JPS6251485B2 - - 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
特長をもつているが、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１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、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、電子計算機による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図に示すような一般の交流電磁石
装置の過度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。この一般の交
流電磁石装置おいては、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は電磁駆動装置の可動鉄
心の変位置（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
損が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、交流電磁石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、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１１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
わされるものである。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
ギの供給が零状態に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−１３
Ｂを短絡せず関放させても良い。

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石装置に、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ユミレーシヨンを示す。
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
唸り音が大巾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（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と最小値
Ｗ_7nioとの差は、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。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
来の位相制御方式の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、１
０３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、T₁，T₂の時間は必らずしも電圧の零点
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
ヤート）であることが、シミユレーシヨン結果か
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、T₁，T₂，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図と同一周波乃電圧の交流電源で、
半波毎に0.1ｍsec通電→１ｍsec無電圧→0.1ｍ
sec通電→3.2ｍsec無電圧→0.1ｍsec通電→１ｍ
sec無電圧→0.1ｍsec通電→１ｍsec無電圧→0.1
ｍsec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_70
ｎｉｏ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→
1.6ｍsec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。）という特徴と有する。

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
減小して以後漸増上昇して一定値になつている。
これは、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）による鉄心の磨耗
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ジングが小さく
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延びるという性能
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。

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
取付けられていても、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、４０２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の圧力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Ｒ
４の分圧回路より出力される基準電圧V₃（第１
５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１
５図ｆ参照）が得られる。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１
４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のピーク値をカツトする時
間T₃は、抵抗Ｒ３とＲ４の分圧比を変えること
によつて、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。また、交流電
源のピーク値をカツトする時間T₃は、本実施例
ではある一定電圧以上になつたらカツトするよう
に説明したが、カツ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が直流電源となつた場合、ピ
ーク値カツトのT₃は設定できないが発振回路４
０１を適当に設定することによつて同様の効果が
得られるのはいうまでもない。なお、場合によつ
ては、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
で構成されたチヨツパ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
チヤートである。

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
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図は一般的は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
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、１０３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)

1. 【特許請求の範囲】 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 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 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項または第２項に記載の電磁石装置の制御装
   置。 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。