JP2000283107A - ショベル - Google Patents

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JP2000283107A JP11093178A JP9317899A JP2000283107A JP 2000283107 A JP2000283107 A JP 2000283107A JP 11093178 A JP11093178 A JP 11093178A JP 9317899 A JP9317899 A JP 9317899A JP 2000283107 A JP2000283107 A JP 2000283107A
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昌之 鹿児島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーユニットを分割して小さな単位で分散
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、エネルギー効率を向
上させる。 【解決手段】 動力源としてのエンジン１０によって発
電機１１を駆動し、この発電機１１から供給される電力
によって電動機６，７，１５，２３，２５を回転させ、
この電動機６，７，１５，２３，２５によって下部走行
体、上部旋回体及び掘削アタッチメントの各作動部を作
動させる構成とした。

Description

【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、実開平５−４８５０号公報に示さ
れているように、エンジンで電動機を回転させ、この電
動機で油圧ポンプを駆動する所謂ハイブリッド式のもの
が提案された。
【０００５】この公知のハイブリッド式ショベルでは、
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）させてバッテリに
蓄え、重負荷時にバッテリの蓄電力によってエンジンを
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、この公知の
ハイブリッド式ショベルによると、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。
【０００７】このため、次のような欠点があった。
【０００８】 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。
【０００９】 ショベルの負荷変動は、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。
【００１０】 油圧上の問題として、 イ．パワーユニットの油圧ポンプと、ショベルの各作動
部に設置される油圧アクチュエータとの距離が長くて圧
損が大きくなること、 ロ．ポンプとアクチュエータの間に設けられたコントロ
ールバルブ（切換弁）からのブリードオフによってとく
に微操作時のエネルギーロスが大きいこと、 ハ．コントロールバルブのパイロット制御のためのパイ
ロット油圧源（ポンプ）も必要となること 等、油圧系のエネルギーロスが大きく、燃費向上の実効
が低いものとなる。
【００１１】そこで本発明は、パワーユニットを分割し
て小さな単位で分散して設置でき、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、
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。
【００１２】
【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
て回転する複数の電動機とを具備し、この電動機を駆動
源として上記下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッチ
メントの各作動部を作動させるように構成したものであ
る。
【００１３】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。
【００１４】請求項３の発明は、請求項２の構成におい
て、電動機の回生制御によって発生する電力をバッテリ
に蓄えるように構成したものである。
【００１５】請求項４の発明は、請求項１乃至３のいず
れかの構成において、油圧アクチュエータを備えた作動
部について、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。
【００１６】請求項５の発明は、請求項４の構成におい
て、作動部の油圧アクチュエータとして下部走行体に走
行用油圧モータ、上部旋回体に旋回用油圧モータをそれ
ぞれ設け、一つの電動機によって駆動される油圧ポンプ
からの油を切換弁を介して上記走行用油圧モータと旋回
用油圧モータの一方に選択的に供給するように構成した
ものである。
【００１７】請求項６の発明は、請求項４または５の構
成において、電動機と、この電動機の回転方向に応じて
油の吐出方向が転換する油圧ポンプが一体となった電動
機−ポンプ一体型のアクチュエータを用いたものであ
る。
【００１８】請求項７の発明は、請求項１乃至３のいず
れかの構成において、電動機の回転力を減速機により減
速して作動部に駆動力として加えるように構成したもの
である。
【００１９】上記構成によると、エンジン−発電機…電
動機の経路で駆動力が伝達され、機械的な結合はエンジ
ンと発電機のみですむ。
【００２０】すなわち、パワーユニットをエンジン＋発
電機の組と、電動機に分割し、これらを別々（前者を上
部旋回体、後者を各作動部）に設置することが可能とな
る。
【００２１】このため、一個所に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。
【００２２】また、各作動部を電動機（請求項４〜６で
は油圧ポンプ及び油圧アクチュエータを介して、請求項
７では減速機付き電動機）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。
【００２３】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。
【００２４】さらに、請求項３の構成によると、電動機
の回生制御によって発生する電力をバッテリに蓄えるこ
とができる。とくに、掘削アタッチメントに設けられた
電動機は、位置エネルギー及び運動エネルギーを回生作
用に活用することができるため、蓄電効果が高いものと
なる。
【００２５】このため、消費エネルギーを削減し、バッ
テリを小型化することができる。
【００２６】また、請求項５の構成によると、同時操作
されることが殆どない「走行」と「旋回」について一つ
の電動機を共用することができる。このため、電動機を
二つ節減できる等、機器構成を簡略化し、機器コストを
安くすることができる。
【００２７】さらに、請求項６の構成によると、電動機
−油圧ポンプ−油圧アクチュエータの経路で駆動力を伝
達する請求項４または５の構成において、電動機／ポン
プ一体型のアクチュエータを用いているため、これらを
別個独立して設ける場合と比較して小型化、軽量化する
ことができる。このため、とくに掘削アタッチメントに
設置するのに適したものとなる。
【００２８】一方、請求項７の構成によると、油圧系が
一切不要となるため、エネルギーの伝達効率が良いもの
となる。
【００２９】
【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。
【００３０】第１実施形態（図１〜図３参照） 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。
【００３１】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。
【００３２】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、左右の走行用電動機（図３参
照）６，７により個別に回転駆動されて走行する。
【００３３】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、旋回用電動機１３と、こ
の旋回用電動機１３の回転力を減速して旋回機構（旋回
歯車）に伝える減速機１４と、ブーム用電動機１５と、
このブーム用電動機１５により回転駆動されるブーム用
油圧ポンプ（以下、ブームポンプという）１６が設置さ
れている。
【００３４】掘削アタッチメント３は、ブーム１７と、
ブームポンプ１６からの圧油により伸縮作動してブーム
１７を起伏させるブームシリンダ１８と、アーム１９
と、このアーム１８を回動させるアームシリンダ２０
と、バケット２１と、このバケット２１を作動させるバ
ケットシリンダ２２とを具備して成っている。
【００３５】この掘削アタッチメント３には、アーム用
電動機２３とこれによって駆動されるアーム用油圧ポン
プ（以下、アームポンプという）２４がアームシリンダ
２０に、またバケット用電動機２５とこれによって駆動
されるバケット用油圧ポンプ（以下、バケットポンプと
いう）２６がバケットシリンダ２２にそれぞれ設けられ
ている。
【００３６】ブーム用電動機１５とブームポンプ１６、
アーム用電動機２３とアームポンプ２４、バケット用電
動機２５とバケットポンプ２６の各ユニットは、それぞ
れ公知の一体型アクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３として
構成されている。
【００３７】この一体型アクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ
３の構成を図２に示している。
【００３８】同図に示すように、ポンプ１６，２４，２
６は、電動機１５，２３，２５の回転方向に応じて油の
吐出方向が転換する双方向性ポンプとして構成され、こ
のポンプ１６，２４，２６の両側吐出口が管路２７，２
８を介してシリンダ１８，２０，２２のヘッド側及びロ
ッド側油室に接続されている。
【００３９】図２中、２９，２９はリリーフ弁、３０は
オイルタンク、３１はポンプ１６，２４，２６とオイル
タンク３０との間に設けられた自動切換弁、３２，３２
はオペレートチェック弁、３３は両側管路２７，２８間
に設けられた手動開閉弁、３４，３４はスローリターン
弁である。
【００４０】この一体型アクチュエータ構成をとれば、
電動機とポンプを別々に設ける場合と比較してユニット
全体を小型化、軽量化することができる。このため、掘
削アタッチメント３に搭載するのに有利となる。
【００４１】図３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。
【００４２】同図において、実線矢印は電気駆動系、点
線矢印は電気回生系、一点鎖線矢印は油圧駆動系をそれ
ぞれ示す。また、図中、３５，３６は左右の走行用電動
機６，７の減速機である。
【００４３】発電機１１と、各電動機６，７，１５，２
３，２５及びバッテリ１２との間にインバータ３７が設
けられ、このインバータ３７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（通常充電作用）、 ショベル作動に伴う回生作用によって各電動機６，
７，１５，２３，２５に発生した交流電力が直流に変換
されてバッテリ１２に蓄えられ（回生充電作用）、 バッテリ１２の蓄電力が交流に変換されて各電動機
６，７，１５，２３，２５に供給される（放電作用）。
【００４４】なお、インバータ３７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。
【００４５】また、各電動機６，７，１５，２３，２５
は、オペレータによって操作される図示しないたとえば
レバー操作式の操作手段によって回転速度及び回転方向
が制御される。
【００４６】上記〜の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。
【００４７】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６，７，１５，２３，２５が駆動される。
【００４８】これにより、掘削アタッチメント３につい
ては電動機１５，２３，２５−ポンプ１６，２４，２６
−各シリンダ１８，２０，２２の駆動経路で、また下部
走行体１及び上部旋回体２については電動機６，７，１
３−減速機３５，３６，１４の駆動経路でそれぞれ動力
が伝えられて作動（掘削、走行、旋回）する。
【００４９】ここで、基本的には、各電動機６，７，１
５，２３，２５は、発電機１１からインバータ３７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。
【００５０】また、運転中、電動機６，７，１５，２
３，２５をその位置エネルギー、運動エネルギーを利用
して発電機として作用（回生作用）させ、これによって
発生する回生電力をバッテリ１２に蓄えることができ
る。とくに、掘削アタッチメント３に設けられた電動機
１５，２３，２５は、位置エネルギー及び運動エネルギ
ーが高いため、蓄電効果が高いものとなる。このため、
消費エネルギーを削減し、バッテリ１２を小型化するこ
とが可能となる。
【００５１】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６，
７，１５，２３，２５を駆動することもできる。
【００５２】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。
【００５３】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６，７，１５，２３，２
５の経路で回転力が伝達され、機械的な結合はエンジン
１０と発電機１１のみですみ、パワーユニットをエンジ
ン１０＋発電機の組と、電動機６，７，１５，２３，２
５に分割し、前者を上部旋回体２、後者を各作動部（下
部走行体１、上部旋回体２、掘削アタッチメントの各
部）に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。
【００５４】また、各作動部を電動機６，７，１５，２
３，２５によって駆動する構成であり、発電機１１とこ
れら電動機６，７，１５，２３，２５とは電気配線によ
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。
【００５５】第２実施形態（図４参照） 第１実施形態との相違点のみを説明する。
【００５６】第１実施形態においては、掘削アタッチメ
ント３の各作動部、すなわち、ブーム１７、アーム１
９、バケット２１についてはそれぞれポンプ１６，２
４，２６−油圧シリンダ１８，２０，２２の経路で作動
させるようにしたのに対し、第２実施形態では、このブ
ーム１７，アーム１９，バケット２１について、走行及
び旋回系と同じように電動機１５，２３，２５及び減速
機３７，３８，３９によって直接機械的に作動させるよ
うに構成している。
【００５７】この場合、減速機出力側を、ブーム１７、
アーム１９、バケット２１の回動中心軸部分に連結する
構成をとればよい。
【００５８】こうすれば、油圧系が一切不要となるた
め、動力伝達の効率が良いものとなる。
【００５９】第３実施形態（図５参照） 下部走行体１の「走行」動作と上部旋回体２の「旋回」
動作は、実作業上、同時に行われることが殆どない。
【００６０】第３実施形態ではこの点に着目し、走行・
旋回兼用の電動機４０を用い、同電動機４０で走行・旋
回兼用油圧ポンプ４１を駆動し、同ポンプ４１からの圧
油を、切換弁４２を介して左右の走行用油圧モータ４
３，４４または旋回用油圧モータ４５に供給して走行・
旋回動作を選択的に行い得る構成をとっている。
【００６１】こうすれば、電動機を二つ節減できる等、
機器構成を簡略化することができる。
【００６２】ところで、第１実施形態においては、ブー
ム用、アーム用、バケット用の各電動機１５，２３，２
５と、これによって駆動される各ポンプ１６，２４，２
６を一体化した一体型アクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３
を用いたが、この電動機１５，２３，２５とポンプ１
６，２４，２６を別体に設けて機械的に結合する構成を
とってもよい。
【００６３】また、本発明は、掘削アタッチメント３に
おいてバケット２１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。
【００６４】
【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電動機を回転させ、この
電動機によって下部走行体、上部旋回体及び掘削アタッ
チメントの各作動部を作動させる構成としたから、機械
的な結合はエンジンと発電機のみですむ。
【００６５】すなわち、パワーユニットをエンジン＋発
電機の組と、電動機に分割し、これらを別々（前者を上
部旋回体、後者を各作動部）に設置することが可能とな
る。
【００６６】このため、一個所に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。
【００６７】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。
【００６８】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。
【００６９】さらに、請求項３の発明によると、電動機
の回生制御によって発生する電力をバッテリに蓄えるこ
とができる。とくに、掘削アタッチメントに設けられた
電動機は、位置エネルギー及び運動エネルギーを回生作
用に活用することができるため、蓄電効果が高いものと
なる。
【００７０】このため、消費エネルギーを削減し、バッ
テリを小型化することができる。
【００７１】また、請求項５の発明によると、同時操作
されることが殆どない「走行」と「旋回」について一つ
の電動機を共用することができる。このため、電動機を
二つ節減できる等、機器構成を簡略化し、機器コストを
安くすることができる。
【００７２】さらに、請求項６の発明によると、電動機
−油圧ポンプ−油圧アクチュエータの経路で駆動力を伝
達する請求項４または５の構成において、電動機／ポン
プ一体型のアクチュエータを用いているため、これらを
別個独立して設ける場合と比較して小型化、軽量化する
ことができる。このため、とくに掘削アタッチメントに
設置するのに適したものとなる。
【００７３】一方、請求項７の発明によると、油圧系が
一切不要となるため、エネルギーの伝達効率が良いもの
となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるショベルの全体
概略側面図である。
【図２】同ショベルに使用される電動機・ポンプ一体型
アクチュエータの回路図である。
【図３】同ショベルの駆動・制御系のブロック構成図で
ある。
【図４】本発明の第２実施形態にかかるショベルの図３
相当図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかるショベルの図３
相当図である。
【符号の説明】
１ 下部走行体 ２ 上部旋回体 ３ 掘削アタッチメント １７ 掘削アタッチメントの作動部としてのブーム １９ 同アーム ２１ 同バケット １８ ブームシリンダ ２０ アームシリンダ ２２ バケットシリンダ ６，７ 走行用電動機 ３５，３６ 同減速機 １３ 旋回用電動機 １４ 同減速機 １５ ブーム用電動機 ２３ アーム用電動機 ２５ バケット用電動機 １６ ブームポンプ ２４ アームポンプ ２６ バケットポンプ ４０ 走行・旋回兼用電動機 ４３，４４ 走行用油圧モータ ４５ 旋回用油圧モータ ４２ 切換弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小見山 昌之 広島市安佐南区祇園３丁目12番４号 油谷 重工株式会社内 (72)発明者 新谷 裕和 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 鹿児島 昌之 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 Ｆターム(参考） 2D003 AA01 AB01 AB02 AB03 AB04 AB06 AB07 BA05 CA02 3H089 AA73 AA74 BB01 BB02 BB03 BB04 BB27 CC01 CC08 CC11 DA02 DA14 DB43 GG02 JJ02

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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複数の電動機とを具備
    し、この電動機を駆動源として上記下部走行体、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。
  2. 【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。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のショベルにおいて、電動
    機の回生制御によって発生する電力をバッテリに蓄える
    ように構成したことを特徴とするショベル。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載のショ
    ベルにおいて、油圧アクチュエータを備えた作動部につ
    いて、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。
  5. 【請求項５】 請求項４記載のショベルにおいて、作動
    部の油圧アクチュエータとして下部走行体に走行用油圧
    モータ、上部旋回体に旋回用油圧モータをそれぞれ設
    け、一つの電動機によって駆動される油圧ポンプからの
    油を切換弁を介して上記走行用油圧モータと旋回用油圧
    モータの一方に選択的に供給するように構成したことを
    特徴とするショベル。
  6. 【請求項６】 請求項４または５記載のショベルにおい
    て、電動機と、この電動機の回転方向に応じて油の吐出
    方向が転換する油圧ポンプが一体となった電動機−ポン
    プ一体型のアクチュエータを用いたことを特徴とするシ
    ョベル。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至３のいずれかに記載のショ
    ベルにおいて、電動機の回転力を減速機により減速して
    作動部に駆動力として加えるように構成したことを特徴
    とするショベル。
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