JP2009076457A - 電磁接触器内のａｃ／ｄｃコイル用電子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＣ及びＤＣ電源システムと共に使用可能な接触器デバイスを提供する。
【解決手段】制御モジュール１を、二重構成のＡＣ／ＤＣ制御コイル３の仲介制御として利用するデバイス及び方法に関し、制御コイル３のコイル電圧をモニタするステップと、コイル電圧が所定のドロップアウト電圧より大きいかを判断するステップと、コイル電圧が所定のピックアップ電圧より大きいかを判断するステップとを備える。更に、生成された非安定パルスは、コイル電圧が所定のドロップアウト電圧未満であると判断された場合にリセットされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁接触器に関し、特に、ＡＣ／ＤＣコイルを備える電磁接触器の実現に関する。

接触器は、電気的に制御されるデバイスとして、電力回路用に利用される。従来、接触器は、主に三つの要素、即ち、電流を伝える接点構造、接点構造の接点を閉じるために力を提供する電磁組立体、接点及び電磁組立体を封入するフレームハウジングから組み立てられる。通常、接触器の接点が閉状態にされている場合、電磁組立体内の制御コイルのインピーダンスは、コイルへＡＣ電源が提供される時、制御コイル内の電流を制限する

しかしながら、電源がＤＣ電源である場合、制御コイル内で電流を限定するリアクタンスは存在しない。ＤＣ電源を限定するのに利用可能な唯一の抵抗は、制御コイル自体のもののみであるため、ＤＣコイル供給システム内での使用に指定された接触器に対しては、ＡＣ制御コイルよりも遙かに大きなサイズのＤＣ制御コイルの実現が必要となる。同様の定格電圧用に構築されたデバイス用に異なる制御コイルを備える二種類の接触器デバイスを構築する必要があるため、コイルサイズの相違は、製造コストの増加につながる。更に、ＡＣ及びＤＣ接触器用の電磁石の設計も異なる。

したがって、ＡＣ及びＤＣ電源システムと共に使用可能な接触器デバイスに対する必要性が存在する。

本発明の実施形態例は、電磁接触器デバイスを含む。電磁接触器デバイスは、制御モジュールを備える。制御モジュールは、電力回路を含み、電力回路はコイル組立体を含み、更に、電力回路はＡＣ又はＤＣ供給電圧を受領するように構成される。制御モジュールは、更に、アナログ制御回路を含み、アナログ制御回路は電力回路と通信し、制御回路は、コイル組立体内のコイル電圧をモニタするように構成される。

本発明の別の実施形態例は、制御モジュールをＡＣ／ＤＣ制御コイルの仲介制御に利用する方法を含む。方法は、制御コイルのコイル電圧をモニタするステップと、コイル電圧が所定のドロップアウト電圧より大きいかを判断するステップと、コイル電圧が所定のピックアップ電圧より大きいかを判断するステップとを含む。方法は、更に、コイル電圧が所定のドロップアウト電圧より低いと判断された場合に、非安定パルスをリセットするステップを含む。

本発明の手法により、付加的な特徴及び利点が実現される。本発明の更に別の実施形態及び態様は、本明細書で詳細に説明されており、特許請求の範囲に記載の発明の一部と見做される。

本発明と見做される対象は、添付特許請求の範囲において、特に指摘すると共に明確に請求している。本発明の上記その他の目的、特徴、及び利点は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかとなる。

詳細な説明では、本発明の実施形態例を、利点及び特徴と共に、一例として図面を参照して説明する。

以下、本発明の一つ以上の実施形態例を詳細に説明する。開示した実施形態は、多数の変形及び変更が当業者には明らかとなることから、例示のみを目的としている。図面において、各図を通じて常に同様の番号は同様の部分を示す。

本発明の実施形態例は、本発明の制御回路の重要な態様を形成するマグネットコイル組立体を備える。本発明は、供給電圧と制御コイルとに介在する電子制御モジュール内で開始される動作により、新規なＡＣ／ＤＣコイルを実現する。制御モジュールは、接触器の可動接点が接触器の非可動接点をピックアップする、或いは非可動接点との接触を形成するのを可能にするスイッチングの十分な単安定期間を許容する。この期間の後には、接触器内部でホールドオン状態が持続されるのを保証する非安定期間が続く。本発明の実施形態例において利用されるパルス生成器は、非安定及び単安定パルスを出力するように構成される。一般に、非安定パルス生成では、状態が継続的に変化するため恒久的状態を有していない振動パルスを参照し、所定のタイミング周期の方形波出力を生成する。対照的に、単安定パルス生成では、適切なパルストリガ信号を受けた時に単一の出力パルス（高又は低）を出力する。このトリガ信号が開始するタイミング周期により、単安定の出力は、タイミング周期開始時に状態を変化させ、その後、タイミング周期終了時に自らをリセットして元の状態へ戻るまで、この二次的状態を維持する。

本発明の実施形態例の態様において、非安定期間のデューティサイクルは、コイル供給電圧を低減する際に増加するため、最適な接触保持力が確保される。更に、ここで提示するように、本発明は、本発明の動作上の目標を達成するために、マイクロコントローラ又はドライバ回路の使用を必要としない。更に、本発明の実施形態例において実現される全ての回路は、純粋にアナログに基づくものである。

上記のように、本発明は、実施形態例においてＡＣ／ＤＣコイルを実現する。通常、ＤＣ供給コイルは、ＡＣの等価物よりも規模が遙かに大きい。しかしながら、本発明は、実施形態例において、ＡＣ又はＤＣコイルの別個の設計を必要としない。本発明の実施形態例において、ＡＣ及びＤＣ供給コイルは、同じコイル内で特徴付けされるため、これにより、接触器デバイス内で実現可能なＤＣコイルのサイズが実質的に低減される。したがって、ＡＣに基づくか、ＤＣに基づくかに関係なく、同じ電磁石システムが、本発明の実施形態例のＤＣ接触器の動作機能を可能にするのに適したものとなる。この発明の態様は、接触器内でのホールドオン状態中にＤＣ供給電圧を切断又は低下させ、これにより大きなＤＣ供給コイルを有する必要を除去することで達成される。本発明の更なる利点は、動作の非安定モードに可変デューティサイクルを設けることで、電圧の低下に従ってデューティサイクルが増加し、これにより邪魔なトリッピングの事象が回避されることである。

図１は、接触器デバイス１００の断面図である。図示したように、接触器１００は、可動磁気制御式コイル磁石接点組立体６と、コイル組立体３と、基板組立体付き固定磁石５と、固定接点板７とを含む。ホールドオン状態中、固定接点７及び可動接点６は、接点端部９において接触状態を維持する。電子制御モジュール１は、制御コイル電源端子４と制御コイル組立体３との間に介在する。接触器の要素は筐体８に封入される。

動作中、電子制御モジュール１は、接触器１００と接触器１００の電源との間の機能的な仲介物として物理的に構成される。この態様は、本発明の実施形態例がＡＣ及びＤＣ電源用に同じ制御コイル組立体３の使用を提供するのを可能にする上で不可欠となる。電子制御モジュール１は、バックコンバータ回路を含む電源回路と、制御回路とを備える。上記の動作コンポーネントのそれぞれは、更に、一連の機能サブコンポーネントを含む。電源回路は、様々な範囲の入力電圧に対する定出力電圧源として機能するが、但し電源回路の出力電圧は９Ｖに固定されたままとなる。

図２は、電子制御モジュール１の要素を詳細に表す図を示している。図示したように、ブリッジ整流回路１０を使用して、コイル組立体３への供給電圧を整流しており、供給電圧はＡＣ又はＤＣ供給電圧の何れかにすることができる。二個の電解コンデンサ１３は、電源回路及び制御回路用の電圧を別個にフィルタリングするために実現される。本発明の実施形態例において、電力回路は、ブリッジ整流器１０と、フィルタ１３と、コイル組立体３と、ダイオード１４と、スイッチングデバイス１１とを備える。更に、制御回路は、パルス発生器１７と、制御論理回路１８と、ＯＲ回路１２と、電圧依存抵抗回路１６と、バックコンバータ（ステップダウンＤＣ−ＤＣコンバータ）制御電圧調整回路１５とを備える。

図示したように、整流回路１０は、ブリッジ整流器２２と、一対のダイオード２１とを備える。ブリッジからの出力は、電力回路へ供給される。更に、一対のダイオード２１は、制御電圧調整回路１５への供給を行う。ブリッジ整流器２２の正端子は、コイル端末４の一方に接続される、他方のコイル端子４は、スイッチングデバイス１１に直列接続される。本発明の更なる実施形態例において、整流回路１０の使用は、ＤＣ電源を利用するのが望ましい場合には省くことができる。

制御回路は、９Ｖの電源を必要とし、制御回路には制御電圧調整回路１５を介して定電圧が供給される（例えば、この定電圧は、低ドロップアウト（ＬＤＯ）電圧調整器を、スイッチング電圧調整回路と組み合わせて使用して供給できる）。本発明の実施形態例が広範な電圧で動作できるように、入力電圧は、三つの異なる範囲、即ち１２Ｖの低範囲と、２４Ｖ乃至６０Ｖの中範囲と、７２Ｖ乃至４４０Ｖの高範囲への分割を行う。

１２Ｖの低コイル電圧が発生する場合、低ドロップアウト電圧調整器を実現する。２４Ｖ乃至６０Ｖの中範囲電圧が発生する場合、スイッチング回路を、ＬＤＯ電圧調整器と組み合わせて実現する。本発明の実施形態例において実現可能なスイッチング回路の例を、図３に示す。図３に示したスイッチング電圧調整回路は、バックコンバータのＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を駆動するスイッチングＩＣ ＩＲ２１５３を備える。定出力電圧を維持するため、ＴＬ４３１ダイオードＤ２を利用して、フィードバックを達成する。入力抵抗Ｒ１は、回路入力電圧範囲を決定する上で非常に重要な役割を果たす。そのため、入力抵抗Ｒ１は、ＬＤＯ電圧調整器と共に利用される。図３のスイッチング電圧調整器は、７２Ｖ乃至４４０Ｖの高範囲電圧が発生した場合にも利用される。更に、入力抵抗Ｒ１の値は、必要な電圧範囲を取得するために、相応に調整される。

コイル組立体３へ供給される入力電圧を決定できない間、ピックアップ電圧レベルは、コイル組立体３の定格電圧に応じて変化する。接触器６が正しいピックアップ点でピックアップ可能となるように、電位分割器は、手動設定用に構成可能である。本発明の実施形態例において、このオプションは、アクセス可能なＤＩＰ選択スイッチを介してユーザに提供可能であり、選択範囲は、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、６０Ｖ、７２Ｖ、１１０Ｖ、２３０Ｖ、及び４４０Ｖとなる。

制御論理回路１８は、コイル組立体３の供給電圧をモニタし（図４のステップ４０５）、そのモニタ活動に応答して、必要な制御出力を生成する。制御論理回路１８において、接触器に対して事前に決定したドロップアウト電圧より供給電圧が大きいかを確認するために判断を行う（ステップ４１０）。コイル組立体３の供給電圧が接触器の所定のドロップアウト電圧より大きい場合、コントローラ１８は、パルス生成器１７において生成された非安定パルス２３に対するリセット入力を高（ＨＩＧＨ）に設定する。パルス生成器１７は、高周波（例えば、約５００Ｈｚ）の非安定パルス２３を生成する（ステップ４１５）。しかしながら、この場合のコイル組立体の電流は、接触器１００による接点のピックアップには十分ではない。本発明の態様において、接触器１００のピックアップ電圧は、常にドロップアウト電圧より大きい。

制御論理回路は、更に、コイル電圧が接触器１００のピックアップ電圧より大きいかを判断する（ステップ４２０）。コイル電圧が接触器１００のピックアップ電圧より大きい場合、コントローラ１８は、パルス発生器１７の単安定パルス発生器のリセット入力をＨＩＧＨに設定する。供給電圧がピックアップ電圧を超えると、パルス発生器１７は、単安定パルス２４を生成する（ステップ４２５）。単安定パルス２４は、接触器１００の所定のピックアップ時間以上の期間に渡って出力される。ＯＲ回路１２は、パルス発生器１７の二つの出力（即ち、非安定出力及び単安定出力）を合算する。結果的な出力は、設計期間の単安定パルスを含む。この出力の生成により、接触器１００における接点（６、７）の適切なピックアップが可能となる。

接点を閉じた後、即ち、単安定期間の終了後、非安定パルスは、引き続き、接点（６、７）を保持する。定格電圧でのデューティサイクルは、接触器１００内のバネ力に基づいて決定される。デューティサイクルは、定格電圧で接点を保持するのに必要な最低限の力に対して設計されるため、この態様により、最小のコイルエネルギ消費が確保される。コイル組立体３の供給電圧が低下すると、電圧依存抵抗回路１６が提供する抵抗が増加する。電圧依存抵抗回路は、非安定パルス２３のパルス幅が供給電圧の低下と共に増加する状態を確保する。これにより、非安定モードのデューティサイクルは、電圧の低下と共に直線的に増加する。この動作により、組立体コイル３において一定に近い保持力が確保される。更に、コイル電圧が所定のドロップアウト電圧よりも低下した場合、コントローラ１８は、非安定パルス発生器１７をリセットし（ステップ４３０）、接点６はドロップアウトする。

以上、実施形態例を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、その要素に様々な変更を施し得ること、及び等価物により代用し得ることは、当業者には理解されよう。加えて、特定の状況又は材料を、本発明の内容に対して、その本質的な範囲から逸脱することなく適合させるために、多数の変形を施し得る。したがって、本発明は、本発明を実施するために開示した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を包含するものである。

本発明の実施形態による、接触器デバイスの断面を詳細に示す図である。 本発明の実施形態による、電子制御モジュールを示す図である。 本発明の実施形態例に従って実施可能なスイッチング電圧調整器の一例を示す図である。 本発明の実施形態による、制御モジュールをＡＣ／ＤＣ制御コイルの仲介制御に利用する方法の詳細を示すフロー図である。

符号の説明

１００…接触器デバイス
１…電子制御モジュール
３…コイル組立体
４…制御コイル電源端子
５…基板組立体付き固定磁石
６…磁気制御式コイル磁石接点組立体
７…固定接点板
８…筐体
９…接点端部
１０…ブリッジ整流回路
１１…スイッチングデバイス
１２…ＯＲ回路
１３…電解コンデンサ
１４…ダイオード
１５…制御電圧調整回路
１６…電圧依存抵抗回路
１７…パルス生成器
１８…制御論理回路
２１…ダイオード
２２…ブリッジ整流器
２３…非安定パルス
２４…単安定パルス

Claims (10)

1. 電磁接触器デバイス（１００）であって、前記電磁接触器デバイス（１００）は、
   制御モジュール（１）を備え、前記制御モジュール（１）は、
   コイル組立体（３）を含み、更に、ＡＣ又はＤＣ供給電圧を受領するように構成された電力回路と、
   前記電力回路と通信し、前記コイル組立体（３）内のコイル電圧をモニタするように構成されたアナログ制御回路（１８）と、を含む、電磁接触器デバイス（１００）。
2. 前記コイル電圧が所定のドロップアウト電圧より大きいことに応答して、前記制御回路（１８）において、パルス生成器（１７）から生成される非安定パルスに対するリセット入力を高に設定する、請求項１のデバイス（１００）。
3. 前記コイル電圧が決定されたピックアップ電圧より大きいことに応答して、前記制御回路（１８）において、前記パルス生成器（１７）から生成される単安定パルスのリセット入力を高に設定する、請求項２記載のデバイス（１００）。
4. 前記パルス生成器（１７）は、前記デバイスの所定のピックアップ期間以上の期間に渡って出力される単安定パルスを生成するように構成される、請求項３記載のデバイス（１００）。
5. 前記パルス生成器（１７）は、前記非安定パルスと前記単安定パルスとを組み合わせ、所定の期間の結果的な単安定パルスを生成するように構成される、請求項４記載のデバイス（１００）。
6. 前記非安定パルスの生成は、前記単安定パルスの生成のための前記期間が終了した後も継続する、請求項５記載のデバイス（１００）。
7. 前記コイル供給電圧が低下したことに応答して、前記非安定パルスのデューティサイクルは、コイル電圧の前記低下と共に直線的に増加する、請求項６記載のデバイス（１００）。
8. 前記非安定パルスは、前記コイル電圧が前記所定のドロップアウト電圧未満であることに応答してリセットされる、請求項７記載のデバイス（１００）。
9. 前記電力回路は、前記アナログ制御回路（１８）に対して定電力の供給を提供する、請求項８記載のデバイス（１００）。
10. 前記定電力の供給は、前記電力回路に提供される所定の供給電圧に応答して、前記アナログ制御回路１８に提供され、前記供給電圧は所定の範囲の供給電圧から選択される、請求項９記載のデバイス（１００）。

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