JP5185349B2

JP5185349B2 - ハイブリッド式建設機械

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Publication number: JP5185349B2
Application number: JP2010228961A
Authority: JP
Inventors: 武則廣木; 学枝村; 学杉浦; 広二石川; 英敏佐竹
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-10-08
Also published as: EP2626474B1; US20130243557A1; US9057173B2; KR20130124278A; WO2012046677A1; EP2626474A1; EP2626474A4; CN102971466B; JP2012082607A; KR101877073B1; CN102971466A

Description

本発明はハイブリッド式建設機械に係わり、特に、旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械に関する。

例えば油圧ショベルのような建設機械においては、動力源として、ガソリン、軽油等の燃料を用い、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生することにより油圧モータ、油圧シリンダといった油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは、小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。

一方で、近年、電動モータ及び蓄電デバイス（バッテリや電気二重層キャパシタ等）を用いることにより、油圧アクチュエータのみを用いた従来の建設機械よりエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている（特許文献１）。

電動モータ（電動アクチュエータ）は油圧アクチュエータに比べてエネルギ効率が良い、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして回生できる（油圧アクチュエータの場合は熱にして放出）といった、エネルギ的に優れた特徴がある。

例えば、特許文献１に示される従来技術では、旋回体の駆動アクチュエータとして電動モータを搭載した油圧ショベルの実施の形態が示されている。

また、省エネルギ化を実現した上で、信頼性やフィーリング等、従来の油圧モータの優れた特性を生かすために、油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動する建設機械が開示されている（特許文献２）。この特許文献２では、旋回体駆動用油圧モータに電動モータが直結され、操作レバーの操作量によってコントローラが電動モータに出力トルクを指令する油圧建設機械のエネルギ回生装置が開示されている。

ところで、油圧ショベルのような旋回体を有する建設機械においては、停車中に旋回体を保持するためブレーキが装備されている。旋回操作レバー信号が入力されて旋回油圧モータが駆動している時には、ブレーキが解除され、レバーを中立に戻し、油圧モータが停止すると、ブレーキが作動するように構成されている。通常の油圧ショベルでは油圧モータの回転数は検出されないため、例えば、特許文献３に開示されているように、通常は、レバーを中立に戻した後、しばらくの時間をおいてからブレーキが作動するように絞り等を用いた油圧タイマ回路が用いられることが多い。

特開２００１−１６７０４号公報特開２００４−１２４３８１号公報実開昭６２−２００８０３号公報

一般に、旋回油圧モータを備えた油圧ショベルにおいて、旋回体等の機械が何らかの理由でオペレータの意に反した動きをした場合、オペレータは、エンジンキーをＯＦＦとして動力源を停止するか、ゲートロックレバーを操作して油圧源の供給を遮断することが想定される。この結果、例えば特許文献３の従来技術が適用される建設機械においては、速やかに機械を停止させることができる。

一方、上述した特許文献１、２のような電動モータを用いた旋回体駆動装置を搭載した建設機械においては、インバータ制御コントローラに実装されたモータ制御アルゴリズムソフトウェアにしたがってＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号によってインバータ内のスイッチング素子を開閉することにより、三相交流電流を生成し、電動モータを駆動制御している。このように電動モータの駆動がマイコン等からなるコントローラのソフトウェアに依存しているので、旋回体等の機械が何らかの理由でオペレータの意に反した動きをした場合に、オペレータが上記と同様な操作を行ったとしても、該当する機械を速やかに停止させることができない場合がある。

また、ソフトウェアが介在する安全方策は、機械電気安全規格ＩＥＣ６０２０４では、安全装置として認められていない。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、旋回体が何らかの理由でオペレータの意に反した動きをした場合でも、通常の建設機械における停止操作により旋回体を速やかに停止できるハイブリッド式建設機械を提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、原動機と、前記原動機を始動停止するためのイグニッションスイッチと、前記原動機により駆動される油圧ポンプと、旋回体と、前記旋回体駆動用の電動モータと、前記電動モータに接続された蓄電デバイスと、前記電動モータ駆動用のインバータと、前記油圧ポンプにより駆動される油圧アクチュエータと、前記旋回体の旋回を停止させる油圧駆動の旋回ブレーキと、前記油圧アクチュエータの可動・不可動を選択するゲートロックレバースイッチと、前記旋回体の駆動を指令する旋回用の操作レバー装置とを備えたハイブリッド式建設機械において、前記インバータにＰＷＭ信号を出力して前記電動モータの回転数を制御するインバータコントローラと、前記ゲートロックレバースイッチの不可動選択と前記イグニッションスイッチのオフ選択とのいずれか一方の動作に応じて、前記インバータコントローラから前記インバータに出力されるＰＷＭ信号を遮断する遮断手段を有する第１の電気回路と、前記ゲートロックレバースイッチの不可動選択と前記イグニッションスイッチのオフ選択とのいずれか一方の動作に応じて、前記旋回ブレーキを作動させる旋回ブレーキ用電磁弁を有する第２の電気回路とを備えたものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記旋回体駆動用の油圧モータをさらに備え、前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電動モータと前記油圧モータの両方を駆動して、前記電動モータと前記油圧モータのトルクの合計で前記旋回体の駆動を行う制御装置を備えたことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記油圧駆動の旋回ブレーキは、前記旋回用の操作レバー装置の中立位置を検知して一定時間経過後にブレーキ動作開始する通常停止手段と、非常停止検知手段からの信号により前記通常停止手段の一定時間より短い時間でブレーキ動作開始する非常停止手段とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、旋回体の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、旋回体等の機械が何らかの理由でオペレータの意に反した動きをした場合に、エンジンのイグニッションスイッチを切る、ゲートロックレバーをロック位置にするといった通常の建設機械における停止操作によって、旋回電動モータを確実にフリーラン状態にし、適切なタイミングで停止ブレーキを動作させるので、旋回体を速やかに停止させることができる。この結果、ハイブリッド式建設機械及びオペレータの安全性が向上し、ハイブリッド式建設機械の稼働率を向上させることができる。

本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を示す側面図である。本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態における旋回／ブレーキ油圧システムのシステム構成図である。本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態における旋回／ブレーキ油圧システムのシステム構成図である。

以下、電動モータを旋回装置に用いたハイブリッド式油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般（作業機械を含む）に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。図１は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を示す側面図、図２は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図、図３は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。

図１において、ハイブリッド式油圧ショベルは走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けた旋回体２０及びショベル機構３０を備えている。

走行体１０は、一対のクローラ１１ａ，１１ｂ及びクローラフレーム１２ａ，１２ｂ（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１ａ，１１ｂを独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３、１４及びその減速機構等で構成されている。

旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回電動モータ２５及び旋回油圧モータ２７と、アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５に接続される電気二重層キャパシタ２４と、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により走行体１０に対して旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。

また、旋回体２０にはショベル機構（フロント装置）３０が搭載されている。ショベル機構３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。

さらに、旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述した走行用油圧モータ１３，１４、旋回油圧モータ２７、ブームシリンダ３２、アークシリンダ３４、バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４１（図２）及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２（図２）を含み、油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。

次に、油圧ショベルの電動・油圧機器のシステム構成について概略説明する。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達されている。コントロールバルブ４２は、旋回用の旋回操作レバー装置１０７（図３参照）からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、旋回油圧モータ２７に供給される圧油の流量と方向を制御する。またコントロールバルブ４２は、図示しない旋回以外の操作レバー装置からの操作指令（油圧パイロット信号）に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６及び走行用油圧モータ１３，１４に供給される圧油の流量と方向を制御する。

電動システムは、上述したアシスト発電モータ２３、キャパシタ２４及び旋回電動モータ２５と、パワーコントロールユニット５５及びメインコンタクタ５６等から構成されている。パワーコントロールユニット５５はチョッパ５１、インバータ５２，５３、平滑コンデンサ５４等を有し、メインコンタクタ５６はメインリレー５７、突入電流防止回路５８、インバータ制御用コントローラ６０（図３）等を有している。

キャパシタ２４からの直流電力はチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転軸は結合されており、減速機構２６を介して旋回体２０を駆動する。アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。

コントローラ８０は、旋回操作指令信号や、圧力信号及び回転速度信号等（後述）を用いて、コントロールバルブ４２、パワーコントロールユニット５５に対する制御指令を生成し、旋回油圧モータ２７を用いる油圧単独旋回モード、旋回油圧モータ２７と旋回電動モータ２５とを用いる油圧電動複合旋回モードの切り替え、各モードの旋回制御、電動システムの異常監視、エネルギマネジメント等の制御を行う。

次に、本発明による旋回制御を行うのに必要なデバイスや制御手段、制御信号等を図３を用いてさらに詳細に説明する。
油圧ショベルは、エンジン２２を始動するためのイグニッションスイッチ１１０と、作業中止時にパイロット圧遮断弁７６をＯＮにして油圧システムの作動を不能とするゲートロックレバー装置１０９とを備えている。また、油圧ショベルは、上述したコントローラ８０と、コントローラ８０の入出力に係わる油圧・電気変換装置１１９，１２０，１２１，１２２、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄを備え、これらは旋回制御システムを構成する。油圧・電気変換装置１１９，１２０，１２１，１２２はそれぞれ例えば圧力センサであり、電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄは例えば電磁比例減圧弁である。

コントローラ８０は、異常監視・異常処理制御ブロック８１、エネルギマネジメント制御ブロック８２、油圧電動複合旋回制御ブロック８３、油圧単独旋回制御ブロック８４、制御切替ブロック８５等からなる。

全体システムに異常がなく、旋回電動モータ２５が駆動可能な状態では、コントローラ８０は油圧電動複合旋回モードを選択する。このとき制御切替ブロック８５は油圧電動複合旋回制御ブロック８３を接続しており、油圧電動複合旋回制御ブロック８３によって旋回アクチュエータ動作が制御される。旋回操作レバー装置１０７の入力によって発生される油圧パイロット信号は油圧・電気変換装置１１９，１２０によって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。旋回油圧モータ２７の作動圧は油圧・電気変換装置１２１，１２２によって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。パワーコントロールユニット５５内の電動モータ駆動用のインバータから出力される旋回モータ速度信号も油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。油圧電動複合旋回制御ブロック８３は、旋回操作レバー装置１０７からの油圧パイロット信号と、旋回油圧モータ２７の作動圧信号及び旋回モータ速度信号に基づいて所定の演算を行って旋回電動モータ２５の指令トルクを計算し、パワーコントロールユニット５５内のインバータ制御コントローラ６０にトルク指令ＥＡを出力する。この結果、旋回電動モータ２５が駆動する。同時に、旋回電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の出力トルク及び旋回油圧モータ２７の出力トルクを減少させる減トルク指令ＥＢ，ＥＣを電気・油圧変換装置７５ａ，７５ｂに出力する。

一方、旋回操作レバー装置１０７の入力によって発生される油圧パイロット信号はコントロールバルブ４２にも入力される。これにより、旋回モータ用のスプール１１３（図４参照）が中立位置からＡ位置もしくはＣ位置に切り換えられ油圧ポンプ４１の吐出油が旋回油圧モータ２７に供給され、旋回油圧モータ２７も同時に駆動される。

旋回電動モータ２５が加速時に消費するエネルギと減速時に回生するエネルギの差によって、キャパシタ２４の蓄電量が増減することになる。これを制御するのがエネルギマネジメント制御ブロック８２であり、アシスト発電モータ２３に発電またはアシスト指令ＥＤを出すことにより、キャパシタ２４の蓄電量を所定の範囲に保つ制御を行う。

パワーコントロールユニット５５内のインバータ制御コントローラ６０は、コントローラ８０からのトルク指令ＥＡや発電またはアシスト指令ＥＤを受け取り、指令に従って、インバータ５２，５３に対してＰＷＭ信号を出力し、インバータ５２，５３内の図示しないスイッチング素子を開閉させることにより、三相交流電流を生成し、旋回電動モータ２５、アシスト発電モータ２３を指令されたトルクで駆動する。

パワーコントロールユニット５５、旋回電動モータ２５、キャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５等の電動システムに故障、異常、警告状態が発生した場合や、キャパシタ２４の蓄電量が所定の範囲外になった場合は、異常監視・異常処理制御ブロック８１及びエネルギマネジメント制御ブロック８２が制御切替ブロック８５を切り替えて油圧単独旋回制御ブロック８４を選択し、油圧電動複合旋回モードから油圧単独旋回モードへの切替えを行う。基本的に旋回の油圧システムは、旋回電動モータ２５と協調して動作するようマッチングされているので、油圧単独旋回制御ブロック８４は、旋回駆動特性補正指令ＥＥと旋回パイロット圧補正指令ＥＦをそれぞれ電気・油圧変換装置７５ｃ，７５ｄに出力し、旋回油圧モータ２７の駆動トルクを増加させる補正と旋回油圧モータ２７の制動トルクを増加させる補正を行うことにより、旋回電動モータ２５のトルクが無くても旋回操作性が損なわれないような制御を行う。

次に、旋回／ブレーキ油圧システムの詳細について図４を用いて説明する。図４は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態における旋回／ブレーキ油圧システムのシステム構成図である。図４において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図３のコントロールバルブ４２はアクチュエータごとにスプールと呼ばれる弁部品を備え、旋回操作レバー装置１０７，７３からの指令（油圧パイロット信号）に応じて対応するスプールが変位することで開口面積が変化し、各油路を通過する圧油の流量が変化する。図４に示す旋回／ブレーキ油圧システムは、旋回用スプールのみを含むものである。

図４において、旋回／ブレーキ油圧システムは、ばね付き単動シリンダからなる旋回ブレーキ１０１と、旋回ブレーキ用電磁弁１０２と、上述した油圧ポンプ４１及び旋回油圧モータ２７と、旋回操作用電磁弁１０６と、旋回操作レバー装置１０７と、旋回用スプール１１３と、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁１１４，１１５と、旋回用の逆止弁１１６，１１７と、タンク１３０とを備えている。

油圧ポンプ４１は可変容量ポンプであり、図示しないレギュレータを備え、レギュレータを動作させることで油圧ポンプ４１の傾転角が変わって油圧ポンプ４１の容量が変わり、油圧ポンプ４１の吐出流量と出力トルクが変わる。図３の油圧電動複合旋回制御ブロック８３から電気・油圧変換装置７５ａに減トルク指令ＥＢが出力されると、電気・油圧変換装置７５ａは対応する制御圧力をレギュレータに出力し、旋回電動モータ２５が出力するトルク分、油圧ポンプ４１の最大出力トルクが減少するようレギュレータの設定を変更する。

旋回用スプール１１３はＡ，Ｂ，Ｃの３位置を持ち、旋回操作レバー装置１０７からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）を受けて中立位置ＢからＡ位置又はＣ位置に連続的に切り替わる。

旋回操作レバー装置１０７は後述する旋回操作用電磁弁１０６を介してパイロット油圧源１０８と接続していて、パイロット油圧源１０８からの圧力をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁を内蔵し、レバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を管路１３１Ａ又１３１Ｂを介して旋回用スプール１１３の左右いずれかの圧力室に与える。

管路１３１Ａ，１３１Ｂには、管路内圧力を検出する圧力センサ１１９，１２０がそれぞれ設けられている。また、管路１３１Ａの中間部をその一入力端に接続し、管路１３１Ｂの中間部をその他入力端に接続したシャトル弁１１１が後述する旋回ブレーキ１０１用の油圧回路として設けられている。

旋回用スプール１１３が中立位置Ｂにあるときは、油圧ポンプ４１から吐出される圧油はブリードオフ絞りを通ってタンク１３０へ戻る。旋回用スプール１１３がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＡ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＡ位置のメータイン絞りを通って旋回油圧モータ２７の左側に送られ、旋回油圧モータ２７からの戻り油はＡ位置のメータアウト絞りを通ってタンク１３０に戻り、旋回油圧モータ２７は一方向に回転する。逆に、旋回用スプール１１３がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を受けてＣ位置に切り替わると、油圧ポンプ４１からの圧油はＣ位置のメータイン絞りを通って旋回油圧モータ２７の右側に送られ、旋回油圧モータ２７からの戻り油はＣ位置のメータアウト絞りを通ってタンク１３０に戻り、旋回油圧モータ２７はＡ位置の場合とは逆方向に回転する。

なお、油圧ポンプ４１から旋回油圧モータ２７の左側に送られる圧油の圧力を検出する圧力センサ１２１が旋回用スプール１１３と旋回油圧モータ２７の左側を接続する管路に設けられ、同様に、油圧ポンプ４１から旋回油圧モータ２７の右側に送られる圧油の圧力を検出する圧力センサ１２２が旋回用スプール１１３と旋回油圧モータ２７の右側を接続する管路に設けられている。

旋回用スプール１１３がＢ位置とＡ位置の中間に位置しているときは、油圧ポンプ４１からの圧油はブリードオフ絞りとメータイン絞りに分配される。このとき、メータイン絞りの入側にはブリードオフ絞りの開口面積に応じた圧力が立ち、その圧力で旋回油圧モータ２７に圧油が供給され、その圧力（ブリードオフ絞りの開口面積）に応じた作動トルクが与えられる。また、旋回油圧モータ２７からの排出油はそのときのメータアウト絞りの開口面積に応じた抵抗を受けて背圧が立ち、メータアウト絞りの開口面積に応じた制動トルクが発生する。Ｂ位置とC位置の中間においても同様である。

旋回操作レバー装置１０７の操作レバーを中立位置に戻し、旋回用スプール１１３を中立位置Ｂに戻したとき、旋回体２０は慣性体であるため、旋回油圧モータ２７はその慣性で回転を続けようとする。このとき、旋回油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）が旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁１１４又は１１５の設定圧力を超えようとするときは、オーバーロードリリーフ弁１１４又は１１５が作動して圧油の一部をタンク１３０に逃がすことで背圧の上昇を制限し、オーバーロードリリーフ弁１１４又は１１５の設定圧力に応じた制動トルクを発生する。

なお、オーバーロードリリーフ弁１１４又は１１５作動時に、旋回油圧モータ２７からの排出油が他系統へ逆流することを防止するための逆止弁１１６，１１７とが、タンク１３０側から旋回油圧モータ２７側へのみ開口するようにオーバーロードリリーフ弁１１４，１１５と併設されている。

旋回操作用電磁弁１０６は、電磁操作型の２ポート２位置型の切換弁であって、パイロット油圧源１０８と旋回操作レバー装置１０７との連通／閉止を選択的に制御するものである。この旋回操作用電磁弁１０６は、非励磁の時ばね部材によって、パイロット油圧源１０８と旋回操作レバー装置１０７とを閉止状態にするように位置している。この旋回操作用電磁弁１０６は、一方側に電磁駆動部が配設され、後述する制御手段の出力ケーブルが接続されている。

次に、旋回体２０を停止させるブレーキ油圧システムの旋回ブレーキ１０１用の油圧回路を詳細に説明する。
旋回ブレーキ１０１は、ばね付き単動シリンダタイプのアクチュエータであって、ボトム室に配設されたばね部材等の内部弾性体によってロッド室側に押しつけられるピストンロッド１０１ａと、ピストンシリンダのロッド室側に形成されパイロット圧油が流入する油室１０１ｂと、ピストンロッド１０１ａの先端に配設され、ピストンロッド１０１ａの駆動量に応じて旋回体２０の旋回を阻害する押圧力を増加する例えばブレーキ部材とを備える。

旋回ブレーキ１０１用の油圧回路は、大略パイロット油圧源１０８からのパイロット圧油をパイロットラインとシャトル弁１１１と後述する旋回ブレーキ用電磁弁１０２とを介して、旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂに供給することにより、上述したブレーキ部材の押圧力を制御し、旋回体２０の旋回を停止させるものである。

上述した旋回操作レバー装置１０７のレバー操作量に応じた圧力を出力するシャトル弁１１１の出力端には、逆止弁１１２が設けられその他端を旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂに接続するパイロット管路１１１Ａの一端が接続されている。

旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂには、パイロット管路１１１Ｂの一端が接続され、パイロット管路１１１Ｂの他端には、タンク１３０に連通する排油路１０２Ａとの連通／閉止を切り換える旋回ブレーキ用電磁弁１０２が接続されている。旋回ブレーキ用電磁弁１０２は、電磁操作型の２ポート２位置型の切換弁であって、旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂとタンク１３０との連通／閉止を選択的に制御するものである。この旋回ブレーキ用電磁弁１０２は、非励磁の時ばね部材によって、旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂとタンク１３０とを連通状態にするように位置している。この旋回ブレーキ用電磁弁１０２は、一方側に電磁駆動部が配設され、後述する制御手段の出力ケーブルが接続されている。

排油路１０２Ａの内部には弱い絞り１０４が設けられている。パイロット管路１１１Ａは内部に絞り１０３が設けられた管路１０３Ａによって、排油路１０２Ａの絞り１０４が設けられた位置に比べてタンク１３０側の位置に接続されている。

次に、非常停止時に後述するインバータ制御コントローラ６０のＰＷＭ出力を停止する第１の電気回路、及び非常停止時に上述した旋回ブレーキ用電磁弁１０２，旋回操作用電磁弁１０６を動作させる第２の電気回路を説明する。

図４に示すように、非常停止に関わる電気回路は、ゲートロックレバー装置１０９のスイッチの不可動選択とイグニッションスイッチ１１０のオフ選択とのいずれか一方の動作に応じて、インバータ制御コントローラ６０から旋回電動モータ用インバータ５２に出力されるＰＷＭ信号を遮断するリレー、又はスイッチ３０１を有する第１の電気回路と、ゲートロックレバー装置１０９のスイッチの不可動選択とイグニッションスイッチ１１０のオフ選択とのいずれか一方の動作に応じて、旋回ブレーキ１０１を作動させる旋回ブレーキ用電磁弁１０２を有する第２の電気回路とから構成されている。

第１の電気回路は、パワーコントロールユニット５５のインバータ制御コントローラ６０のリレー、又はスイッチ３０１に接続した出力ケーブル１３３を備え、第２の電気回路は、旋回ブレーキ用電磁弁１０２、旋回操作用電磁弁１０６の電磁駆動部に接続した出力ケーブル１３４を備えている。

第１の電気回路と第２の電気回路とは、直列に接続されたゲートロックレバー装置１０９とイグニッションスイッチ１１０とを介して電源１１８に電気的に接続している。このため、ゲートロックレバー装置１０９を運転位置選択してイグニッションスイッチ１１０をＯＮ位置選択しているときのみ、出力ケーブル１３３，１３４のそれぞれの接続部に電源を供給している。

インバータ制御コントローラ６０は、図４に示すようにコントローラ８０からの指令によりＰＷＭ信号を生成する演算部であるＣＰＵ３０２と上述した出力ケーブル１３３からの信号で駆動するリレー、又はスイッチ３０１とを備えている。リレー、又はスイッチ３０１がＯＮしているときはＣＰＵ３０２が生成したＰＷＭ信号がインバータ５２へ出力され、リレー、又はスイッチ３０１がＯＦＦすると、インバータ５２へのＰＷＭ信号が停止される。つまり、本実施の形態においては、ＣＰＵ３０２、すなわちＣＰＵ３０２内に実装されたソフトウェアを介さずに、電気的信号により、ＣＰＵ３０２から出力されるインバータ５２に対するＰＷＭ信号出力を停止させる。

次に、本発明の実施の形態の動作を図４を用いて説明する。
図４において、イグニッションスイッチ１１０をＯＮとし、ゲートロックレバー装置１０９を運転位置に選択すると、旋回操作用電磁弁１０６の電磁駆動部が励磁され連通位置に切り替わる。この結果、パイロット油圧源１０８からのパイロット圧油が、旋回操作レバー装置１０７に供給される。また、旋回ブレーキ用電磁弁１０２の電磁駆動部が励磁され閉止位置に切り替わる。この結果、旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂとタンク１３０との連通が閉止され、シャトル弁１１１からの圧油は旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂに流入する。

旋回操作レバー装置１０７を操作すると、圧油は、パイロット油圧回路１３１Ａ，１３１Ｂを介して旋回用スプール１１３の左右いずれかの圧力室に供給され、スプールを駆動し、油圧ポンプ４１と旋回油圧モータ２７の間のメイン油圧回路１３２を連通させる。これによって、旋回油圧モータ２７が回転し、旋回体２０（図１）を駆動する。

このとき、シャトル弁１１１、チェック弁１１２を介して同時に圧油が旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂに送られ、ピストンロッド１０１ａが縮小し、ブレーキ部材と旋回体２０との押圧力が解消するのでブレーキが解除される。

旋回操作レバー装置１０７を中立位置に戻すと、旋回用スプール１１３が中立のＢ位置となり、油圧ポンプ４１と旋回油圧モータ２７の間のメイン油圧回路１３２を閉じるので、旋回油圧モータ２７は停止する。このとき、シャトル弁１１１、チェック弁１１２を介しての圧油が同時に旋回ブレーキ１０１に供給されなくなり、圧油は、絞り１０３を経由してタンク１３０に抜けるので、絞り１０３の絞り量に応じた所定時間後にブレーキ１０１が作動し、旋回体２０を停止保持する。

一方、旋回電動モータ２５においては、旋回操作レバー装置１０７が操作され、油圧パイロット回路１３１Ａ，１３１Ｂに圧力が生じると、圧力センサ１１９、１２０によって圧力信号が検出され電気信号に変換されてコントローラ８０に入力される。コントローラ８０は、この電気信号をレバー操作量として認識し、同時に圧力センサ１２１、１２２によって検出されるメイン油圧回路の圧力により、旋回油圧モータ２７の出力トルクを算出する。旋回油圧モータ２７の出力トルクとレバー操作量から、旋回電動モータ２５に対する指令トルクを計算し、パワーコントロールユニット５５のインバータ制御コントローラ６０に指令信号を出力する。インバータ制御コントローラ６０は、受け取った指令信号に従って、インバータ５２に対してＰＷＭ信号を出力し、インバータ５２内の図示されないスイッチング素子を開閉させることにより、三相交流電流を生成し、旋回電動モータ２５を指令されたトルクで駆動する。

このように旋回体２０が駆動されているときに、例えば、パワーコントロールユニット５５内の電気部品の異常や、インバータ制御コントローラ６０あるいはコントローラ８０の異常等により、旋回体２０の動きに異常が生じ、オペレータが危険を感じた場合、オペレータは、まず旋回操作レバー装置１０７を中立位置に戻し様子を見ることが考えられる。

旋回操作レバー装置１０７を中立位置に戻しても、危険が解消されない場合には、オペレータは、非常停止手段として、ゲートロックレバー装置１０９をロック位置に切替えるか、エンジン２２を切ろうとしてイグニッションスイッチ１１０をＯＦＦ位置に選択することが考えられる。本実施の形態においては、これらの非常停止手段の操作のいずれかが行われると、出力ケーブル１３３を介してインバータ制御コントローラ６０内のリレー３０１を励磁している信号が切断されることとなり、インバータ制御コントローラ６０のＣＰＵ３０２から旋回電動モータ用インバータ５２へのＰＷＭ信号出力が停止し、旋回電動モータ２５をフリーラン状態とさせることができる。

一方、旋回操作用電磁弁１０６の電磁駆動部への励磁が解除さればねの復元力により閉止位置に切り替わる。この結果、パイロット油圧源１０８からのパイロット圧油の供給が停止される。また、旋回ブレーキ用電磁弁１０２の電磁駆動部への励磁が解除さればねの復元力により連通位置に切り替わる。この結果、
旋回ブレーキ１０１の油室１０１ｂとタンク１３０とが連通し、油室１０１ｂ内の圧油が排油路１０２Ａの内部の弱い絞り１０４を介してタンク１３０に流出することにより、旋回ブレーキ１０１が作動する。なお、絞り１０４の絞り量は非常停止制動に対して問題が無い短時間で旋回ブレーキ１０１が作動するように設定している。つまり、通常停止時には、旋回操作レバー装置１０７の中立位置を検知して弱い絞り１０３によって定まる一定時間経過後にブレーキ動作開始するのに対し、非常停止時には、非常停止検知手段からの信号を検知して絞り１０４により定まる通常停止手段の一定時間に比べて短い時間でブレーキ動作を開始させる。

上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態によれば、旋回体２０の駆動に電動モータを用いたハイブリッド式建設機械において、旋回体２０が何らかの理由でオペレータの意に反した動きをした場合に、エンジン２２のイグニッションスイッチ１１０をＯＦＦ位置に選択する、ゲートロックレバー装置１０９をロック位置に選択するといった通常の建設機械における停止操作によって、旋回電動モータ２５を確実にフリーラン状態にし、適切なタイミングで旋回ブレーキ１０１を動作させるので、旋回体２０を速やかに停止させることができる。この結果、ハイブリッド式建設機械及びオペレータの安全性が向上し、ハイブリッド式建設機械の稼働率を向上させることができる。

また、上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態によれば、旋回体２０が何らかの理由でオペレータの意に反した動きをした場合に、ゲートロックレバー装置１０９をロック位置に選択するか、イグニッションスイッチ１１０をＯＦＦにすることにより、旋回電動モータ２５は電気回路的に確実にフリーラン状態となり、かつ、旋回ブレーキ用電磁弁１０２が開くことにより圧油が抜け旋回ブレーキ１０１が直ちに作動するので、旋回体２０を緊急停止させることができる。

次に、本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態の油圧ショベルについて図５を用いて説明する。図５は本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態における旋回／ブレーキ油圧システムのシステム構成図である。なお、図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。

図４に示した第１の実施の形態では、旋回体２０を駆動するために旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７とを設けていたが、本実施の形態ではその構成に代え、旋回電動モータ２５のみで旋回体２０を駆動する構成としたところが異なる。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ゲートロックレバー装置１０９をロック位置に選択するか、イグニッションスイッチ１１０をＯＦＦにすることにより、旋回電動モータ２５は電気回路的に確実にフリーラン状態となり、かつ、旋回ブレーキ用電磁弁１０２が開くことにより圧油が抜け旋回ブレーキ１０１が直ちに作動し、旋回体２０を緊急停止させることができる。

上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

本発明では、ゲートロックレバー装置１０９またはイグニッションスイッチ１１０の電気信号をインバータ制御コントローラ６０に直接入力し、リレー３０１を同信号で駆動させることによって、ＣＰＵ３０２内に実装されたソフトウェアを介さず、ＣＰＵ３０２から出力される旋回電動モータ用インバータ５２に対するＰＷＭ出力を停止させている。
しかしながら、電気信号によって、ＣＰＵを介さず、ＰＷＭ出力を停止させる機能は最近のモータ制御用マイクロコントローラにはよく実装されているハードウェア機能であり、本発明を実施するのに、インバータ制御コントローラ６０内にリレー３０１を設けず、これらのマイクロコントローラを用いて、インバータ制御コントローラ６０を構成してもよい。

なお、本発明の実施の形態においては、非常停止手段としての電気回路において、ゲートロックレバー装置１０９のスイッチ部とイグニッションスイッチ１１０を直列に接続する構成を例に説明したが、これに限られるものではなく、ゲートロックレバー装置１０９のスイッチ部又はイグニッションスイッチ１１０のいずれかのみで構成してもよい。

１０走行体
１１クローラ
１２クローラフレーム
１３右走行用油圧モータ
１４左走行用油圧モータ
２０旋回体
２１旋回フレーム
２２エンジン
２３アシスト発電モータ
２４キャパシタ
２５旋回電動モータ
２６減速機
２７旋回油圧モータ
３０ショベル機構
３１ブーム
３３アーム
３５バケット
４１油圧ポンプ
４２コントロールバルブ
５１チョッパ
５２旋回電動モータ用インバータ
５３アシスト発電モータ用インバータ
５４平滑コンデンサ
５５パワーコントロールユニット
５６メインコンタクタ
５７メインリレー
５８突入電流防止回路
６０インバータ制御コントローラ
８０コントローラ
８１異常監視・異常処理制御ブロック
８２エネルギマネジメント制御ブロック
８３油圧電動複合旋回制御ブロック
８４油圧単独制御ブロック
８５制御切替ブロック
１０１旋回ブレーキ
１０２旋回ブレーキ用電磁弁
１０３絞り
１０４弱い絞り
１０６旋回操作用電磁弁
１０７旋回操作レバー装置
１０８パイロット油圧源
１０９ゲートロックレバー装置
１１０イグニッションスイッチ

Claims

原動機と、前記原動機を始動停止するためのイグニッションスイッチと、前記原動機により駆動される油圧ポンプと、旋回体と、前記旋回体駆動用の電動モータと、前記電動モータに接続された蓄電デバイスと、前記電動モータ駆動用のインバータと、前記油圧ポンプにより駆動される油圧アクチュエータと、前記旋回体の旋回を停止させる油圧駆動の旋回ブレーキと、前記油圧アクチュエータの可動・不可動を選択するゲートロックレバースイッチと、前記旋回体の駆動を指令する旋回用の操作レバー装置とを備えたハイブリッド式建設機械において、
前記インバータにＰＷＭ信号を出力して前記電動モータの回転数を制御するインバータコントローラと、
前記ゲートロックレバースイッチの不可動選択と前記イグニッションスイッチのオフ選択とのいずれか一方の動作に応じて、前記インバータコントローラから前記インバータに出力されるＰＷＭ信号を遮断する遮断手段を有する第１の電気回路と、
前記ゲートロックレバースイッチの不可動選択と前記イグニッションスイッチのオフ選択とのいずれか一方の動作に応じて、前記旋回ブレーキを作動させる旋回ブレーキ用電磁弁を有する第２の電気回路とを備えた
ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
請求項１記載のハイブリッド式建設機械において、
前記旋回体駆動用の油圧モータをさらに備え、
前記旋回用の操作レバー装置が操作されたときに前記電動モータと前記油圧モータの両方を駆動して、前記電動モータと前記油圧モータのトルクの合計で前記旋回体の駆動を行う制御装置を備えた
ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
請求項１又は２に記載のハイブリッド式建設機械において、
前記油圧駆動の旋回ブレーキは、前記旋回用の操作レバー装置の中立位置を検知して一定時間経過後にブレーキ動作開始する通常停止手段と、非常停止検知手段からの信号により前記通常停止手段の一定時間より短い時間でブレーキ動作開始する非常停止手段とを備えている
ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。