JP2020149965A - 電磁接触器のコイル駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁接触器のコイル駆動のためのアナログ部品点数を削減すると共に、電磁接触器のコイルから発生するノイズによる誤動作や焼損を防止することのできる電磁接触器のコイル駆動装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置２００は、入力される電力を直流電力に変換して出力する入力電力処理部２１０と、入力電力処理部２１０から出力される直流電力の電圧レベルを検出する入力電圧検出部２２０と、入力電圧検出部２２０により検出された電圧レベルを用いて電磁接触器のコイル３００に流れる電流の制御のための制御信号を出力する制御部２４０と、制御部２４０の制御信号に基づいてスイッチングしてコイル３００に流れる電流を通電又は遮断するスイッチング部２５０とを含み、制御部２４０は、スイッチング部２５０に電気的に接続されてコイル３００のノイズを遮断するゲートドライバ２４２を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁接触器のコイル駆動装置に関する。

一般に、電磁接触器（electronic magnetic contactor）は、ビル、工場、船舶などのシステムで電気接続経路に接続されて負荷に電力を供給又は遮断する装置であって、負荷が焼損することを防止する。電磁接触器は、電磁石の原理を利用して接点を開閉する機器であり、コイルに所定の電力が供給されて電流が流れると接点が接触し、電流が流れなくなると接点が分離する。

従来の方式は、アナログ部品点数が多いことから、回路が複雑であり、動作時に誤差が累積され、製造時の不良発生率が高いという問題があった。よって、ＰＷＭ信号を発生するためのアナログ方式の主要部を動作制御部とＰＷＭ制御器に代え、故障及び不良発生率を低減し、消費電力を抑えている。

図３は従来技術による電磁接触器のコイル駆動装置の回路図である。図３に示すように、従来技術による電磁接触器のコイル駆動装置は、入力電力処理部１１０、入力電圧検出部１２０、定電圧部１３０、動作制御部１４０、ＰＷＭ制御器１５０、スイッチング部１６０及びサージ吸収部１７０を含む。

入力電力処理部１１０は、入力端子１１２、入力フィルタ部１１４及び整流部１１６から構成される。

入力フィルタ部１１４は、入力端子１１２を介して入力される電力からサージ電圧を吸収し、ノイズを除去する。

入力電圧検出部１２０は、整流部１１６から出力される直流電力の電圧レベルを検出する。

定電圧部１３０は、整流部１１６から出力される直流電力の入力を受け、入力された直流電力の電圧を分圧して定電圧を発生する。定電圧部１３０が発生する定電圧により各部が駆動される。

動作制御部１４０は、比較判断部１４２及び時間決定部１４４から構成され、入力電圧検出部１２０により検出された電圧レベルと所定の基準電圧レベルとを比較し、その比較結果に基づいて制御信号を発生する。

ＰＷＭ制御器１５０は、コイル３００に流れる電流のフィードバックを受け、そのフィードバックされた電流と動作制御部１４０から発生した制御信号に基づいて、コイル３００に流れる電流が制御されるようにＰＷＭ信号のパルス幅を調整し、調整されたＰＷＭ信号を出力する。ＰＷＭ制御器１５０はＰＷＭ制御専用ＩＣである。

スイッチング部１６０は、ＰＷＭ制御器１５０からのＰＷＭ信号に基づいてスイッチングし、コイル３００に流れる電流を通電又は遮断する。

サージ吸収部１７０は、コイル３００に流れる電流が通電又は遮断されることにより発生する逆起電力を吸収する。

従来技術による電磁接触器のコイル駆動装置においては、図３に示すようにＰＷＭ制御器１５０を用いたデジタル方式でアナログ部品の多数を代替してアナログ方式の問題は解決したが、コイル３００から発生するノイズによる問題があった。

具体的には、電磁接触器のコイル駆動装置１００の動作中はコイル３００から逆起電力によるノイズＮが発生する。ノイズＮはスイッチング部１６０を介してＰＷＭ制御器１５０に伝達されて物理的ダメージを直接与える。その結果、電磁接触器のコイル駆動装置１００はノイズＮにより誤動作したり焼損する。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電磁接触器のコイル駆動のためのアナログ部品点数を削減すると共に、電磁接触器のコイルから発生するノイズによる誤動作や焼損を防止することのできる電磁接触器のコイル駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、ハードウェアを変更することなく、コイル駆動において所望の性能を実現することのできる電磁接触器のコイル駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置は、入力される電力を直流電力に変換して出力する入力電力処理部と、前記入力電力処理部から出力される直流電力の電圧レベルを検出する入力電圧検出部と、前記入力電圧検出部により検出された電圧レベルを用いて電磁接触器のコイルに流れる電流の制御のための制御信号を出力する制御部と、前記制御部の制御信号に基づいてスイッチングして前記コイルに流れる電流を通電又は遮断するスイッチング部とを含む。

前記制御部は、前記スイッチング部に電気的に接続されて前記コイルのノイズを遮断するゲートドライバを含むことを特徴とする。

前記制御部は、前記入力電圧検出部により検出された電圧レベルと所定の基準レベルとを比較して比較結果に基づくＰＷＭ信号を生成するマイクロコントローラ（MCU, Micro Controller Unit）をさらに含み、前記ゲートドライバは、前記ＰＷＭ信号を増幅して前記スイッチング部に伝達することを特徴とする。

前記ゲートドライバは、フォトカプラであることを特徴とする。

前記駆動装置は、前記コイルの両端に並列に接続されるフライホイール部をさらに含むことを特徴とする。

前記フライホイール部は、ショットキーダイオードであることを特徴とする。

本発明による電磁接触器のコイル駆動装置は、制御部で従来のアナログ部品を代替するので、コイル駆動装置を小型化することができる。

また、本発明による電磁接触器のコイル駆動装置は、制御信号がゲートドライバを介してスイッチング部に伝達される構造を有し、電磁接触器のコイルから発生するノイズがゲートドライバにより遮断されるので、コイル駆動装置の誤動作や焼損を防止することができ、コイル駆動の信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明による電磁接触器のコイル駆動装置は、制御部がマイクロコントローラを含み、コイル駆動装置の構成を変更することなくソフトウェアを修正するだけで所望の性能を実現することができるので、１つのコイル駆動装置を用いて異なる仕様を有する様々な電磁接触器のコイルを駆動することができる。

本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置の回路図である。 従来技術による電磁接触器のコイル駆動装置の回路図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明するが、同一又は類似の構成要素については同一又は類似の符号を付し、その説明は省略する。本明細書で用いられる構成要素の接尾辞である「モジュール」や「部」は、明細書の作成を容易にするために付与又は混用されるものであり、それ自体が有意性や有用性を有するものではない。また、本発明の実施形態について説明する上で、関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の実施形態の要旨を不明確にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。本実施形態は本発明の技術思想を説明するためのものであり、本実施形態に本発明の範囲が限定されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲により定められるべきであり、均等の範囲にあるあらゆる技術思想は本発明に含まれるものと解釈すべきである。

本発明による電磁接触器のコイル駆動装置は、従来のアナログ部品を代替して装置を小型化すると共に、電磁接触器のコイルから発生するノイズによるコイル駆動装置の誤動作や焼損を防止してコイル駆動の信頼性を向上させることができる。

また、本発明による電磁接触器のコイル駆動装置は、コイル駆動装置の構成を変更することなくソフトウェアを修正するだけで所望の性能を実現することができるので、１つのコイル駆動装置を用いて異なる仕様を有する様々な電磁接触器のコイルを駆動することができる。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置の構成を示す図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置２００は、入力電力処理部２１０、入力電圧検出部２２０、定電圧部２３０、制御部２４０、スイッチング部２５０及びフライホイール部２６０を含んでもよい。

入力電力処理部２１０は、コイル駆動装置２００に入力される電力を直流電力に変換して出力する。具体的には、入力電力処理部２１０は、入力端子２１２、入力フィルタ部２１３及び整流部２１４を含んでもよい。

入力フィルタ部２１３は、入力端子２１２を介して入力される電力からサージ電圧を吸収し、ノイズを除去する。入力フィルタ部２１３は、ＥＭＣフィルタであってもよい。ただし、これに限定されるものではなく、入力フィルタ部２１３は、コイル駆動装置２００によるコイル３００の駆動を妨害する電磁波干渉（EMI, Electromagnetic Interference）を防止できる他の種類のフィルタで実現されてもよい。

整流部２１４は、入力フィルタ部２１３からの電力を整流して直流電力を出力する。

入力電圧検出部２２０は、入力電力処理部２１０から出力される直流電力の電圧レベルを検出する。

定電圧部２３０は、入力電力処理部２１０から出力される直流電力の入力を受け、定電圧を発生する。具体的には、定電圧部２３０は、整流部２１４からの直流電力を分圧して定電圧を出力する。定電圧部２３０から出力される定電圧により制御部２４０が駆動される。なお、制御部２４０のマイクロコントローラ２４１は第２定電圧部２３１から出力される定電圧により駆動される。

制御部２４０は、入力電圧検出部２２０により検出された電圧レベルを用いてコイル３００に流れる電流の制御のための制御信号を出力する。具体的には、制御部２４０は、入力電圧検出部２２０により検出された電圧レベルと所定の基準レベルとを比較し、その比較結果に基づいて前記制御信号を出力する。

制御部２４０は、マイクロコントローラ２４１及びゲートドライバ２４２を含んでもよい。

マイクロコントローラ２４１は、入力電圧検出部２２０により検出された電圧レベルと所定の基準レベルとを比較し、比較結果に基づいて前記制御信号を生成してゲートドライバ２４２に伝達する。

以下、マイクロコントローラ２４１の制御信号の生成について具体的に説明する。

マイクロコントローラ２４１は、入力電圧検出部２２０により検出された電圧レベルが所定の基準レベルより高い場合、前記制御信号として吸引信号を出力する。

前記吸引信号は、電磁接触器の接点の接触のためにコイル３００に電流が流れるようにする信号である。マイクロコントローラ２４１は、前記接点が接触するまでは高い電流（例えば、２５０ｍＡ）が流れるようにする吸引信号を出力し、接触した後は接触状態を維持するだけでいいので相対的に低い電流（例えば、３０〜６０ｍＡ）が流れるようにする吸引信号を出力する。

マイクロコントローラ２４１は、入力電圧検出部２２０により検出された電圧レベルが所定の基準レベルより低い場合、前記制御信号として釈放信号を出力する。前記釈放信号は、電磁接触器の接点の接触解除のためにコイル３００に流れる電流を遮断する信号である。

前記制御信号は、ＰＷＭ信号であってもよい。前記所定の基準レベルは、駆動対象であるコイル３００の仕様や性能に応じて変更してもよい。

ゲートドライバ２４２は、マイクロコントローラ２４１から前記制御信号を受信してスイッチング部２５０に伝達する。一態様において、ゲートドライバ２４２は、前記制御信号を増幅してスイッチング部２５０に伝達するようにしてもよい。一態様において、ゲートドライバ２４２は、コイル３００から発生するノイズを遮断するために、絶縁ゲートドライバにしてもよい。

一態様において、ゲートドライバ２４２は、フォトカプラで実現されてもよい。前記フォトカプラとは、回路間を電気的に絶縁した状態で電気信号を伝達する目的で、発光素子と受光素子とを光学的に結合して１つのパッケージに内蔵した光複合素子をいう。

ゲートドライバ２４２が前記フォトカプラで実現された場合、ゲートドライバ２４２は光を用いて発光素子及び受光素子により信号を伝達するので、信号のない状態では、入力端に接続されるマイクロコントローラ２４１と出力端に接続されるスイッチング部２５０とが物理的に絶縁される。よって、ゲートドライバ２４２は、コイル駆動装置２００の動作によりコイル３００から発生するノイズがマイクロコントローラ２４１に及ぼす影響をより効果的に抑制することができる。

スイッチング部２５０は、制御部２４０から出力される前記制御信号に基づいてスイッチングし、コイル３００に流れる電流を通電又は遮断する。具体的には、スイッチング部２５０は、前記制御信号が吸引信号である場合、コイル３００に電流が流れるようにターンオンし、前記制御信号が釈放信号である場合、コイル３００に電流が流れないようにターンオフする。スイッチング部２５０は、ＭＯＳＦＥＴ又はＢＪＴで実現されてもよい。ただし、これらに限定されるものではなく、スイッチング部２５０は、ゲート電極（制御端子）に入力される信号を用いてスイッチング動作ができる他の種類のトランジスタで実現されてもよい。

フライホイール部２６０は、コイル３００から発生する逆起電力を吸収する。

具体的には、フライホイール部２６０は、コイル３００の両端に並列に接続され、コイル３００に流れる電流の遮断により発生する逆起電力による電流がコイル駆動装置２００内の他の素子に影響を及ぼさないようにループを形成する。

フライホイール部２６０は、ショットキーダイオードで実現されてもよい。ただし、これに限定されるものではなく、フライホイール部２６０は、順方向電圧が低くかつスイッチング速度が速い他の種類のダイオードで実現されてもよい。

前述したように、本発明による電磁接触器のコイル駆動装置２００は、マイクロコントローラ２４１を用いて制御信号を生成するので、ＰＷＭ制御器を用いる従来技術に比べてアナログ部品点数が削減される。よって、消費電力が低くなる。

また、従来技術においては、コイル３００の仕様や特性に応じて装置内部の構成を異なる容量や数値を有する構成に変更しなければならないのに対し、本発明においては、マイクロコントローラ２４１に予め設定された値をソフトウェア的に変更することにより対応するコイル３００の性能を実現することができる。よって、１つのコイル駆動装置２００により異なる仕様を有する様々な電磁接触器のコイル３００を駆動することができ、汎用性が向上し、メンテナンスが容易である。

また、本発明による電磁接触器のコイル駆動装置２００は、マイクロコントローラ２４１により生成される制御信号がゲートドライバ２４２を介してスイッチング部２５０に伝達される構造を有するので、コイル３００から発生する逆起電力によるノイズが遮断され、マイクロコントローラ２４１に影響を及ばない。よって、コイル３００のノイズによる誤動作や焼損を事前に防止することができ、コイル駆動装置２００のコイル駆動の信頼性が確保される。

図２は本発明の一実施形態による電磁接触器のコイル駆動装置の回路図である。

図２に示すように、入力電力処理部２１０において、入力フィルタ部２１３はＥＭＣフィルタで実現され、整流部２１４は４つのダイオードで実現される。定電圧部２３０は、２つの抵抗、１つのコンデンサ及び２つのツェナーダイオードで実現される。第２定電圧部２３１は、３．３Ｖの電圧レギュレータで実現される。ただし、これに限定されるものではなく、第２定電圧部２３１は、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）２４１の仕様に合う電圧を出力するレギュレータで実現される。

入力電圧検出部２２０は２つの抵抗で実現される。入力電圧検出部２２０は、２つの抵抗を用いて定電圧部２３０から出力される定電圧を分配し、下段の抵抗にかかる電圧がマイクロコントローラ２４１に印加される。

マイクロコントローラ２４１は、第２定電圧部２３１から出力される電圧により駆動され、入力電圧検出部２２０を介して印加される電圧のレベルと所定の電圧レベルとを比較し、その比較結果に基づいて制御信号（ＰＷＭ信号）を生成してゲートドライバ２４２に出力する。

ゲートドライバ２４２はフォトカプラで実現される。ゲートドライバ２４２は、マイクロコントローラ２４１の制御信号をスイッチング部２５０に伝達する。

一態様において、ゲートドライバ２４２は、マイクロコントローラ２４１の制御信号を増幅して伝達するようにしてもよい。

スイッチング部２５０はＭＯＳＦＥＴで実現される。スイッチング部２５０は、ゲートドライバ２４２からの制御信号に基づいてターンオン又はターンオフする。

フライホイール部２６０はダイオードで実現される。フライホイール部２６０は、コイル３００から発生する逆起電力を吸収する。

以下、コイル３００から発生するノイズＮについて具体的に説明する。コイル３００の動作がオフになると、すなわち電流が遮断されると、インダクタＬ成分の存在により逆起電力が発生する。前記逆起電力はフライホイール部２６０により吸収されるが、その一部はスイッチング部２５０に存在する寄生コンデンサによりコイル駆動装置２００の各構成に伝達されてノイズとして作用する。

従来技術とは異なり、本発明による電磁接触器のコイル駆動装置２００は、前記制御信号を生成するマイクロコントローラ２４１と前記制御信号を受信するスイッチング部２５０間にゲートドライバ２４２が存在する。

ゲートドライバ２４２は、フォトカプラで実現され、マイクロコントローラ２４１とスイッチング部２５０とを物理的に絶縁する。よって、コイル３００のオフ動作時に発生する逆起電力によるノイズＮがゲートドライバ２４２により遮断されるので、コイル駆動装置２００の誤動作や焼損を事前に防止することができる。

本発明の詳細な説明は例示的なものであり、あらゆる面で制限的に解釈されてはならない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の合理的解釈により定められるべきであり、本発明の等価的範囲内での全ての変更が本発明の範囲に含まれる。

２００ コイル駆動装置
２１０ 入力電力処理部
２２０ 入力電圧検出部
２３０ 定電圧部
２３１ 第２定電圧部
２４０ 制御部
２５０ スイッチング部
２６０ フライホイール部
３００ コイル

Claims (5)

1. 入力される電力を直流電力に変換して出力する入力電力処理部と、
   前記入力電力処理部から出力される直流電力の電圧レベルを検出する入力電圧検出部と、
   前記入力電圧検出部により検出された電圧レベルを用いて電磁接触器のコイルに流れる電流の制御のための制御信号を出力する制御部と、
   前記制御部の制御信号に基づいてスイッチングして前記コイルに流れる電流を通電又は遮断するスイッチング部とを含み、
   前記制御部は、前記スイッチング部に電気的に接続されて前記コイルのノイズを遮断するゲートドライバを含むことを特徴とする電磁接触器のコイル駆動装置。
2. 前記制御部は、前記入力電圧検出部により検出された電圧レベルと所定の基準レベルとを比較して比較結果に基づくＰＷＭ信号を生成するマイクロコントローラをさらに含み、
   前記ゲートドライバは、前記ＰＷＭ信号を増幅して前記スイッチング部に伝達することを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器のコイル駆動装置。
3. 前記ゲートドライバは、フォトカプラであることを特徴とする請求項２に記載の電磁接触器のコイル駆動装置。
4. 前記コイルの両端に並列に接続されるフライホイール部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器のコイル駆動装置。
5. 前記フライホイール部は、ショットキーダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の電磁接触器のコイル駆動装置。