JPH0327503A - 電磁石装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ってい
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１でいる。図に
おいて，（ｌ）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φ８
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φ８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
の差をもって発生している。

次に，電子計算機によるシミュレーション計算結果を例
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
渡吸引及び定常吸着状態における特性のシミュレーショ
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，Ｗｓは励磁コイルの電流波形，Ｗｅ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
の交流電磁石装置においては，第２図からわかるように
，吸引力Ｗ，の最小値Ｗ　７ｍ　＋。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Ｗγ．８８と最小値Ｗ　７　ｍ　ｉ　ｎ
の差が大きくなっているため，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，ｗｇは電磁石装置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６０Ｈｚ２４０
Ｖ（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，眼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
って決まるので．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
な主流が流れ，コイルの銅損が大きくなって長時間使用
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っ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ｒＩＦｉ（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，（ＩＯ）は投
入用スイッチである。

本発明は，従来の位相制御方式とは異なる電子制御方法
によって，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（１
１）を整流装置（ｌ２）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
するスイッチＳＷ１０．３Ｗ２ｏによって，ある時間だ
け端子（１３Ａ）−（１３Ｂ）をスイッチＳＷ，によっ
て電源（１１）から切り離すと同時にスイッチＳ　Ｗ　
２　０によって端子（１３Ａ）−（１３Ｂ）を短絡して
電磁石装置（ｌ４）への電圧の供給を零にし，次は，あ
る時間だけＳＷｒによって端子（１３Ａ）（１３Ｂ）の
短絡を開放し，同時にスイッチＳＷ２ｏによって電磁石
装置（ｌ４）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。スイッチＳＷ，．とＳＷ２ｏは次のように
機能する。スイッチＳＷ１ｏによる電源供給の切り離し
は，余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。スイッチＳＷ２ｏ
による端子［１３Ａ）−（１３Ｂ）の短絡は電磁石装置
（１４）が？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にあっ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。場合によっては，端子（１３Ａ）−（１３Ｂ
）を短絡せず解放させても良い。

次に，電子計算機によるシミュレーション計算結果を例
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，本発叩によ
る第４図に示す原理によって．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ッチＳＷ１ｏ−ＳＷ２ｏ．スイッチ
ＳＷ，１−ＳＷ２Ｉを共に同時に，　０．　　１ｍｓｅ
ｃ通電−１１　．　６　ｍＳｅｃ無電圧のスイッチング
を繰り返したときのシミュレーションを示す。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
７■８と最小値Ｗ７■．ｎの差が大巾に小さくなってい
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？かる。また吸引力の最大値Ｗ　７　ｍ　ｉ　ｎ
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．従来のサイリスク位相制
御方式（　７　ｍＳｅｃ無電圧，　　ｌｍｓｅｃ．通電
）によって動作させた場合のシミュレーションを示す。

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Ｗ７■８と最小値ｗ７■。の差は，従来のサイリス
ク位相制御方式の吸引力の最大値Ｗ７。８と最小値Ｗ７
、。どの差よりも約２分のｌ以下になっている事がわか
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，性能が大巾に向上ずることが云える。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ック
図を示し．　ｆｌＯ）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．　
（１０４）は唸り音及び消費電カ低鍼のための電子制御
装置で，スイッチｓｗｏを投入後ある適当な時間］゛。

後に，第ｌＯ図に示すように，電源電圧の零点を基準に
して，半波毎に，Ｔ，時間通電→Ｔ２時間無電圧を繰り
返し．Ｔ３時間無通電後，Ｔ１時間通電一丁２時間無通
電を繰り返すも（７）　テ，　Ｔ’。，　Ｔ　＋　，　
’ｒ２　，　Ｔ３は自由に調整できるように第３図，第
４図のスイッチ類の機能を電子回路で構成している。

なお，Ｔ，，Ｔ２の時間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
作であってもよいが，Ｔ３の時間は電圧波形の最大値の
点を対称とした時間図（ヂャート）であることが，シミ
ュレーショ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，Ｔ＋　，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図と同一周波及び電圧の交流
電源で，半波毎に，　０．　　１ｍｓｅｃ通電−１　ｍ
Ｓｅｃ無電圧→０　．　　１　ｍｓｅｃｉｉＴＩ電→３
、２　ｍＳｅｃ無電圧一〇．　　１ｍｓｅｃ通電−＊　
１　ｍＳｅｃ無電圧−１０　．　　１　ｍＳｅｃ通電−
１ｍｓｅｃ無電圧→０　．　　ｌ　ｍＳｅｃ通電を周期
的に繰り返し？場合のノミュレーションを示すが，吸引
力Ｗ７の最大値Ｗ７■■と最小値Ｗ７■，。の差は，第
６因のそれとほとんど変らないが，高周波成分の最大値
Ｗ　７０ｍａｘと最小値Ｗ　７　（１　ｍ　＋　ｎの差
が若干小さくなり．従一）で高周波成分の唸り音が小さ
くなっている事が云える。

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．　　１ｍＳｅｃｉ電−＋　１　．
　６　ｍＳｅｃ無電圧−１０．　　１ｍｓｅｃ通電→３
．３ｍＳｅｃ無電圧→０　．　　ｌ　ｍＳｅｃｉｌＴ！
電→ｌ　．　Ｇ　ｍｓｅｃ烈竜圧→０　．　　ｌ．　ｍ
Ｓｅｃ通電−４　１　．　４ｍＳｅｒ．無電圧を周期的
に繰り返した場合のシミュレーションを示すが，通常の
吸着状態の吸引力の平均イ直およびコイルの銅損（消費
電力Ｗ，。）もほぼ同じになっている。

この事から，前述したように第ｌＯ図の′■′Ｔ２　，
　’ｌ”３を調整ずることにより，電磁コイル６よ同一
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ＥＦｉ）コイ
ルの共用化が計れる。）という特徴を有する。

第１３図は第ｌＯ図のＴ。の叶間を２５ｍＳｅｃから１
　６．　６ｍＳｅｃに変え，それ以外は第１２図と全く
同じ条件でのシミュレーションを示すが，第１２図と第
１３図を比較すると電磁石装置の可動鉄心（４）か国定
鉄心（１１に吸青されたときの変位景Ｗ　９　＋＋の点
の時間後の吸引力Ｗ７の特性の様子がかなり違っている
ことがわかる。すなわち，第１２因においては．可動鉄
心（４）の吸眉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
上界して一定４ｊｆｊになっている。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１００〜５０
０万回）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ずみ．例えば電
磁接触？３に使用される場合は接点のバウンシングが小
さくなり，従って接（】ｌ） 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Ｔ。の時間をｉＪ］Ｒ’Ｅする
ことにより，可動鉄心（４）と固定鉄心（１）との吸眉
時の衝撃荷重を小さくずることができる。

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ずることに
よって唸り直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Ｄ　Ｃ電源にも適用できる。

■　Ｔ）　Ｃ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ＩＬされる。

（１２） ■　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，従っ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，　　（ｉｌｌは交流電源，　（１２
）は整流装置，　（１４）は電磁石装置，Ｄｉ，Ｄ２は
ダイオド，Ｒｌ−Ｒ５は抵抗，ＴＲはトランジスタ，Ｉ
Ｃ１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），ＴＣ４は
否定素子（以下ノツｌ・素子）である。なお，　（４０
０）は抵抗電圧回路，　（４０１）は発振回路，　　（
４０２）は遅延回路である。

（ｌ３） このように構成されたものにおいて，交流電源（１ｌ）
が整流装置（ｌ２）に印加されると（第１５図（ａ）参
照）整流装置（ｌ２）の出力に接続された抵抗Ｒ１とＲ
２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に人力される
。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■Ｃ１より出力される。アンド素子ＩＣ２は
，比較増輔器ＩＣＩ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。またノット素子ＩＣ４は交流電源（１１）の印加
後，遅延回路（４０２）によって決められた時間］゛。

間高電位を出力するため，トランジスタＴＲは，時間Ｔ
。間，導通状態となり従って電磁石装置（ｌ４）は励磁
される。前記時間Ｔ。は，電磁石装置（ｌ４）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Ｔ
。後では吸引動作は完了している。次に時間Ｔ。後はア
ンド素子ＩＣ２の出力波形Ｖ６に従ってトランジスタＴ
Ｒは導通，遮断を，つまりスイッチングをくり返す。

ここでトランジスタＴＲが導通すれば，電磁石装置（１
４）に電流が流れるのは言うまでもないが，トランジス
タＴＲが遮断状態となった場合，電磁石装置（ｌ４）の
コイルエネルギーはダイオードＤＩによって還流される
ため，電磁石装置（ｌ４）には電流が流れ続ける。即ち
コイル゛屯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（ｌ１）のピーク値をカットする時間Ｔ
３は，抵抗Ｒ３とＲ４の分圧比を変えることによって，
適当に制御できるのはいうまでもない。また，究振回路
（４０１）を適当に設定することにより．導通時間１゛
１　と耽断時間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，零点付近での専通を確実に保
証できるため，本発明の効果がよ（１５） り期待できるのはいうまでもない。また，′２流’ｌ’
ｊ．Ｉ．源のピーク値をカツ１〜する時間Ｔ１は，本実
施例ではある一定電圧以−ヒになったらカツｉ〜するよ
うに説明したが，カツＩ・を開始ず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）が直流電源となった場合，ビク埴
カツ！・の′Ｉ゛，は設疋できないが発振回路（４０１
）を適当に設定することによー）で同様の”ｊｈ果が得
られるのはいうまでもない。なお．場合によっては，ダ
イオート］）１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１）　ｌを省略しても良い。更にトラ
ンジスタＴＲの代りにザイリスタで構成されたヂョツバ
を用いることも可能である。なお，第ｌ５図は本実施例
の各出力のタイムチャートである。

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，また皆置を大形化することなく構成すること
ができるなど，柱々のイｎＡ＆な（ｌ６） 効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な申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１１１１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図は本発明をー・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
ック図，第ｌＯ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１
５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，（ｌ）は固定鉄心，（２）は励Ｅｎ　（電磁）コ
イＡ／，　（４１は可動鉄心，　　［１１）　（１０１
）は交流電源，［１２）　（１０３）は整流装置，　（
１４）　（１０２）は’ｉｔ　ｌｉｆ１石装置，ｓｗｏ
　，ＳＷ．．，ＳＷ２ｏ．ＳＷ，Ｉ，　　ＳＷ２，はス
イッチ，　　（１０４１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 (4)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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. （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. （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。