JP4937082B2 - 電気駆動式建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベルなどの、電動機を用いて油圧ポンプを駆動する電気駆動式建設機械に関する。

従来、油圧ショベルなどの建設機械では、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生させ、この油圧によって作業装置などを駆動することにより、外部に対して作業が行なわれる。

図４は従来の建設機械の一例としての油圧ショベルのレイアウトを示す構成図であって、同図（ａ）は一部展開した側面図、同図（ｂ）は同じく平面図であり、１は下部走行体、２は上部旋回体、３は作業装置、４は運転室、５はオイルタンク、６は油圧ポンプ、７はコントロールバルブ、８はラジエータやオイルクーラなどからなる熱交換器、９はエンジン、１０は燃料タンク、１１はセンタジョイントである。

同図（ａ），（ｂ）において、建設機械は、ここで、油圧ショベルを例として説明すると、その建設機械本体が下部走行体１上に、センタジョイント１１を介して上部旋回体２が設けられた構成をなしており、この上部旋回体２には、作業のための操作が行なわれる運転室４やブーム，アーム，バケットなどからなる作業装置３が設けられている。また、上部旋回体２には、作業装置３の駆動や上部旋回体２の旋回駆動，下部走行体１の走行駆動などを行なうための油圧回路を形成する油圧ポンプ６やオイルタンク５，コントロールバルブ７が搭載されているとともに、油圧ポンプ６を駆動するためのエンジン９やこのエンジン９の燃料を貯蔵した燃料タンク１０が設けられている。

エンジン９によって油圧ポンプ６が駆動されることにより、オイルタンク５の作動油に圧力が加えられ、圧油としてコントロールバルブ７を介して作業装置３などに設けられている図示しないアクチュエータに供給される。そして、運転室４に設けられた操作レバーなどを操作することによってコントロールバルブ７が制御され、アクチュエータに供給される圧油の量が制御されて作業装置３などが動作し、作業が行なわれる。なお、熱交換器８はエンジン９や作動油などを冷却する。

ところで、このように、油圧ポンプ６の駆動にエンジン９を用いると、排気ガスや騒音が発生する。かかる建設機械を屋内作業や地下工事などに用いる場合もあり、このような作業現場では、特に、排気ガスや騒音の影響が問題となる。これを回避するために、排気ガスや騒音を低減できるようにした特殊仕様のエンジンを用いたり、換気装置を別途設置したりしているが、これにも限界があった。

かかる問題を解消するものとして、電動機でもって油圧ポンプを駆動するようにした建設機械が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の建設機械は、上部回転体に油圧ポンプを駆動する電動機を設け、外部の電源設備からこの電動機に給電するための給電ケーブルを下部走行体を介して上部旋回体に導入するものであり、このように、油圧ポンプの駆動に電動機を用いることにより、排気ガスの発生をなくし、騒音を低減することができる。
特開平１０−１０２５４３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術では、上記の電動機の駆動に必要な電力を直接電源設備から供給するものであるから、建設機械の作業現場としては、かかる電源設備が設けられた現場に限定されるし、また、かかる作業現場であっても、建設機械の作業はこの電源設備の最大供給電力によって制限されることになる。

本発明の目的は、かかる問題を解消し、電源設備の有無にとらわれず、また、電源設備の最大供給可能な電力に制限されずに作業を行なうことができるようにした電気駆動式建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、油圧ポンプの駆動手段として電動機が搭載され、外部電源から電動機に電力を供給することにより、電動機を駆動するようにした電気駆動式建設機械であって、外部電源と第１の電力ケーブルを介して接続され、かつ建設機械本体での電動機への給電線と第２の電力ケーブルを介して接続された電力平準化装置を有し、外部電源から電力平準化装置を介して平準化された電力が電動機に供給されることを特徴とするものである。

また、本発明は、電力平準化装置が、バッテリと、外部電源からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力によってバッテリを充電する充電装置と、バッテリの出力直流電力を交流電力に変換し、第２の電力ケーブルから建設機械本体に給電する直流−交流変換器とからなることを特徴とするものである。

また、本発明は、電力平準化装置が、バッテリと、外部電源からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力によってバッテリを充電する充電装置とからなり、バッテリの出力直流電力を第２の電力ケーブルから建設機械本体に給電することを特徴とするものである。

さらに、本発明は、充電装置がバッテリの充電電力の上限を制限する手段を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、電動機によって油圧ポンプを駆動するものであるから、排気ガスや騒音が問題となる作業現場でも、作業に用いることができるとともに、外部電源から電動機の駆動のための電力が電力平準化装置で平準化されて供給されるものであるから、外部電源として供給電力が然程大きくない電源設備を用いる作業現場でも、建設機械本体の出力、即ち、作業量が制限されることなく、作業を行なうことができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明による電気駆動式建設機械の一実施形態のレイアウトを示す構成図であって、１２は電動機、１３は制御装置、１４はスリップリング、１５は台車、１６は電力平準化装置、１７は出力側電力ケーブル、１８は入力側電力ケーブル、１９は交流電源であり、図４に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。なお、この実施形態では、建設機械として、油圧ショベルを例に説明するが、本発明は、これのみに限るものではない。

同図において、上部旋回体２には、油圧ポンプ６の駆動手段として、電動機１２が設けられ、また、この電動機１２に電力を供給するために、図示しないが、インバータや給電線が設けられ、さらに、このインバータなどを制御して電動機１２の回転速度などを制御するための制御装置１３が設けられている。

この電動機１２の電力供給源としては、電力平準化装置１６が用いられる。この電力平準化装置１６は、移動可能な台車１５に搭載されて、入力側電力ケーブル１８により、商用電源や電源設備などの外部電源としての交流電源１９に接続され、また、出力側電力ケーブル１７により、下部走行体１内に設けられた図示しない給電線に接続されている。ここで、この出力側電力ケーブル１７は、図示しないコネクタにより、下部走行体１内の給電線に着脱可能に接続されている。

そして、上部旋回体２と下部走行体１とのセンタジョイント１１の部分には、スリップリング１４を介して上部旋回体２での上記給電線と下部走行体１での上記給電線とが接続されており、これにより、電力平準化装置１６からの交流または直流電力が、出力側電力ケーブル１７，下部走行体１内の給電線及びスリップリング１４を介して、上部旋回体２の給電線に給電される。

ここで、電力平準化装置１６は、交流電源１９からの電力を充電し、この充電電力を出力側電力ケーブル１７を介して油圧ショベルに供給するのであるが、電動機１２の負荷の大きさ（負荷量）に応じてこの電動機１２への必要な供給電力量が異なる。作業装置３の操作や上部旋回体２の旋回操作などを伴う作業時のように、油圧ショベルの作業量が大きい場合には、油圧ポンプ６の回転速度を高速にして油圧を高める必要がある。このために、インバータを制御して電動機１２を高速回転させる必要があり、電動機１２の負荷が増加してその消費電力量（電流量）を高める必要がある。逆に、油圧ショベルの作業量が小さい場合には、油圧ポンプ６の回転速度を低速にして油圧を低めることができ、このような場合には、インバータを制御して電動機１２を低速回転させることができ、電動機１２の負荷が減少してその消費電力量（電流量）を低くすることができる。

このように、電動機１２の負荷量の変化に応じて、この電動機１２に必要な消費電力量が変化するが、電力平準化装置１６は、この電動機１２が必要とする消費電力量に応じた電力量をこの電動機１２に給電するものである。

ここで、交流電源１９を電力ケーブルを介して直接下部走行体１内の給電線に接続された場合、電動機１２の負荷が増加すると、この交流電源１９から給電される電力、即ち、電流が増加する。これに対し、この実施形態では、電力平準装置１６が交流電源１９からの給電量の上限値（例えば、１５Ａ）を設定し、電動機１２の負荷が増加してこの電動機１２が必要とする消費電力がこの給電量の上限を越えた場合、交流電源１９からの供給電力、即ち、電流をこの上限値とし、電動機１２には、それが必要とする電力（電流）を供給するものである。このときの電動機１２が必要とする電力量と交流電源１９から供給される上限値の電力量との差は、電力平準化装置１６で充電された電力が用いられる。

このように、電動機１２の負荷が増加してこれに必要とする消費電力が増加しても、電力平準化装置１６から供給される電力は、その上限値以下に抑えられたものとなり、この電力平準化装置１６の給電電力量のピークが低減されてその変動分が吸収され、給電電力の平準化が行なわれる。従って、この実施形態の電気駆動式建設機械は、供給可能な電力が然程大きくない電源設備を備えた作業現場でも、この電源設備から供給される最大の電力量を越える消費電力を必要とする作業も行なわせることが可能となるし、また、作業の種類に制限が加えられることなく、即ち、電動機１２の負荷の大きさにかかわりなく、作業をさせることが可能となる。

図２は図１に示す実施形態での電動機１２への給電システムの一具体例を示す構成図であって、２０はバッテリ、２１は充電装置、２２は直流−交流変換器、２３はコネクタ、２４，２５は給電線、２６は交流−直流変換器、２７はインバータ、２８は信号線であり、図１に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

同図において、交流電源１９から入力側電力ケーブル１８を介して電力平準化装置１６に、例えば、１００Ｖの２相交流電力が給電される。電力平準化装置１６では、充電装置２１がこの交流電源１９からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ２０を充電する。このバッテリ２０の充電により、このバッテリ２０から一定電圧の直流電流が出力され、交流−直流変換器２２で３相交流に変換されて、油圧ショベルの下部走行体１に設けられたコネクタ２３によって接続された出力側電力ケーブル１７とこの下部走行体１内の給電線２４とを介し、さらに、スリップリング１４によって接続された上部旋回体２内の給電線２５を介して、交流−直流変換器２６に供給される。この交流−直流変換器２６では、供給された３相交流が直流に変換され、電源電圧としてインバータ２７に供給される。インバータ２７では、制御部１３の制御のもとに、別途手段によって生成されたスイッチング信号に応じた３相交流に変換され、３相駆動信号として電動機１２に供給される。

電動機１２はこの３相駆動信号によって回転駆動されて油圧ポンプ６を駆動し、オイルタンク５の作動油を汲み上げ、圧油として、コントロールパルブ７から油圧ショベルの運転室４でオペレータの操作に応じたアクチュエータに送る。ここで、オペレータの操作によって油圧ショベルの作業量が増加し、圧油を供給するアクチュエータの個数を増やしたり、アクチュエータに供給する圧油量を増やしたりする場合には、制御部１３がこのオペレータの操作に応じてインバータ２７への上記スイッチング信号を制御し、回転駆動信号の電流量（従って、電力量）を増やして電動機１２の回転数を増加させ、油圧ポンプ６を高速回転させる。この場合の増加される電力量は、バッテリ２０からの電流量が増加することによって補われることになる。

また、電力平準化装置１６での充電装置２１には、バッテリ２０を充電する電力（電流）の制限手段を備えている。かかる電流制限手段は、バッテリ２０に流れ込む電流を予め設定されて上限値に制限するものであって、電動機１２の負荷が増大してバッテリ２０の出力電流が増加しても、バッテリ２０の充電電流がこの上限値を越えないようにするものである。これにより、交流電源１９から供給される電流量も制限されて、電動機１２の負荷が増大しても、予め決められた上限値（例えば、１５Ａ）を越えることがないようにする。

電動機１２の負荷変動に応じて電力平準化装置１６のバッテリ２０からこの電動機１２への供給電力も変動し、これによる消費電力に応じてこのバッテリ２０の充電量も変動するから、これを補うべき交流電源１９からの供給電力も変動する。バッテリ２０での残留充電量が少ないほど交流電源１９からの供給電力量が多くなる。

このため、電動機１２の負荷が大きい状態が長時間続くと、バッテリ２０の残留充電量が少なくなり、これとともに、交流電源１９から供給される電力量が増加していく。しかし、この供給電力量は上記の上限値（例えば、１５Ａ）に制限されるため、交流電源１９から供給される電力量が大きくなり過ぎることはなく、交流電源からの供給電力は、その上限値によって制限されるため、大きなピークが生ずることがなくて平準化されることになる。

ここで、上記の電流制限手段としては、例えば、電力平準化装置１６には、所定電圧になるように、充電装置２１からバッテリ２０への充電電流をスイッチングによって制御してバッテリ２０に供給する。そして、交流電源１９の油圧ショベルに対する負荷電流（供給電流）がバッテリ２０の充電電流値の上限値に応じた上限値（例えば、１５Ａ）にスイッチングによって制御されるものであるから、交流電源１９の油圧ショベルへの電力供給量（負荷量）がその上限で制限されることになる。

なお、この具体例においては、電力平準化装置１６には、図示しないが、バッテリ２０の充電残量と温度とを検出するセンサが設けられており、これらが常時検出されて、バッテリの状態情報として、信号線２８を介して制御部１３に供給されている。これにより、制御部１３がバッテリ２０の状態を常時監視している。そして、バッテリ２０の充電残量が少なくなった場合やバッテリ２０の温度が高すぎるようになった場合には、制御部１３はインバータ２７を制御して電動機１２の出力を制限し、従って、油圧ショベルの作業量を制限してバッテリ２０に負担がかからないようにする。なお、信号線２８は、出力側電力ケーブル１７と一体のものであってもよいし、また、出力側電力ケーブル１７とは別に設けられるものであってもよい。

図３は図１に示す実施形態での電動機１２への給電システムの他の具体例を示す構成図であって、図２に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

同図において、この具体例では、バッテリ２０から出力される直流電圧を直接、出力側電力ケーブル１７，給電線２４及びスリップリング１４を介して上部旋回体２内の給電線２５に供給されるものであり、上部旋回体２では、この給電せん２５からの直流電圧が直接インバータ２７に供給される。このため、出力側電力ケーブル１７や給電線２４，２５は直流を給電する構成となっている。インバータ２７は、バッテリ２０から供給される直流電圧を電源電圧として動作する。

これ以外の構成は図２に示した具体例と同様である。

このように、この実施形態では、電源設備からの供給電力を平準化してその上限値を越える電力を必要としないものであるから、供給電力が大きい電源設備を必要としないものであるし、供給電力が然程大きくない電源設備が設けられた作業現場であっても、油圧ショベルの出力（作業量）に制限を加えずに作業を行なうことが可能となる。

また、電源設備からの供給電力に制限を加えて平準化するものであるから、あるいはまた、供給電力が然程大きくない電源設備を使用することができるものであるから、オフィスビルの内装，解体作業などの他の施設に対しても電力が必要とするような環境においても、かかる他の施設に対して必要とする電力に影響を及ぼすことなく、作業を行なうことが可能となる。

さらに、バッテリ２０として、大きめの容量のものを用いることにより、作業現場間の移動など、一時的に交流電源１９からの電力の供給がない場合でも、油圧ショベルを稼働させることができる。

なお、上記実施形態では、電力平準化装置１６からの出力側電力ケーブル１７を、油圧ショベルの下部走行体１の給電線２４を介して、上部旋回体２の給電線２５に接続するようにしたが、上部旋回体２の給電線２５に直接接続するようにしてもよい。この場合には、下部走行体１の給電線２４やスリップリング２３を省くことができる。

本発明による電気駆動式建設機械の一実施形態のレイアウトを示す図である。 図１に示す実施形態での給電システムの一具体例を示す構成図である。 図１に示す実施形態での給電システムの他の具体例を示す構成図である。 従来の建設機械の一例のレイアウトを示す構成図である。

符号の説明

１ 下部走行体
２ 上部旋回体
３ 作業装置
４ 運転室
５ オイルタンク
６ 油圧ポンプ
７ コントロールバルブ
８ 熱交換器
１１ センタジョイント
１２ 電動機
１３ 制御装置
１４ スリップリング
１５ 台車
１６ 電力平準化装置
１７ 出力側電力ケーブル
１８ 入力側電力ケーブル
１９ 交流電源
２０ バッテリ
２１ 充電装置
２２ 直流−交流変換器
２３ コネクタ
２４，２５ 給電線
２６ 交流−直流変換器
２７ インバータ
２８ 信号線

Claims (4)

1. 油圧ポンプの駆動手段として電動機が搭載され、外部電源から該電動機に電力を供給することにより、該電動機を駆動するようにした電気駆動式建設機械であって、
   該外部電源と第１の電力ケーブルを介して接続され、かつ建設機械本体での該電動機への給電線と第２の電力ケーブルを介して接続された電力平準化装置を有し、
   該外部電源から該電力平準化装置を介して上限値が制限されて平準化された電力が該電動機に供給されることを特徴とする電気駆動式建設機械。
2. 請求項１記載の電気駆動式建設機械において、
   前記電力平準化装置は、
   バッテリと、
   前記外部電源からの交流電力を直流電力に変換し、該直流電力によって該バッテリを充電する充電装置と、
   該バッテリの出力直流電力を交流電力に変換し、前記第２の電力ケーブルから前記建設機械本体に給電する直流−交流変換器と
   からなることを特徴とする電気駆動式建設機械。
3. 請求項１記載の電気駆動式建設機械において、
   前記電力平準化装置は、
   バッテリと、
   前記外部電源からの交流電力を直流電力に変換し、該直流電力によって該バッテリを充電する充電装置と
   からなり、該バッテリの出力直流電力を前記第２の電力ケーブルから前記建設機械本体に給電することを特徴とする電気駆動式建設機械。
4. 請求項２または３記載の電気駆動式建設機械において、
   前記充電装置は、前記バッテリの充電電力の上限を制限する手段を有することを特徴とする電気駆動式建設機械。

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