JPH0328774A - 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かできる制御装置に
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
るか，交番磁束による騒音または唸り註を允生ずるとい
う欠点をイイしている。そのため，交流電磁石装置は第
１図に示ず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，（１）は成層鉄心からなる固定鉄心，（２）は
該固定鉄心（１１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Ｆ５１
　　（６）は固定鉄心（１１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目″．くま
取りコイル（７）で囲まれた磁極頭（５）を通る磁束φ
５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φ。ど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＠磁束による騒音を除去している。

また唸り音については．吸引力は電源の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
値の差が鉄心内で電磁吸引力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？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，Ｗ＋は交流電源の電圧波形，Ｗ２　，Ｗ３
は鉄心磁極頭を辿る磁束波形，Ｗ４は鉄心を通る合成の
磁束波形，Ｗ５は励磁コイルの電流波形，Ｗ６はくま取
りコイルの電流波形，Ｗ７は総合の吸引力の波形，Ｗａ
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Ｗ７の最小値Ｗ７■，ｎは常に外部反抗力Ｗ
８よりも大であるので，騒音は発生しない。が，吸引力
Ｗ，の最大値Ｗ　７　ｍ　ａ　ｘと最小値Ｗ　７　ｍ　
ｉ　，，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
発生ずる。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箪（ス
トローク）を示す。なお，第６図の電源周波数は６０Ｈ
ｚ２４０Ｖ（辰大値）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Ｊ：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６大きな電流が流れ，コイルの銅相が大きくなって
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，交流電磁装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ＦＩＦｉ（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ＥＦｉ（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，（１０）
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ついて説明
する。

第４図，第５図がその原理を示すように，交流電源（１
ｌ）を整流装置（１２）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
ずるスイツヂＳＷ，Ｑ，ＳＷ２．によって，ある時間だ
け端子（１３Ａ）−（１３Ｂ）をスイッヂＳＷ，によっ
て電源（１１）から切り離すと同時にスイツヂＳ　Ｗ　
２　０によって端子（１３Ａ＋−（１３Ｂ）を短絡して
ＭＭＩ石装置（１４）への電圧の供給を零にし次は，あ
る時間だけＳ　Ｗ　＋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ＳＷ２ｏぱ次のよ
うに機能ずる。スイッチＳ　Ｗ　＋　ｏによる電源供給
の切り離しは，全波整流による電流増加を制限し，コイ
ルの銅損による温度上昇を抑制ずる。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
ヂｓｗ２ｏによる端子（１３Ａｌ−（１３Ｂ）の短絡は
電磁石装置（１４）が？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）
−（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ＳＷＩＯ　　ＳＷ２０，スイッ
チＳＷ１１−ＳＷ２，を共に同時に，　Ｏ．　　ｌｍｓ
ｅｃ通電−１１　．　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ｗ７の特性すなわち吸引力の最大値
Ｗ　７ｍ■と最小値Ｗ７■。の差が大巾に小さくなって
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Ｗ７。．。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，Ｎ圧の交流電源で，従来のサイリスク位相制
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図を比較ずると，本発明による吸引力の最大値Ｗ
　７ｍａｘと最小値Ｗ　７　ｍ　ｉ　ｎ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　
ｌＩ　Ｘと最小値Ｗ　７　ｆｆｉＩ　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＆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
上することが云える。第９図は，本発明による交流電磁
石装置の唸り音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，　（１０３）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Ｓ
Ｗｏを投入後ある適当な時間Ｔ。後に，第ｌＯ図に示す
ように，電源電圧の零点を基準にして，半波毎に，Ｔ１
時間通電→Ｔ２時間無電圧を繰り返し，′Ｆ３時間無通
電後，Ｔ１時間通電→Ｔ２時間無通電を繰り返すもので
，Ｔｏ　，　Ｔ＋　，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，，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，Ｔ，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（１０３１　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−４　
１　ｍＳｅｃ無電圧−＋０．　　１ｍＳｅｃ通電−３．
　２ｍＳｅｃ無電圧−０．　　１ｍｓｅｃ通電→１　ｍ
ｓｅｃ無電圧−＋０．　　１ｍｓｅｃ通電→１ｍＳｅｃ
焦電圧→Ｏ．ｌｍＳｅｃ通電を周期的に繰り返し（９） （１０） ？場合のシミュレーションを示すか，吸引力Ｗ７のＪｉ
Ｂ人ｆ直Ｗ７−１とｈ１小値Ｗ７■４■の差は，第６図
のそれとほとんど変らないが，高周波成分の最大植Ｗ　
ｔｏｍｎウと最小値Ｗ　７　Ｑ■．、の差が若干小さく
なり．従って高周波成分の唸り−昌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父置に．第２図
と同一周波．先電圧（３４０Ｖ　（最大値））の交流電
源で，半波毎に，　０．　　１＋ｎＳｃｃ通電−＋］．
６ｍＳｅｃ無電圧−　０　．　　］　ｍｓｅｃｊｌ電→
３．３ｍＳｅｃ無電圧−４０．　　１ｍＳｅｃ通電−　
１　．　６　ｍｓｅｃ無電圧−０．　　ｌｍｓＱｃ通Ｔ
ｆｉ　→ｌ　．　４　ｍｓｅｃｐ．’，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１（ｊ（消費
′題力Ｗ＋ｏ）もほぼ同じになっている。

この事から，Ａｉｉ＋したように第１０１’Ｒｌの１゛
’Ｉ−２，Ｔ，を調幣ずることにより，電はコイルは同
一で，電諒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まで励耐（電磁）コイル
の共用化が計れる。）という特徴を不ｊずる。

′ｆ！′４１　３図は第１０図の１゛ｏの時間を２５ｍ
Ｓｅｃ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ｌ
２｛゛ス１と第１３図を比較すると電磁石突置の可動鉄
心（４）が固定鉄心（１）に吸着されたときの変位ｌａ
−：　ｗ　，　，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
図においては，可動鉄心（４）の吸着後の吸弓力は二そ
Ｌ昇しているが，第１３図においては，吸若後は吸引力
は−度減少して以後漸増上昇して−定イ直になっている
。これは，第１２図においては可動鉄心（４）と固定鉄
心（［）との１及着時の衝撃が激しく，第１３図におい
ては衝撃が第■２図に比して穏やかで多数回の駆動操作
（例えばＩ．　Ｏ　Ｏ〜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
撃が小さくてすみ，例えば−７Ｈｆｆｊ接触器に使用さ
れる場合は桜点のハつンシングが小さくなり，従って接
（ｌ１） （１２） 点のアーク発土により消耗重が少なくなり，電気的にノ
ｔ命回数が延びるという性能的な利点なり−える事にな
る。

このように，第１０図の］゛。の時間を調整することに
ｊ二り　’ｉｉＴ動鉄心（４）と囚定秩心（１）との吸
青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。

■　吸引力の最大値と最小値との差を小さくずることに
よって唸り身をイ氏減ずることかできる。

■　定常吸着状態時の消費電力を節約できる。

■　励ＥＨ　（電磁）コイルを変えないで，電源（人力
）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ＤＣＷ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。

■　ＤＣ変換ずるため，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
き説明ずる。

第１４図において，　　（１１．１は交流電源，　（１
２１は整流装置．　（１４）は電磁石装置，Ｄｉ，Ｄ２
はダイオード，Ｉ’｛ｌ〜Ｒ５は抵抗，ＴＲはトランジ
スタ，ＴＣＩは比較増幅器，ＩＣ２は論理積素子（以下
アンド素子），ＴＣ３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）は発振揮１路
，（４０２）は遅延回路である。

（１３） このように構成されたものにおいて，交流電源（１１）
が整流装置（［２）に印加されると（第１５図（ａ）　
参照）整流装置（ｌ２）の出力レこ接続された抵抗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に入力される
。この全波整流波形Ｖ２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ＩＣ２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１５図（ｅ）参照）を出
力するため．波形■６　（第１５図ｉｆ）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，１・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（１４）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Ｄｉ
′ｆ間−１−。後では吸引動作は完Ｙしている。次に時
間Ｔ。後はアンド素子ＩＣ２の出力波形■６に従って１
・ランジスタ１゛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Ｔ　Ｒが導通ずれば，電磁石装置（
ｌ４）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（ｌ４）
のコイルエネルギーはダイオードＩ）　１によって還流
されるため，電磁石装置（１４）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ＴＩ
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明したが，
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（１５） （Ｉ６） り期待できるのはいうまでもない。また２交流電源のビ
ーク埴をカツ１・ずる時間−１”　３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，カツ１・を開始ずる電圧と終ｒずる電圧を適当に変
えても同様の効果か得られるのはいうまでもない。

また交流電源（１ｌ）が直流電源となった場合．ピーク
値カットの′Ｉ゛３は設定できないが発振同路ｆｌｌｏ
１）を適当に設定することによって同様の効果が得られ
るのはいうまでちない。なお，場合によっては，ダイオ
ードＩ）　１の代わりにコンデンザを使用しても良く，
またダイオードＩ）　１を省略しても良い。更にトラン
ジスタＴ　Ｒの代りにサイリスクで構成されたヂョツバ
を用いることも可能である。なお．第１５図は本実施例
の各出力のタイムヂャートである。

以−ヒ述べたように，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，１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，種勺の有益な効果を得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は−Ｍ的な単相交流電磁石装置の概略構成を示す
正面図．第２図は−ｐ２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図は本発明の一実施例を示ず回路構成図
，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
１１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−実施例を示す回路接続図，第１５図は第
１４図の回路の動作を説明するための各部波形を（１７
） （ＩＲ） 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）　（１０１）は交流
電源，ｆｌ２）　（＋０３１は整流装置．　（１４）　
［１０２）は電磁石装置，ＳＷｏ　，ＳＷ＋ｏ，ＳＷ２
０．ＳＷ．，　　　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
   う上記スイツ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。