JP6504312B2 - 電磁接触器の操作コイル駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータ等の電気的負荷機器に供給する電流を開閉する電磁接触器の操作コイル駆動装置に関するものである。

電磁接触器は、電磁石装置を構成する操作コイルの通電によって固定鉄心に可動鉄心を吸引する吸引力を発生させて、固定接触子に対して可動接触子を接離させる。これにより、単相電源や三相電源と負荷機器間の電路を開閉する。
電磁接触器に用いられるコイル駆動回路としては、従来、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特許文献１では、前記操作コイルに電源電圧を供給する半導体スイッチング素子と、前記電源電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出電圧に応じた投入用レベル信号を出力し、且つ設定された時間の後にその検出電圧に基づいて投入用レベル信号よりも高い保持用レベル信号を出力するゲイン回路と、鋸波を発生する基準波発生回路と、この基準波発生回路の鋸波と前記ゲイン回路の投入用レベル信号を比較して一定周期の投入用パルス信号を出力設定時間後に前記鋸波と保持用レベル信号とを比較して前記投入用パルス信号よりもオン・オフ時間比率（デューテイ比とも言う）の小さな保持用パルス信号を出力する比較器と、この比較回路の投入パルス信号と保持用パルス信号を前記半導体スイッチング素子に供給するパルス出力回路を備えた電磁石のコイル駆動装置が開示されている。

すなわち、この特許文献１では、電磁石の鉄心ギャップが大きい（すなわち、固定接点と可動接点が離間している）閉路制御時では大きな吸引力が必要であるので、大きな電流でコイルを励磁する一方、鉄心が吸着状態になり鉄心ギヤップのない保持制御時では比較的小さな電流で操作コイルを励磁しても保持が可能であるので、できるだけコイル電流を少なくして電力消費を低減する技術が示されている。

また、特許文献２では、電磁石の巻線に直列接続した主電流制御素子を具備し、前記主電流制御素子は前記操作コイル巻線を介して「吸引」電流を通過させるスイッチとして初めは動作し、そして次いで上記電流を上記より低い「保持」レベルに制限する電流リミツタとして動作するものである。そして、特許文献２では、ダイオードおよび／またはスイッチング素子を接続されたキャパシタを具備し、このキャパシタは「吸引」から「保持」に切り換えられて反対電荷を得る期間およびスイッチ・オフのときのキャパシタを上記巻線にまたがって接続するものである。その結果キャパシタは操作コイル巻線に放電することができて主電流制御素子がスイッチ・オフされて後コア内に保持された渦電流に対向した向きの電磁力を供給するものである。その結果キャパシタは操作コイル巻線に放電して主電流制御素子がスイッチ・オフされた後において渦電流の磁化力の方向とは異なる逆の方向の磁化力を与えるようにした電磁石を制御するための回路が開示されている。

すなわち、この特許文献２では、電磁石の可動接触子の保持状態から可動接触子を釈放する釈放状態とするときの電磁石の釈放時間を短縮するために、コンデンサをコイルに並列に接続し電磁石オフ後の操作コイル電流をコンデンサに蓄え、この電荷を逆方向に放電させることにより、電磁石の逆方向の磁化力を印可して電磁石の釈放時間を低減する技術が示されている。

特開平１−１３２１０８号公報 特開昭５７−７８１１４号公報

しかしながら、従来の電磁接触器の操作コイル駆動装置には、次のような課題がある。通常、電磁接触器がオフ状態からオン状態に変化する閉路動作時に大きなコイル電流を流して可動鉄心を釈放状態から吸着状態に移行させ、その吸着状態になったときに操作コイル電流を低減するように切り替えている。
したがって、吸着状態に移行させるときに操作コイルには大きな電流を流す必要があり、操作コイルには電流による自己発熱が発生し、この自己発熱により操作コイルの直流抵抗値が変化する。すなわち、操作コイルに流れる電流値は操作コイルが持つインダクタンス成分以外にコイル直流抵抗に依存するため、操作コイルが持つコイル直流抵抗の自己発熱による変化を無視できない。

操作コイルは比較的抵抗率の小さな電線、例えばエナメル銅線材料を使用するので、低温時にはコイル抵抗が低く、可動鉄心を吸着させるだけの駆動電流が流せていても、周囲温度が高い環境で動作させる場合や自己発熱により操作コイル自身の温度が高い場合には、操作コイルの直流抵抗値が低温時に対して増加するので可動鉄心を吸着させるだけの電流が流せなくなる。

このため、電磁接触器ではこの周囲温度変化や自己発熱による動作温度の最悪条件を見込んで、操作コイル電流に余裕を持たせる電流設定にしている。したがって、操作コイルに流す電流は必要な電流より大きな電流を流すようにしている。
そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたもので、操作コイルに温度検出部を用いることなく操作コイルの動作抵抗値を確認し動作条件にあった適切な操作コイル電流を得ることができる電磁接触器の操作コイル駆動装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る電磁接触器の操作コイル駆動装置の一態様は、可動鉄心を吸引する固定鉄心に巻かれた操作コイルに電源電圧をスイッチング制御して印可する電磁接触器と、スイッチング制御により操作コイルを流れる電流を検出する電流検出部と、スイッチング制御中の操作コイルの端子間電圧を検出するコイル電圧検出部と、操作コイルに電源電圧をスイッチングして印可する半導体スイッチング素子のオン・オフの時間比率を閉路制御時では大きくし、保持制御時には小さくするように制御する駆動制御部とを備えている。そして、駆動制御部は、閉路制御時の開始直後において操作コイルを流れるコイル電流のサンプリング時間で操作コイルのインダクタンスを演算する閉路制御時インダクタンス演算部と、この閉路制御時インダクタンス演算部の演算結果に基づいて操作コイルの直流抵抗値を演算する閉路制御時抵抗値演算部と、この閉路制御時抵抗値演算部の演算結果に基づいて半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率を補正する閉路制御時スイッチング補正部とを有している。

本発明の一態様によれば、可動鉄心を吸引する固定鉄心に巻かれた操作コイルに対して、温度変化などの影響を受けることなく、確実な可動鉄心の吸引動作を行うための最適なコイル電流制御ができ、電磁接触器の確実な動作を実現できる。

本発明を適用し得る電磁接触器の一例を示す開極状態の断面図である。 本発明を適用し得る電磁接触器の一例を示す閉極状態の断面図である。 操作コイル駆動装置を示すブロック図である。 図３の駆動制御部の具体的構成を示すブロック図である。 図３の操作コイル駆動装置の動作を示す信号波形図である。

次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
以下、本発明の第１の実施の形態である電磁接触器の操作コイル駆動装置の一態様について説明する。

先ず、本発明に適用し得る電磁接触器１０は、図１に示すように、絶縁材からなる下ケース１１と、下ケース１１の上部に装着した絶縁材からなる上ケース１２と、上ケース１２の上部開口を覆って装着した絶縁材からなる消弧カバー１３とで構成されている。
上ケース１２の中間壁には、左右一対の固定接触子１５Ａ，１５Ｂ及び端子板１６Ａ，１６Ｂが所定間隔を保って固定されている。

固定接触子１５Ａ及び端子板１６Ａは、外部供給電源１７に接続され、固定接触子１５Ｂ及び端子板１６Ｂは、電動機等の電気機器を駆動するインバータ等の負荷装置１８に接続されている。
下ケース１１の空間部及び上ケース１２中間壁より下側の空間部下部空間には、電磁石装置２１が収納されている。この電磁石装置２１は、左右一対の固定鉄心２１ａ，２１ｂと、一方の固定鉄心２１ａの外周にコイルホルダ２１ｃを介して巻回された操作コイル２１ｄと、他方の固定鉄心２１ｂの外周にコイルホルダ２１ｃを介して巻回された操作コイル２１ｅと、一対の固定鉄心２１ａ，２１ｂの下部端面に当接して設けたヨーク２１ｆと、一対の固定鉄心２１ａ，２１ｂの上部端面に当接して設けた磁極板２１ｇ，２１ｈと、磁極板２１ｇ，２１ｈに対向して配置された可動鉄心２１ｉとを備えている。

また、上ケース１２の中間壁部を挟む内部空間に可動接点機構２２が収納されている。
可動接点機構２２は、接点支え２３及び電磁石装置２１の可動鉄心２１ｉを固定する連結部２４を備えて上下方向に移動自在に配置された可動接点ホルダ２５と、可動接点ホルダ２５の上部に連結され、固定接触子１５Ａ及び１５Ｂに上方から対向している１枚の板状の可動接触子２６と、接点支え２３の上部に連結されて可動接触子２６に対して下方に向けてばね付勢力を付与する接圧スプリング２７と、磁極板２１ｇ，２１ｈと連結部２４との間に複数配置され、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂから離れる方向に付勢する復帰スプリング２８とを備えている。

上記構成を有する電磁接触器１０は、図１に示す固定接触子１５Ａ及び１５Ｂに対して可動接触子２６が上方に離間した開極状態で、固定鉄心２１ａ，２１ｂの操作コイル２１ｄ，２１ｅに電流を流すことで固定鉄心２１ａ，２１ｂの透磁率により強い磁束を発生させる。固定鉄心２１ａ，２１ｂに発生した強い磁束により可動鉄心２１ｉに対する吸引力が固定鉄心２１ａ，２１ｂに発生する。なお、吸引力は操作コイル２１ｄ，２１ｅに流すコイル電流と操作コイル２１ｄ，２１ｅに巻かれた巻線回数との積に比例する。

操作コイル２１ｄ，２１ｅを駆動開始後一定時間経て固定鉄心２１ａ，２１ｂに発生する吸引力により、可動鉄心２１ｉが下方に吸引され、図２に示すように、可動接触子２６が固定接触子１５Ａ及び１５Ｂに接圧スプリング２７の接触圧で接触する。このため、電磁接触器１０が閉極状態となり、外部供給電源１７の電力が負荷装置１８に供給される。
また、電磁接触器１０は、操作コイル２１ｄ及び２１ｅに電流を流すために、図３に示す操作コイル駆動装置３０を内蔵している。

この操作コイル駆動装置３０は、単相交流電源または三相交流電源であるコイル電源３１が運転スイッチ３２を介して接続される整流回路３３を備えている。運転スイッチ３２は、電磁接触器１０をオン状態（閉極状態）とオフ状態（開極状態）に制御する外部からの切り替え信号によって制御される。整流回路３３は、コイル電源３１の形式に応じた数の整流ダイオードなどで構成され、以下の各回路に交流電圧を整流した直流電圧を正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎを介して供給する。

また、操作コイル駆動装置３０は、整流回路３３の正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された入力電圧検出回路３４と駆動制御部３５とを備えている。入力電圧検出回路３４は例えば抵抗素子による電圧分圧手段を用いて整流回路３３の出力電圧を検出し駆動制御部３５に供給する。駆動制御部３５は、例えばマイクロプロセッサ等の演算処理回路３５ａを含んで構成されている。この駆動制御部３５は、整流回路３３の出力電圧が直接動作電源として供給されているが、整流回路３３の出力電圧が高電圧である場合には、例えば電圧レギュレータ回路などによる低電圧電源から動作電源が供給される。

さらに、操作コイル駆動装置３０は、整流回路３３の正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された電磁接触器１０の操作コイル２１ｄ及び２１ｅと直列に接続された電流検出抵抗素子３６と半導体スイッチング素子４０とを備えている。すなわち、整流回路３３の正極側ラインＬｐには、直列に接続された操作コイル２１ｄ、２１ｅの一端が接続され、操作コイル２１ｄ、２１ｅの他端には、電流検出抵抗素子３６の一端が接続されている。

また、電流検出抵抗素子３６の他端には、半導体スイッチング素子４０の高電位側電極が接続されている。半導体スイッチング素子４０の低電位側電極には、整流回路３３の負極側ラインＬｎが接続されている。
そして、操作コイル駆動装置３０は、操作コイル２１ｄ，２１ｅの両端間に接続された電圧検出部としてのコイル電圧処理回路３７と電流検出抵抗素子３６の両端に接続された電流検出部としてのコイル電流処理回路３８と、半導体スイッチング素子４０の制御電極に接続されたパルス発生回路３９とを備えている。コイル電圧処理回路３７の出力は駆動制御部３５に入力され、コイル電流処理回路３８の出力も駆動制御部３５に入力される。駆動制御部３５の出力（投入制御信号Ｃ、保持制御信号Ｄ）は、パルス発生回路３９に入力される。

また、操作コイル２１ｄ，２１ｅと電流検出抵抗素子３６の直列回路には、還流回路を構成するダイオード素子４１が並列接続されている。
上記構成を有する操作コイル駆動装置３０は、電磁石装置２１の操作コイル２１ｄ，２１ｅに供給するコイル電流を適切に制御する回路である。
ここで、操作コイル駆動装置３０は、一般には、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂに吸着させるように操作コイル２１ｄ，２１ｅを駆動し、さらに、吸着状態を保持するように操作コイル２１ｄ，２１ｅを駆動する。

なお、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂに吸着させるようにする制御を閉路制御と称し、その後の吸着状態を保持する制御を保持制御と称す。また、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂから離間させる制御は開路制御と称す。
半導体スイッチング素子４０は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やバイポーラトランジスタなどで実現できるが、Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴの場合は、半導体スイッチング素子４０の前記制御電極がゲート端子に、高電位側電極がドレイン端子に、さらに、低電位側電極がソース端子にそれぞれ相当する。

半導体スイッチング素子４０は、パルス発生回路３９からオン・オフ信号によって整流回路３３の出力直流電圧をスイッチングするようになっている。これによって、操作コイル２１ｄ，２１ｅにコイル電流が流れる。このときに、操作コイル２１ｄ，２１ｅの両端子には整流回路３３の出力電圧から電流検出抵抗素子３６の両端電圧と半導体スイッチング素子２０の飽和電圧分を差し引いた電圧が発生する。この操作コイル２１ｄ，２１ｅの両端電圧は、コイル電圧処理回路３７に入力される。

ただし、一般的には、半導体スイッチング素子４０としては、その飽和電圧が整流回路３３の出力電圧に比べ充分小さな素子を選択する。これにより、半導体スイッチング素子の持つパッケージ熱抵抗の影響による素子破損を防止することができる。また、電流検出抵抗素子３６は、投入パルス時に操作コイル２１ｄ，２１ｅに流す大きな電流に耐えるように、抵抗×電流^２が電流検出抵抗素子３６のパッケージ耐熱温度を考慮し微小な抵抗値を選定する。さらに、電流検出抵抗素子３６の両端子電圧が整流回路３３の出力電圧に比べ充分小さな抵抗値を選定する。

半導体スイッチング素子４０は、パルス発生回路３９から供給されるオン・オフ信号によって整流回路３３の出力直流電圧をスイッチングするようになっている。これによって、操作コイル２１ｄ，２１ｅにコイル電流が流れる。コイル電流の大きさは、電源電圧と操作コイル２１ｄ，２１ｅの抵抗値およびインダクタンス値と半導体スイッチング素子４０のオン時間によって決まる。電流検出抵抗素子３６は、操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れるコイル電流を検出し、コイル電流処理回路３８に出力する。

駆動制御部３５は、可動鉄心２１ｉを固定鉄心２１ａ，２１ｂに吸着させる閉路制御と、その後の吸着状態を維持する保持制御とを行う。この駆動制御部３５の具体的構成は、図４に示すように、操作コイル２１ｄ，２１ｅの抵抗値のばらつきやコイル温度上昇による操作コイル抵抗の変化など電源電圧以外の変動要因を正確に計測するために、例えばマイクロプロセッサで構成される演算処理回路３５ａを搭載している。また、駆動制御部３５は、例えば少なくとも２個のアナログ／デジタル変換器（以下、ＡＤＣと記載する）３５ｂ，３５ｃを搭載している。さらに、駆動制御部３５は、演算処理回路３５ａおよびパルス発生回路３９に、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御機能を持たせるため少なくとも２個の第１タイマ３５ｄ及び第２タイマ３５ｅを搭載している。このうち第１タイマ３５ｄはＰＷＭ周期を決定するタイマに使用し、またその周期は可聴周波数外の十数ＫＨｚを越えていることが望ましい。

また、第２タイマ３５ｅは、半導体スイッチング素子４０をオンさせて操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する時間を決定するのに使用する。この場合に、閉路制御時には決められたＰＷＭ周期に対し、第１タイマ３５ｄで定める操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する時間（あるいは、Ｄｕｔｙ比）を閉路制御時には大きく設定し、保持制御時には小さく設定する。

すなわち、本実施形態では、図５（ｄ）に示すように、操作コイル２１ｄ，２１ｅの閉路制御の開始直後の一定期間、操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する期間Ｔｓと保持制御中一定サイクルで一定期間操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する期間Ｔｈを設けている。これらの設定された期間Ｔｓおよび期間Ｔｈでは、操作コイル２１ｄ，２１ｅに印可されている操作コイル電圧がコイル電圧処理回路３７を経由して駆動制御部３５に取り込まれる。また、操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れるコイル電流は電流検出抵抗素子３６で電圧信号に変換され、さらに、コイル電流処理回路３８を経由して駆動制御部３５に取り込まれる。ここで、コイル電圧処理回路３７の出力信号は駆動制御部３５に搭載された１つのＡＤＣ３５ｂに取り込まれデジタルデータに変換される。

また、コイル電流処理回路３８の出力信号は駆動制御部３５に搭載されたもう一つのＡＤＣ３５ｃに取り込まれデジタルデータに変換される。
演算処理回路３５ａの具体的構成は、図４に示すように、閉路制御を行なう閉路制御時インダクタンス演算部５１、閉路制御時抵抗値演算部５２、閉路制御時オン時間比率設定部５３及び閉路制御時スイッチング補正部５４を備えている。

また、演算処理回路３５ａは、保持制御を行なう保持制御時インダクタンス演算部５５、保持制御時抵抗値演算部５６、保持制御時オン時間比率設定部５７及び保持制御時スイッチング補正部５８を備えている。
閉路制御時インダクタンス演算部５１は、閉路制御の開始時に、閉路制御時インダクタンスＬ_ＭＡＧを演算する。

閉路制御は、図５に示すように、運転スイッチ３２が図５（ａ）に示すようにオン状態となったときに開始される。閉路制御の開始直後は、可聴周波数外の十数ｋＨｚ以上のＰＷＭ周期を一定期間Ｔｓの間Ｄｕｔｙ比１００％とする。これにより、操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流が図５（ｂ）に示すように増加し、その後、一定期間Ｔｓが経過した後にＤｕｔｙ比を例えば５０％に低下させて、操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流を緩やかに増加させる。その後、固定鉄心２１ａ，２１ｂに可動鉄心２１ｉが吸引されて可動接触子２６が固定接触子１５Ａ，１５Ｂに移動を開始すると、Ｄｕｔｙ比をさらに低下させて操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流を減少させる。その後、図５（ｄ）に示すように、可動接触子２６が固定接触子１５Ａ，１５Ｂに接触して、電磁接触器１０が、図５（ｃ）に示すように、オン状態となると、再度Ｄｕｔｙ比を５０％程度まで増加させて操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流をピーク電流まで増加させる。

そして、操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流がピーク電流に達すると、閉路制御期間を終了して後述する保持制御期間に移行する。
ここで、閉路制御の開始直後の一定期間Ｔｓでは、ＰＷＭ周期を時間ΔＴとおき、Ｄｕｔｙ比１００％となるので、操作コイル２１ｄ，２１ｅには以下の式で示す電流ｉ(n)が充電される。

すなわち、閉路制御時に操作コイル２１ｄ，２１ｅに充電される充電電流ｉ(n)は、下記（１）式で表される。

ｎ＝０，１，２，・・・
ここで、上記（１）式の変数は以下の通りである。
ｉ ：操作コイル２１ｄ，２１ｅの充電電流
Ｖ_ＭＡＧ ：操作コイル２１ｄ，２１ｅの充電電圧
Ｌ_ＭＡＧ ：操作コイル２１ｄ，２１ｅの閉路制御時インダクタンス
Ｒ_ＭＡＧ ：操作コイル２１ｄ，２１ｅの閉路制御時直流抵抗値
Ｒ_Ｓ ：電流検出抵抗値
ΔＴ ：サンプリング時聞
さらに、演算処理回路３５ａでの内部演算を簡素化するために、（１）式の指数関数部をフーリエ級数展開すると、次式のように近似可能である。ｎ＝１のときの操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流ｉ(1)は、

であり、ｉ(1)はコイル電流処理回路３８で計測され、Ｖ_ＭＡＧはコイル電圧処理回路３７で計測される。ΔＴは予め決められたサンプリング時間すなわちＰＷＭ周期である。したがって、この（２）式の演算を閉路制御時インダクタンス演算部５１で行なって、閉路制御時インダクタンスＬ_ＭＡＧを演算する。

また、閉路制御時抵抗値演算部５２は、閉路制御時インダクタンス演算部５１で演算した閉路制御時インダクタンスＬ_ＭＡＧをもとに閉路制御時抵抗値Ｒ_ＭＡＧを演算する。
すなわち、前述した（１）式の指数関数部をフーリエ級数展開すると、操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流は、

と展開できる。
そして、（２）式および（３）式より、

が得られる。実際使用する電流検出抵抗値Ｒ_Ｓは操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗値Ｒ_ＭＡＧに比べ
Ｒ_ＭＡＧ≫Ｒ_Ｓ ・・・（５）
であり、（４）式においてＲ_Ｓ≒０と置くと、適当なｎに対し直流抵抗値Ｒ_ＭＡＧを演算できる。したがって、閉路制御時抵抗値演算部５２で、（４）式でＲ_Ｓ≒０とし、この（４）式にコイル電流処理回路３８で測定したコイル電流ｉ(n)、処理回数ｎ、ｎ＝１のときの操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流ｉ(１)、閉路制御時インダクタンスＬ_ＭＡＧ、ＰＷＭ周期ΔＴを代入して演算を行なうことにより、閉路制御時直流抵抗値Ｒ_ＭＡＧを演算することができる。

一方、閉路制御期間を終了して保持制御期間に移行し、前記保持制御中一定サイクルで一定期間操作コイル２１ｄ，２１ｅを励磁する期間Ｔｈを設けた場合の制御について記載する。
保持制御では、電磁接触器１０のコンタクタ部すなわち接点部は図２で示しているように固定鉄心２１ａ，２１ｂと可動鉄心２１ｉ間の空間ギャップが小さくなっている関係から操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスは、前述した閉制御時インダクタンスＬ_ＭＡＧから保持制御時インダクタンスＬ′_ＭＡＧへと増加する。

このため、保持制御時インダクタンス演算部５５で、保持制御時インダクタンスＬ′_ＭＡＧを演算する。
すなわち、前述した（２）式を流用すると、保持制御モードでの電流は下記（６）式で表すことができる。

ここで、ｉ(1)はコイル電流処理回路３８で計測され、Ｖ_ＭＡＧはコイル電圧処理回路３７で計測される。ｉ（ｈ）は保持制御時の操作コイル２１ｄ，２１ｅに流れる電流を決定する予め設定された設定電流である。△Ｔは予め決められたサンプリング時間すなわちＰＷＭ周期である。

したがって、保持制御時インダクタンス演算部５５で、（６）式にｉ(１)、ｉ（ｈ）、Ｖ_ＭＡＧ及びΔＴを代入して演算することにより、保持制御における操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスＬ′_ＭＡＧを演算することができる。
保持制御時抵抗値演算部５６は、前述した（３）式を流用した下記（７）式の演算を行なうことにより、保持制御時抵抗値Ｒ_ＭＡＧを演算することができる。

すなわち、前述した（１）式の指数関数部をフーリエ級数展開した前記（３）式に対応する電流と、前記（６）の電流とから下記（７）式が得られる。

実際使用する電流検出抵抗値Ｒ_Ｓは操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗Ｒ_ＭＡＧに比べ十分に小さく前述した（５）式を適用し、（７）式においてＲ_Ｓ≒０と置くと、適当なｎに対し保持制御時直流抵抗値Ｒ_ＭＡＧが計算できる。

したがって、保持制御時抵抗値演算部５６で、（７）式でＲ_Ｓ≒０とし、この（７）式にコイル電流処理回路３８で測定したコイル電流ｉ(n)、設定電流ｉ（ｈ）、処理回数ｎ、ｎ＝１のときの操作コイル２１ｄ，２１ｅを流れる電流ｉ(１)、保持制御時インダクタンスＬ′_ＭＡＧ及びＰＷＭ周期ΔＴを代入して演算を行なうことにより、保持制御時直流抵抗値Ｒ_ＭＡＧを演算することができる。

以上により、電磁接触器の可動接触子２６の釈放状態あるいは接触状態にかかわらず１サンプリングの測定結果とｎサンプリングの測定結果から、閉路制御における投入開始時の操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスＬ_ＭＡＧ及び直流抵抗値Ｒ_ＭＡＧを制御回路１５で確認することができる。
これに加えて、保持制御における前記操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスＬ′_ＭＡＧ及び同直流抵抗値Ｒ_ＭＡＧの確認を一定周期で行なうシーケンスを駆動制御部３５に搭載することが可能となる。

したがって、例えば、工場出荷時の電磁接触器の閉路制御時における投入開始時の操作コイルのインダクタンスおよび直流抵抗値を駆動制御部３５に搭載されている演算処理回路３５ａに接続された不揮発性メモリ３５ｆ内に格納しておけば、電磁接触器１０が出荷後の通常運転状態であったとしても、閉路制御時及び保持制御時の操作コイル２１ｄ，２１ｅのインダクタンスおよび同直流抵抗値を演算して確認することができる。

ここで、操作コイル２１ｄ，２１ｅの巻線に、例えばエナメル被覆された銅線を使用すると銅線に使用する線材の温度係数αは、

である。したがって、前記工場出荷時の操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗値と現状運転状態の操作コイル２１ｄ，２１ｅの直流抵抗値から、現状運転状態の工場出荷時に対する抵抗値変化を求めることが下記（９）により可能となる。ここで、工場出荷時に対する運転状態の温度変化をΔＴｍｐで表すと、

となる。ここで、
△Ｒ ：運転状態の操作コイル直流抵抗値−工場出荷時の操作コイル直流抵抗値
Ｒ_ｉｎｉｔ：工場出荷時の操作コイル直流抵抗値
である。

一方、パルス発生回路３９は、駆動制御部３５からの運転信号が“Ｈ”レベル（オン状態）であるときに、投入制御信号Ｃが“Ｈ”レベルである期間内で、半導体スイッチング素子４０に閉路制御用オン・オフ信号を出力し、保持制御信号Ｄが“Ｈ”レベルにある期間内で、半導体スイッチング素子４０に保持制御用のオン・オフ信号を出力する。
本実施の形態では、図５（ｄ）に示すように、閉路制御用のオン・オフ信号のオン時間比率は、保持制御用のオン・オフ信号のオン時間比率よりも大きくなるようにしている。また、閉路制御時のオン時間比率はこの期間内で定められたオン時間比率パターンを持つ。さらに、保持制御時のオン時間比率は固定比率で工場出荷時に定められている。

しかし、電磁接触器が運転状態にあるとき、工場出荷時とは先に記載の動作温度環境が変わる。すなわち、運転状態の周囲温度の変化と電磁接触器の運転による自己発熱による操作コイルの温度変化の影響が存在する。前記操作コイル２１ｄ，２１ｅの温度変化の影響により，（９）式で示した温度変化による影響を受けることとなる。
したがって、前記閉路制御時のオン時間比率をＤ(1)、前記保持制御時のオン時間比率をＤ(2)とおくと、それぞれに対して（９）式で補正する必要がある。この補正により操作コイル２１ｄ，２１ｅにはコイル電流に適正な補正を行うことでコイル電流制御が実現できる。

具体的には、閉路制御時オン時間比率設定部５３で設定されたオン時間比率Ｄ(1)に対して、閉路制御時スイッチング補正部５４で、以下の（１０）式で示す補正を行ない、投入制御信号Ｃとしてパルス発生回路３９へ出力する。
同様に、保持制御時オン時間比率設定部５７で設定されたオン時間比率Ｄ(2)に対して、下記の（１１）式で示す補正を保持制御時スイッチング補正部５８で行い、保持制御信号Ｄとしてパルス発生回路３９へ出力する。

この閉路制御時スイッチング補正部５４及び保持制御時スイッチング補正部５８で行なう補正により、操作コイル２１ｄ，２１ｅの温度を温度検出部で検出することなく、温度変動の影響を補正した操作コイルの電流駆動が可能になり、最善の電磁接触器を実現することが可能となる。

このように上記実施の形態によれば、電磁接触器の可動鉄心を駆動する操作コイルに電源電圧をスイッチングして印可するスイッチング素子のオン・オフ時間比率を、閉路制御時では大きくし、保持制御時では小さくするように制御する電磁接触器のコイル駆動回路において、操作コイルの抵抗値の変化率を確認しながら運転することで、温度変化などの影響を受けることなく、確実に鉄心吸着駆動ならびに鉄心保持駆動を行うための最適なコイル電流制御ができ、電磁接触器１０の確実な動作が実現できる。

また、閉路制御時インダクタンス演算部５１、閉路制御時抵抗値演算部５２、保持制御時インダクタンス演算部５５、保持制御時抵抗値演算部５６でフーリエ級数展開による近似式を用いて演算を行なうので、演算処理回路２５ａとして演算処理能力の低いマイクロプロセッサ等を適用することができる。
また、操作コイルの抵抗値の演算過程を閉路制御時および保持制御時の両過程に設けることで、保持制御過程での操作コイルの抵抗値変動を把握することが可能であり、同時に、電磁接触器１０において閉路制御時と保持制御時に接触器の構造に関与して操作コイルのインダクタンスが変化する場合にも、操作コイルの抵抗値を正確に確認することが可能となり、正確なコイル抵抗値変動を演算し、操作コイルの対温度変化に対する適切な電流制御が可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、半導体スイッチング素子４０は操作コイル２１ｄ，２１ｅと負極側ラインＬｎとの間に介挿する場合に限らず、操作コイル２１ｄ，２１ｅと正極側ラインＬｐとの間に介挿するようにしてもよい。さらに、電流検出抵抗素子３６と半導体スイッチング素子４０とを入れ替えて、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に、操作コイル２１ｄ，２１ｅ、半導体スイッチング素子４０及び電流検出抵抗素子３６の順で直列に接続するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、閉路制御時及び保持制御時の双方でインダクタンス及び直流抵抗値を監視する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、保持制御時におけるインダクタンス及び直流抵抗値の監視を省略するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、閉路制御時インダクタンス演算部５１、閉路制御時抵抗値演算部５２、保持制御時インダクタンス演算部５５、保持制御時抵抗値演算部５６でフーリエ級数展開による近似式を用いて演算を行なう場合について説明したが、これに限定されるものではなく、近似式を用いず、（１）式及び（３）式とこれに相当する式を使用して演算を行なうようにしてもよい。

また、駆動制御部３５としてはマイクロプロセッサ等の演算処理回路３５ａで構成する場合に限らず、論理回路、比較器、演算回路等を組み合わせて構成することもできる。
さらに、電磁接触器１０の構成も図１及び図２の構成に限定されるものではなく、他の固定接触子に対して可動接触子が操作コイルによって接離可能に構成されていれば、他の種々の構成の電磁接触器に本発明を適用することができる。

１０…電磁接触器、１１…下ケース、１２…上ケース、１３…消弧カバー、１５Ａ，１５Ｂ…固定接触子、１６Ａ，１６Ｂ…端子板、１７…外部供給電源、１８…負荷装置、２１…電磁石装置、２１ａ，２１ｂ…固定鉄心、２１ｃ…コイルホルダ、２１ｄ，２１ｅ…操作コイル、２１ｆ…ヨーク、２１ｇ，２１ｈ…磁極板、２１ｉ…可動鉄心、２２…可動接点機構、２３…接点支え、２４…連結部、２５…可動接点ホルダ、２６…可動接触子、２７…接圧スプリング、２８…復帰スプリング、３０…操作コイル駆動装置、３１…コイル電源、３２…運転スイッチ、３３…整流回路、３４…入力電圧検出回路、３５…駆動制御部、３５ａ…演算処理回路、３５ｂ，３５ｃ…アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、３５ｄ…第１タイマ、３５ｅ…第２タイマ、３５ｆ…不揮発性メモリ、３６…電流検出抵抗素子、３７…コイル電圧処理回路、３８…コイル電流処理回路、３９…パルス発生回路、４０…半導体スイッチング素子、５１…閉路制御時インダクタンス演算部、５２…閉路制御時抵抗値演算部、５３…閉路制御時オン時間比率設定部、５４…閉路制御時スイッチング補正部、５５…保持制御時インダクタンス演算部、５６…保持制御時抵抗値演算部、５７…保持制御時オン時間比率設定部、５８…保持制御時スイッチング補正部

Claims (6)

1. 可動鉄心を吸引する固定鉄心に巻かれた操作コイルに電源電圧をスイッチング制御して印可する電磁接触器と、
   前記スイッチング制御により前記操作コイルを流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記スイッチング制御中の前記操作コイルの端子間電圧を検出するコイル電圧検出部と、
   前記操作コイルに電源電圧をスイッチングして印可する半導体スイッチング素子のオン・オフの時間比率を閉路制御時では大きくし、保持制御時には小さくするように制御する駆動制御部とを備え、
   前記駆動制御部は、前記閉路制御時の開始直後において前記操作コイルを流れるコイル電流のサンプリング時間で前記操作コイルのインダクタンスを演算する閉路制御時インダクタンス演算部と、該閉路制御時インダクタンス演算部の演算結果に基づいて前記操作コイルの直流抵抗値を演算する閉路制御時抵抗値演算部と、該閉路制御時抵抗値演算部の演算結果に基づいて前記半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率を補正する閉路制御時スイッチング補正部とを有することを特徴とする電磁接触器の操作コイル駆動装置。
2. 閉路制御時インダクタンス演算部及び前記閉路制御時抵抗値演算部の少なくとも一方は、前記操作コイルを流れる電流と、操作コイルの端子間電圧及び直流抵抗値と、閉路制御時インダクタンスとの関係式における自然対数による指数関数をフーリエ級数展開により得られた近似式にしたがって演算を行なうことを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
3. 前記閉路制御時スイッチング補正部は、前記操作コイルの直流抵抗値の工場出荷値に対する閉路制御時における操作コイルの直流抵抗変化分から、工場出荷時に設定された操作コイルを駆動する半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率に対する補正比率を演算することを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
4. 前記駆動制御部は、前記保持制御時に一定のサイクルで前記操作コイルを流れるコイル電流のサンプリング時間で前記操作コイルのインダクタンスを演算する保持制御時インダクタンス演算部と、該保持制御時インダクタンス演算部の演算結果に基づいて前記操作コイルの直流抵抗値を演算する保持制御時抵抗値演算部と、該保持制御時抵抗値演算部の演算結果に基づいて前記半導体スイッチング素子の保持制御時におけるオン・オフ時間比率を補正する保持制御時スイッチング補正部とを有することを特徴とする請求項１に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
5. 保持制御時インダクタンス演算部及び前記保持制御時抵抗値演算部の少なくとも一方は、前記操作コイルを流れる電流と、操作コイルの端子間電圧及び直流抵抗値と、保持制御時インダクタンスとの関係式における自然対数による指数関数をフーリエ級数展開により得られた近似式にしたがって演算を行なうことを特徴とする請求項４に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。
6. 前記保持制御時スイッチング補正部は、前記操作コイルの直流抵抗値の工場出荷値に対する保持制御時における操作コイルの直流抵抗変化分から、工場出荷時に設定された操作コイルを駆動する半導体スイッチング素子の閉路制御時のオン・オフ時間比率に対する補正比率を演算することを特徴とする請求項４に記載の電磁接触器の操作コイル駆動装置。

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