JPH0327504A - 電磁石装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は，電磁石装置の制御装置に関し．特に消費電力
を低減しつつ唸り音を低減することができる制御装置に
関するものである。

一般に単相交流電磁石装置は直流電磁石装置に比較して
．小形，軽量で，動作速度が速いという特長をもってい
るが，交番磁束による騒音または唸り音を発生するとい
う欠点を有している。そのため，交流電磁石装置は第ｌ
図に示すように構成されている。

第１図は一般的な単相交流電磁石装置を示しており，左
半分は正面図，右半分はその断面図となつている。図に
おいて，（ｌ）は成層鉄心からなる固定鉄心，（２）は
該固定鉄心（１）の中央極（３）に巻回された励磁コイ
ル，（４）は成層鉄心からなる可動鉄心，および（５）
　（６）は固定鉄心（１）の磁極頭部分で．磁極頭部分
（５）にはくま取りコイル（７）が装着されている。

このような構成を有する単相交流電磁石装置は，くま取
りコイル（７）で囲まれた磁極頭（５）を通る磁束φ６
と，くま取りコイル（７）で囲まれていない磁極頭（６
）を通る磁束φ１との間に位相差を生ぜしめて，固定鉄
心（１）が可動鉄心（４）を吸引する合成の吸引力の最
小値が常に可動鉄心（４）の外部反抗力よりも大なるよ
うにして交番磁束による騒音を除去している。

また唸り音については，吸引カは電源の２倍の周波数の
脈動成分を含んでいるため，この脈動分の最大値と最小
値の差が鉄心内で雷磁吸引カによる圧縮応力の強弱を生
じ，これが唸り音の発生となるが，一般的に強弱の程度
の差をもって発生している。

次に，電子計算機によるシミュレーション計算結果を例
にして説明する。

第２図は第１図に示すような一般の交流電磁石装置の過
渡吸引及び定常吸着状態における特性のシミュレーショ
ンで，図中，Ｗ１は交流電源の電圧波形，Ｗ２　，Ｗ３
は鉄心磁極頭を通る磁束波形，Ｗ４は鉄心を通る合成の
磁束波形，Ｗ５は励？コイルの電流波形，Ｗａはくま取
りコイルの電流波形，Ｗ７は総合の吸引力の波形，ｗ８
は外部反抗力を示す。但し，横軸は時間を示す。この一
般の交流電磁石装置においては，第２図からわかるよう
に，吸引力Ｗ，の最小値ｗ７■。は常に外部反抗力Ｗ８
よりも大であるので，騒音は発生しない。が．吸引力Ｗ
７の最大値Ｗ　７ｍａｘと最小値Ｗ７■，，，の差が大
きくなっているため．鉄心内で電磁吸引力による圧縮応
力の強弱が生じているので，唸り音が発生する。この唸
り音が大きいと不快感を与えることになる。なお，ｗ９
は電磁石装置の可動鉄心の変位量（ストローク）を示す
。なお，第６図の電源周波数は６０Ｈｚ２４０Ｖ　（最
大値）電圧の場合を示している。一方，純直流の電磁石
装置は，吸引力に脈動成分が含まれないため唸り音は発
生しないが，同一の電圧値で比較すると，吸着後は，交
流の場合のよ，うに電流は交番しないで一定電流が流れ
，その電流は励磁（電磁）コイルの抵抗分のみによって
決まるので，もし交流電磁石装置と鉄心，励磁コイルが
同一として考えた場合，交流電磁石装置よりも大きな電
流が流れ，コイルの銅損が大きくなって長時間使用には
コイルが焼損してしまう。そのため，直流電磁石装置は
コイルの抵抗値を大きくとるが，そうすると，電流が小
さくなり起磁力が小さくなってしまうのでコイルの巻数
を多くとらなければならないため，コイルが大きくなり
，交流電磁製置に比して全体的に装置が大きくなる欠点
を有している。

このような装置が大きくなるのを防ぐ方法としては，第
３図に示すように，励磁（電磁）コイル（２）と直列に
節約抵抗（７）を接続し，この節約抵抗（７）に並列に
常閉路用接点（８）を挿入して，投入時は常閉路用接点
で励磁（電磁）コイル（２）に直流電圧を印加し，投入
後は常閉路用接点（８）を開路して励磁（電磁）コイル
（２）に節約抵抗（７）を介して印加することにより電
流を抑制して励磁（電磁）コイル（２）の銅損を小さく
し励磁（電磁）コイル（２）の焼損を防ぐ方法がとられ
ている。この方法は常閉路用の接点と節約抵抗を使用し
なければならず，接点の動作及び接触の信頼性が要求さ
れる。また総合の消費電力が変らないという欠点を有し
ている。なお，（９）は直流電源，（ｌＯ）は投入用ス
イッチである。

本発明は，従来の位相制御方式とは異なる電子制御方法
によって，電磁石装置を励磁するための消費電力を低減
しつつ唸り音を，従来よりも，また位相制御方式よりも
低減させて性能を向上させることができる電磁石装置の
制御装置を提供することを目的とするものである。

次に本発明の原理を，交流電源使用の場合にっいて説明
する。

第４図，第５図がその原理を示すように，交流電源（Ｉ
ｌｌを整流装置（ｌ２）で全波整流して，第５図（ａ）
に示すように直流電圧（全波整流）に変換し，同時連動
するスイッチｓｗ，．，ｓｗ２．によって，ある時間だ
け端子（１３Ａ）−（１３Ｂ）をスイッチＳＷ，によっ
て電源（１１）から切り離すと同時にスイッチＳＷ２ｏ
によって端子（１３Ａ）　−（１３Ｂ）を短絡して電磁
石装置（ｌ４）への電圧の供給を零にし，次は，ある時
間だけＳＷ１によって端子（１３Ａ）（１３Ｂ）の短絡
を開放し，同時にスイッチＳＷ２ｏによって電磁石装置
（ｌ４）への電圧の供給を行うという操作を繰り返し，
第５図（ｂ）に示すような電圧供給を行なわさせるもの
である。スイッチＳＷ，。

とＳ　Ｗ　２　０は次のように機能する。スイッチＳＷ
１ｏによる電源供給の切り離しは，全波幣流による電流
増加を制限し，コイルの銅損による温度上界を抑制する
。また吸引力が十分余裕のある場合は消費電力の節約を
可能にする。スイッチＳＷ２ｏによる端子（１３Ａ）−
（１３Ｂ）の短絡は電磁石装置（ｌ４）が蓄積している
電磁エネルギーを電気的エネルギーへ変換させて，吸引
力を発生させ，電源からの電気的エネルギーの供給が零
状態にあっても吸引力の保持を行わせる。すなわち，吸
引力のフライホイール的な働きをさせる。場合によって
は，端子（１３Ａ）　一（１３Ｂ）を短絡せず解放させ
ても良い。

次に，電子計算機によるシミュレーション計算結果を例
について説明する。

第６図は第２図の特性の交流電磁石装置に，本発明によ
る第４図に示す原理によって，第２図と同一周波，電圧
の交流電源で，半波毎に電圧の零点を基準にして，第７
図に示すようにスイッチＳＷ１０　　ＳＷ２ｏ，スイッ
チＳＷ＋Ｉ−ＳＷｔ１を共に同時に，　Ｑ．　　１ｍＳ
ｅｃ通電−＋　１　．　６　ｍｓｅｃ無電圧のスイッチ
ングを繰り返したときのシミュレーションを示す。第２
図と第６図を比較すると，本発明の原理においては，従
来の場合よりも吸引力Ｗ，の特性すなわち吸引力の最大
値Ｗ　７ｍａｘと最小値Ｗ　７　ｍＨ。の差が人『１１
に小さくなっていることがわかる。すなわち唸り音が大
巾に低減していることがわかる。また吸引力の最大値Ｗ
　？　ｆｆｌ　ｉ　ｎは従来よりも大巾に増加している
。

第８図は，第２図と同様の交流電磁石装置を，第２図と
同一周波，電圧の交流電源で，従来のサイリスタ位相制
御方式（　７　ｍＳｅｃ無電圧，１ｍＳｅｃ通電）によ
って動作させた場合のシミュレーションを示す。第６図
と第８図を比較すると．本発明による吸引力の最大値Ｗ
　７ｍａｘと最小値Ｗ　７　ｒｎ　＋。の差は，従来の
サイリスク位相制御方式の吸引力の最大値Ｗ　７　ｍ　
ａ　！と最小値Ｗ７。，ｎとの差よりも約２分の１以下
になっている事がわかる。鉄心の唸り音は，前述のよう
に吸引力の最大値と最小値との差の大きさに比例するの
で，本発明は従来の位相制御方式に比し唸り音は半分以
下に低減することが云え，性能が大巾に向上ずることが
云える。第９図は．本発明による交流電磁石装置の唸り
き低減装置のブロック図を示し，　（１０）は正弦波交
流電源，　　（１０２）は一般の交流電磁石装置，　（
１０３１は整流装置，　（１０４）は唸り音及び消費電
力低減のための電子制御装置で，スイッチＳＷｏを投入
後ある適当な時間Ｔ。後に，第１０図に示すように，電
源電圧の零点を基準にして，半波毎に，Ｔ＋時間通電一
丁２時間無電圧を繰り返し，Ｔ３時間無通電後，ＴＩ時
間通電一Ｔ２時間無通電を繰り返すもので，Ｔｏ　，Ｔ
ｒ　，Ｔ２　，Ｔ３は自由に調整できるように第３図，
第４図のスイッチ類の機能を電子回路で構成している。

なお，Ｔ　Ｉ，Ｔ２の時間は必ずしも電圧の零点を基準
にしなくともよく．パルス発振を利用した通電，無通電
操作であってもよいが，Ｔ３の時間は電圧波形の最大値
の点を対称とした時間図（チャート）であることが．シ
ミュレーション結果から望ましい。また，電源が直流で
ある場合は，整流装置（１０３）を省略し，Ｔ＋　，Ｔ
２，Ｔ３を調整すればよい。第１１図は，第２図の特性
の交流電磁石装置に．第２図と同一周波及び電圧の交流
電源で，半波毎に．　０．　　１ｍｓｅｃ通電−１　１
　ｍＳｅｃ無電圧−１０．　　１ｍＳｅｃ通電−Ｊ　３
　．　２　ｍＳｅｃ無電圧−０．　　１ｍＳｅｃ通電−
１　１　ｍｓｅｃ無電圧−　０　．　　１　ｍＳｅｃ通
電−１ｙｎＳｅｃ無電圧→０．１ｍＳｅｃ通電を周期的
に繰り返し？場合のシミュレーションを示すが，吸引力
Ｗ７の最大値Ｗ，■ヨと最小値Ｗ　？　ＩＩＩ　ｉ　ｎ
の差は，第６図のそれとほとんど変らないが，高周波成
分の最大値Ｗ　ｔｏｍａｘと最小値Ｗ　７０ｆｆｉｉｆ
ｉの差が若干小さくなり，従って高周波成分の唸り音が
小さくなっている事が云える。

第１２図は，第２図の特性の交流電磁石装置に，第２図
と同一周波，異電圧（３４０Ｖ　（最大値））の交流電
源で，半波毎に，　０．　　１ｍｓｅｃ通電＝　１　．
　６　ｍＳｅｃ無電圧−０．　　１ｍＳｅｃ通電→３．
３ｍＳｅｃ無電圧−＋０．　　１ｍＳｅｃ通電−＋　１
　．　６ｍＳｅｃ無電圧−＊Ｏ．　　ｌｍｓｅｃ通電４
１　．　４ｍＳｅｃ無電圧を周期的に繰り返した場合の
シミュレーションを示すが，通常の吸着状態の吸引力の
平均値およびコイルの銅損（消費電力Ｗ，。）もほぼ同
じになっている。

この事から，前述したように第１０図のＴＴ　２　，　
Ｔ　３を調整することにより，電磁コイルは同一で，電
源電圧の異電圧を使用の適用範囲が大きくなる（例えば
ＡＣ２００〜４００Ｖまで励磁（電磁）コイルの共用化
が計れる。）という特徴を有する。

第１３図は第ｌＯ図のＴ，，（７）峙間な２５ｍＳｅｃ
から１６．６ｍｓｅｃに変え，それ以外は第１２図と全
く同じ条件でのシミュレーションを示すが．第１２図と
第１３図を比較すると電磁石装置の可動鉄心（４）が固
定鉄心（１）に吸着されたときの変位’Ｅ３．：　Ｗ　
９ｏの点の時間後の吸引力Ｗ７の特性の様子がかなり違
っていることがわかる。すなわち，第１２因においては
．可動鉄心（４）の吸７′１後の吸引力は急上昇してい
るが．第１３図においては，吸着後は吸引力は一度減少
して以後漸増上昇して一定値になっている。これは，第
１２図においては可動鉄心（４）と固定鉄心（ｌｌ　と
の吸着時の衝撃が激しく，第１３図においては衝撃が第
１２図に比して穏やかで多数回の駆動操作（例えば１０
０〜５００万回）による鉄心の摩耗が少なくなり，また
この電磁石装置により駆動される装置（例えば電磁接触
器，継電器）に与える投入動作の衝撃が小さくてずみ，
例えば電磁接触器に使用される場合は接点のバウンシン
グが小さくなり，従って接（Ｉｌｌ 点のアーク発生により消耗量が少なくなり．電気的に許
命回数が延びるという性能的な利点をｌｊ，える事にな
る。

このように，第１０図のＴ。の時間を調整することによ
り．可動鉄心（４）と固定鉄心（１１　との吸着時の衝
撃荷重を小さくすることができる。

以上説明したように，本発明は次のような利点が挙げら
れる。

０）吸引力の７１１大舶゜と最小個との差を小さくする
ことによって唸り音を低減することができる。

■　定常吸着状態時の消費電力を節約できる。

■　励磁（電磁）コイルを変えないで，電源（入力）電
圧の定格の適用範囲を広げることができる。

■　吸着時の衝撃を小さくすることができる。

■　ＡＣ電源でもＤＣ電源にも適用できる。

■　ＤＣ変換するため．従来の交流電磁石装置のくま取
りコイルが廃止される。

（ｌ２） ■　ＤＣ変換するため，従来の交流電磁石装置のように
，鉄心に交番磁束が通らなく，従って渦電流が発生しな
いので鉄損がないため従来のようなケイ素鋼板の成層鉄
心でなくても．安価な鋳鋼，成形鋼等の鉄心とすること
ができる。

なお，本発明の制御装置は電磁石装置に別個に取付けら
れても，或は電磁石装置と組合せ内蔵されても良い。

第１４図は第９図の電子制御装置［１０４）を用いた具
体的な一実施例を示しており，動作を第１５図にもとづ
き説明する。

第１４図において，　（１１）は交流電源，　［１２）
は整流装置，　（１４）は電磁石装置，Ｄｉ，Ｄ２はダ
イオード，Ｒｌ−Ｒ５は抵抗，ＴＲはトランジスタ，Ｉ
ＣＩは比較増幅器，ＩＣ２は論理積素子（以下アンド素
子），ＩＣ３は論理和素子（以下オア素子），ＩＣ４は
否定素子（以下ノット素子）である。なお，　（４００
）は抵抗電圧回路，　（４０１）は発振回路，　（４０
２）は遅延回路である。

（ｌ３） このように構成されたものにおいて，交流電源（１ｌ）
が整流装置（ｌ２）に印加されると（第１５図（ａ）　
Ｉ’照）整流装置（ｌ２）の出力に接続された抵抗Ｒ１
とＲ２の分圧回路より出力される全波整流波形Ｖ２　　
（第１５図［ｃ）参照）が比較増幅器ＩＣＩに人力され
る。この全波整流波形■２は，抵抗Ｒ３とＲ４の分圧回
路より出力される基準電圧Ｖ３　　（第１５図（ｂ）参
照）と比較増幅され，波形Ｖ４　（第１５図（ｄ）参照
）が比較増幅器ＩＣＩより出力される。アンド素子ＩＣ
２は，比較増幅器ＩＣＩの出力が高電位のときのみ，発
振回路（４０１）の出力Ｖ５　（第ｌ５図（ｅｌ参照）
を出力するため．波形Ｖａ　　（第１５図（ｆ）　参照
）が得られる。またノット素子ＩＣ４は交流電源（ｌ１
）の印加後，遅延回路（４０２）によって決められた時
間Ｔ。

間高電位を出力するため，トランジスタＴＲは．時間Ｔ
。間，導通状態となり従って電磁石装置（ｌ４）は励磁
される。前記時間Ｔ。は，電磁石装置（ｌ４）が．吸引
をするのに必要な時間以上に設定されているので時間Ｔ
。後では吸引動作は完了している。次に時間Ｔ。後はア
ンド素子ＩＣ２の出力波形Ｖ６に従ってトランジスタＴ
Ｒは導通，遮断を，つまりスイッチングをくり返す。

ここでトランジスタＴＲが導通すれば，電磁石装置（ｌ
４）に電流が流れるのは言うまでもないが，トランジス
タＴＲが遮断状態となった場合，電磁石装置（Ｉ４）の
コイルエネルギーはダイオードＤｉによって還流される
ため，電磁石装置（ｌ４）には電流が流れ続ける。即ち
コイル電流は断続電流とならないため，吸引状態を保持
する。

ここで交流電源（１１）のピーク値をカットする時間Ｔ
３は，抵抗Ｒ３とＲ４の分圧比を変えることによって，
適当に制御できるのはいうまでもない。また，発振回路
（４０１）を適当に設定することにより，導通時間Ｔ１
と遮断時間Ｔ２は可変できるため，うなりを最小にし，
消費エネルギーを最小にするように設定できるのはいう
までもない。

また，本実施例は，発振回路を非同期式で説如したが．
交流電源に同期させれば，零点付近での導通を確実に保
証できるため，本発明の効果がよ（ｌ５） り期待できるのはいうまでもない。また，交流電源のピ
ーク値をカットする時間Ｔ３は，本実施例ではある一定
電圧以上になったらカットするように説明したが，カッ
トを開始する電圧と終了する電圧を適当に変えても同様
の効果が得られるのはいうまでもない。

また交流電源（１１）が直流電源となった場合，ピーク
値カットのＴ，は設定できないが発振回路（４０１１を
適当に設定することによって同様の効果が得られるのは
いうまでもない。なお，場合によっては，ダイ才−ドＤ
１の代わりにコンデンサを使用しても良く，またダイオ
ードＤＩを省略しても良い。更にトランジスタＴＲの代
りにサイリスタで構成されたチョツバを用いることも可
能である。なお，第１５図は本実施例の各出力のタイム
チャートである。

以上述べたように，本発明によれば，電磁石装置を励磁
するための消費電力を低減しつつ唸り音を低減すること
ができ，また装置を大形化することなく構成することが
できるなど，種々の有益な（ｌ６） 効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な単相交流電磁石装置の概略構成を示ず
正面図，第２図は一般的な交流電磁石装置が給電されて
いる時の各部の波形を示す波形図，第３図は一般的な直
流電磁石装置の回路構成を示す接続図，第４図は本発明
の原理を説明するための回路構成図，第５図（ａ）　（
ｂ）は第４図を説明するための波形図，第６図は本発明
の一実施例における制御装置の動作時の各部波形を示す
波形図，第７図は本発明の−実施例を示す回路構成図，
第８図は従来のサイリスク位相の制御方式における各部
の波形を示す波形図，第９図は本発明を一般的な交流電
磁石装置に適用した場合の接続関係を示すブロック図，
第１０図は第９図の動作を説明するための波形図，第１
１図〜第１３図は本発明の他の実施例における各部波形
を示す波形図．第１４図は本発明を電子回路にて構成し
た具体的な一実施例を示す回路接続図，第１５図は第１
４図の回路の動作を説明するための各部波形を示す波形
図である。 図中，（ｌ）は固定鉄心，（２）は励磁（電磁）コイル
，（４）は可動鉄心，　（１１）　（ｌｏｔ）は交流電
源．（１２）　（１０３）は整流装置，　（１４）　（
１０２）は電磁石装置，ＳＷｏ，ＳＷＩＯ，ＳＷ２ｏ，
ＳＷＩＩ．　　ＳＷ２はスイッチ，　　（１０４）は電
子制御装置である。 なお，図中同一符号は同一もしくは相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電磁石装置の励磁コイルと交流電源との間に介在
   し，上記励磁コイルへの給電を通電状態と無通電状態を
   周期的に繰り返すように制御するスイツチを備えた制御
   装置であつて，上記スイツチは上記交流電源を全波整流
   した出力を，半波毎に少なくとも２回以上通電状態と無
   通電状態を周期的に繰り返すようにスイツチングされる
   ことを特徴とした電磁石装置の制御装置。
2. （２）通電状態と無通電状態を少なくとも３回以上繰り
   返し，上記出力の半波の途中において無通電状態の時間
   を他の繰り返しの無通電状態の時間に比して大きくなる
   よう上記スイツチをスイツチングするようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電磁石装置の制
   御装置。
3. （３）半波毎の通電状態と無通電状態の繰り返しが電圧
   の最大値となる時間を対象にして，無通電状態の時間を
   他の繰り返しの無通電状態の時間に比して大きくなるよ
   う上記スイッチをスイッチングするようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の電
   磁石装置の制御装置。
4. （４）通電状態と無通電状態の時間巾を調整するように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電磁
   石装置の制御装置。