CN102753841B - 作业机械的电液驱动系统 - Google Patents

Abstract

用调节阀（6）调节工作液的流量并驱动上部旋转体（16）的作业机械的电液驱动系统由具有通过发动机（2）驱动的油压泵（4）和第一电动机（5）的电油泵（3）和具有用由所述电油泵（3）供给的工作油旋转的油压马达（10）和第二电动机（11）的电油马达（9）构成；并具备根据所述电油泵（3）的负荷和所述电油马达（9）的负荷，决定所述第一电动机（5）和所述第二电动机（11）的动作状态的控制装置（7），从而构成可以通过油压和电力有效地运行的作业机械的电液驱动系统。

Description

作业机械的电液驱动系统

技术领域

本发明涉及用液压马达和电动机驱动设置于作业机械等的结构体的电液驱动系统，例如涉及使用了油压马达和电动机的电液驱动系统。

背景技术

以往，在各种领域使用着油压单斗挖掘机、起重机、轮式装载机、推土机等的动力机械类（在该说明书及权利要求中，将这样的动力机械类（重型器械）统称为“作业机械”）。以例如油压单斗挖掘机为例进行说明，油压单斗挖掘机的上部旋转体（结构体）设置在下部行驶体的上部，在该上部旋转体上具备发动机及驾驶员席位、前端设置铲斗（Bucket）的臂、连接于臂上的吊杆（Boom）等，形成大型的重型机械。在作业时通过操作操作席的遥控阀（以下称为“遥控阀”）该上部旋转体在下部行驶体的上部旋转，并通过臂前端的铲斗进行各种作业。

并且，对于这样的作业机械，近年来，提出作为上部旋转体等的驱动装置具备电动机的装置。

例如，对于这样的作业机械，有一种装置是用作为动力源的发动机驱动的减速器上并排安装油压泵及发电机兼电动机并驱动两者，用来自油压泵的工作油驱动油压执行器，并将用发电机发电的电力蓄积在电池中，根据需要使发电机兼电动机作为电动机动作（例如，参照专利文献1、2）。

并且，作为其他现有技术，有一种装置是在作为动力源的发动机上安装油压泵，在该油压泵上通过减速器及联轴器具备发电机兼电动机，通过来自用发动机的动力驱动的油压泵的工作油驱动油压缸及行驶用油压马达，将用发电机发电的电力蓄积在电池中并驱动旋转电动机（例如，参照专利文献2、3）。

此外，作为其他现有技术，也有一种装置是使作为动力源的发动机和发电机一体构成，并用通过该发电机驱动的油压泵的工作油驱动油压缸等，同时用电动机驱动上部旋转体（例如，参照专利文献4）。

现有技术文献：

专利文献1：日本特开2005-237178号公报；

专利文献2：日本特开2003-9308号公报；

专利文献3：日本特开2007-218003号公报；

专利文献4：日本特开2002-275945号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

但是，在上述专利文献1中，需要驱动油压泵和发电机兼电动机的大型的减速器，整个装置大型化的同时变得复杂，难以确保各器械的连接作业性及可靠性。此外，由于各器械的构件数量多，因此需要多的制作费用等。

并且，上述专利文献2、3的情况下，在发动机和油压泵或发电机兼电动机之间需要联轴器等，因该结构等原因使整个装置大型化的同时变得复杂，难以确保各器械的连接作业性及可靠性，同时需要多的制作费用等。

此外，在上述专利文献4的情况下，即使使发动机和发电机一体化而实现小型化，但是由于与发电机构成一体的发动机变成专用产品，根据各作业机械需要驱动装置的新规设计及构成部件的制造，从而需要多的制作费用及制作时间等。

又，在这些现有技术中，其结构是仅用电动机驱动作为作业机械的结构体的旋转体，因此如果不用动力源驱动发电机并在电池中蓄电时也会存在不能旋转旋转体的情况，并用动力源的发电时间长，难以有效利用作业机械的整体动力。

解决问题的手段：

于是，本发明的目的在于提供具备驱动作业机械的结构体的液压马达和电动机，同时具备用动力源驱动的液压泵和电动机，从而通过液压和电力更有效地运行，也能够谋求降低成本的作业机械的电液驱动系统。

为了达到上述目的，本发明是用调节阀调节工作液的流量并驱动结构体的作业机械的电液驱动系统，具有：具有通过动力源驱动的液压泵和第一电动机，并供给所述工作液的供给装置；具有用由所述供给装置供给的工作液旋转的液压马达和第二电动机，并驱动所述结构体的驱动装置；以及根据所述供给装置的负荷和所述驱动装置的负荷，决定所述第一电动机和所述第二电动机的动作状态的控制装置。在该说明书及权利要求中的“电动机的动作状态”是指电动机作为“驱动机”动作及作为“发电机”动作中的任一的状态的动作。借助于此，可以通过由用动力源驱动的液压泵通过调节阀供给至液压马达的液压驱动作业机械的结构体，同时有效地进行通过第一电动机和第二电动机的发电或驱动，以此可以构成使用电力·液压的效率优异的电油驱动系统。

并且，也可以是使所述第一电动机具有将由动力源传递的动力转换成电能的发电机功能和利用所述电能辅助驱动液压泵的驱动机功能；使所述控制装置根据将通过所述发电机功能发电的电力充电的充电部的充电状态和所述第一电动机的动作状态控制该第一电动机作为发电机及驱动机中的任一来动作。这样，根据充电部的充电状态和第一电动机的动作状态使第一电动机作为驱动机或发电机动作，从而可以有效地运转。

此外，也可以是使所述第二电动机具有将液压马达减速时的惯性能量转换成电能的发电机功能和利用所述电能辅助驱动液压马达的驱动机功能；使所述控制装置根据将通过所述发电机功能发电的电力充电的充电部的充电状态和所述第二电动机的动作状态控制该第二电动机作为发电机及驱动机中的任一来动作。这样，根据充电部的充电状态和第二电动机的动作状态使第二电动机作为驱动机或发电机动作，从而可以有效地运转。此外，也可以根据动作状态，使供给装置的第一电动机及驱动装置的第二电动机的一方或两方作为发电机来动作，以此有效地回收能量。

并且，也可以是所述驱动装置是所述液压马达和第二电动机为一体型；该第二电动机具有与所述液压马达的旋转轴连接的转子和配置在该转子的外周的定子；所述转子配置为与所述液压马达的箱体外周设置有规定的间隙而外包围所述箱体；在该转子和所述箱体之间配置有将该转子支持在箱体的轴承和密封该转子和箱体之间的间隙的密封部件。这样，在液压马达的外周配置第二电动机，以此可以使驱动装置紧凑地形成，同时与在液压马达的箱体外周设置有间隙而配置的第二电动机的转子之间用密封部件密封，因此可以防止润滑油等从液压马达进入到第二电动机，从而可以防止第二电动机的性能下降等。

此外，也可以是所述供给装置形成为所述液压泵和第一电动机为一体型。这样，使液压泵连接到动力源的结构部分形成为与现有的相同，因此可以在现有的安装结构上无大的改变下，可以将具有液压泵和第一电动机的供给装置配备在动力源上。此外，可以使具有液压泵和第一电动机的供给装置形成为一体型的小型装置，从而可以谋求降低成本。

发明的效果：

根据本发明，通过驱动作业机械的结构体的液压马达和电动机及用动力源驱动的液压泵及电动机，可以构成通过液压及电力能够有效运行的作业机械的驱动系统。

并且，通过一体构成液压马达和电动机或液压泵和电动机，使器械小型化，从而可以降低成本。

附图说明

图1是示出根据本发明的作业机械的电液驱动系统的框图；

图2是图1所示的电液驱动系统的油压回路图；

图3中，（a）～（d）是示意性地示出图1所示的电液驱动系统的电液一体型供给装置的构成示例的侧视图；

图4中（a）～（c）是示意性地示出图1所示的电液驱动系统的电液一体型供给装置的其他的构成示例的侧视图；

图5是图1所示的电液驱动系统的电液一体型驱动装置的剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施形态。在以下实施形态中，作为“工作液体”以“工作油”作为示例进行说明。并且，作为作业机械说明具有油压缸、行驶用油压马达、及上部旋转体等的油压单斗挖掘机的示例。此外，在以下的实施形态中，将具备在油压泵上一体式配备第一电动机的电油一体型供给装置（以下称为“电油泵”）和在油压马达上一体式配备第二电动机的电油一体型驱动装置（以下称为“电油马达”）的电油驱动系统为示例进行说明。

如图1所示，该实施形态的电油驱动系统1具备作为动力源的发动机2、用该发动机2驱动的电油泵3、控制从该电油泵3的油压泵4排出的工作油的流量的调节阀6、上述电油泵3的第一电动机5、将用该第一电动机5发电的电力通过控制装置7充电的充电部8、以及用来自上述调节阀6的工作油和通过控制装置7供给的电力驱动的电油马达9（电油旋转马达）。如后述，该电油马达9具有用来自调节阀6的工作油驱动的油压马达10和通过控制装置7供给的电力驱动的第二电动机11。

上述调节阀6使从电油泵3供给的工作油供给至例如动臂伸缩用的油压缸及行驶用油压马达等15，使其驱动。并且，用通过调节阀6供给的工作油也使电油马达9驱动，用该电油马达9使上部旋转体16旋转驱动。

并且，上述电油马达9具备利用上部旋转体的惯性等进行发电的功能，该发电的电力通过控制装置7充电至充电部8。

此外，根据需要，充电至充电部8的电力通过上述控制装置7作为驱动上述电油马达9的第二电动机11的辅助驱动动力、驱动上述电油泵3的第一电动机5的辅助驱动动力利用。

如图2所示，作为该实施形态的上述电油驱动系统1的油压回路，由设置于决定上部旋转体的旋转方向及旋转速度等的动作量的遥控阀20的倾倒把手21的倾倒方向、角度及速度等决定旋转体的旋转方向及速度。对于遥控阀20的操作量，用压力传感器22检测的左右端口的压力差作为用于旋转旋转体的速度指令（转速指令）输入至控制装置7。另一方面，上述电油马达9的油压马达10通过从上述电油泵3的油压泵4排出的工作油驱动，来自上述油压泵4的工作油通过调节阀6供给至油压马达回路23的油路24、25，工作油从这些油路24、25供给至油压马达10的吸入端口。调节阀6控制供给至油压马达回路23的工作油流量。油压马达10的吸入端口和排出端口根据旋转方向逆转。

并且，在该油压马达回路23上设置有在油压马达10减速时用于避免在该油压马达10的排出侧发生的损失的电磁泄压阀26。在油压马达10减压时通过打开该电磁泄压阀26，以此可以利用油压马达10的惯性能量在第二电动机11上有效地回收再生电力。电磁泄压阀26是由于油压马达10的正旋转、及逆旋转时工作油流入的方向不同，因此面向油路24、25的各自方向设置。此外，在油路24、25之间设置有在超过通常使用时的压力时动作以向油箱29排泄工作油的泄压阀27，和在油路24、25内的油循环时油量减少时从油箱29吸入油的止回阀28。

并且，在该实施形态中，为了控制通过上述调节阀6的工作油量，在该调节阀6的先导孔30（旋转位置）上设置有电磁减压阀31。在该电磁减压阀31上作为一次压导入上述遥控阀20的二次压。

通过该电磁减压阀31的调节阀6的控制是根据来自控制装置7的开度控制信号进行，使基于上述遥控阀20的操作量的工作油量供给至油压马达10。通过该控制装置7的电磁减压阀31的开度控制是根据上述遥控阀20的操作量，将由遥控阀20供给的先导压力油（二次压）通过用电磁减压阀31减压的先导压力控制调节阀6进行。

此外，在上述油压马达10的吸入端口和排出端口上分别设置有压力传感器35，用这些压力传感器35检测到的压力的压差作为压差反馈输入至控制装置7。通过该压差反馈，在控制装置7内推定油压马达10产生的转矩（负的信号时为逆转矩）。

并且，上述第二电动机11通过上述控制装置7与蓄电的充电部8连接。控制装置7配置为在充电部8和第二电动机11之间接收电力，并在油压马达10为了使上部旋转体旋转驱动而加速时放电，以能够向与油压马达10协同动作的第二电动机11供给电力；油压马达10减速时，能够制动油压马达10在第二电动机11上产生再生作用，并将得到的再生电力充电。如上所述，上述控制装置7在油压马达10加速时向与油压马达10协同动作的第二电动机11输出旋转指令，在油压马达10减速时向第二电动机11输出再生指令，以制动油压马达10。

此外，在第二电动机11上设置有转速传感器36，通过该转速传感器36检测的转速作为速度反馈输入至上述控制装置7。在控制装置7内通过该速度反馈根据来自遥控阀20的速度指令（转速指令）和实际转速之差求出加速度。

另一方面，在上述电油泵3的第一电动机5上也设置有转速传感器37，通过该转速传感器37检测到的转速作为转速反馈输入至上述控制装置7。通过该转速反馈在控制装置7内求出油压泵4的正确的排出量。并且，从控制装置7输出对油压泵4倾转控制的倾转指令和对发动机2的转速指令。

而且，上述控制装置7根据基于遥控阀20的操作量的压差信号的速度指令（转速信号）、基于油压马达10的压差信号的压差反馈（转矩信号）、基于第二电动机11的转速信号的速度反馈（实际转速）及基于第一电动机5的转速信号的转速反馈（实际排出量）使第二电动机11旋转，以使电油马达9得到必要的转矩，同时向电磁减压阀31发送开度控制信号以控制调节阀6，以补充第二电动机11的转矩不足部分。此外，上述控制装置7根据需要控制油压泵4的倾转控制和第一电动机5的动作状态。

并且，作为通过该控制装置7控制调节阀6的电磁减压阀31的方法，操作遥控阀20而判断为加速时，在充电部8蓄积有可以运行第二电动机11的电能时，用该电能优先地驱动第二电动机11，转矩不足的部分则利用通过如上述控制的调节阀6供给的工作油驱动的油压马达10补充。

另一方面，操作遥控阀20而判断为减速时，使第二电动机11发挥再生作用，将惯性能量转换成电能并将再生电力充电在充电部8。并且，发动机2存在余力等的时候使电油泵3的第一电动机5作为发电机动作，并发电的电力充电在充电部8。

这样，根据来自遥控阀20的信号和来自电油泵3及电油马达9的信号，用控制装置7可以控制调节阀6和第一电动机5及第二电动机11，因此可以根据各器械的动作状况有效地控制电油马达9及电油泵3，可以构成提高能量效率的电油驱动系统1。即，根据电油泵3及电油马达9的动作状态，用控制装置7控制调节阀6的电磁减压阀31，以此调节工作油量，同时使第一电动机5及第二电动机11进行发电动作或驱动动作，以此可以使用电力·液压有效地运行电油驱动系统1。

如图3所示，作为上述电油泵3（电油一体型供给装置）的构成示例，例如串列配置两个油压泵时，在（a）所示的示例中，在油压泵4的发动机2侧（图的左方）设置有第一电动机5，其转子41设置在旋转轴40上，其转子41的外周配置有定子42。并且，在（b）所示的示例中，在两个油压泵4之间设置有第一电动机5，其转子41设置在旋转轴40上，其转子41的外周配置有定子42。此外，在（c）所示的示例中，在油压泵4的与发动机的相反侧上设置有第一电动机5，其转子41设置在延伸的旋转轴40上，其转子41的外周配置有定子42。并且，在（d）所示的示例中，第一电动机5与设置于油压泵4的动力输出机构（Power take-off；以下称为“PTO”）连接，转子41与PTO轴43连接，在其转子41的外周配置有定子42。

并且，如图4所示，作为上述电油泵3（电油一体型供给装置）的其他构成示例，例如并列配置两个油压泵4时，在（a）所示的示例中，在油压泵4的发动机2侧（图的左方）设置有第一电动机5，其转子41设置在旋转轴40上，其转子41的外周配置有定子42。并且，在（b）所示的示例中，在油压泵4的与发动机的相反侧上设置有第一电动机5，其转子41设置在延伸的旋转轴40上，其转子41的外周配置有定子42。此外，在（c）所示的示例中，第一电动机5与设置于油压泵4的 PTO连接，转子41与PTO轴43连接，在其转子41的外周配置有定子42。

此外，形成如图3、4所示的结构时，使与发动机2的安装结构与以往相比不需要大的变更下，使第一电动机5配备在油压泵4上，因此，例如，通过用电油泵3（电油一体型驱动装置）取代在运行中的作业机械的油压泵，可以实现容易地抑制驱动系统的燃料消耗量的有效的运行。

如图5所示，作为上述电油马达9（电油一体型驱动装置），在该实施形态中，其与设置有使上部旋转体旋转的齿轮51的减速器50连接，并具备使向减速器50的输入轴52传递动力的输出轴70旋转的第二电动机11和使与该输出轴70配置在同轴上的旋转轴60旋转的油压马达10。该示例的减速器50能够通过安装凸缘53安装在器械侧。

上述油压马达10是定容量形的斜盘式柱塞马达。该油压马达10具备上述旋转轴60、汽缸体61、多个活塞62和斜盘63，并容纳于箱体64。旋转轴60是在上述输出轴70方向一端部凸出的状态下配置于箱体64内，两端部通过轴承65可旋转地支持在箱体64上。并且，在旋转轴60的另一端部侧，通过花键联接等一体地旋转地嵌设插入有以圆筒状形成的上述汽缸体61。在该汽缸体61上，在周方向上以等间隔形成有多个活塞室66。各活塞室66是上述斜盘63方向的一端侧和汽缸端口67方向的另一端侧为开口状态。在各活塞室66中从上述斜盘63的方向插入有上述活塞62。

活塞62在活塞室66内进行往复运动，一端部的以球面状形成的外表面安装于配置在斜盘63上的蹄片68。相对汽缸体61斜盘63配置于旋转轴60的输出轴70方向，并相对于旋转轴60的轴线L以规定的倾斜角设置于箱体64。

根据这样的油压马达10，工作油通过吸入端口供给至活塞室66，所供给的工作油通过排出端口从活塞室66排出，以此活塞62进行往复运动。而且，由于斜盘63以规定的倾斜角倾斜，因此活塞62进行往复运动时，蹄片68在斜盘63上滑动，汽缸体61围绕轴线L旋转。由于汽缸体61配置为与旋转轴60一体地旋转，因此旋转轴60也通过该汽缸体61的旋转一体地旋转。

而且，在这样构成的油压马达10上一体地设置有第二电动机11。第二电动机11是所谓的三相同步电动机，该第二电动机11具备上述输出轴70、转子71和定子72，这些容纳于外罩73内。外罩73形成为有底圆筒状，并设置为位于油压马达10的箱体64的外周。在外罩64的外周面的轴线方向中间部，在全周上形成有向半径方向外方突出的外向凸缘部69，在该外向凸缘部69上固定有外罩73的开口端部74。

这样，将油压马达10的旋转轴60突出的一侧的部分与上述输出轴70同一轴心地容纳于外罩73内，并使它们用花键联接等一体地旋转，同时将第二电动机11配置为能够外包围油压马达10，使第二电动机11位于油压马达10的外周并一体地设置。

并且，在上述箱体64的输出轴70方向的端部上，通过轴承80支持有与其外周设置有规定间隙的上述转子71的支持部75。该实施形态的转子71的支持部75与上述输出轴70一体地形成，该输出轴70部分也通过轴承81支持在外罩73上。

而且，在上述轴承80的第二电动机方向（定子方向）上配设有密封转子71的支持部75和箱体64之间的间隙的密封部件82。通过将该密封部件82配设在轴承80的第二电动机方向上，不会使油压马达10内的油通过轴承80泄漏至第二电动机11的转子71和定子72之间。并且，在上述轴承81的第二电动机方向上也配设有密封部件83。通过将该密封部件83配设在轴承81的第二电动机方向上，不会使上述减速器50内的油通过轴承81泄漏至第二电动机11的转子71和定子72之间。借助于此，防止油泄漏至第二电动机11的转子和定子72之间而作为电动机的性能的降低。

根据这样的电油马达9，可以在油压马达10上紧凑地配置第二电动机11，通过部件数量的削减可以谋求降低成本。并且，由于油压马达10的油不会泄露至第二电动机11内，因此可以在不降低油压马达10及第二电动机11的效率下运行。此外，通过有效地控制油压马达10和第二电动机11的驱动比率等，可以谋求能量效率的提高。

如以上所述，根据上述电油驱动系统1，由于可以通过具备油压泵4和第一电动机5的电油泵3（供给装置）及具备油压马达10和第二电动机11的电油马达9（驱动装置），根据具有上部旋转体等的作业机械的动作状况等，用控制装置7能够选择性地控制油压泵4和第一电动机5、调节阀6及油压马达10和第二电动机11，因此可以根据各器械的动作状况等有效地使电油泵3及电油马达9动作，从而可以构成谋求提高能量效率的电油驱动系统1。

此外，即使在电油马达9的第二电动机11不能驱动的情况下，上部旋转体等通过油压马达10可以驱动，从而能够构成可靠性高的电油驱动系统1。并且，通过使电油泵3及电油马达9形成为一体以小型化，也可以构成可靠性高的低成本的电油驱动系统1。

另外，在上述实施形态中，作为作业机械虽然说明了具有油压马达10、行驶用油压马达及上部旋转体等的油压单斗挖掘机的示例，但是只要是使用电液供给装置及电液驱动装置的作业机械即可同样适用，作业机械并不限于上述实施形态。

并且，在上述实施形态中，示出了电油泵3及电油马达9中的任意一个都为一体型构成的示例，但是也可以是将油压泵4和第一电动机5及油压马达10和第二电动机11分别并列设置的结构，并不限于一体型。

此外，上述实施形态是仅示出一个示例，在不影响本发明的宗旨的范围内可以进行各种变形，本发明并不限于上述实施形态。

工业应用性：

根据本发明的电液驱动系统可以利用于形成为能够用油压马达和电动机驱动结构体的结构的作业机械。

符号说明

1         电油驱动系统（电液驱动系统）；

2         发动机（动力源）；

3         电油泵（供给装置）；

4         油压泵；

5         第一电动机；

6         调节阀；

7         控制装置；

8         充电部；

9         电油马达（驱动装置）；

10        油压马达；

11        第二电动机；

22、35    压力传感器；

36、37    转速传感器；

60        旋转轴；

62        活塞；

63        斜盘；

64        箱体；

65        轴承；

70        输出轴；

71        转子；

72        定子；

73        外罩；

82、83    密封部件；

L         轴线。 

Claims (3)

1.一种作业机械的电液驱动系统，所述电液驱动系统是用调节阀调节工作液的流量并驱动结构体的作业机械的电液驱动系统；具有：

具有通过动力源驱动的液压泵和第一电动机，并供给所述工作液的供给装置；

具有用由所述供给装置供给的工作液旋转的液压马达和第二电动机，并驱动所述结构体的驱动装置；以及

根据所述供给装置的负荷和所述驱动装置的负荷，决定所述第一电动机和所述第二电动机的动作状态的控制装置；

所述第一电动机具有将由动力源传递的动力转换成电能的发电机功能和利用所述电能辅助驱动液压泵的驱动机功能；

所述第二电动机具有将液压马达减速时的惯性能量转换成电能的发电机功能和利用所述电能辅助驱动液压马达的驱动机功能；

所述控制装置根据将通过所述发电机功能发电的电力充电的充电部的充电状态和所述供给装置的负荷以及所述驱动装置的负荷控制所述第一电动机和第二电动机作为发电机及驱动机中的任一来动作。

2.根据权利要求1所述的作业机械的电液驱动系统，其特征在于，

所述驱动装置是所述液压马达和第二电动机为一体型；

该第二电动机具有与所述液压马达的旋转轴连接的转子和配置在该转子的外周的定子；

所述转子配置为与所述液压马达的箱体外周设置有规定的间隙而外包围所述箱体；

在该转子和所述箱体之间配置有将该转子支持在箱体的轴承和密封该转子和箱体之间的间隙的密封部件。

3.根据权利要求1所述的作业机械的电液驱动系统，其特征在于，所述供给装置形成为所述液压泵和第一电动机为一体型。