JP2020100997A - 電動式建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】設計の自由度が大きく、かつエネルギーロスが小さい電動式建設機械を提供する。【解決手段】下部走行体２と、下部走行体２に対して旋回軸４１ａを中心として旋回自在に設けられた上部旋回体４とを備える油圧ショベル１であって、下部走行体２又は上部旋回体４の一方に配置され、油圧ショベル１を駆動させる駆動電源であるバッテリユニット４４と、バッテリユニット４４が配置された下部走行体２又は上部旋回体４の一方に配置され、バッテリユニット４４からの電力を送信する送信コイル６１と、下部走行体２又は上部旋回体４の他方に旋回軸４１ａを中心として円状に配列され、送信コイル６１からの電力を受信する複数の受信コイル６２と、を備え、送信コイル６１は、上部旋回体４の旋回時に複数の受信コイル６２の何れかに対向するように配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電動式建設機械に関する。

下記特許文献１には、走行用電動モータを有する油圧ショベルにおいて、旋回体上に搭載した電源からスリップリング及びブラシからなる電力伝達用接続装置を介して走行用電動モータに電力を供給する技術が開示されている。

下記特許文献２には、上部旋回体に巻き付けられて、電気掘削機の上部旋回体に設置された電気エネルギー貯蔵装置からの起電力を伝達する上部コイルと、電気掘削機の下部走行体に巻き付けられて、電磁気誘導により伝達された上部コイルからの起電力を走行用電気モータに伝達する下部コイルとを備える電気掘削機が開示されている。

特開２００８−６６２３５号公報 特表２０１４−５０５１８５号公報

特許文献１の油圧ショベルでは、スリップリングはブラシと物理的に接触し、回転しながら通電させるため、磨耗により劣化するという問題点がある。

また、特許文献２の電気掘削機では、電磁気誘導を利用して上部旋回体から下部走行体の走行用電気モータに非接触で給電を実施しているため、磨耗による劣化は生じないが、上部旋回体に巻きつけたコイルと下部走行体に巻きつけたコイルの１対のコイルで給電を行うことから、コイルの大きさが固定されてしまい設計の自由度が小さく、電気抵抗値も大きくなることから、エネルギーロスも大きくなってしまう。また、１対のコイルで給電を行わなければならないことから、大型のコイル自体を所定位置に設置しなければならず、ユニット化による生産効率の恩恵を受けにくい構造である。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、設計の自由度が大きく、かつエネルギーロスが小さい電動式建設機械を提供することを目的とする。

本発明の電動式建設機械は、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回軸を中心として旋回自在に設けられた上部旋回体とを備える電動式建設機械であって、
前記下部走行体又は前記上部旋回体の一方に配置され、前記電動式建設機械を駆動させる駆動電源である蓄電装置と、
前記蓄電装置が配置された前記下部走行体又は前記上部旋回体の一方に配置され、前記蓄電装置からの電力を送信する送信コイルと、
前記下部走行体又は前記上部旋回体の他方に前記旋回軸を中心として円状に配列され、前記送信コイルからの電力を受信する複数の受信コイルと、を備え、
前記送信コイルは、前記上部旋回体の旋回時に前記複数の受信コイルの何れかに対向するように配置されているものである。

本発明によれば、下部走行体及び上部旋回体の一方から他方への給電を、磁界結合を利用した非接触によって行うことで、スリップリング及びブラシを使用することなく給電を行うことができるため、スリップリングやブラシの磨耗による交換が必要なくなる。また、旋回軸を中心として円状に受信コイルを複数配置し、上部旋回体の旋回時に複数の受信コイルの何れかに対向するように送信コイルを配置するため、建設機械のサイズに応じてコイルの個数と大きさを自由に設計することができる。また、大型のコイルを設ける必要がないため、エネルギーロスを小さくできる。

本実施形態に係る電動式建設機械を示す側面図である。 図１に示す電動式建設機械の分解斜視図である。 送信コイルと受信コイルの配置を示す斜視図である。 送信コイルと受信コイルを貫く磁束の変化を模式的に示す図である。 電動式建設機械に搭載される電源システムのブロック図である。 他の実施形態に係る電源システムのブロック図である。 他の実施形態に係る送信コイルと受信コイルの配置を示す斜視図である。 他の実施形態に係る送信コイルと受信コイルを貫く磁束の変化を模式的に示す図である。 旋回角度の算出システムを説明するための説明図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

［電動式建設機械の構成］
まず、図１を参照しながら、電動式建設機械の一例としての油圧ショベル１の概略構造について説明する。油圧ショベル１は、下部走行体２と、作業機３と、上部旋回体４とを備える。

下部走行体２は、左右一対のクローラ２１，２１及び左右一対の走行用電動モータ２２，２２を備える。左右の走行用電動モータ２２，２２が左右のクローラ２１，２１をそれぞれ駆動することで油圧ショベル１の前後進を可能としている。また、下部走行体２には、ブレード２３、及びブレード２３を上下方向に回動させるための電動シリンダであるブレードシリンダ２３ａが設けられている。

作業機３は、ブーム３１、アーム３２、及びバケット３３を備え、これらを独立して駆動することによって土砂等の掘削作業を可能としている。ブーム３１、アーム３２、及びバケット３３は、それぞれ作業部に相当し、油圧ショベル１は、複数の作業部を有する。

ブーム３１は、基端部が上部旋回体４の前部に支持されて、伸縮自在に可動するブームシリンダ３１ａによって回動される。また、アーム３２は、基端部がブーム３１の先端部に支持されて、伸縮自在に可動するアームシリンダ３２ａによって回動される。そして、バケット３３は、基端部がアーム３２の先端部に支持されて、伸縮自在に可動するバケットシリンダ３３ａによって回動される。ブームシリンダ３１ａ、アームシリンダ３２ａ、及びバケットシリンダ３３ａは、油圧シリンダにより構成される。

上部旋回体４は、下部走行体２の上部に旋回ベアリング４１を介して旋回自在に取り付けられている。上部旋回体４は、旋回ベアリング４１の中心軸である旋回軸４１ａを中心として旋回可能に構成されている。上部旋回体４には、操縦部４２、旋回モータ（図示しない）、電動機４３、バッテリユニット４４（蓄電装置に相当）等が配置されている。旋回モータの駆動力で上部旋回体４が旋回ベアリング４１を介して旋回する。また、上部旋回体４には電動機４３により駆動される複数の油圧ポンプ（図１に図示していない）が配設される。これらの油圧ポンプが、各油圧アクチュエータ（ブームシリンダ３１ａ、アームシリンダ３２ａ、及びバケットシリンダ３３ａ、旋回モータ等）に圧油を供給する。

操縦部４２には、操縦席４２１が配置されている。操縦席４２１の左右に一対の作業操作レバー（図示しない）、前方に一対の走行レバー（図示しない）が配置されている。オペレータは、操縦席４２１に着座して作業操作、走行レバー等を操作することによって、各油圧アクチュエータの制御を行い、走行、旋回、作業等を行うことができる。

上部旋回体４には、不図示の給電口が設けられており、この給電口に商用電源の給電ケーブルを接続することで、バッテリユニット４４が充電される。

上部旋回体４の下面には、バッテリユニット４４からの電力を送信する送信コイル６１が配置されている。上部旋回体４の下面は、旋回フレーム４５で構成されており、旋回ベアリング４１の上端は、旋回フレーム４５の円環状の取付部４５ａに取り付けられる。送信コイル６１は、旋回軸４１ａの外周側かつ取付部４５ａの内周側の旋回フレーム４５に取り付けられる。これにより、送信コイル６１は、上部旋回体４の旋回時に旋回軸４１ａを中心として旋回する。

下部走行体２の上面には、送信コイル６１からの電力を受信する複数の受信コイル６２が配置されている。複数の受信コイル６２は、旋回軸４１ａを中心として円状に配列されている。下部走行体２は、走行用電動モータ２２等が取り付けられるトラックフレーム２４を有しており、トラックフレーム２４は、中央部に位置するセンターフレーム２４ａ、及びセンターフレーム２４ａの側方に配置される左右一対のサイドフレーム２４ｂ，２４ｂで構成されている。旋回ベアリング４１の下端は、センターフレーム２４ａの上面に取り付けられる。複数の受信コイル６２は、旋回ベアリング４１の内周側のセンターフレーム２４ａに取り付けられる。

図３は、送信コイル６１と受信コイル６２の配置を示している。送信コイル６１は、上部旋回体４の旋回時、旋回軸４１ａを中心とした第１仮想円６１１上を旋回する。また、受信コイル６２は、旋回軸４１ａを中心とした第２仮想円６２１上に配置されている。第１仮想円６１１の半径と第２仮想円６２１の半径は等しくなるように設定されており、すなわち、送信コイル６１が、上部旋回体４の旋回時に複数の受信コイル６２の何れかに対向するように配置されており、送信コイル６１から送信された電力は、受信コイル６２の何れかで受信される。

本実施形態では、送信コイル６１と受信コイル６２は、環状の送信コイル６１の外周面６１２と環状の受信コイル６２の外周面６２２とが上下方向に対向するように、近接配置されている。送信コイル６１の外周面６１２と受信コイル６２の外周面６２２は、何れも断面矩形状となっている。また、送信コイル６１の巻回軸と受信コイル６２の巻回軸は、何れも旋回軸４１ａと交差し、かつ旋回軸４１ａの軸方向（上下方向）にずれている。このように送信コイル６１と受信コイル６２を配置することで、上部旋回体４の旋回により送信コイル６１と受信コイル６２の位置がずれても、受信コイル６２を貫く磁束量の変化が小さいため、給電効率の低下を小さくすることができる。より具体的には、図４（ａ）に示すような送信コイル６１がある１つの受信コイル６２の真上に位置する状態と、図４（ｂ）に示すような送信コイル６１が隣接する２つの受信コイル６２の間に位置する状態とで、複数の受信コイル６２を貫く全磁束量の差が小さいため、給電効率の低下を小さくすることができる。

［電源システムの構成］
図５を用いて、油圧ショベル１に搭載される電源システム６について説明する。電源システム６は、上部旋回体４に配置された送信コイル６１、バッテリユニット４４、及びインバータ６３、下部走行体２に配置された受信コイル６２、コンバータ６４、インバータ６５及び走行用電動モータ２２を備える。なお、図５では複数の受信コイル６２のうち一つのみを示している。また、図５では、上部旋回体４に配置され、バッテリユニット４４から電力が供給される電動機４３等は図示されていない。

商用電源から供給される交流電圧は、不図示の給電器で直流電圧に変換され、給電器で変換された直流電圧がバッテリユニット４４に供給され、バッテリユニット４４が充電される。

バッテリユニット４４は、インバータ６３に直流電圧を供給する。インバータ６３は、バッテリユニット４４から供給された直流電圧を交流電圧に変換して送信コイル６１に供給する。送信コイル６１は、交流の電力を送信する。

受信コイル６２は、交流の電力を受信する。コンバータ６４は、受信コイル６２から供給された交流電圧を適切な直流電圧に変換してインバータ６５に供給する。インバータ６５は、コンバータ６４から供給された直流電圧を指令値相当の交流電圧に変換して走行用電動モータ２２に供給する。

以上のように、本実施形態の油圧ショベル１は、下部走行体２と、下部走行体２に対して旋回軸４１ａを中心として旋回自在に設けられた上部旋回体４とを備える油圧ショベル１であって、下部走行体２又は上部旋回体４の一方に配置され、油圧ショベル１を駆動させる駆動電源であるバッテリユニット４４と、バッテリユニット４４が配置された下部走行体２又は上部旋回体４の一方に配置され、バッテリユニット４４からの電力を送信する送信コイル６１と、下部走行体２又は上部旋回体４の他方に旋回軸４１ａを中心として円状に配列され、送信コイル６１からの電力を受信する複数の受信コイル６２と、を備え、送信コイル６１は、上部旋回体４の旋回時に複数の受信コイル６２の何れかに対向するように配置されている。また、本実施形態では、バッテリユニット４４及び送信コイル６１が上部旋回体４に配置され、複数の受信コイル６２が下部走行体２に配置されている。

下部走行体２又は上部旋回体４の一方から他方への給電を、磁界結合を利用した非接触によって行うことで、スリップリング及びブラシを使用することなく給電を行うことができるため、スリップリングやブラシの磨耗による交換が必要なくなる。また、旋回軸４１ａを中心として円状に受信コイル６２を複数配置し、上部旋回体４の旋回時に複数の受信コイル６２の何れかに対向するように送信コイル６１を配置するため、油圧ショベル１のサイズに応じてコイルの個数と大きさを自由に設計することができる。また、大型のコイルを下部走行体２及び上部旋回体４に設ける必要がないため、エネルギーロスを小さくできる。さらに、コイルをユニット化することにより組み立て性の向上、部品の共用化によるコスト削減等も期待することができる。

本実施形態では、送信コイル６１と受信コイル６２は、環状の送信コイル６１の外周面６１ｂと環状の受信コイル６２の外周面６２ｂとが対向するように、近接配置されている。

これにより、上部旋回体４の旋回により送信コイル６１と受信コイル６２の位置がずれても、受信コイル６２を貫く磁束量の変化が小さいため、給電効率の低下を小さくすることができる。

［他の実施形態］
（１）電源システム６は、図６に示すように、下部走行体２に配置された走行用バッテリ６６（走行用蓄電池に相当）と、走行用バッテリ６６から走行用電動モータ２２に電力を供給する電路６７と、を備えるようにしてもよい。また、電路６７の中途部にはインバータ６５が設けられている。

電路６７には、受信コイル６２を介してバッテリユニット４４からの電力が供給される。受信コイル６２とインバータ６５の間には、コンバータ６４が設けられている。コンバータ６４は、受信コイル６２から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。

インバータ６５は、コンバータ６４から供給された直流電圧を交流電圧に変換する。また、インバータ６５は、走行用バッテリ６６から供給された直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ６５は、交流電圧を走行用電動モータ２２に供給する。

この構成によれば、走行用電動モータ２２が消費した走行用バッテリ６６の電力をバッテリユニット４４から一定電力で補充するため、非接触で給電される電力を小さくすることができ、送信コイル６１と受信コイル６２の大きさを小型に設計することができる。したがって、送信コイル６１と受信コイル６２の製造コストを下げることができる。

（２）送信コイル６１と受信コイル６２の配置は、図３に示すものに限定されない。例えば、送信コイル６１と受信コイル６２の配置は、図７（ａ）に示すものでもよい。この例では、環状の送信コイル６１の外周面６１２と環状の受信コイル６２の外周面６２２とは対向せず、送信コイル６１と受信コイル６２は、巻回軸方向の端面同士が対向するように近接配置されている。また、送信コイル６１の巻回軸と受信コイル６２の巻回軸は、何れも旋回軸４１ａと平行となっている。

また、送信コイル６１と受信コイル６２の配置は、図７（ｂ）に示すものでもよい。この例では、送信コイル６１と受信コイル６２は、環状の送信コイル６１の外周面６１２と環状の受信コイル６２の外周面６２２とが水平方向に対向するように、近接配置されている。また、送信コイル６１の巻回軸と受信コイル６２の巻回軸は、何れも旋回軸４１ａと平行となっている。なお、この例では、旋回軸４１ａに対して、送信コイル６１を外周側に配置し、受信コイル６２を内周側に配置しているが、送信コイル６１を内周側に配置し、受信コイル６２を外周側に配置しても構わない。

（３）図８に示すように、送信コイル６１の巻回軸に垂直な断面における送信コイル６１の外周面６１２の面積は、受信コイル６２の巻回軸に垂直な断面における受信コイル６２の外周面６２２の面積よりも大きくしてもよい。この例では、送信コイル６１の旋回方向の長さが受信コイル６２の旋回方向の長さよりも長くなっている。

これにより、上部旋回体４の旋回時に複数の受信コイル６２を貫く全磁束量の変化量が小さくなるため、給電効率の低下を小さくすることができる。

（４）油圧ショベル１は、複数の受信コイル６２の中で通電した受信コイル６２の電流に基づいて、上部旋回体４の旋回角度を算出する旋回角度算出部を備えるようにしてもよい。これにより、旋回角度を検出するための角度センサを別途設ける必要がない。

具体的には、図９に示すように、各受信コイル６２の電流を検知するセンサ６２３が設けられている。センサ６２３としては、例えばフォトカプラや電流センサである。各センサ６２３に対応した旋回角度が予め設定されており、受信コイル６２の電流をセンサ６２３が検知するとコントローラ６２４（旋回角度算出部に相当）に出力信号を送る。例えば第１のセンサ６２３ａが出力した場合、旋回角度がθ１、第２のセンサ６２３ｂが出力した場合、旋回角度がθ２、第３のセンサ６２３ｃが出力した場合、旋回角度がθ３と設定されているとする。送信コイル６１が第１の受信コイル６２ａに対置したとき、第１のセンサ６２３ａは出力信号をコントローラ６２４に出力し、コントローラ６２４は、旋回角度をθ１と算出する。また、送信コイル６１が第１の受信コイル６２ａと第２の受信コイル６２ｂの間にあるとき、第１のセンサ６２３ａと第２のセンサ６２３ｂは出力信号をコントローラ６２４に出力し、コントローラ６２４は、旋回角度を（θ１＋θ２）／２と算出する。

前述の実施形態では、電動機４３で駆動した油圧ポンプにより、油圧アクチュエータ（ブームシリンダ３１ａ、アームシリンダ３２ａ、及びバケットシリンダ３３ａ）に圧油を供給することで、作業部（ブーム３１、アーム３２、及びバケット３３）を作動させているが、複数の電動機を設け、作業部をすべて電動化してもよい。また、旋回モータ等も電動化することができる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ 油圧ショベル
２ 下部走行体
４ 上部旋回体
２２ 走行用電動モータ
４１ 旋回ベアリング
４１ａ 旋回軸
４４ バッテリユニット
６１ 送信コイル
６１２ 送信コイルの外周面
６２ 受信コイル
６２２ 受信コイルの外周面
６６ 走行用バッテリ
６７ 電路

Claims (6)

1. 下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回軸を中心として旋回自在に設けられた上部旋回体とを備える電動式建設機械であって、
   前記下部走行体又は前記上部旋回体の一方に配置され、前記電動式建設機械を駆動させる駆動電源である蓄電装置と、
   前記蓄電装置が配置された前記下部走行体又は前記上部旋回体の一方に配置され、前記蓄電装置からの電力を送信する送信コイルと、
   前記下部走行体又は前記上部旋回体の他方に前記旋回軸を中心として円状に配列され、前記送信コイルからの電力を受信する複数の受信コイルと、を備え、
   前記送信コイルは、前記上部旋回体の旋回時に前記複数の受信コイルの何れかに対向するように配置されている、電動式建設機械。
2. 前記蓄電装置及び前記送信コイルが前記上部旋回体に配置され、前記複数の受信コイルが前記下部走行体に配置されている、請求項１に記載の電動式建設機械。
3. 前記送信コイルと前記受信コイルは、環状の前記送信コイルの外周面と環状の前記受信コイルの外周面とが対向するように、近接配置されている、請求項１又は２に記載の電動式建設機械。
4. 前記下部走行体に配置された走行用電動モータと、
   前記下部走行体に配置された走行用蓄電池と、
   前記走行用蓄電池から前記走行用電動モータに電力を供給する電路と、を備え、
   前記電路は、前記複数の受信コイルを介して前記蓄電装置からの電力が供給される、請求項２に記載の電動式建設機械。
5. 前記送信コイルの巻回軸に垂直な断面における前記送信コイルの外周面の面積は、前記受信コイルの巻回軸に垂直な断面における前記受信コイルの外周面の面積よりも大きい、請求項１〜４の何れか１項に記載の電動式建設機械。
6. 前記複数の受信コイルの中で通電した受信コイルの電流に基づいて、前記上部旋回体の旋回角度を算出する旋回角度算出部を備える、請求項１〜５の何れか１項に記載の電動式建設機械。
   
   
   
   

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