(57)【要約】【課題】瞬低などの電源電圧低下の影響を受けにくい交流パワーリレーを簡単な構成で実現する。【解決手段】印加される交流電圧に応じた磁界を発生する電磁石１８と、発生した磁界により電磁石に吸引される接極子２４と、接極子２４が電磁石１８に吸引されるのに応じて開閉状態を変化させる接点３０とを備える交流パワーリレー１０において、補助電磁石２０と、電磁石１８に印加される交流電圧を整流して補助電磁石２０に印加するダイオードとを設けることで、接極子２４に作用する磁界の変動を抑制するようにした。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される交流電圧に応じた磁界を発生する電磁石と、前記発生した磁界により前記電磁石に吸引される接極子と、前記接極子が前記電磁石に吸引されるのに応じて開閉状態を変化させる接点とを備える交流パワーリレーであって、
前記電磁石が発生する磁界と合成されることにより前記接極子に作用する磁界の変動を抑制する磁界を発生する磁界発生手段を備えたことを特徴とする交流パワーリレー。
【請求項２】
前記磁界発生手段は、前記電磁石とは別の補助電磁石と、前記電磁石に印加される交流電圧を整流して前記補助電磁石に印加する整流手段とにより構成されることを特徴とする請求項１記載の交流パワーリレー。
【請求項３】
前記磁界発生手段は、前記電磁石と電磁気特性の異なる別の電磁石であることを特徴とする請求項１記載の交流パワーリレー。
【請求項４】
前記磁界発生手段は、前記電磁石が発生する磁界によって交流電流が誘導される誘導コイルであることを特徴とする請求項１記載の交流パワーリレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーリレーに係り、特に交流電圧で駆動される交流パワーリレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーリレーは、電磁石に電圧を印加した際に生ずる電磁力により接極子を吸引することによって接点の開閉動作を行うものである。パワーリレーを動作させる際（電磁石に通電して接極子を吸引する際）は、電磁石と接極子とが離間した状態から接極子を吸引する必要があるため、比較的大きな電圧を電磁石に印加することが必要である。一方、接極子が電磁石に吸引された状態では、接極子が電磁石にほぼ接しているため、電磁石への印加電圧が、動作時の電圧に比べて十分に低くなるまで、接極子は復帰しない。なお、本出願において、接極子を電磁石に吸引するのに必要な電圧を作動電圧といい、接極子が復帰する電圧を復帰電圧という。
【０００３】
ところで、パワーリレーには、交流パワーリレーと直流パワーリレーとがあり、このうち交流パワーリレーは、製造設備の制御装置などに広く用いられている。この交流パワーリレーでは、電磁石による接極子の吸引力が、電磁石に流れる交流電流の振幅変化に同期して変動する。かかる吸引力の変動を抑えるため、電磁石のコア先端にくま取りコイルと呼ばれるコイルを設けることが一般的である。しかし、くま取りコイルを設けた場合も吸引力の変動を完全には防止できず、上記吸引力の変動に伴って接極子は常に振動している。このため、交流パワーリレーでは、電磁石への印加電圧が動作電圧から比較的小幅に低下しただけで接極子が復帰してしまう（つまり、動作電圧と復帰電圧の差が小さくなってしまう）ことになる。
【０００４】
なお、リレーに関する文献として特許文献１及び特許文献２が挙げられる。特許文献１に開示される発明は、組立工程の中で圧潰により鉄心頭部の高さ調整を行っても鉄心の座屈が起こらないようにするものである。また、特許文献２に開示される発明は、双安定リレーを用いることにより、電磁リレーに必要な電流及び電圧を小さくできるようにするリレー制御回路に係るものである。
【特許文献１】特許第２９２０９９６号公報
【特許文献２】特許第２６２０５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、交流パワーリレーでは、電磁石への交流印加電圧として商用電源が用いられる。しかし、商用電源は、各種外部要因によって、瞬間的に電圧が低下する現象（瞬低）が起きることがある。そして、上記の通り、交流パワーリレーは、比較的小幅な電圧低下でも動作状態から復帰し易いため、瞬低が起きると交流パワーリレーが予期せず復帰して、交流パワーリレーで制御される装置等が誤動作したり、電源が遮断してしまったりする可能性がある。かかる問題は上記特許文献１に記載の発明では解決できない。また、上記特許文献２の発明では、専用の制御回路が必要となるため構成が複雑になってしまう。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、瞬低などの電源電圧低下の影響を受けにくい交流パワーリレーを簡単な構成で実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明は、印加される交流電圧に応じた磁界を発生する電磁石と、前記発生した磁界により前記電磁石に吸引される接極子と、前記接極子が前記電磁石に吸引されるのに応じて開閉状態を変化させる接点とを備える交流パワーリレーであって、
前記電磁石が発生する磁界と合成されることにより前記接極子に作用する磁界の変動を抑制する磁界を発生する磁界発生手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、磁界発生手段が発生する磁界により接極子に作用する磁界の変動が抑制される。このため、接極子に作用する磁気吸引力の変化も小さくなり、したがって、磁気吸引力の最小値を一定以上に確保できるので、電源電圧が低下しても交流パワーリレーが復帰しにくくなる。
【０００９】
また、本発明において、前記磁界発生手段は、前記電磁石とは別の補助電磁石と、前記電磁石に印加される交流電圧を整流して前記補助電磁石に印加する整流手段とにより構成することができる。
【００１０】
また、前記磁界発生手段は、前記電磁石と電磁気特性の異なる別の電磁石であることとしてもよく、あるいは、前記電磁石が発生する磁界によって交流電流が誘導される誘導コイルであることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、瞬低などの電源電圧低下の影響を受けにくい交流パワーリレーを、例えば整流手段と電磁石からなる磁界発生手段を設けるだけの簡単な構成で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態である交流パワーリレー１０の側面図であり、また、図２は、交流パワーリレー１０を図１の矢印IIで示す正面方向から見た図である。これらの図面に示すように、本実施形態の交流パワーリレー１０は、側面視Ｌ字型の形状を有する継鉄１２を備えている。継鉄１２の第１腕部１２ａには、鉄心１４及び補助鉄心１５が正面から見て横並びとなるように取り付けられている。そして、鉄心１４にコイル１６が巻回されることで、電磁石１８が構成され、また、補助鉄心１５に補助コイル１９が巻回されることで、補助電磁石２０が構成されている。なお、コイル１６と補助コイル１９の巻線方向は同一となっている。
【００１３】
継鉄１２の第２腕部１２ｂの図中上端部には、接極子２４が支持されている。接極子２４は、鉄心１４及び補助鉄心１５の先端を越える位置まで図１中左方へ延びて電磁石１８及び補助電磁石２０による磁気吸引力を受ける作用部２４ａと、後述する接点を開閉駆動する作動部２４ｂとからなる側面視Ｌ字型の部材であり、その屈曲部において継鉄１２の第２腕部１２ｂの上端部に支持されている。また、継鉄１２の第２腕部１２ｂの外側には、所定の間隔をおいて第１接片２６が取り付けられ、第２腕部１２ｂと第１接片２６との間に接極子２４の作動部２４ｂが配置されている。さらに、第１接片２６から所定の間隔をおいて第２接片２８が取り付けられており、これら第１接片２６及び第２接片２８に接点３０が設けられている。
【００１４】
第１接片２６は板ばね材により構成されており、電磁石１８及び補助電磁石２０に電圧が印加されない状態では、図１に示すように、接極子２４の作動部２４ｂが、第１接片２６のばね力により第２腕部１２ｂへ押し当てられる向きに（つまり、接極子２４の作用部２４ａが電磁石１８から離間する向きに）付勢されている。この状態では、第１接片２６と第２接片２８とが離間して接点３０は図１に示すブレーク状態となっている。一方、電磁石１８及び補助電磁石２０に電圧が印加されると、接極子２４の作用部２４ａに電磁石１８及び補助電磁石２０による電磁吸引力が作用することで、作用部２４ａが鉄心１４及び補助鉄心１５の頭部に吸引され、作動部２４ｂが第１接片２６のばね力に抗って第１接片２６を図１中右向きに駆動することで、接点３０がメークする。
【００１５】
図３は、本実施形態における電磁石１８及び補助電磁石２０の結線状態を示す回路図である。同図に示すように、電磁石１８と補助電磁石２０には交流電源５０の電圧がスイッチ５２を介して並列に印加される。このうち、補助電磁石２０への電圧印加ライン５４には、交流電源５０から補助電磁石２０へ向かう向きを順方向とするダイオード５６が設けられている。このダイオード５６が本発明の整流手段に相当する。
【００１６】
図３に示す回路によれば、スイッチ５２が閉じた状態で、電磁石１８には交流電源５０の交流電圧がそのまま印加されるから、電磁石１８に流れる電流は、そのインダクタンス成分Ｌ及び抵抗成分Ｒを用いて計算できる。例えば、電磁石１８について、周波数６０Ｈｚ、インダクタンス成分Ｌ＝２０Ω、抵抗成分Ｒ＝１０Ωとしたときに流れる電流は、印加電圧に対して位相が３０°遅れた正弦波となる。
【００１７】
一方、補助電磁石２０には、交流電源５０の交流電圧がダイオード５６により半波整流されて印加される。このため、補助電磁石２０に印加される電圧Ｖａは、図４に示すような波形となる。
【００１８】
ここで、交流電源５０の交流電圧をＶ・sin2ωtとし、これを半波整流した電圧Ｖａをフーリエ展開して、例えば直流から角周波数６ωまでの低次の成分のみを考慮すると、次式のＶｆが得られる。  
Ｖｆ=(Ｖ/２)・sinωｔ＋（Ｖ/π)・{1-(2/1・3)・cos2ωｔ-(2/3・5)・cos4ωt-(2/5・7）cos6ωt}  ・・・（１）
【００１９】
図５は、上記式（１）の右辺各項の波形を破線で示し、また、それらを合成した電圧Ｖｆの波形を実線で示す図である。なお、図５中、符号Ｉは直流成分（Ｖ／π）、IIはsinωｔ成分、IIIはcos2ωｔ成分、IVはcos4ωt成分、Ｖはcos6ωt成分を夫々示し、また、符号Ａはこれらの合成成分（すなわち電圧Ｖｆ）を示している。同図に実線で示す波形より、６ω程度までの低次の項だけを考慮した電圧Ｖｆで半波整流電圧Ｖａを十分に近似できることがわかる。そこで、補助電磁石２０に電圧Ｖｆが印加されるとみなすと、補助電磁石２０に流れる電流は、式（１）の右辺各項で表される各成分Ｉ〜Ｖの電圧が補助電磁石２０に印加されたときに流れる電流の総和として求めることができる。
【００２０】
図６は、上記式（１）の右辺各項の各電圧成分Ｉ〜Ｖが補助電磁石２０に印加されたときに流れる電流を夫々破線で示し、また、それらの電流の総和Ｉｆの波形を実線で示す。なお、コイルのインピーダンスは主にインダクタンス成分Ｌと抵抗成分Ｒであり、図６では、交流電圧の周波数が６０Ｈｚ、補助電磁石２０のインダクタンス成分Ｌ＝２０Ω、抵抗成分Ｒ＝１０Ωとした場合の計算結果を示している。図６の破線から分かるように、インダクタンス成分Ｌの影響で、各成分Ｉ〜Ｖに対応してコイルに流れる電流は周波数に応じて異なる位相を持つ。したがって、このように位相の異なる電流成分の和Ｉｆ、すなわち、補助電磁石２０に流れる電流は、同図の実線に示すように、最小値がゼロより大きいゼロクロスすることのない波形となる。
【００２１】
以上のようにして、電磁石１８及び補助電磁石２０に夫々流れる電流を計算することができる。そして、各電磁石が発生する磁界は流れる電流に比例するから、その磁界の波形は、電流波形と同じ形となる。したがって、電磁石１８及び補助電磁石２０に流れる電流を足し合わせることで、電磁石１８が発生する磁界と補助電磁石２０が発生する磁界の夫々の大きさを合成した、接極子の吸引力に比例する値を求めることができる。
【００２２】
図７は、電磁石１８が発生する磁界の大きさの波形を破線で、補助電磁石２０が発生する磁界の大きさを細い実線で、それらの磁界の大きさを合成したものを太い実線で、夫々示す図である。なお、電磁石１８に流れる電流は正負に符号が変化する交流波形となり、この符号変化に応じて、発生する磁界の向きも交互に反転する。しかし、電磁石１８の鉄心１４と補助電磁石２０の補助鉄心１５とを分離しているので、これら電磁石の磁界の向きが逆になったときも互いに打消し合うことはない。
【００２３】
図７に実線で示すように、電磁石１８が発生する磁界と補助電磁石２０が発生する磁界の夫々の大きさを合成した値は、電磁石１８が単独で発生する磁界の大きさが周期的にゼロになるのに対して、常に一定以上の値を有する波形となる。したがって、接極子２４に作用する電磁吸引力の最小値も一定以上となり、たとえ電磁吸引力が低下したタイミングで交流電源５０の電圧が多少低下したとしても、接極子２４が復帰することはない。
【００２４】
このように、本実施形態の交流パワーリレー１０によれば、補助電磁石２０を設け、この補助電磁石２０に半波整流した交流電圧を印加することで、接極子２４に作用する磁界の変動を抑制して、磁界の最小値を一定以上に確保することができ、これにより、交流パワーリレー１０の復帰電圧を低くして、電源電圧の低下の影響を受けにくくすることができる。
【００２５】
なお、交流を脈動のない完全な直流に整流して電磁石１８に印加すれば、直流パワーリレーと同じ動作となるから、補助電磁石２０を設けなくても、電源電圧の低下による復帰の問題が起きることはない。しかしながら、交流を完全に整流するために必要となる平滑用の電解コンデンサは、電子回路部品の中でも特に劣化し易く、寿命に問題がある。したがって、交流パワーリレーのように大量に使用される装置に、このような電解コンデンサを用いることは運用上大きな問題であり、また、一定以上の信頼性を確保するには、リレー全体を電解コンデンサの寿命に合わせて短期間で交換しなければならず不経済となってしまう。
【００２６】
これに対して、本実施形態では、整流回路に電解コンデンサを用いることなく半波整流した交流電圧を補助電磁石２０に印加する構成としているため、電解コンデンサの使用に伴う上述のような問題を回避しつつ、交流パワーリレーにおける電源電圧低下の影響を抑制することが可能となっている。
【００２７】
なお、上記実施形態では、補助電磁石２０と、この補助電磁石２０に半波整流した交流電圧を印加する整流回路とを設けることにより、発生する磁界の変動を抑える構成としたが、本発明はこれに限らず、全波整流した電圧を補助電磁石２０に印加してもよい。また、整流手段を用いる構成に限らず、例えば次の（１）、（２）のような手段で、接極子２４に作用する磁界の変動を抑える構成としてもよい。
【００２８】
（１）電磁石１８に隣接して、電磁石１８とは電磁気特性（抵抗とインダクタンス）が異なる補助電磁石を設ける。同じ交流電圧が印加されても、抵抗とインダクタンスが異なると、流れる交流電流の位相は異なり、この交流電流により発生する交流磁界の位相も異なることになる。したがって、抵抗及びインダクタンスの異なる電磁石を別設することにより、電磁石１８が発生する磁界に、この磁界とは位相が異なる磁界が合成されることで、接極子２４に作用する磁界の変動を抑えることができる。
【００２９】
（２）電磁石１８に隣接して、電磁石１８が発生する交流磁界によって電流が誘導される誘導コイルを設け、この誘導コイルにより、電磁石１８が発生する交流磁界とは位相が異なる交流磁界を発生させる。これにより、（１）の場合と同様に、位相の異なる交流磁界が合成されることで、接極子２４に作用する磁界の変動が抑えられる。
【００３０】
また、上記各実施形態では、本発明が図１、図２に示すような特定の形態の交流パワーリレーに適用された場合について説明したが、本発明が適用可能な交流パワーリレーの形態はこれらに限定されるものではなく、様々な形態の交流パワーリレーに適用が可能である。要するに、電磁石と、この電磁石に交流電圧が印加された場合に電磁石に吸引される接極子と、この接極子が電磁石に吸引されるのに応じて開閉状態を変化させる接点とを備えた交流パワーリレーに広く適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態である交流パワーリレーの側面図である。
【図２】本実施形態の交流パワーリレーを図１の矢印IIから見た正面図である。
【図３】本実施形態における電磁石及び補助電磁石の結線状態を示す回路図である。
【図４】本実施形態において補助電磁石に印加される電圧の波形を示す図である。
【図５】補助電磁石への印加電圧をフーリエ級数に展開した場合の各成分の波形と、それらの合成波形とを示す図である。
【図６】図５に示す各成分の電圧に応じて補助電磁石に流れる電流の波形を示す図である。
【図７】電磁石及び補助電磁石が夫々発生する磁界並びにそれらの合成磁界の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  交流パワーリレー
１８  電磁石
２０  補助電磁石
２４  接極子
３０  接点
５０  交流電源
５６  ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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