JP2013163946A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成によってケーシングの開放時に電力変換装置を放電させることができる建設機械を提供する。
【解決手段】 バッテリ１６と電動モータ１５との間には、インバータ１８、チョッパ２０、平滑コンデンサ２１および放電抵抗２２を備えた電力変換装置１７を設ける。電力変換装置１７とバッテリ１６との間にはリレー２３を設ける。ケーシング２７は、電力変換装置１７を収容すると共に、蓋体３１によって施蓋される。蓋体３１は、ボルト３３によってケーシング２７に取付け、取外し可能に固定される。蓋体３１に設けられた固定ブラケット３４には、ボルト３３を覆ってコネクタ３６が取付けられる。コネクタ３６を固定ブラケット３４から取外したときには、リレー２３は遮断状態になる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電動モータと蓄電装置との間で電力変換を行う電力変換装置を備えた建設機械に関する。

建設機械として、電動式やハイブリッド式の油圧ショベル等が知られている。このような建設機械では、例えば油圧ポンプの駆動や旋回動作、走行動作を行うための電動モータと、電動モータと蓄電装置との間で電力変換を行うインバータ、チョッパ等の電力変換装置とを備えている。また、電力変換装置をケーシング内に収容した構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１３６０９７号公報

ところで、インバータ等の電力変換装置は、例えば直流電力を平滑化するための平滑コンデンサを備えている。この平滑コンデンサには例えば数百Ｖ程度の高電圧が印加されるから、平滑コンデンサは高電圧によって帯電した状態になる。このため、ケーシングを開放して電力変換装置の点検や整備を行うときには、平滑コンデンサを放電させる必要がある。

この点を考慮して、特許文献１には、ケーシングをロックするフック部と、フック部を開放する安全プラグを設け、安全プラグによってバッテリからの給電を停止させる構成が開示されている。しかし、特許文献１の構成では、安全プラグによってフック部のロックを開放すると、バッテリからの給電を停止するものの、電力変換装置の平滑コンデンサの放電が完了する前にケーシングを開放することができるという問題がある。

また、平滑コンデンサを放電するためのスイッチを別途設ける構成も考えられるが、建設機械では乗用車等に比べて大きな振動が作用するため、耐振性の優れた特殊なスイッチが必要となり、製造コストが増加するという問題もある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、簡易な構成によってケーシングの開放時に電力変換装置を放電させることができる建設機械を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、駆動源としての電動モータと、該電動モータに電気的に接続可能な蓄電装置と、前記電動モータと該蓄電装置との間で電力変換を行う電力変換装置と、該電力変換装置と前記蓄電装置との間を接続または遮断するスイッチとを備えた建設機械において、前記電力変換装置を収容するケーシングと、該ケーシングの開口部を施蓋する蓋体と、該蓋体を前記ケーシングに取付け、取外し可能に固定するボルトと、前記蓋体または前記ケーシングに設けられた固定ブラケットと、該固定ブラケットに取付け、取外し可能となり該固定ブラケットに取付けられた状態で前記ボルトを覆うコネクタとを備え、該コネクタを前記固定ブラケットに取付けたときには前記スイッチは接続可能な状態になり、該コネクタを前記固定ブラケットから取外したときには前記スイッチは遮断状態になることを特徴としている。

請求項２の発明では、前記電力変換装置は、直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに並列接続された放電抵抗とを備え、前記ボルトの螺合深さ寸法は、前記平滑コンデンサの放電が完了するのに必要な時間に基づいて設定している。

請求項３の発明では、前記スイッチは、前記蓄電装置に給電線路を介して接続され前記蓄電装置からの給電によって励磁される励磁コイルと、該励磁コイルによって接続状態と遮断状態が切り換わる接点とからなるリレーによって構成され、前記コネクタには、前記給電線路を接続する接続線路を設け、前記コネクタを前記固定ブラケットに取付けたときには、前記接続線路によって給電線路が接続され、前記コネクタを前記固定ブラケットから取外したときには、該給電線路が遮断される構成としている。

請求項１に記載の発明によれば、コネクタによってケーシングの蓋体を固定するボルトを覆うから、ボルトを取外すときには、固定ブラケットからコネクタを取外す必要がある。このとき、コネクタを固定ブラケットから取外したときには、電力変換装置と蓄電装置との間に設けられたスイッチが遮断状態になるから、この時点で電力変換装置の放電を開始することができる。この結果、ボルトの取外しに必要な時間によって、電力変換装置の放電時間を確保することができるから、蓋体を取外してケーシングを開放するときには、電力変換装置を十分に低電圧な状態にすることができる。

請求項２の発明によれば、電力変換装置は平滑コンデンサと放電抵抗とを備えるから、コネクタを固定ブラケットから取外したときには、放電抵抗を用いて平滑コンデンサに溜まった電荷を放電することができる。また、ボルトの螺合深さ寸法は平滑コンデンサの放電が完了するのに必要な時間に基づいて設定したから、例えば平滑コンデンサと放電抵抗とによる時定数が大きくなり放電時間が長くなるときでも、ボルトの螺合深さ寸法を長くすることができる。これにより、平滑コンデンサの放電時間を十分に確保することができる。

請求項３の発明によれば、コネクタには給電線路を接続する接続線路を設けたから、コネクタを固定ブラケットから取外したときには、給電線路が遮断され、励磁コイルに対する給電を停止することができる。この結果、リレーの接点が遮断状態に切り換わり、電力変換装置の放電を開始することができる。

本発明の実施の形態による油圧ショベルを示す正面図である。 図１中の油圧ショベルに適用する電気系の構成を示す回路図である。 図２中の電力変換装置を収容するケーシングを示す斜視図である。 ケーシング等を図３中の矢示IV−IV方向からみた断面図である。 コネクタ、固定ブラケット、ボルト等を図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた断面図である。

以下、本発明の実施の形態による建設機械として電動式の油圧ショベルを例に挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図中、１は油圧ショベルの下部走行体を示し、該下部走行体１上には上部旋回体２が旋回可能に搭載されている。また、上部旋回体２には、運転室を画成するキャブ３が設けられると共に、キャブ３の後方には後述する油圧ポンプ１２、電動モータ１５等を収容する建屋カバー４が設けられている。ここで、下部走行体１には走行モータが設けられると共に、上部旋回体２には旋回モータ（いずれも図示せず）が設けられている。そして、下部走行体１は走行モータによって前進、後進等の走行動作を行い、上部旋回体２は旋回モータによって旋回動作するものである。

５は上部旋回体２の前部に俯仰動可能に取り付けられた作業装置（フロント）で、該作業装置５はブーム６、アーム７、バケット８等によって構成され、ブーム６、アーム７、バケット８にはブームシリンダ９、アームシリンダ１０、バケットシリンダ１１等の油圧シリンダが取り付けられている。そして、これらのシリンダ９〜１１は、走行モータや旋回モータ等の油圧モータと共に、油圧ポンプ１２から供給される圧油によって駆動するアクチュエータを構成している。

１２は油圧源としての油圧ポンプで、該油圧ポンプ１２は、後述の電動モータ１５等と一緒に上部旋回体２の建屋カバー４の内部に配設されている。そして、油圧ポンプ１２は、図２に示すように、電動モータ１５によって回転駆動し、圧油を生成する。また、油圧ポンプ１２は、複数の方向切換弁からなる制御弁装置（Ｃ／Ｖ）１３を介して各シリンダ９〜１１等に接続され、オイルタンク１４内の作動油を吸込んで高圧な圧油を生成し、この圧油を各シリンダ９〜１１等に向けて供給する。

このとき、キャブ３内でオペレータが操作レバー（図示せず）等を操作することによって、制御弁装置１３が切換操作される。これにより、例えば各シリンダ９〜１１に対する圧油の供給、排出が切換えられ、各シリンダ９〜１１の伸縮動作が制御弁装置１３を用いて制御される。

１５は駆動源としての電動モータを示している。具体的には、図２に示すように、電動モータ１５は、その出力軸が油圧ポンプ１２に連結され、油圧ポンプ１２の駆動源として機能する。また、電動モータ１５は、油圧ポンプ１２の近傍に位置して上部旋回体２に設けられ、例えば三相誘導電動機、三相同期電動機等によって構成されている。そして、電動モータ１５は、後述のインバータ１８から供給される三相交流電力によって回転駆動し、その出力軸を通じて油圧ポンプ１２を駆動する。

１６は電動モータ１５に電気的に接続可能な蓄電装置としてのバッテリを示している。該バッテリ１６は、上部旋回体２の後側に設けられ、例えばリチウムイオン電池等の二次電池によって構成されている。また、バッテリ１６は、それ自体が重量物であるため、作業装置５に加わる重量負荷に対するカウンタウエイトとしても機能する。そして、バッテリ１６は、後述する電力変換装置１７のインバータ１８およびチョッパ２０を介して電動モータ１５に電気的に接続可能となっている。

１７は電動モータ１５とバッテリ１６との間で電力変換を行う電力変換装置を示している。該電力変換装置１７は、建屋カバー４内に配設されている。具体的には、電力変換装置１７は、交流電力と直流電力との間の電力変換や直流電圧を降圧または昇圧する電力変換を行う。そして、電力変換装置１７は、後述するインバータ１８、チョッパ２０、平滑コンデンサ２１等によって構成されている。

１８は電動モータ１５に電気的に接続されたインバータを示している。該インバータ１８は、例えばトランジスタ、サイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等からなる複数（例えば６個）のスイッチング素子Ｓを用いて構成されている。ここで、インバータ１８は、制御部１８Ａを用いてスイッチング素子Ｓのオン／オフを制御することによって、例えば直流電力から三相交流電力を生成する。そして、インバータ１８は、三相交流電力を電動モータ１５に供給し、電動モータ１５を駆動する。また、インバータ１８は、プラス側とマイナス側で一対の直流母線１９Ａ，１９Ｂを介してチョッパ２０に電気的に接続されている。

２０はバッテリ１６とインバータ１８との間に電気的に接続されたチョッパを示している。該チョッパ２０は、バッテリ１６の出力側とインバータ１８の入力側とに電気的に接続されている。このチョッパ２０は、例えばＩＧＢＴ等からなる複数（例えば２個）のスイッチ素子ＳとリアクトルＬとを備えている。そして、チョッパ２０は、制御部２０Ａによってスイッチ素子Ｓのオン／オフが制御される。これにより、バッテリ１６を用いて電動モータ１５を駆動するときには、チョッパ２０は、昇圧回路（昇圧チョッパ）として機能し、バッテリ１６から出力される直流電圧を昇圧してインバータ１８に供給する。

なお、直流母線１９Ａ，１９Ｂには、例えば整流回路等を介して商用電源等の外部電源（いずれも図示せず）が接続される。このため、外部電源を用いてバッテリ１６を充電するときには、チョッパ２０は、降圧回路（降圧チョッパ）として機能し、直流母線１９Ａ，１９Ｂ間の直流電圧を降圧してバッテリ１６に供給する。

２１はインバータ１８とチョッパ２０との間に位置して直流母線１９Ａ，１９Ｂ間に接続された平滑コンデンサで、該平滑コンデンサ２１は、直流母線１９Ａ，１９Ｂ間に供給される直流電力を平滑化する。また、平滑コンデンサ２１には、放電抵抗２２が並列接続されている。ここで、平滑コンデンサ２１と放電抵抗２２の時定数は、例えば数十秒程度に設定されている。このため、バッテリ１６からの給電によって電動モータ１５が駆動するときには、放電抵抗２２による放電は殆ど生じることがない。一方、例えばリレー２３によってチョッパ２０とバッテリ１６との間を遮断し、直流母線１９Ａ，１９Ｂ間に対する電力供給がなくなると、平滑コンデンサ２１に溜まった電荷は、放電抵抗２２を通じて放電される。

２３は電力変換装置１７とバッテリ１６との間を接続または遮断するスイッチとしてのバッテリ用のリレーを示している。該リレー２３は、チョッパ２０とバッテリ１６との間に設けられ、接点２４Ａ，２４Ｂと励磁コイルＭＣとを備えている。励磁コイルＭＣは、給電線路２５を介してバッテリ１６に接続され、バッテリ１６からの給電によって励磁される。また、接点２４Ａ，２４Ｂは、バッテリ１６のプラス側の端子とマイナス側の端子にそれぞれ対応し、励磁コイルＭＣによって接続状態（オン）と遮断状態（オフ）が切り換わる。

また、給電線路２５の途中には例えばトランジスタ等のスイッチング素子からなる駆動回路２６が設けられ、駆動回路２６は励磁コイルＭＣに直列接続されている。駆動回路２６は、例えばイグニションキー（図示せず）のオン／オフに応じて、そのオン／オフが切り換わる。このため、イグニションキーがオンのときには、励磁コイルＭＣが励磁状態となり、接点２４Ａ，２４Ｂは接続状態になる。一方、イグニションキーがオフのときには、励磁コイルＭＣが非励磁状態となり、接点２４Ａ，２４Ｂは遮断状態になる。このように、リレー２３は、チョッパ２０とバッテリ１６との間を接続または遮断する。

２７は電力変換装置１７を収容するケーシングを示している。図３および図４に示すように、ケーシング２７は、例えば上部が開口した箱状に形成され、底部側と開口部側との２つの収容空間２８，２９を備えている。ここで、底部側の収容空間２８には、例えばインバータ１８、チョッパ２０、平滑コンデンサ２１等が配設され、開口部側の収容空間２９には、例えば制御部１８Ａ，２０Ａが配設されている。また、ケーシング２７には、制御部１８Ａ，２０Ａと外部の制御回路（図示せず）との間を接続するための制御用コネクタ３０が設けられている。

３１はケーシング２７の開口部２７Ａを施蓋する蓋体を示している。蓋体３１には、電動モータ１５やバッテリ１６に接続するための複数の電力用コネクタ３２が設けられている。蓋体３１の外縁部は、複数本のボルト３３によって、ケーシング２７にねじ止め固定されている。即ち、ボルト３３は、蓋体３１をケーシング２７に取付け、取外し可能に固定している。このため、全てのボルト３３を取外したときに、ケーシング２７から蓋体３１を取外すことができる。

３４は蓋体３１に設けられた固定ブラケットを示している。図３ないし図５に示すように、固定ブラケット３４は、蓋体３１の外縁部側に位置して、例えばＬ字状のステー３５を用いて蓋体３１の上部に取付けられている。また、固定ブラケット３４の内部には、給電線路２５に接続された一対の端子３４Ａ，３４Ｂが設けられている。

３６は固定ブラケット３４に取付け、取外し可能となり、固定ブラケット３４に取付けられた状態でボルト３３を覆うコネクタを示している。具体的には、コネクタ３６は、固定ブラケット３４に取付けた状態で、例えば１本のボルト３３を上側から覆う。このため、コネクタ３６を固定ブラケット３４に取付けた状態では、ボルト３３を抜き取ることができず、蓋体３１を取外すことができない。また、コネクタ３６の内部には、例えば導電性金属等からなる接続線路３６Ａが設けられている。コネクタ３６を固定ブラケット３４に取付けたときには、端子３４Ａ，３４Ｂ間は接続線路３６Ａによって電気的に接続され、励磁コイルＭＣに対する給電が可能な状態になる。このため、コネクタ３６を固定ブラケット３４に取付けたときには、リレー２３は接続可能な状態になる。

一方、コネクタ３６を固定ブラケット３４から取外したときには、端子３４Ａ，３４Ｂ間は電気的に遮断され、励磁コイルＭＣに対する給電が停止された状態になる。このため、コネクタ３６を固定ブラケット３４から取外したときには、リレー２３は遮断状態になり、平滑コンデンサ２１の電荷は放電抵抗２２を通じて放電される。

なお、コネクタ３６によって覆われたボルト３３は、その螺合深さ寸法Ｄが平滑コンデンサ２１の放電が完了するのに必要な時間に基づいて設定されている。即ち、平滑コンデンサ２１および放電抵抗２２の時定数が大きいときには、螺合深さ寸法Ｄは長くなり、時定数が小さいときには、螺合深さ寸法Ｄは短くなる。

また、コネクタ３６は、固定ブラケット３４に係止するためのフック（図示せず）を備えると共に、フックの係止状態を解除するための操作部３７がコネクタ３６の幅方向両側に設けられている。なお、コネクタ３６の紛失を防止するために、例えばコネクタ３６と固定ブラケット３４との間をロープ等で連結してもよい。

本実施の形態による油圧ショベルは上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

リレー２３を接続状態にした上で、電力変換装置１７のインバータ１８およびチョッパ２０が動作すると、バッテリ１６から電動モータ１５に電力が供給される。これにより、電動モータ１５は油圧ポンプ１２を駆動し、油圧ポンプ１２は圧油を生成する。この結果、この圧油を各シリンダ９〜１１等に供給することによって、下部走行体１による走行動作、上部旋回体２の旋回動作、作業装置５による掘削作業等を行うことができる。

また、電力変換装置１７の点検や整備を行うときには、作業者はコネクタ３６を固定部ラケット３４から取外す。これにより、励磁コイルＭＣの給電線路２５が遮断されるから、励磁コイルＭＣが非励磁状態になり、リレー２３の接点２４Ａ，２４Ｂは遮断状態になる。これにより、平滑コンデンサ２１に溜まった電荷は、放電抵抗２２によって放電される。

次に、作業者はボルト３３を全て取外す。このとき、ボルト３３を取外している間に平滑コンデンサ２１の放電が進むため、ボルト３３を全て取外したときには、平滑コンデンサ２１は十分に低電圧な状態になる。これにより、作業者は、蓋体３１をケーシング２７から取外して、電力変換装置１７の点検や整備を行うことができる。

かくして、本実施の形態によれば、コネクタ３６によってケーシング２７の蓋体３１を固定するボルト３３を覆うから、ボルト３３を取外すときには、固定ブラケット３４からコネクタ３６を取外す必要がある。このとき、コネクタ３６を固定ブラケット３４から取外したときには、電力変換装置１７とバッテリ１６との間に設けられたリレー２３が遮断状態になるから、この時点で電力変換装置１７の放電を開始することができる。この結果、ボルト３３の取外しに必要な時間によって、電力変換装置１７の放電時間を確保することができるから、蓋体３１を取外してケーシング２７を開放するときには、電力変換装置１７を十分に低電圧な状態にすることができる。

また、電力変換装置１６は平滑コンデンサ２１と放電抵抗２２とを備えるから、コネクタ３６を固定ブラケット３４から取外したときには、放電抵抗２２を用いて平滑コンデンサ２１に溜まった電荷を放電することができる。また、ボルト３３の螺合深さ寸法は平滑コンデンサ２１の放電が完了するのに必要な時間に基づいて設定したから、例えば平滑コンデンサ２１と放電抵抗２２とによる時定数が大きくなり放電時間が長くなるときでも、ボルト３３の螺合深さ寸法Ｄを長くすることができる。これにより、平滑コンデンサ２１の放電時間を十分に確保することができる。

さらに、コネクタ３６には給電線路２５を接続する接続線路３６Ａを設けたから、コネクタ３６を固定ブラケット３４から取外したときには、給電線路２５が遮断され、励磁コイルＭＣに対する給電を停止することができる。この結果、リレー２３の接点２４Ａ，２４Ｂが遮断状態に切り換わり、電力変換装置１７の放電を開始することができる。

なお、前記実施の形態では、コネクタ３６は、１本のボルト３３を覆うものとしたが、複数本のボルト３３を覆ってもよい。コネクタによって覆うボルトの本数を増加させることによって、さらに長い放電時間を確保することができる。

また、前記実施の形態では、固定ブラケット３４は、蓋体３１に設けるものとした。しかし、コネクタがボルトを覆えばよいため、固定ブラケットはケーシングに設ける構成としてもよい。

また、前記実施の形態では、前記蓄電装置にはバッテリ１６を用いる構成としたが、キャパシタ等のように電力を蓄える他の装置でもよい。

また、前記実施の形態では、電動モータ１５によって油圧ポンプ１２を駆動する電動式の油圧ショベルを例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばエンジンに加えて、発電や駆動に用いる電動モータを備えたハイブリッド式の建設機械に適用してもよく、電動モータは油圧ポンプの駆動に限らず、例えば旋回モータや走行モータ等に使用してもよい。

また、前記実施の形態では、建設機械として装軌式の油圧ショベルを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えばホイール式の油圧ショベル、ホイールローダ等のように、他の電動式やハイブリッド式の建設機械にも広く適用することができる。

１５ 電動モータ
１６ バッテリ（蓄電装置）
１７ 電力変換装置
１８ インバータ
２０ チョッパ
２１ 平滑コンデンサ
２２ 放電抵抗
２３ リレー（スイッチ）
２４Ａ，２４Ｂ 接点
２５ 給電線路
２７ ケーシング
２７Ａ 開口部
３１ 蓋体
３３ ボルト
３４ 固定ブラケット
３６ コネクタ
３６Ａ 接続線路
Ｓ スイッチング素子
ＭＣ 励磁コイル

Claims (3)

1. 駆動源としての電動モータと、該電動モータに電気的に接続可能な蓄電装置と、前記電動モータと該蓄電装置との間で電力変換を行う電力変換装置と、該電力変換装置と前記蓄電装置との間を接続または遮断するスイッチとを備えた建設機械において、
   前記電力変換装置を収容するケーシングと、該ケーシングの開口部を施蓋する蓋体と、該蓋体を前記ケーシングに取付け、取外し可能に固定するボルトと、前記蓋体または前記ケーシングに設けられた固定ブラケットと、該固定ブラケットに取付け、取外し可能となり該固定ブラケットに取付けられた状態で前記ボルトを覆うコネクタとを備え、
   該コネクタを前記固定ブラケットに取付けたときには前記スイッチは接続可能な状態になり、該コネクタを前記固定ブラケットから取外したときには前記スイッチは遮断状態になることを特徴とする建設機械。
2. 前記電力変換装置は、直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに並列接続された放電抵抗とを備え、
   前記ボルトの螺合深さ寸法は、前記平滑コンデンサの放電が完了するのに必要な時間に基づいて設定してなる請求項１に記載の建設機械。
3. 前記スイッチは、前記蓄電装置に給電線路を介して接続され前記蓄電装置からの給電によって励磁される励磁コイルと、該励磁コイルによって接続状態と遮断状態が切り換わる接点とからなるリレーによって構成され、
   前記コネクタには、前記給電線路を接続する接続線路を設け、
   前記コネクタを前記固定ブラケットに取付けたときには、前記接続線路によって給電線路が接続され、前記コネクタを前記固定ブラケットから取外したときには、該給電線路が遮断される構成としてなる請求項１または２に記載の建設機械。

Images