KR20010043922A - 굴삭기 - Google Patents

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KR20010043922A
KR20010043922A KR1020007013455A KR20007013455A KR20010043922A KR 20010043922 A KR20010043922 A KR 20010043922A KR 1020007013455 A KR1020007013455 A KR 1020007013455A KR 20007013455 A KR20007013455 A KR 20007013455A KR 20010043922 A KR20010043922 A KR 20010043922A
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electric motor
hydraulic
excavator
driven
generator
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KR1020007013455A
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기누가와히데키
고미야마마사유키
아라야히로카즈
가고시마마사유키
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모리와키 츠구토
코벨코 겐키 가부시키가이샤
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Abstract

동력원으로서의 엔진(10)에 의해 발전기(11)를 구동하고, 상기 발전기(11)로부터 공급된 전력에 의해 전기모터(6,7,15,23,25)가 회전되고, 상기 전기모터(6,7,15, 23,25)에 의해 하부주행체, 상부선회체 및 굴삭부속장치의 작동부가 작동되는 굴삭기.

Description

굴삭기{SHOVEL}
종래에는, 유압굴삭기라고 하는 일반적인 굴삭기는 하부주행체(통상적으로 크롤러)에 상부선회체가 탑재되고, 상부선회체에 붐, 암, 및 버킷을 구비한 굴삭부속장치를 장착하여 구성하고, 상부선회체에 설치된 엔진을 동력원으로 유압펌프를 회전시켜, 토출유를 유압액추에이터(유압모터 또는 유압실린더)에 공급하여 주행, 선회, 붐기복, 암작동, 버킷작동을 하도록 구성하고 있다.
그러나, 이 종래의 유압식 굴삭기는 엔진에 걸리는 부하가 크고 연비가 많고, 배기가스와 소음의 문제를 가지고 있다.
이런 관점에서, 일본 실개평 5-4850호 공보에 개시된 것과 같이, 엔진으로 전기모터를 회전시키고, 전기모터에 의해 유압펌프를 구동하는 소위 하이브리드 타입이 제안되었다.
상술한 공지의 하이브리드 타입 굴삭기는 펌프부하가 가벼울 때에는 전기모터를 엔진의 잉여 토크에 의해 발전기로서 작용(회생작용)시켜 배터리에 충전하고, 무거운 부하시에 배터리의 축전력에 의해 엔진을 보조하도록 설계되고, 이것에 의해 엔진부하를 평탄하게 하고, 배기가스를 감소시키고 연료비용을 줄여준다.
하지만, 상술한 공지의 하이브리드 타입 굴삭기에 의하면, 엔진-전기모터-유압펌프의 경로로 회전력이 전달되기 때문에, 이 세개의 요소를 기계적으로 결합하고, 하나의 파워 유닛으로 하여 한 곳에 집중하여 설치할 필요가 있다.
이 때문에 다음과 같은 결점이 있다:
(1) 파워 유닛이 크고, 설치부분(상부선회체)에 큰 공간을 필요로 하기 때문에, 이 점이 기기배치의 장애가 되고, 특히 최근 주류가 되는 소형 선회형의 굴삭기에 부적합하다.
(2) 굴삭기의 부하변동은 자동차 등에 비교하면 시간과 정도가 특히 심하고, 파워 유닛의 기계적 결합부분의 전환을 빈번하게 수행하기 때문에, 파워 유닛의 응답성과 내구성의 면에서 커다란 문제가 된다.
(3) 유압상의 문제로서,
(a) 파워 유닛의 유압펌프와 굴삭기의 각 작동부에 설치된 유압 액추에이터 사이의 거리가 길어서 압력손실이 크다.
(b) 펌프와 액추에이터의 사이에 구비된 제어밸브(전환밸브)로부터의 블리드 오프에 의해 특히 미세조작시의 에너지 손실이 크다.
(c) 제어밸브의 파일럿제어를 위한 파일럿 유압원(펌프)도 필요하게 된다.
설명한 바와같이, 유압계의 에너지 손실이 크고, 연비 향상의 실질적인 효과가 낮다.
따라서, 본 발명은 파워유닛를 분할하여 작은 단위로 분산하여 설치할 수 있고, 파워유닛의 기계적인 결합부분의 빈번한 전환을 요구하지 않고, 엔진의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 굴삭기를 제공하는 것이다.
본 발명은 전기모터를 구동원으로 하는 굴삭기계로서 굴삭기에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 굴삭기의 개략적인 전체 측면도,
도 2 는 굴삭기에 사용되는 전기모터와 일체형 펌프 액추에이터의 회로도,
도 3 은 굴삭기의 구동 및 제어시스템의 블럭구성 도면,
도 4 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 굴삭기의 도 3에 해당하는 도면, 및
도 5 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 굴삭기의 도 3에 해당하는 도면.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 구성을 채용하고 있다.
즉, 하부주행체 상에 상부선회체가 탑재되고, 상부선회체에 굴삭부속장치가 설치되어 구성된 굴삭기는 동력원으로서의 엔진, 엔진에 의해 구동되는 발전기, 및 발전기로부터 공급된 전력에 의해 회전되는 복수의 전기모터를 구비하고, 구동원인 전기모터에 의해 하부주행체, 상부선회체 및 굴삭부속장치의 각 작동부를 작동시킨다.
제 1 실시예(도 1 내지 3 참조)
도 1은 본 실시예에 따른 굴삭기 전체를 도시하고 있다.
도면에서, 부재번호 1은 하부주행체, 2는 상부선회체, 3은 상부선회체(2)의 전방부에 장착된 굴삭부속장치이다.
하부주행체(1)는 좌우의 크롤러 프레임(4) 및 크롤러(5)(양쪽중 한쪽만 도시)로 이루어지고, 양측 크롤러(5)가 좌우의 주행용 전기모터(6,7)(도 3 참조)에 의해 개별적으로 회전구동되어 주행한다.
상부선회체(2)는 선회프레임(8), 캐빈(9)등으로 구성된다. 선회프레임(8)에 동력원으로서의 엔진(10), 엔진(10)에 의해 구동되는 발전기(11), 배터리(12), 선회용 전기모터(13), 선회용 전기모터(13)의 회전력을 감속하여 선회기구(선회기어)에 전달하는 감속유닛(14), 붐용 전기모터(15), 붐용 전기모터(15)에 의해 회전구동되는 붐용 유압펌프(16)(이하, 붐 펌프라 한다)가 설치되어 있다.
굴삭부속장치(3)는 붐(17), 붐 펌프(16)로부터의 압유에 의해 붐(17)을 신축시키는 붐 실린더(18), 암(19), 암(18)을 회전운동시키는 암 실린더(20), 버킷(21), 버킷(21)를 작동시키는 버킷 실린더(22)를 구비하고 있다.
굴삭부속장치(3)에는, 암용 전기모터(23)와 이것에 의해 구동되는 암용 유압펌프(24)(이하, 암 펌프라 한다), 그리고 버킷용 전기모터(25)와 이것에 의해 구동되는 버킷용 유압펌프(26)(이하 버킷 펌프라 한다)가 암 실린더(20)와 버킷 실린더(22)에 각각 설치되어 있다.
붐용 전기모터(15)와 붐 펌프(16), 암용 전기모터(23)와 암 펌프(24), 버킷용 전기모터(25)와 버킷 펌프(26)의 유닛은 각각 공지된 일체형 액추에이터(A1,A2,A3)로 구성되어 있다.
이 일체형 액추에이터(A1,A2,A3)의 구성은 도 2에 도시되어 있다.
도면에 도시된 바와같이, 펌프(16,24,26)는 전기모터(15,23,25)의 회전방향에 따라 유체의 토출방향을 전환하는 양방향 펌프로 구성되며, 이 펌프(16,24,26)의 양측 토출구는 관(27,28)를 통하여 실린더(18,20,22)의 헤드쪽 및 로드쪽 오일챔버에 접속되어 있다.
도 2 의 부재번호 29,29는 릴리프밸브; 30은 오일탱크; 31은 펌프(16,24,26)와 오일탱크(30) 사이에 구비된 자동전환밸브; 32,32는 작동 체크밸브; 33은 양측 관(27,28)사이에 설치된 수동개폐밸브; 그리고 34,34는 슬로우 복귀밸브이다.
일체형 액추에이터 구성을 채용하면, 전기모터와 펌프를 각각에 설치하는 경우와 비교하여 유닛 전체를 소형화, 경량화 하는 것이 가능하다. 따라서, 굴삭부속장치(3)에 장착하는 것이 유리하게 된다.
도 3은 이 굴삭기의 구동계 및 제어계의 블럭구성을 나타내고 있다.
도면에서, 실선 화살표는 전기구동계, 점선 화살표는 전기재생계, 일점쇄선 화살표는 유압구동계를 각각 나타내고 있다. 도면에서 부재번호 35,36은 좌우의 주행용 전기모터(6,7)의 감속유닛이다.
발전기(11)와, 각 전기모터(6,7,15,23,25) 및 배터리(12)와의 사이에 인버터(37)가 구비된다. 인버터(37)에 의해,
(1) 발전기(11)에서 만들어진 교류전력이 직류로 변환되어 배터리(12)에 저장되고(통상충전작용),
(2) 굴삭기 작동에 따른 재생작용에 의해 전기모터(6,7,15,23,25)에서 발생한 교류전력이 직류로 변환되어 배터리(12)에 저장되고(재생충전작용), 그리고
(3) 배터리(12)의 축전력이 교류로 전환되어 전기모터(6,7,15,23,25)에 공급된다(방전작용).
또, 인버터(37)에는 도시하지 않았지만 전환수단이 설치되어 오퍼레이터의 조작에 의해 또는 부하상황에 따라 충전과 방전작용이 전환된다.
전기모터(6,7,15,23,25)는 오퍼레이터에 의해 조작되는 도시하지 않은 예를들면, 레버 조작식의 조작수단에 의해 회전속도 및 회전방향이 제어된다.
상기 (1) 내지 (3)의 작용을 포함한 굴삭기의 구동과 제어작용을 다음에 설명한다.
엔진(10)이 작동되면 발전기(11)가 구동되어 발전작용을 수행하고, 발생한 교류전력에 의해 전기모터(6,7,15,23,25)가 구동된다.
그것에 의해, 굴삭부속장치(3)에 대해서는 전기모터(15,23,25)-펌프(16,24, 26)-실린더(18,20,22)의 구동경로, 또한 하부주행체(1) 및 상부선회체(2)에 대해서는 전기모터(6,7,13)-감속유닛(35,36,14)의 구동회로를 통해서 동력이 전해져 작동 (굴삭, 주행, 선회)한다.
기본적으로, 전기모터(6,7,15,23,25)는 발전기(11)로부터 인버터(37)를 경유하여 공급되는 전력에 의해 구동되지만, 중부하시에는 전환수단의 작용에 의해, 배터리(12)의 축전력에 의해 전력부족을 보충하고, 반대로 경부하시에는 발전기(11)의 잉여 전력이 배터리(12)에 저장된다.
운전중, 전기모터(6,7,15,23,25)를 위치에너지, 운동에너지를 이용하여 발전기로서 작용(재생작용)시켜, 이것에 의해 발생하는 재생전력을 배터리(12)에 저장하는 것이 가능하다. 특히, 굴삭부속장치(3)에 설치된 전기모터(15,23,25)는 위치에너지 및 운동에너지가 높기 때문에 축전효과가 높다. 따라서 소비에너지를 줄이고 배터리(12)를 소형화 하는 것이 가능하다.
한편, 경부하시 배터리용량도 충분한 경우는, 엔진(10)의 출력을 저하시키거나 또는 엔진을 정지시켜 배터리 전력만으로 전기모터(6,7,15,23,25)를 구동하는 것도 가능하다.
이러한 작용에 의해, 엔진부하를 평탄하게 하고, 소음 및 배기가스를 줄이고, 연료비용를 줄이는 것이 가능하다.
이 굴삭기에 의하면, 상술한 바와같이 엔진(10)-발전기(11)...전기모터(6,7, 15,23,25)의 경로를 통해서 회전력이 전달되고, 기계적인 결합은 엔진(10)과 발전기(11)만으로 된다. 파워 유닛을 엔진(10)+발전기의 세트와, 전기모터(6,7,15,23, 25)로 분할하고, 전자를 상부선회체(2), 후자를 여러 작동부(하부주행체(1), 상부주행체(2), 굴삭부속장치의 각부분)에 설치하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 한 곳에 합친 커다란 설치공간을 필요로 하지 않기 때문에, 특히 작은 선회형의 굴삭기에 적합다.
더욱이, 여러 작동부를 전기모터(6,7,15,23,25)에 의해 구동하는 구성이고, 발전기(11)와 전기모터(6,7,15,23,25)는 전기배선에 의해 접속가능하므로, 에너지의 전달손실을 상당히 감소시키는 것이 가능하다.
제 2 실시예(도 4 참조)
제 1 실시예와의 상이점만을 설명한다.
제 1 실시예에 있어서는, 굴삭부속장치(3)의 각 작동부, 즉 붐(17), 암(19), 및 버킷(21)은 펌프(16,24,26)-유압실린더(18,20,22)의 경로를 통해서 작동되지만, 제 2 실시예에서는, 붐(17), 암(19), 및 버킷(21)이 전기모터(15,23,25)와 감속유닛 (37,38,39)에 의해 직접 기계적으로 작동된다.
이 경우에, 감속유닛 출력측을 붐(17), 암(19), 버킷(21)의 회전 중심축부분에 연결하는 구성을 채용할 수 있다.
이렇게 하면, 유압계가 불필요하고, 동력전달의 효율이 향상된다.
제 3 실시예(도 5 참조)
실제 작동시에, 하부주행체(1)의 "주행"동작과 상부선회체(2)의 "선회"동작은 동시에 이루어지는 적이 거의 없다.
제 3 실시예에서는 이 점에 착안하여 주행과 선회 겸용 전기모터(40)를 사용하고, 전기모터(40)에 의해 주행과 선회 겸용 유압펌프(41)를 구동하고, 펌프(41)로부터의 압유를 전환밸브(42)를 통하여 좌우의 주행용 유압모터(43,44) 또는 선회용 유압모터(45)에 공급하여 주행.선회 동작을 선택적으로 수행한다.
이렇게하면, 전기모터를 두개 절감할 수 있고, 기구구성을 단순화하는 것이 가능하다.
한편, 제 1 실시예에 있어서는, 붐용, 암용, 버킷용의 전기모터(15,23,25)와, 이것에 의해 구동되는 펌프(16,24,26)를 일체화 한 일체형 액추에이터(A1,A2,A3)를 사용하지만, 전기모터(15,23,25)와 펌프(16,24,26)를 별개로 설치하여 기계적으로 결합될 수 있다.
또한, 본 발명은 굴삭부속장치(3)에 버킷(21) 대신에 다른 작업공구(예를들면 배토판과 파쇄기)를 장착된 굴삭기, 굴삭부속장치(3)로 도 1에 도시한 것과 같은 앞쪽에 굴삭하는 백 호(back hoe)형의 것 대신에, 앞쪽을 향하는 쪽에 굴삭하는 로딩형이 구비된 굴삭기, 하부주행체로 크롤러에 대신에 휠을 사용한 굴삭기에도 적용하는 것이 가능하다.
상기와 같이 본 발명의 구성은, 동력원으로서의 엔진에 의해 구동되는 발전기, 발전기로부터 공급되는 전력에 의해 회전되는 전기모터, 전기모터에 의해 작동하는 하부주행체, 상부선회체 및 굴삭부속장치의 동작부를 채용하고 있으며, 기계적인 결합은 단지 엔진과 발전기로 충족된다.
즉, 파워유닛을 엔진+발전기의 세트와 전기모터로 분할하고, 이것들은 별개(전자를 상부선회체, 후자를 각 작동부)로 설치하는 것이 가능하게 된다.
따라서 한 장소에 큰 설치공간이 필요하지 않고, 특히 소형 선회형굴삭기에 적합하게 사용된다.
더욱이, 각 작동부가 전기모터에 의해 구동하는 구성이고, 발전기와 전기모터는 전기배선에 의해 접속할 수 있기 때문에, 기계적인 결합부분의 빈번한 전환을 요구하지 않고, 에너지의 전달손실을 대폭 줄이는 것이 가능하다.
이 경우에, 경부하시 발전기에서 발생한 전력이 배터리에 저장되고, 중부하가 걸릴때 배터리의 축전력으로 발전기의 전력부족을 보완하거나 또는 발전기를 대신하여 부담하는 것에 의해서, 부하변동이 심한 굴삭기의 엔진부하를 평탄하게 하고, 배기가스의 감소 및 연료비용의 절감을 실현하는 것이 가능하다.
게다가, 전기모터의 재생제어에 의해 발생하는 전력을 배터리에 저장할 수 있고, 특히 굴삭부속장치에 설치된 전기모터는 위치에너지 및 운동에너지를 재생작용에 활용하는 것이 가능하므로 축전효과가 높다.
이 때문에, 소비에너지를 삭감하고, 배터리를 소형화하는 것이 가능하다.
더욱이, 작동부의 유압 액추에이터로서, 주행유압모터와 선회유압모터가 각각 하부주행체와 상부선회체에 구비되고, 단일 전기모터에 의해 구동되어 압유로부터 오일이 전환밸브를 통해 주행유압모터와 선회유압모터의 하나로 선택적으로 공급되며, 동시에 조작되는 적이 거의 없는"주행"과 "선회"를 위해 공용으로 하나의 전기모터가 사용될 수 있다.
때문에, 전기모터를 2개 절감할 수 있어 장치구성을 단순화하고, 장치코스트를 저렴하게 할 수 있다.
게다가 상술한 바와같이, 전기모터-유압펌프-유압 액추에이터의 경로를 통해 구동력이 전달되고, 전기모터/펌프 일체형 액추에이터를 사용하고 있기 때문에 이것들을 별개로 독립하여 설치하는 경우와 비교하여 소형화, 경량화 하는 것이 가능하다. 따라서, 특히 굴삭부속장치에 설치하는 것에 적합하다.
한편, 작동부에 대한 구동원으로 전기모터의 회전력이 감속유닛에 의해 감속되어 선회장치에 작용됨으로 인해, 유압계가 일절 불필요하기 때문에 에너지의 전달효율이 향상된다.
상술한 바와같이 본 발명에 따라 파워 유닛의 설치공간을 줄일 수 있고 특히 소형 선회형굴삭기에 있어서 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 하부주행체상에 상부선회체가 장착되고, 이 상부선회체에 굴삭부속장치가 설치되어 구성된 굴삭기에 있어서, 동력원으로서의 엔진, 엔진에 의해 구동되는 발전기, 발전기로부터 공급된 전력에 의해 회전하는 복수의 전기모터를 구비하고, 전기모터를 구동원으로하여 하부주행체, 상부선회체 및 굴삭부속장치의 각 작동부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 굴삭기.
  2. 제 1 항에 있어서, 발전기로부터의 과잉전력을 배터리에 충전하고, 필요에 따라 배터리의 축전력에 의해 전기모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 굴삭기.
  3. 제 2 항에 있어서, 전기모터의 재생제어에 의해 발생된 전력이 배터리에 충전되는 것을 특징으로 하는 굴삭기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 유압 액추에이터를 구비한 작동부에서 유압펌프는 전기모터에 의해 구동되고, 유압 액추에이터는 상기 유압펌프로부터의 오일에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 굴삭기.
  5. 제 4 항에 있어서, 작동부의 유압 액추에이터로서 주행용 유압모터와 선회용 유압모터가 하부주행체와 상부선회체상에 각각 설치되고, 하나의 전기모터에 의해 구동되는 유압펌프로부터의 오일이 상기 주행용 유압모터와 선회용 유압모터의 한쪽으로 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 굴삭기.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 전기모터와 상기 전기모터의 회전방향에 따라 오일의 토출방향을 전환하는 유압펌프가 일체로 된 전기모터-펌프 일체형의 액추에이터를 사용하는 것을 특징으로 하는 굴삭기.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 전기모터의 회전력이 감속유닛에 의해 감속되어 작동부에 구동력으로 작용하는 것을 특징으로 하는 굴삭기.
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