メカトロニクス情報誌
2020 年 5 月 1 日 発行

めかとろ通信

新電元メカトロニクス株式会社

第 33 号

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

＜ ソレノイドの高速駆動＞
ソレノイドは高速駆動に有利なアクチュエータです。動作はシンプルで、駆動も特別なドライバを使用することなく単純なスイッチで使用することが可能です。駆動対象となるものはさまざまですが、その中で高速動作を要求するものが少なくありません。例えば、活字を叩く形のプリンタ、紛体搬送経路に衝撃を与えるハンマ、打鐘装置など、また、加振装置の駆動や、高速バルブなどの用途もあります。これらは単純な ON/OFF だけでは目的の性能が得られないものが少なくありません。加えて、装置の小型化のために小型のソレノイドを使用せざるを得ない場合などもあります。高速駆動については過去に複数回ご紹介していますが、今回はその原理が分かりやすいように図表を多用しながらご紹介してみたいと思います。そのために回路シュミレータの結果を使用しました。

■１. ソレノイドの高速化■1.1. ソレノイドはなぜ遅い
ソレノイドは固定された磁極と可動する磁極、それらに磁束を供給するコイルで成り立っています。ソレノイドの発生する推力は磁極の大きさを増すほど、コイルの巻き数を増やすほど大きくなります。これらはコイルのインダクタンスを増やすのと等しいのです。つまり、ソレノイドで推力を得ようと思うとインダクタンスを大きくする必要があります。
インダクタンスはどのような作用を持っているのでしょうか。簡単に言えば、これを含む回路に電流を流した時、電流の変化と逆の方向の起電力を生じます。つまり、電流を増加増加を妨げ、減少させようとすると増加する方向に起電力を生じるものです。このため、早い変化を行わせたいときには大変始末の悪いことになるのです。
このため、ソレノイドは大きな推力を得ようとするとインダクタンスが大きくなり、速度が遅くなる。という原理的な問題を持っているのです。
ただし、大きな衝撃力を得るための電磁ハンマや、高速インジェクタなど高速度を前提としたアプリケーションがたくさん存在します。これらは様々な方法でこの問題を解決しています。

させようとしたときには電源と反対方向の起電力を誘起して■1.2. 高速化の制約は具体的には次のような問題があると考えられます。

これらが見つからないために単純スイッチで妥協している。
○電源の容量、電圧などの制約
経済的な制約から高価な専用電源は用意できない。

○カタログから選べない。

無理をすると焼損するので、無難なところで妥協

カタログには高速ソレノイドという記述が無い。
適切な機種、定格の選択が難しい。
○駆動の方法が分からない。
単純なスイッチ以外にどのような方法があるのか。

している。
このような事柄を想定して、解決の為の方法を考えていきます。

専用のドライバが存在するのか。

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＜ ソレノイドの高速駆動＞■2. 高速化の原理と対策■2.1. 機械的な対策

戻りを含む往復動作を早くする場合にはばねの強化が必要となることが少なくありません。ただし、駆動時には負荷にな負荷を軽くするるので、推力との相談で適当なところに選ぶことになります。

可動部の質量を可能な限り減らす

これらは、一般的に思いつくことだと思います。今回はこれ摺動抵抗などの低減対策らの配慮がなされているのを前提にこのほかの方法を考えまばねの強化す。

■2.2. インダクタンスの作用速く動かすには大きな推力が必要です。ただし、大きな推義は、インダクタンスと抵抗のみとし、分かりやすいように力を発生するものは前記の通りインダクタンスが大きくなり、抵抗は外部に設定しました。回路図中に設定定数も表示して電流の立ち上がりに影響を及ぼします。高速化の方法はこのいます。

対策そのものとも言えます。インダクタンスの作用をシュミ

図 1 はコイルに電圧を加えた際の電流の立ち上がりを示しレータの波形から確認してみます。

たものです。その回路は図 2 です。二つのコイルは抵抗値は電圧を印加しても電流はすぐには立上らずに徐々に上昇し同じですが、インダクタンスが異なります。L1 の電流は約ます。この立ち上がり勾配がインダクタンスに依存します。

300mS で上端に達していますが、インダクタンスの小さな L2

今回は直感的に理解していただけるように、シュミレータでは 50mS で到達します。飽和点への到達時間は異なりますが、の計算結果を掲載します。シュミレータでのソレノイドの定その値は同じです。

L小

1.2

L21

飽和値は同じ電流 /A0.8

L大L1

R223.7

R123.7L2

L10.224H

1.1H

V1
抵抗値は同じ

0.626V

上昇率が異なる

0.4

i(L2)

i(L1)
I(L1)

0.2

i(L2)

i(L1)

I(L2)
000.1

時間 /S

0.20.3
図1.ic i(L1)=0 i(L2)=0.tran 0.5

図2グラフ、図中で使われる記号
L: インダクタンス
R：抵抗
I：電流
V: 電圧
P: 電力

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＜ソレノイドの高速駆動 ＞■2.3. コイル仕様による違い

6S 型 #24 と #27 はそれぞれ、巻数 500T、インダクタンスの大きさによって上昇時間が異なる、抵抗値が同じなら飽和電流は等しい、ことが分かりました。
当社の標準ソレノイドは複数のコイル仕様を用意し、幅広い電源電圧に対応しています。巻線の径を変えることにより、巻回数と抵抗値が異なります。巻回数が異なるので、当然インダクタンスも異なることになります。速くしたいのなら抵抗値の小さな定格電圧の小さいものにするといい、と言われることがあります。それでは、電圧仕様によって電流の上昇時間が異なるのでしょうか？となっています。これを通電した際の電流の立ち上がりカー
ブは図 3 のようになります。電圧とコイル抵抗が異なるために、それぞれ到達電流は異なっています。ソレノイドの発生する推力はコイル巻き数と電流の積（AT) に比例します。このときの AT の立ち上がりカーブは図 5 のようになります。ほぼ一致していることが分かります。このため、各ソレノイドはコイル定格が異なっても、カタログに記載されている定格電圧を用いればどれも同じ推力を発生します。また、時間的変化もほぼ同じです。ですから作動時間も等しくなります。

例として 6S 型のコイル仕様を基に確認してみます。

2.5

それぞれのコイルに連続定格の電圧を加える

2電流 /A

1110T、コイル抵抗 5.24Ω、23.7Ω、連続定格電圧 13V、26V

＃27

＃24

1.5

V1

V226V

13V

R1
5.24

R223.7

L24

L27

0.22H

1.1H

1I(L24)0.5I(L27)
00

0.05

0.1

0.15

0.2.tran 0.2.ic i(L24)=0 i(L27)=0

時間 /S

AT( コイル電流Ｘコイル巻数）

図3

図414001200
1000
800600
AT #24400

コイル仕様によって流れる電流は異なるがAT #27200

AT の立ち上がりはほぼ等しいことが分かる

000.050.1

時間 /S0.150.2
図5

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＜ ソレノイドの高速駆動＞■2.4. 駆動電圧の効果

動作開始時間が 50mS から 16mS と大きく高速化されることになります。た図 5 において、仮に負荷を駆動するのに必要な AT を 800ATだし、この状態で消費電力を計算してみとしたとき、約 50mS の時間を要しています。このときの電ると 200mS で 126W にも達します。これは流は、#24 で 1.6A、#27 で 0.69A です。
ここで、#24、#27 の両コイルに 26V（#27 の連続定格電圧）を加えてみます。これが図 6 です。#27 は 50mS で 0.68A に6S 型の連続定格 29W を大きく超過しますので、何らかの対策が必要です。
また、負荷の駆動に必要な電流を大きく超過するのですから、無駄な電力を消費していることにもなります。

なりますが、#24 は 3.4A に達します。800AT に相当する 1.6Aには 16mS ほどで到達していることが分かります。このため、
766i(#24)

43200.04

0.06

時間 /S

0.08

360P(#27)
i(#27)

00.1

100
80

10.68A

1204i(#27)

10.02i(#24)

21.6A

0P(#24)

5高速化

電流 /A

電流 /A

514040
20
000.1

0.2

0.3

0.4

時間 /S

0.5

電力 /W

7図6このことから、動作時間を短縮するためには高電圧での駆動るために焼損を防止する対策が必要であること、電力効率がが有効であること、ただし、コイルに大きな電力が加えられ良くないことが分かります。

■2.5. 定電流駆動格の 26V で安定していることが分かります。この初期電圧をソレノイドの推力は電流に比例するわけですから、一定の電流で駆動する方法も考えられます。ただ、電流の立ち上がりの領域では指定された電流を流すために必要な電圧が無限大に達します。実用的にはこの部分に有限の電圧を用いることになるので、定電流領域は限られます。図 7 は電源電圧として 100Vを用いて、連続定格の電流を指定したものです。電流の立ち上がりは極めて早く、50mS で飽和近くに達します。電圧の変化

1.212011000.880
電流0.660i(通常)
電圧0.4法が電流の立ちあがりの改善にもっと有効で、高速駆動に適した方法です。必要な部分だけ高電圧を印加するオーバドライブを行うので、消費電力も増えることはありません。ただ、定電圧駆動とは異なり、高い電圧が必要なのと、何らかの制御回路が必要となります。ここに示した回路はシュミレータを疑似的に定電流電源に設定するためのもので、実用回路とはだいぶ異なりますのでご注意ください。

I1R123.7

1.468A
R270

電圧 /V

電流 /A

をみると、通電初期で 100V が加えられて、飽和領域では、定高く設定するほど立ち上がりは早くなります。この定電流駆動

L140

1.1H
0.2

200000.05

0.1

時間 /S

0.15

0.2.tran 0.3.ic i(L1)=0

図7

図8

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＜ ソレノイドの高速駆動＞■2.6. 回路による対策■2.6.1. 抵抗挿入型て変化し、26V から 13V まで低下しています。
この形は、定電流駆動に近いことが分かります。

図 9 は直列抵抗型の効果を示したものです。二つのコイル

このため、準定電流回路とも呼ばれ、簡単ながら確実な効果は同じ 6S#24 です。L2（右）は直接 13V の電源に接続していますが、L1( 左）は 5.24Ωの抵抗を介して 26V の電源に接続しています。このときの電流の立ち上がりを確認してください。
飽和点はどちらも同じです。ただし、L1 の立ち上がりが明らが得られることから、ソレノイドと同様にインダクタンスの対策が重要なパルスモータの駆動によく使われました。ただしこの方式では、直列に挿入した抵抗器でも電力を消費します。この場合には同じ抵抗値ですから、2 倍の電力を消費してかに早くなっていることが分かります。高速化に有利なことしまいます。

1.260

直列抵抗

1500.8

400.6

30

0.4

20

R3

コイルは同じ5.24
電圧 /V

電流 /Aは明白です。ソレノイドに加えられる電圧が電流の変化に伴っ

R1
5.24

V126V

I(L2)

L213V

L1I(L1)0.2

V2

R2
5.240.224H

100.224H

V(L1)0000.05

0.10.15

時間 /S0.2.tran 0.5.ic i(L1)=0 i(L2)=0

図 10

図9■2.6.2. コンデンサ駆動型

ように選択します。コンデンサの初期充電電圧によって立ち

図 11 は駆動にコンデンサを用いたものです。コンデンサに所定の電圧で充電しておき、この電荷をソレノイドコイルに上がりの時間は変化します。この図の場合には 10mS ほどで必要な 800AT(1.6A) に到達しています。標準の 50mS に比較して大幅な短縮を実現しています。コイルの消費電力も焼損放電します。この方法は CDI（Capacitor Discharge Igniter）の心配ない連続定格に抑えることが出来ます。オーバドライと呼ばれる、エンジンの点火回路として広く用いられています。カタログの f=1/10 に相当する 41V で駆動し、その後減少し連続定格の 2.48A に落ち着きます。この時間はコンデンサブと電力抑制を同時に行える優れた方法ですが、問題はコンデンサのサイズと価格です。の容量によって増減します。負荷の駆動に必要な時間となる

6I(L1)
I(通常)
V(L1)

R250

11.29

440330220110

電圧 /V

電流 /A

50

保持電流を決める抵抗

60V1

C120000u

41V
駆動コンデンサ

R15.24

L10.224H

000.1

0.2

時間 /S

0.3

0.4

0.5

.ic i(L1)=0 v(C1)=41.tran 0.5

図 11

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図 125
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＜ ソレノイドの高速駆動＞■3. 復帰対策■3.1. ダイオードの作用

力がばね力を下回ったときに復帰動作が開始されます。コイルに電流を流した後、その電流を遮断した

フライホイル電流と復帰遅れ時間ときに大きな逆電圧を生じるのはよく知られた現象で、この往復動作の必要な場合、復帰時間の短縮も重要な要素です。

ための対策としてダイオードを並列に挿入する方法が一般的

ソレノイドは吸着後ギャップの小さくなった位置では大きなです。このとき、コイルに流れる電流を示したのが図 13 です。

保持力を発生します。復帰にはばねを取り付けますが、保持電流 /A

0.80.615

復帰遅れ時間 ( 約 70mS)

0.4

100.2A

0.2

V2

L1
1.1H

M1

R2
V1

Id(FET)
I(Diode)0.6

R126.37

電源

26V

00.8

D15

電源と FET（SW）に流れる

1
電流 /A

20

I(L1)
V(FET)FET Oﬀ

01.2

フライホイルダイオード

25

ソレノイド

130

FET に加わる電圧

コイルに流れる電流

電圧 /V

1.2

ダイオードに流れる電流

PULSE(0 10 0 0 0 0.25 0 1)

0.4

FET22FET.tran 0.5図 14250mS の位置で FETSW が OFF していますが、ここから約0.2150mS 電流が流れ続けています。仮に吸着力がばね力を下000.1

0.20.30.5回るのが 0.2A とすれば、SW のオフから約 70mS たってか

図 13ら復帰動作が開始されることになります。

0.4時間 /S

■3.2. 回路による対策す。抵抗の値や、ツェナーダイオードの降伏電圧によってこの値は異なりますので注意してください。また、駆動用の電流の垂下による遅れ時間の短縮として有効なのがダイ

FET に電流遮断時に電源電圧を上回る電圧が印加されることオードに直列抵抗やツェナーダイオードを挿入する方法です。にも注意してください。FET の耐電圧を考慮して、挿入する0.2A を下回る遅れ時間が、抵抗挿入法で 50mS に、ツェナー抵抗値、ツェナーダイオードの電圧を決める必要があります。

ダイオードの場合で 25mS に短縮されていることが分かりま

抵抗挿入法
1.260I(L1)
V(FET)

1

FET の Drain に生じる電圧

V24030

電源電圧
遅れ時間が改善された

0.4

D126V

26V

電圧 /V0.6

R123.7
R322

直列抵抗
R3

V1

100000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

時間 /S

1.1H
FET Drain

200.2A

L122Ω

M1

R20.2

コイル抵抗
23.7Ω

電源電圧

500.8
電流 /A

フライホイルダイオード

PULSE(0 10 0 0 0 0.25 0 1)

FET

22.tran 0.5

図 15

図 16

FET に加わる電圧の計算
電源電圧＋遮断時の電流

X

直列抵抗

遮断時の電流 = 電源電圧/

コイル抵抗= 26 V + (26 V / 23.7 Ω ) X 22 Ω = 50.2 V
この電圧が FET の耐圧を越えないようにする

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＜ソレノイドの高速駆動 ＞
ツェナーダイオード挿入法
1.2
126V

40

電源電圧電圧 /VFET に加わる電圧

0.6

D1

実回路では不要

V250

0.8
電流 /A

フライホイルダイオード

60

I(L1)
V(FET)

R3
10K

26V

R1
26.37
D2

L1
1.1H

PTZ24B

300.4

24V

20

0.2

V1

1000.1

0.2

0.3

時間 /S

0.4

FET

22

PULSE(0 10 0 0 0 0.25 0 1)

.tran 0.5

00M1

R2

遅れ時間が 25mS に短縮

0.2A

FET Drain

ツェナーダイオード

0.5

図 17

図 18

FET に加わる電圧の計算
電源電圧 ＋ ツェナーダイオードの電圧 ＋ D1 の VF
= 26V + 24V + 1V = 51V■3.3. ダイオードの効果確認（図 18 の場合）設定しています。このとき、FET に生じる電圧をご覧ください。

ここで、シュミレータならではの試みです。実際にこれを行うと大変です。回路は壊れますし、危険です。ダイオードを挿入する必要性を冒頭に書きましたが、ダイオードを入れないで動作させると本当にダメなのでしょうか。これが図 19 です。
回路のダイオードの配線を外しています。シュミレータが誤動作するのを防止するためにソレノイドと並列に抵抗器を挿入し9KV ！を越える電圧が発生しています。これでは FET は簡単に耐圧を越え破壊してしまいます。リレーなどの接点でしたら、盛大に火花が発生します。これがフライホイルダイオードの必要な理由です。注目は、このときの電流の垂下です。一瞬にして０まで落ちています。これであれば戻り遅れを生じることは無いのですが。ていますが、その値は 10KΩと大きな値で、影響のないように
1.2

フライホイルダイオード（配線しない）1I(L1)

電流 /A

0.8
0.6
0.4

10K

26V

一瞬にして落ちる

D1R3V2電源電圧

L1

計算の都合で挿入

1.1H

26V

0.2

FET Drain

000.1

0.2

0.3

0.4

R20.5
V112000

FET の Drain に加わる電圧

10000
電圧 /V

R1
23.7.tran 0.5

V(FET)

8000

M1
FET

22

PULSE(0 10 0 0 0 0.25 0 1)

図 20

6000
4000
2000
000.1

0.2

0.3

時間 /S

0.40.5

図 19

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＜ ソレノイドの高速駆動＞■4. 対策回路

PWM による通電率制御

から PWM のデューティを決定します。
この回路での損失は FET の ON 抵抗のみですから小さな値

次に、実用的な動作例を一つご紹介します。立ち上がりに抑えられます。パルスモータは専用のドライバが多数供の改善にオーバドライブの効果はお分かり頂けたかと思い給されていますが、ほとんどがこの駆動方法が可能なようますが、直列抵抗での損失や、大電流での電力消費の問題になっています。
ただし、回路を見ていただけると、フライホイルダイオーオーバドライブを行い、その後 PWM 駆動による通電率制ドが単独で入っています。ここに抵抗やツェナーダイオー御で電力を下げるものです。保持の周波数は分かりやすく

ドを入れると変動が速くなり、通電率制御がうまくいかなするためにかなり下げてあるので、リップルによる変動がくなります。このため、ダイオードに直列素子を挿入する目立ちますが、周波数を上げると目立たなくなります。

戻り対策はしにくいので注意が必要です。保持時の電流を200mS ほどフル通電を行い、その後通電率を 50% に下げ負荷の保持が可能な範囲でできるだけ小さく設定することています。負荷の重さ、ソレノイドの推力、期待する加速が有効な戻り遅れ対策になります。

力、などから電源電圧と初期の駆動時間、通電可能な電力
コイルに加わる電圧

電圧 /V

30

フライホイルダイオード

20D11006R15.24
L1V35電流 /A

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は何らかの方法で解決が必要です。図 21 は立ち上がりでコイル電流

41N4148

26V

I(L1)

0.224H

D2

D33V2R2V1

1N41482M1FET

R3 221000

1000.20.4

時間 /S

0.60.81.ic i(L1)=0.tran 1

図 21

PULSE(0 10 1mS 1mS 1mS 0.2 1)
PULSE(0 10 0.2 0 0 0.01 0.02)

図 22■5. 対策のまとめ○速くするためには電流の立ち上げを早くする必要があり、このためには高い電圧によるオーバドライブが有効。
○オーバドライブを行うには電源電圧を上げるよりも定格電圧の低いものを選ぶのが実用的。
○通電時間が長くなる場合には、直列抵抗の挿入や PWM での電力制御を行う。
○往復動作をするためには戻り側の対策が必要。このためにはフライホイルダイオードに流れる電流の処理を考える。
専用のドライバでなくても、上記のような点に注意すればよい。

■6. 終わりに回路のシュミレータを用いると手軽に確認、最適化が行

較にならないほど観測が難しいので、設計者にとっては大えます。オシロスコープを使用するように波形が自在に観変ありがたいツールです。パソコンの性能と計算精度の向察できますし、ダイオードを外してみるなど実際には決し上は目覚ましく、試作して確認する回数は大幅に減少しまてできないことも確認できます。ソレノイドの設計においした。良い時代になったものです。ても磁場解析は必須となっています。磁場は電子回路と比■この資料の内容は改良の為、お断り無く変更することがありますのでご了承ください「めかとろ通信」に関するお問い合わせは

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