된다.
또한, 주행 전동기(28)를 구동시키는 전원을 제공하는 주행 전용 축전지(29)에는 전력검출수단(29b)이 연결되어 있는데, 전력검출수단(29b)은 주행 전용 축전지(29)의 이용가능한 전력을 측정한다. 예컨대, 전력검출 수단(29b)은 주행 전동기(28)가 사용가능한 전력량을 측정하여 측정된 전력량을 하이브리드 굴삭기를 제어하기 위한 제어부(미도시)에 제공한다.
제어부는 전력검출수단(29b)로부터 제공된 전력값에 기초하여 주행 전용 축전지(29)가 소정 시간 내에 방전될 것인 지를 판단한다. 일 실시예에 따라, 제어부는 주행 전용 축전지(29)가 소정 시간 내에 방전될 것으로 판단되면, 알람 등을 이용하여 사용자에게 통지할 수 있다. 소정 시간은 하이브리드 굴삭기의 사용자에 의해 결정될 수도 있고, 임의의 값으로 결정될 수도 있다. 이 경우에 사용자가 비상전력선(29c)을 통해 주행 전동기용 인버터(26b)를 컨버터(30)에 연결하도록 스위치(미도시)를 스위칭할 수 있다. 이에 따라, 전동기 발전기(21)에 의해 생성된 전원이 주행 전동기용 인버터(26b)에 공급될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 제어부는 주행 전용 축전지(29)가 소정 시간 내에 방전될 것으로 판단되면 비상전력선(29c)을 통해 주행 전동기용 인버터(26b)를 컨버터(30)에 연결하도록 스위치(미도시)를 스위칭하여 전동기 발전기(21)에 의해 생성된 전원이 주행 전동기용 인버터(26b)에 공급될 수 있도록 한다.
이와 같이, 주행 전동기(28)는 주행 전용 축전지(29b)로부터 전원을 공급받으며, 주행 전용 축전지(29b)의 사용가능한 전력량이 미리 결정된 전력량보다 작은 경우에만 동기 발전기(21)로부터 전원을 공급받는다.
한편 도면상에는 도시하고 있지 않지만 주행부(28a) 측의 한 축에 복수의 주행 전동기(28)를 각각 구비시키며 구동축의 회전에 의해 각각을 작업 상황에 따라 2륜 또는 4륜 구동 가능하도록 조작 스위치를 조이스틱 측에 구비시켜 선택적으로 적용함으로써 많은 힘이 필요할 때와 작은 힘이 필요할 때에 각각 변화하여 사용할 수 있게 하는 것도 가능하다.
본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
20 : 엔진 21 : 전동기 발전기
22 : 유압 펌프 23 : 메인 콘트롤 밸브
26a : 선회 전동기용 인버터 26b : 주행 전동기용 인버터
27 : 선회 전동기 27a : 선회부
28 : 주행 전동기 28a : 주행부
29 : 축전지 29a : 비상전력선
29b : 전력검출수단 29c : 충전용 코드

Claims (4)

  1. 엔진과 연결되어 교류 전원을 발생하는 전동기 발전기;
    상기 전동기 발전기로부터 상기 교류 전원을 수신하여 제1 직류 전원으로 변환하는 컨버터;
    상기 컨버터로부터 제1 직류 전원을 수신하여 상기 제1 직류 전원을 전압 및 주파수가 변화된 제1 제어 교류 전원을 발생시켜 출력하는 제1 인버터;
    상기 제1 인버터로부터 제1 제어 교류 전원을 수신하여 선회부를 동작시키는 선회 전동기;
    제2 직류 전원을 출력하는 주행 전용 축전지;
    상기 주행 전용 축전지로부터 제2 직류 전원을 수신하여 상기 제2 직류 전원을 전압 및 주파수가 변화된 제2 제어 교류 전원을 발생시켜 출력하는 제2 인버터;
    상기 제2 인버터로부터 제2 제어 교류 전원을 수신하여 주행부를 동작시키는 주행 전동기; 및
    상기 컨버터와 제2 인버터 사이에 위치하며, 상기 주행 전용 축전지가 소정 시간 내에 방전될 것으로 감지되면 상기 컨버터를 상기 제2 인버터에 연결하여 상기 컨버터로부터의 제1 직류 전원이 상기 제2 인버터에 인가되도록 스위칭되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주행 전용 축전지의 사용 가능한 전력량을 측정하는 전력검출수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기
  4. 제1항에 있어서,
    플러그-인(plug-in) 방식으로 외부 충전 시설에 연결되어 상기 주행 전용 축전지가 충전될 수 있도록 하는 충전용 코드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기.
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