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発明の名称 ショベル
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−11888(P2001−11888A)
公開日 平成13年1月16日(2001.1.16)
出願番号 特願平11−183516
出願日 平成11年6月29日(1999.6.29)
代理人 【識別番号】100067828
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司 (外2名)
【テーマコード(参考)】
2D015
3G093
3H089
5H570
【Fターム(参考)】
2D015 CA01 
3G093 AA10 AA15 AA16 BA19 BA20 BA32 DB27 EB00 EB05 EC04
3H089 BB04 CC08 CC11 DA02 DA14 GG02 JJ02
5H570 AA05 AA30 BB03 CC04 CC07 DD01
発明者 米澤 智志
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体に掘削アタッチメントが設けられてなるショベルにおいて、動力源としてのエンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機から供給される電力によって回転する単数の電動機とを具備し、この電動機によって油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプからの油によって上記下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部の油圧アクチュエータを作動させるように構成したことを特徴とするショベル。
【請求項2】 請求項1記載のショベルにおいて、発電機からの余剰電力をバッテリに蓄え、かつ、必要に応じてこのバッテリの蓄電力によって電動機を駆動するように構成したことを特徴とするショベル。
【請求項3】 請求項2記載のショベルにおいて、特性の異なる複数のバッテリを備え、かつ、バッテリをこの複数のうちで切換えるバッテリ切換手段を具備することを特徴とするショベル。
【請求項4】 請求項3記載のショベルにおいて、相対的に容量が大きくて応答性が低い第1のバッテリと、容量が小さくて応答性が高い第2のバッテリとを具備することを特徴とするショベル。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電動機を駆動源とする掘削機械としてのショベルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、油圧ショベルと称される一般的なショベルは、下部走行体(通常はクローラ)に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体に、ブームとアームとバケットを備えた掘削アタッチメントを取付けて構成し、上部旋回体に設置されたエンジンを動力源として油圧ポンプを回転させ、その吐出油を油圧アクチュエータ(油圧モータまたは油圧シリンダ)に供給して、走行、旋回、ブーム起伏、アーム作動、バケット作動を行わせるように構成している。
【0003】しかし、この従来の油圧式ショベルは、エンジンにかかる負担が大きくて燃費が悪く、排ガス、騒音の問題を抱えている。
【0004】そこで、最近、実開平5−48501号公報に示されているように、エンジンのパワーラインに電動機を連結し、ポンプ負荷が軽い時には電動機をエンジンの余剰トルクにより発電機として作用(回生作用)させて、作られた電力をバッテリに蓄え、重負荷時にバッテリの蓄電力により電動機を駆動してエンジンをアシストするように構成し、これによりエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減、燃費低減を図っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、この公知の電動機駆動方式によると、エンジン−電動機−油圧ポンプの経路で回転力を伝える構成をとっているため、この三者を機械的に結合し、一つのパワーユニットとして一個所に集中して設置する必要がある。
【0006】このため、次のような欠点があった。
【0007】■ パワーユニットが大きくなり、その設置部分(上部旋回体)にまとまった大きなスペースを要するため、この点が機器配置の障害となり、とくに近年主流となりつつある小旋回型のショベルに不適となる。
【0008】■ ショベルの負荷変動は、作業によっては自動車等に比べると時間的にもレベル的にも格段に激しく、上記パワーユニットの機械的結合部分の切換が頻繁に行われるため、このパワーユニットの応答性や耐久性の点で大きな問題となる。
【0009】一方、ショベルには、掘削、水平引き、土羽打ち(バケットで地面を均し固める作業)、吊り等、様々な作業があり、それぞれの作業によって負荷特性が異なっている。
【0010】たとえば土羽打ちは負荷の時間変動が激しくて作業サイクルが短い。これに対し、吊り作業は負荷の時間変動が緩やかで作業サイクルが比較的長い。
【0011】このため、電動機駆動方式において使用されるバッテリの選択が難しい。
【0012】そこで本発明は、電動機駆動方式において、パワーユニットを分割して設置でき、しかも、パワーユニットの機械的結合部分の頻繁な切換を要しないとともに、エネルギー効率を向上させることができるショベルを提供するものである。
【0013】また本発明は、電動機駆動方式において、負荷特性に適合するバッテリを選択し使用することができるショベルを提供するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載され、この上部旋回体に掘削アタッチメントが設けられてなるショベルにおいて、動力源としてのエンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、この発電機から供給される電力によって回転する単数の電動機とを具備し、この電動機によって油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプからの油によって上記下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部の油圧アクチュエータを作動させるように構成したものである。
【0015】請求項2の発明は、請求項1の構成において、発電機からの余剰電力をバッテリに蓄え、かつ、必要に応じてこのバッテリの蓄電力によって電動機を駆動するように構成したものである。
【0016】請求項3の発明は、請求項2の構成において、特性の異なる複数のバッテリを備え、かつ、バッテリをこの複数のうちで切換えるバッテリ切換手段を具備するものである。
【0017】請求項4の発明は、請求項3の構成において、相対的に容量が大きくて応答性が低い第1のバッテリと、容量が小さくて応答性が高い第2のバッテリとを具備するものである。
【0018】上記構成によると、エンジン−発電機−電動機−油圧ポンプの経路で駆動力が伝達される。すなわち、パワーユニットをエンジン+発電機の組と、電動機+油圧ポンプの組に分割し、これらを別々に設置することが可能となる。
【0019】このため、一個所にまとまった大きな設置スペースを必要とせず、とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。
【0020】また、発電機と電動機とは電気配線によって接続できるため、機械的結合部分の頻繁な切換を要しないとともに、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することができる。
【0021】一方、請求項2の構成によると、軽負荷時に、発電機で発生した電力をバッテリに蓄え、重負荷重にバッテリの蓄電力で発電機の電力不足を補い、あるいは発電機に代わって負担することにより、負荷変動の激しいショベルのエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減及び燃費の低減を実現することができる。
【0022】また、請求項3,4の構成によると、作業によって負荷特性が異なるショベルにおいて、負荷特性にマッチングしたバッテリを選択して使用することができる。
【0023】たとえば、吊り作業のように負荷の時間変動が緩やかで作業サイクルが比較的長い作業の場合は応答性は低いが容量の大きなバッテリ、土羽打ち作業のように負荷の時間変動が激しくて作業サイクルが短い作業の場合は容量は小さいが応答性は高いバッテリをそれぞれ選択すればよい。
【0024】これにより、バッテリの蓄電力をより効率良く使用できるとともに、バッテリが一つの場合よりもエンジン負荷をより平滑化し、エンジン騒音及び排ガスを削減し燃費を低減することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図によって説明する。
【0026】第1実施形態(図1,2参照)
図1にこの実施形態にかかるショベル全体を示している。
【0027】同図において、1は下部走行体、2は上部旋回体、3は上部旋回体2の前部に装着された掘削アタッチメントである。
【0028】下部走行体1は、左右のクローラフレーム4及びクローラ(いずれれも片側のみ図示)5から成り、両側クローラ5が、左右の走行用油圧モータ(図3参照)6,7により個別に回転駆動されて走行する。
【0029】上部旋回体2は、旋回フレーム8、キャビン9等から成り、旋回フレーム8に、動力源としてのエンジン10と、このエンジン10によって駆動される発電機11と、バッテリ12と、電動機13と、この電動機13によって駆動される油圧ポンプ14と、旋回用油圧モータ15が設置されている。
【0030】掘削アタッチメント3は、ブーム16と、このブーム16を起伏させるブームシリンダ17と、アーム18と、このアーム18を回動させるアームシリンダ19と、バケット20と、このバケット20を作動させるバケットシリンダ21とを具備している。
【0031】図2はこのショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を示している。
【0032】同図において、実線矢印は電気駆動系、点線矢印は油圧駆動系をそれぞれ示す。
【0033】発電機11と、電動機13及びバッテリ12との間にインバータ22が設けられ、このインバータ22により、■ 発電機11で作られた交流電力が直流に変換されてバッテリ12に蓄えられ(充電作用)、■ バッテリ12の蓄電力が交流に変換されて電動機13に供給される(放電作用)。
【0034】なお、インバータ22には、図示しないが切換手段が設けられ、オペレータの操作により、あるいは負荷状況に応じて自動で、上記充放電作用の切換が行われる。
【0035】電動機13によって駆動される油圧ポンプ14の圧油は、各油圧アクチュエータごとに設けられたコントロールバルブ23(ここでは一括して図示している)を介して各油圧アクチュエータ(旋回及び走行用油圧モータ6,7、ブーム、アーム、バケット各シリンダ17,19,21)に供給され、コントロールバルブ23によって各油圧アクチュエータの作動速度、トルク、作動方向が制御される。
【0036】上記■の充放電作用を含めたこのショベルの駆動・制御作用を次に説明する。
【0037】エンジン10が運転されると発電機11が駆動されて発電作用を行い、発生した交流電力により電動機13が駆動されてポンプ14が回転し、上記のように各油圧アクチュエータが作動することにより、各ショベル動作(掘削、走行、旋回)が行われる。
【0038】ここで、基本的には、電動機13は、発電機11からインバータ22経由で供給される電力によって駆動されるが、重負荷時には、前記した切換手段の作用により、バッテリ12の蓄電力によって電力不足を補い、逆に軽負荷時には発電機11の余剰電力がバッテリ12に蓄えられる。
【0039】一方、軽負荷時でかつバッテリ容量が十分な場合は、エンジン10の出力を低下させ、あるいはエンジン停止させてバッテリ電力のみによって電動機13を駆動することもできる。
【0040】このような作用により、エンジン負荷を平滑化し、騒音及び排ガスを削減し、燃費を低減することができる。
【0041】このショベルによると、上記のようにエンジン10−発電機11−電動機13−油圧ポンプ14の経路で回転力が伝達され、パワーユニットをエンジン10+発電機11の組と、電動機13+油圧ポンプ14の組に分けて設置することが可能となる。従って、一個所にまとまった大きな設置スペースを必要としないため、とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。
【0042】また、発電機11と電動機13は電気配線によって接続できるため、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することができる。
【0043】第2実施形態(図3,4参照)
第1実施形態との相違点のみを説明する。
【0044】第2実施形態においては、特性の異なる二つのバッテリを負荷特性に応じて使い分ける構成をとっている。
【0045】すなわち、第1及び第2両バッテリ12a,12bが、バッテリ切換装置24を介してインバータ22に接続されている。
【0046】第1のバッテリ12aは、図4の実線で示すように、第2バッテリ12bとの比較上、応答性は高い(時間に対する出力の立ち上がりが早い)が容量は小さい特性を有し、たとえばコンデンサ形式のものが使用される。
【0047】これに対し、第2のバッテリ12bは、図4の破線で示すように、応答性は低いが容量は大きい特性を有し、この両バッテリ12a,12bが、オペレータによる切換スイッチ形式のバッテリ切換装置24の操作によって選択される。
【0048】従って、たとえば土羽打ち作業のように負荷の時間変動が激しくて作業サイクルが短い作業の場合には、出力は小さくても立ち上がりの早い電力供給が求められるため応答性の良い第1バッテリ12aを選択し、逆に吊り作業のように負荷の時間変動が緩やかで作業サイクルが比較的長い場合には応答性は低くても大出力が確保される第2バッテリ12bを選択することにより、負荷特性に合った効率の良い作業を行うことができる。
【0049】また、このバッテリ12a,12bの使い分けにより、エンジン負荷がより平滑化されるため、エンジンの小形化、効率使用が可能となり、エンジン騒音及び排ガスを削減し、燃費を低減することができる。
【0050】ところで、上記実施形態では、二種類のバッテリ12a,12bを使い分けるようにしたが、より細かく三種類以上のバッテリを使い分けるようにしてもよい。
【0051】また、本発明は、掘削アタッチメント3においてバケット20に代えて他の作業工具(たとえば排土板や破砕機)を取付けたショベル、掘削アタッチメント3として図1に示すような手前側に掘削するバックホー型のものに代えて、手前側から向こう側に掘削するローディング型のものを備えたショベル、下部走行体としてクローラに代えてホイールを用いたショベルにも適用することができる。
【0052】
【発明の効果】上記のように本発明によるときは、動力源としてのエンジンによって発電機を駆動し、この発電機から供給される電力によって一つの電動機を回転させ、この電動機により油圧ポンプを駆動して下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部の油圧アクチュエータを作動させる構成としたから、パワーユニットをエンジン+発電機の組と、電動機+油圧ポンプの組に分割し、これらを別々に設置することが可能となる。
【0053】このため、一個所にまとまった大きな設置スペースを必要とせず、とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。
【0054】また、各作動部を電動機によって駆動する構成であり、発電機と電動機とは電気配線によって接続できるため、機械的結合部分の頻繁な切換を要しないとともに、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することができる。
【0055】一方、請求項2の発明によると、軽負荷時に、発電機で発生した電力をバッテリに蓄え、重負荷重にバッテリの蓄電力で発電機の電力不足を補い、あるいは発電機に代わって負担することにより、負荷変動の激しいショベルのエンジン負荷を平滑化し、排ガスの削減及び燃費の低減を実現することができる。
【0056】さらに、請求項3,4の発明によると、作業によって負荷特性が異なるショベルにおいて、負荷特性にマッチングしたバッテリを選択して使用することができる。
【0057】たとえば、吊り作業のように負荷の時間変動が緩やかで作業サイクルが比較的長い作業の場合は応答性は低いが容量の大きなバッテリ、土羽打ち作業のように負荷の時間変動が激しくて作業サイクルが短い作業の場合は容量は小さいが応答性は高いバッテリをそれぞれ選択すればよい。
【0058】これにより、バッテリの蓄電力をより効率良く使用できるとともに、バッテリが一つの場合よりもエンジン負荷をより平滑化し、エンジン騒音及び排ガスを削減し燃費を低減することができる。




 

 


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