最近、DigiKeyの在庫から小型コンタクタを取り出して、反転三相モータスタータの機能を紹介しました。当然のことながら、私は適切にコンタクタを分解して大まかな構造を調べ、なぜ固定されているように感じたのかを突き止めました。ほとんどのコンタクタのアーマチュアは自由に動きますが、このコンタクタは「動かなくなって」おり、動かすためにはドライバの先で、かなりの力で押さなければなりませんでした（アーマチュアの露出部分を押してリレーを強制的に動かしました）。コイル機構には2つの永久磁石と、コイルのすぐ近くには数枚の金属板があり、内部を観察するとすべてが明らかになりました。
この記事では、永久磁石の構造と目的について、アーマチュア速度の向上と省エネ設計の特長に重点を置いて説明します。先に進む前に、リレーにおける磁束の挙動に関する補足的な解説記事を読むことをお勧めします。このコンタクタにおける磁場の相互作用を理解するには、磁束が風船を締め付ける輪ゴムのように作用するという概念が不可欠です。
永久磁石を使用したリレーとコンタクタにはコイル極性があります
まずコイルの極性について説明しましょう。ほとんどのリレーは、コイルに流れる電流の方向には関係ありません。しかし、このコンタクタのコイルには極性があります。 プラス端子はA1に、マイナス端子はA2に接続しなければなりません。これを怠るとリレーは作動しません。
コイルを逆向きに接続し、アーマチュアに機械的な力を加えると、さらに興味深いことが起こります。アーマチュアはコイルが作動している間は動きません。しかし、手動による力が加わったままだと、コイルを停止したときにプランジャが動きます。これらのヒントは、電磁石と永久磁石の間に磁場の相互作用があることを強く示唆しています。この逆極性の実験は、磁場が互いに作用しあってそのアセンブリの移動速度を上げていることを示唆しています。これは観察の逆であり、逆極性ではそれらは互いに保持されます。最後に、少なくともコイルが常時オフの位置にあるときは、永久磁石が電磁石より強いことがわかります。
技術的なヒント： 多くのリレーおよびコンタクタには、サージ抑制ダイオードが内蔵されています。このダイオードは、コイルに逆極性を印加する前に取り外す必要があります。
コイルと永久磁石を含むコイルアセンブリの概要
Schneiderの DPE09BL のコイルアセンブリを図1に示します。このリレーは、2つの永久磁石を備えた軟鉄アセンブリとともに、DC24 Vのコイルを備えています。拡大図を図2に示します。この図は、アセンブリとサイドプレートの上面図です。
図1： 永久磁石を備えたコンタクタのコイルアセンブリの写真。非通電状態の位置にあるコイルのスケッチも含む
図2： コイルアセンブリ上面の分解図
電磁石と永久磁石の相互作用の説明
このコイルアセンブリの動作はすぐにはわかりません。以下は、その動作を説明するための私の最善の試みです。これが不完全なものであったり、デザインの本質的な部分が欠けていたりする可能性があることを、私は素直に認めます。しかし、先に述べたように逆極性は強い保持力を生み出すので、この情報が正しいという確信がそれなりにあります。極性を逆にしたときに永久磁石と電磁石がこれほど強固に保持し合うのであれば、通常の極性を適用したときには同じ力で反発し合わなければなりません。コメントや訂正は大歓迎です。
図3の3つのパネルは、オフ時、通電開始時、および最終的なオン時の位置の3つのリレー状態のそれぞれにおける磁場を示す試みです。磁場は閉じたループを形成することを忘れないでください。磁場は空気中よりも鉄を含む物質の中を移動することを好みます。最後に、磁場は最短経路を求め、そのために物質を移動させようとします。
図3： 3つのアクティベーション状態それぞれにおける永久磁石と電磁石の相互作用を示すスケッチ
左から右に見ていきます。
-
左：リレーの弛緩（オフ）状態を示します。アーマチュアはバネの力（図示せず）で押し上げられています。電磁石はオフになっています。アーマチュアは鉄製で青色のバーで表されています。磁束ループは側面を上に進み、通電されていないコイルコアを通って下に進み、下部プレートを横切り、上に向かって磁石のS極に戻ります。
-
中央：このパネルは、電磁石が作動した瞬間のリレーの状態を表しています。電磁石は現在、想定される磁極を持つ緑色のバーで表されています。アーマチュアはまだスプリングの張力で保持されています。永久磁石と電磁石が反対に設定されていることに注目してください。 このため、下部アーマチュアプレート上のS極-S極が見られます。その結果、アーマチュアを押し下げる力が発生します。
-
右：リレーアーマチュアの通電（オン）時の位置です。磁束ループは電磁石の中を上昇し、金属の側面を伝ってコアに戻ります。磁束がループ径を最小にしているため、この状態はアセンブリにとって低エネルギー状態となります。これは、アーマチュアを動かしてエアギャップを小さくすることで行われました。永久磁石が事実上切り離されていることに注意してください。距離が離れているため、アーマチュアへの作用はほとんどありません。
物理的な構造はアーマチュアの速度を上げ、エネルギーを節約します
要約すると、永久磁石と電磁石の磁界が相互作用してアーマチュアを静止位置（非通電位置）から「押し出す」のです。動き始めると、電磁石によって駆動される一次磁束がアーマチュアを捕捉します。風船を輪ゴムで締め付けるように、磁束はループの直径を最小にし、アーマチュアを強制的にオン位置にします（図3、右）。
最終的には、関連するコイルサイズによって示唆されるよりも高速に動作するリレーが得られます。この設計により、コイルのサイズとそれに伴うエネルギー消費量も削減できると思われます。
冒頭で述べた固定される動作に関しては、図3の左がその答えを示しています。永久磁石からの磁束はアーマチュアを非通電状態に保持する働きがあります。リレーを強制的に操作するオペレータは、コンタクタを強制的に操作するときに張力と突然の解放を観察します。確かにアーマチュアはまるで固着されているように感じられます。しかし、この記事で実証されているように、そうではありません。むしろ、見かけの「張り付き感」は賢い設計上の特徴です。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
著者について
Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築された独自のエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間の教育によってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭を取り、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍用電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。LinkedIn | Aaron Dahlen - Application Engineer - DigiKey