メカトロニクス情報誌
2015 年 9 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

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

第 20 号

http://smt.shindengen.co.jp< ソレノイドを使う >「めかとろ通信」は不定期ながら刊行を重ね、20 号を迎えることになりました。これからもソレノイドユーザの皆様の役に立つ情報をお届けできるように努力していきたいと思います。
式 1.1

ソレノイドには、直流で駆動する DC ソレノイド、正弦波交流で駆動する AC ソレノイドがあります。いずれも所定の条件

通電 DS：実際に通電する通電率 (%)

で通電すれば動作しますが、本来の性能を生かすために最低限連続電圧：カタログ 100% 電圧

知っておきたい事柄がいくつかあります。今回はその特性の違いや、通電するのに必要な知識、知っておくと役に立つと思わなお、当社のカタログは放熱板に取り付けた場合の通電可能電圧を記載したものがあるので注意してください。放熱板の有れることについてお話します。

無はカタログのコイルデータ表に記載してありますのでご確認■1.

通電電力ください。

ソレノイドはそのコイルに電流を流すことによって推力を発

ソレノイドでは発熱に伴って駆動力が低下します。コイルの生し、負荷を駆動します。ソレノイドの発生する推力はコイル素材である銅線の電気抵抗は正の温度係数を持っています。こに流す電流に比例しますから、大きな電流を流せば余裕をもっのため、温度の上昇に伴い、抵抗値が増加します。また、ソレて負荷を駆動できますし、より小型のソレノイドが選べます。

ノイドの発生する推力はコイルの巻き数と通電する電流の大きただし、コイルに電流が流れることでソレノイド自身が発熱しさに依存します。従って、ます。加えた電圧 × 流れた電流＝消費電力

コイルへの通電→コイル温度の上昇→巻線の抵抗値増加→

これは発熱量そのものです。この値が限度を超えれば焼損して使えなくなって流れる電流減少→磁力低下→駆動力低下

しまいます。したがってソレノイドが過熱し、焼損しない範囲という連鎖が発生します。このことを考慮しないと、始め（低で使うことが必要です。連続で通電すれば大きな温度上昇を伴温時）は動くけれども使っているうちに動かなくなるというこうような電圧でも、一時的に動作（間欠動作）させるのであれとになります。

ば温度上昇は少なくて済みます。通電時間に休止時間を加えたいずれにしても、カタログに記載された電圧と電流、通電率、全期間に対する通電時間の割合を「通電率 / デューティ」と呼ストロークなどの資料を基に適切な機種選択と駆動条件、回路びます。当社の標準ソレノイドはその代表値として、100%( 連設計が必要です。

続 )、50%、25%、10% を選び、カタログに記載してあります。
ただし、実際には通電周期はこの値と同じになることは少ない■2.

突入電流と思います。この場合には実際の周期よりも大きな値、通電電ソレノイドなどの電気部品に通電する際、その性質によって圧としては低い方を選んでいただければ焼損の心配はありませ突入電流を生じることがあります。その値については表 2.1. をん。正確には、実際の周期における通電可能な電圧は次式で求参照ください。抵抗、DC ソレノイドでは突入電流を生じませめることが可能です。

んが、多くの負荷が突入電流を生じることが分かります。中でも AC ソレノイドは大きな突入電流を生じます。

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< ソレノイドを使う >●表2.1. 負荷の種類と突入電流

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負荷の種類
抵抗

突入電流
定常電流の1倍た場合、大きな電流が流れ続けるた

時間（S)
0

作動中に何らかの障害でロックしめにコイル焼損にいたる。

発生しない

●

DCソレノイド

定常電流の1倍0

発生しない

ACソレノイド

定常電流の10～20倍

0.07～0.1

負荷状態によって異なる

モータ

定常電流の5～10倍

0.2～0.5

負荷状態によって異なる

白熱電球

定常電流の10～15倍

0.3

水銀灯

定常電流の約3倍

180～300

ナトリウム灯定常電流の1～3倍コンデンサ

定常電流の20～40倍

0.01～0.04

容量によって異なるトランス

定常電流の5～15倍

0.02～0.04

容量によって異なる出力の調整が不可能。

といった欠点を併せ持ちます。特に機械的にロックする可能性が確実に排除できる用途以外では、応用が難しいと考えるべきです。

■2.1.b

DC モータDC モータ（ブラシ付き）の場合も突入

参考 PanasonicのHP電流を生じます。
DC ソレノイドはそのコイルの直流抵抗値と印加する電圧で負荷が重くなり、回転速度が下がるにしたがって電流が増し計算できる電流が流れ、その値を超えることはありません。て行きます。負荷が重く回転を維持できない状態をロック状態

逆に、立ち上がりはコイルのインダクタンスの影響で遅れを生といいます。このときに最も大きな電流が流れ、この電流をロッじます。

ク電流と呼びます。電源投入時の回転開始前の状態はこのとき電流

図 2.1. 起動時の電流波形■2.1.と同じ状態になり最大電流が流れます。回転の上昇に伴い電流型式別の特徴が低下しますが、このときの電流が突入電流です。

AC ソレノイド
白熱電球

AC ソレノイドと●起動時に突入電流を発生する。

DC ソレノイドは電●

機械的にロックした場合、大きな電流 ( ロック電流 ) が流れ続け過熱する。場合によっては焼損に至る。

源が異なるだけでなモータ

くその特性もかなり異なります。

DC モータの場合にも安全のために、ロック対策を検討しておくことが重要です。ロック電流を検知して遮断するなどの方

DC ソレノイド・リレー
0
時間

0■2.1.aAC ソレノイド

AC ソレノイドの電流は、コイルのインピーダンスで決まります。インピーダンスとはコイルのインダクタンスと周波数で決まる交流に対する抵抗成分です。ソレノイドのインダクタン
スは動作開始前のギャップが大きなときと、作動後のギャップが０となったときで大きく異なり、ギャップ０で大きな値を示します。このため、インピーダンスで電流が決まる交流ソレノ
イドは作動前には大きな電流が流れ、作動後ギャップが小さくなったときには電流が小さく抑えられます。
電源が交流ですから常に電流が変化します。従って推力も変化し、これに伴って唸りを生じます。これを避けるために、可動部の吸着面の一部に隈取コイルと呼ばれる特殊なコイルを配置し、唸りを低減しています。
このような構造から、大ストロークにおける作動開始時の推力が大きく、作動終了点の保持位置での電力が少なくて済むというメリットの半面、●起動時に突入電流を発生する。

●

高頻度で動作すると発熱が大きくなる。

●

保持時に唸りを生じやすい。

●

作動終了時にギャップ０まで駆動する必要があり、衝法があります。
電源の容量はこのロック電流を流せるだけの容量が必要で、不足すると起動不良となります。

■2.1.c

DC ソレノイド

DC ソレノイドは電流がコイルの直流抵抗と印加電圧で決まるため、インダクタンスが変化しても電流に変化を生じません。
仮に作動途中でロックしても過熱するような問題は原理的に発生しません。このため、極めて安全性は高いといえます。
DC ソレノイドは、AC ソレノイドと比較して、○突入電流を発生しない。

○

作動の途中で機械的にロックしても発熱しない。

○

作動音の防止のため、ギャップに柔らかいワッシャを挟むことで作動音を効果的に低減できる。

○

唸りを発生しない。

○

永久磁石と組み合わせた自己保持型が構成できる。

ただし、大ストロークでの推力は AC 型が有利です。
なお、AC ソレノイドの中には、DC ソレノイドに整流用のダイオードを内蔵することで、直接 AC 駆動を可能としたものがあります。この場合には DC ソレノイドに準じた性能となります。

突音が避けられない。

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■3. 逆起電力対策が接続され、これら機器から発生するノイズが加わり、通電に当たっては逆起電力に対する配慮が必要です。

外来ノイズも乗りやすくなります。従って、AC ラインを直接ソレノイドの駆動コイルは電流をオフした際にコイルに蓄積整流して電源とするような場合にはこれらのノイズを配慮してされたエネルギの放出に伴う逆起電力が発生します。オンする耐圧を決める必要があります。ソレノイドに専用の電源を用意ときではなくオフするときです。最近ではデジタル回路からのしている場合にはノイズは比較的乗りにくくなりますが、他の制御信号による半導体スイッチで制御する例が増えています。

機器と兼用する場合や、機器内での引き回し等を考慮して決定ソレノイドの逆起電力によってこの半導体スイッチが破損しまします。このように、電源回路電圧にノイズ等のサージ電圧がす。これを防ぐために、巻線に並列に保護用のダイオードを入印加されることを想定して余裕を持って選定してください。具れるなどの対策が必要です。

体的には、専用電源の場合には電源電圧の 3 〜 5 倍、AC ライ

なお、逆起電力がノイズとなって他の電子機器に影響を与えンの場合には 4 〜 10 倍ほどの逆耐電圧のものを選択します。

ることも考えられるので、配線の引き回しなどにも気を配る必■3.4. AC 整流電源の場合

要があります。
これらについて順次説明していきます。

AC 電源をブリッジダイオードで整流して使用する場合で、整流前の交流側に駆動接点を配置した場合には、ブリッジダイ■3.1. フライホイルダイオード

オードがフライホイルダイオードとして機能します。ですからソレノイドのコイルに通電した後、これを遮断する際に、逆フライホイルダイオードを挿入する必要はありません。整流後方向に大きな電圧が発生します。この時発生する電圧は逆起電の DC 側にスイッチを設けた場合、DC 電源と同様にフライホ力と呼ばれ、接点に火花を発生させ、半導体スイッチには耐圧イルダイオードを必要とします。

破壊を引き起こします。スパイク状の大きなノイズになります
ので、システムの誤動作の心配もあります。この現象に対する■3.5. フライホイルダイオード挿入による効果と問題

もっとも一般的で、確実な効果が得られるのがフライホイルダダイオードを挿入することで、ソレノイドが発生するサージ電圧は完全に抑えられ、発生することはありません。ノイズ防イオードの挿入です。
フライホイルダイオードはどのような考え方で定格を求め、品種を選べばよいのかを考えてみます。

止、素子保護の観点からは完璧です。フライホイルダイオードは、コイルのインダクタンスに蓄積されたエネルギを電流の形で放出させます。この電流は、熱として消費されて、エネルギ■3.2. 電流定格が消滅するまで流れ続けます。すなわち電流の下降時間が遅くフライホイルダイオードには、ソレノイドへの電流が遮断さなることになります。ソレノイドは電流が流れている間は推力れたときにのみ電流が流れます。従ってソレノイド電流の遮断を発生し続けますので、この間だけ復帰時間が遅れることになの頻度が高いほどダイオードへの通電頻度が高くなります。ソ

ります。アプリケーションによっては問題になることが考えら

レノイドへの通電時間ではありません。ソレノイドの電力制御れますので、実作動状態での確認が必要です。のために、高速でスイッチングを繰り返す、通電率制御 (PWM)を行う場合がダイオードに最も頻繁に電流が流れます。ただし、■3.6. ダイオード以外での対策

その値はソレノイドに流れる電流値を超えることはありませツェナーダイオードやバリスタの設定電圧はソレノイドの復ん。このため、ダイオードの電流定格はソレノイドへの通電電帰時間に影響し、高いほど時間短縮効果は大きくなります。た流を満足するものであれば問題ないことが分かります。

だし、ソレノイド電流を断続するスイッチや、半導体スイッチ

ダイオードの電流定格はソレノイドに流れる電流を基準と素子（トランジスタや FET）には、電源電圧とツェナーダイオーし、通電頻度を考慮して決定します。ダイオードは周囲温度にドの設定電圧の合計電圧が加わりますので、素子の耐圧を見直より流せる電流に制約を受けます。周囲温度によるディレーす必要があります。ツェナーダイオードで蓄積エネルギーを損ティングに注意してください。ディレーティングカーブはダイ失させるわけですから、ツェナーダイオードは電力用を必要とオードの定格を参照してください。

します。ツェナーダイオードは、片方向素子なのでダイオードPWM 制御を行う場合には、リカバリタイムの小さい高速なと直列に組み合わせて使用しますが、バリスタは極性が無いのものが必要ですが、単純な ON/OFF の場合には一般整流用で十で単独で使用します。交流回路にも使えます。バリスタには連分です。

続して印加できる最大電圧（最大許容回路電圧）が規定されて■3.3. 電圧定格いますので、電源電圧がこの値を超えないように注意する必要

ダイオードに印加される逆電圧は通常電源電圧以上が加わるがあります。その設定電圧と効果はツェナーダイオードと同じことはありません。ただし、一般的に AC ラインには各種機器です。スイッチング素子に与える影響も同様です。バリスタは、Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

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< ソレノイドを使う >図 3.1. 逆起電力対策回路

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ダイオード
ダイオード

SW に加わる電圧( 電源電圧 )

ON 期間

SW

ソレノイド
コイル

電源電圧

e

0

V

ダイオードに流れる電流i

復帰遅れ時間ツェナーダイオード
ダイオード

電源電圧

e

0
SW に加わる電圧( 電源電圧＋ツェナー電圧 )

SW
ソレノイド
コイル
V

ツェナー電圧i
ツ ェナ ー ダ イ オ ー ド
復帰遅れ時間

電源電圧

バリスタ

e

バリスタ
SW

0
SW に加わる電圧( 電源電圧 + バリスタ電圧 )

ソレノイド
コイル

バリスタ電圧Vi

復帰遅れ時間セラミックバリスタ、酸化亜鉛バリスタなどと呼ばれ、各社か■次号予告ら供給されています。

今回は紙面を今までの倍の 4 ページを用意しましたが、残念

なお、この方法によっても復帰遅れ時間が無くなるわけではながらここでスペースがなくなってしまいました。

なく、短くなるだけですのでご注意ください。

フライホイルダイオードを挿入することによる問題の解決、また、CR を使用して火花消去を行う方法もありますが、素バリスタの選定方法などは、次号にお伝えすることにいたしま子の選定が非常に困難で、確実に効果を得るのが難しく、お勧す。また、自己保持型ソレノイドの駆動方法、比例ソレノイドめできません。

や SS ソレノイドを用いた位置制御などの方法についても、順次掲載していく予定です。また、お客様から頂くご質問へのご回答をまとめてご紹介することも考えております。今後とも「めかとろ通信」にご期待ください。
■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2015 年 9 月現在

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