JPH0562442B2 - - Google Patents

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するもの
である。

一般に単相交流操作電磁接触器は直流操作電磁
接触器に比較して、小形、軽量で、動作速度が速
いという特長をもつているが、交番磁束による電
磁石鉄心の騒音または唸り声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
１図に示すように構成されている。

第１図は電磁接触器の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φ_s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_u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つて発生し
ている。

次にシミユレーシヨン計算結果を例にして説明
する。

第２図は第１図に示すような単相交流操作電磁
接触器の電磁石の過渡吸引及び定常吸着状態にお
ける特性のシミユレーシヨンで、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、W₈は外
部反抗力を示す。但し、横軸は時間を示す。この
一般の単相交流操作電磁接触器においては、第２
図からわかるように、吸引力W₇の最小値W_7nio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W₇の最大値W_7naxと最
小値W_7nioの差が大きくなつているため、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は電磁接
触器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、直流操作電磁接
触器は、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
ので一定電流が流れ、その電流は励磁（電磁）コ
イルの抵抗分のみによつて決まるので、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、コイルの銅損は大きくなつて長時間使用には
コイルが焼損してしまう。そのため、直流電磁接
触器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つてしま
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、交流電磁接触器に比
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、１０は投入用スイツチであ
る。

本発明は、従来の位相制御方式とは異なる電子
制御方法によつて、単相交流電磁接触器の電磁石
装置を励磁するための消費電力を低減しつ唸り音
を、従来よりも、また位相制御方式よりも低減さ
せ、かつ小形で、電圧使用範囲の広い電磁接触器
を得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１１を整流装置１２で全波整流して、第５図
ａに示すように脈動電圧（全波整流）に変換し、
同時連動するスイツチSW₁₀，SW₂₀によつて、あ
る時間だけ端子１３Ａ，１３ＢをスイツチSW₁₀
によつて電源１１から切り離すと同時にスイツチ
SW₂₀によつて端子１３Ａ，１３Ｂを短絡して電
磁石装置１４への電圧の供給を零にし、次は、あ
る時間だけSW₂₀によつて端子１３Ａ，１３Ｂの
短絡を開放し、同時にスイツチSW₁₀によつて電
磁石装置１４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。スイツチSW₁₀とSW₂₀は次
のように機能する。スイツチSW₁₀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。スイツチSW₂₀による端子１３Ａ，
１３Ｂの短絡は電磁石装置１４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
の供給が零状態であつ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。場合によつては、端子１３Ａ，１３Ｂ
を短絡せず開放させても良い。

次に、電子計算機によるシミユレーシヨン計算
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接触器の電磁
石に、本発明による第４図に示す原理によつて、
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
イツチSW₁₀，SW₂₀、スイツチSW₁₁，SW₂₁を共
に同時に、0.1msec通電→1.6msec無電圧のスイ
ツチングを繰り返したときのシミユレーシヨンを
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_7naxと最小値W_7nio
の差が大巾に小さくなつていることがわかる。す
なわち唸り音が大幅に低減していることがわか
る。また吸引力の最大値W_7nioは従来よりも大巾
に増加している。

第８図は、第２図と同様の単相交流電磁接触器
の電磁石装置を第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（7msec無
電圧、1msec通電）によつて動作させた場合のシ
ミユレーシヨンを示す。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_7naxと最小
限W_7nioの差は、従来のサイリスタ位相制御方式
の吸引力の最大値W_7naxと最小値W_7nioとの差よ
りも約２分の１以下になつている事がわかる。つ
まり位相制御の場合、電流の脈動分、すなわち吸
引力の脈動分が大きく、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
ツク図を示し、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、１０
４は唸り音及び消費電力低減のための電子制御装
置で、スイツチSW₀を投入後ある適当な時間T₀
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、T₁時間通電→T₂時間無
電圧を繰り返し、T₃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、T₀，T₁，
T₂，T₃は自由に調整できるように第３図、第４
図のスイツチ類の機能を電子回路で構成してい
る。

なお、通電と無通電状態を半波毎に複数回周期
的に繰り返すために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、
無通電操作であつてもよい。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→
1msec無電圧→0.1msec通電→3.2msec無電圧→
0.1msec通電→1msec無電圧→0.1msec通電→
1msec無電圧→0.1msec通電を周期的に繰り返し
た場合のシミユレーシヨンを示すが、吸引力W₇
の最大値W_7naxと最小値W_7nio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_70naxと最小値W_70nioの差が若干小さくなり、、
従つて高周波成分の唸り音が小さくなつている事
が伝える。

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→
1.6msec無電圧→0.1msec通電→3.3msec無電圧→
0.1msec通電→1.6msec無電圧→0.1msec通電→
1.4msec無電圧を周期的に繰り返した場合のシミ
ユレーシヨンを示すが、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W₁₀）も
ほぼ同じになつている。この事から、前述したよ
うに第１０図のT₁，T₂，T₃等を調整することに
より、電磁コイルは同一で、電源電圧の使用の適
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。すなわち電源電圧が大きくなつた
場合には無通電状態の時間巾を調整すればよいこ
とがわかる。

第１３図は第１０図のT₀の時間を25msecから
16.6msecに変え、それ以外は第１２図と全く同
じ条件でのシミユレーシヨンを示すが、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量W₉₀の点
の時間後の吸引力W₇の特性の様子がかなり違つ
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つてい
る。これは、第１３図は、可動鉄心と固定鉄心が
吸着する直前にスイツチングを開始して吸着時の
吸引力を低下しているためであり、第１２図は両
鉄心の吸着後にスイツチングを開始しているため
である。このため第１２図においては可動鉄心４
と固定鉄心１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100〜500万回）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
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、従つて接点のアーク発生により
消耗量が少なくなり、電気的に寿命回数が伸びる
という性能的な利点を与える事になる。

このように、第１０図のT₀の時間を調整する
ことにより、可動鉄心４と固定鉄心１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。

吸引力の最大値と最小値との差を小さくする
ことによつ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大巾に広げること
ができる。

吸着時の衝撃を小さくすることができる。

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、従つて渦電
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、Ｄ１，Ｄ２はダイオ
ード、Ｒ１〜Ｒ５は抵抗、TRはトランジスタ、
IC１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（以下ノツト素子）である。な
お、４００は定電圧回路、４０１は発振回路、４
０２は遅延回路である。

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１２に印加されると（第１５図ａ
参照）整流装置１２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IC１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IC１より出力される。アンド
素子IC２は、比較増幅器IC１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V₆（第１５図ｆ参
照）が得られる。第１４図の構成では電圧V₃を
設定し、これ以下では無通電状態の時間巾をT₂
とし、これ以上では無通電状態の時間巾をT₃と
した例を説明しているが、この基本構成を若干変
えることにより、他の時間巾の繰り返しも可能で
あるし、さらに第１２図に示すような複数の種類
の無通電状態の時間巾を設けることもできる。

あるいは、ピーク値をカツトする時間巾とし
て、カツトを開始する電圧と終了する電圧を適当
に変えることもできる。またノツト素子IC４は
交流電源１１の印加後、遅延回路４０２によつて
決められた時間T₀間高電位を出力するため、ト
ランジスタTRは、時間T₀間、導通状態となり従
つて電磁石装置１４は励磁される。前記時間T₀
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時間T₀後では吸引
動作は完了している。次に時間T₀後はアンド素
子IC２の出力波形V₆に従つてトランジスタTRは
導通、遮断を、つまりスイツチングをくり返す。

ここでトランジスタTRが導通すれば、電磁石
装置１４に電流が流れるのは言うまでもないが、
トランジスタTRが遮断状態となつた場合、電磁
石装置１４のコイルエネルギーはダイオードＤ１
によつて還流されるため、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。

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
り期待できるのはいうまでもない。

さらにダイオードＤ１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Ｄ１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
タで構成されたシヨツパを用いることも可能であ
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と共に、長寿命で電
圧使用範囲の広い電磁接触器を得ることができる
電磁石装置の制御装置が得られるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な単相交流電磁接触器の電磁石
装置の概略構成を示す正面図、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図は本発明の一実施例を示す回
路構成図、第８図は従来のサイリスタ位相の制御
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ツク図、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１
３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１４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、１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、１
２，１０３は整流装置、１４，１０２は電磁石装
置、SW₀，SW₁₀，SW₂₀，SW₁₁，SW₂₁はスイツ
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 (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電源からの単相交流電圧を全波整流し、整流
   された出力電力をオンオフして励磁コイルに供給
   する電磁石装置の制御装置において、整流された
   出力を半波毎に複数回の通電状態と無通電状態を
   周期的に繰り返すスイツチ手段と、電源を投入後
   半波毎に１回の通電状態を有する整流された出力
   電圧を通電し、可動鉄心と固定鉄心の吸着前まで
   の過程で上記スイツチ手段のスイツチング動作を
   遅延させるスイツチング遅延手段と、電圧値を検
   出し、予め設定された電圧と比較して上記設定電
   圧よりも上の電圧範囲か下の電圧範囲かを判断
   し、上記設定電圧よりも上の電圧範囲の場合は、
   上記スイツチ手段の周期的に繰り返す無通電状態
   の時間幅を広げる時間幅設定手段とを備えたこと
   を特徴とする電磁石装置の制御装置。