大半の人は、リレーは磁気吸引力によって作動すると教えられてきました。私たちはコイルに電流が流れると磁界が発生すると理解しています。この磁界がアーマチュアを引き付け、接点が動きます。
その通りです。
しかし、その説明では不完全で、リレーに見られる一般的な物理的特性を説明できません。この記事では、リレーの理解を深めるために、これらの構造を探っていきます。磁気回路に関するこの知識があれば、高度なリレー構造をより深く理解することができ、トランスやモータといった密接に関連したトピックにも理解を広げることができます。
磁束の特性
まずは2つのシンプルな原則から始めましょう。
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磁束線などというものは存在しません。 線の代わりに、空気を通過できるが鉄系材料の中をより通過しやすい連続フィールドであるループがあります。
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磁気ループは、可能な限り最短となるエネルギー準位を「求めます」。これには2つの条件があります。第一に、鉄系材料内を移動するのは空気よりも望ましい。第二に、磁束ループはバネの張力と重力に逆らって引っ張ることで、積極的に経路を短くしようとします。
この2つの特性を念頭に置き、物理的な構造を検討することで、リレーの概念モデルを改良することができます。
一般的なリレー
一般的なリレーのクローズアップ写真を、磁気回路の簡略図とともに図1に示します。コイルのコア、ヨーク、アーマチュアなど、磁気回路に関連する大型の金属構造物に注目してみましょう。これらの各エレメントは、磁気ループに低リラクタンス経路を提供する鉄系材料で構成されています。ほぼすべてのリレーで同様の構造が見られます。
図1： リレーのクローズアップ写真と簡略化された磁気回路
プラスチックなどの材料と比較すると、この材料は重く、高価であり、製造が困難である可能性が高いことがわかります。しかし、鉄系材料はリレーの必須コンポーネントであると結論付ける必要があります。そのため、この普遍的な構築手法をリレー動作の概念モデルに組み込む必要があります。
図2は、リレー開時とリレー閉時の磁束の経路を示しています。駆動力は（磁束を発生させる外力）はコイルです。磁界の強さは、コイルの巻数と電流に比例します。左側では、磁束ループがソレノイドのコア、ヨーク、アーマチュアプレートと移動することがわかります。そして、エアギャップをジャンプしてスタート地点に戻ります。
これにより、磁束は鉄系材料内に閉じ込められることを優先してループ内を移動するという最初の原則が成り立ちます。磁束はコア、ヨーク、アーマチュアの枠の中を、選択の余地がなくなるまで自由に移動します。その結果、最短経路はアーマチュアからソレノイドコアのエアギャップを通ることになります。
図2： リレー開時とリレー閉時の磁路を示す図
ここで第2の原則を適用することができます。
風船に付けられたゴムバンドのように、磁気ループはループ自体に含まれるすべてのコンポーネントに力を及ぼします。この効果により、正味の周長が可能な限り小さくなります。このリレーの例では、アーマチュアは自由に動きます。磁場がバネの張力に打ち勝つのに十分な強さになると、そのようになります。その結果、コア、ヨーク、アーマチュアを含む鉄系材料内に磁束が収まるため、ループ長が短くなり、それに伴ってエネルギー状態も減少します。
図1に戻ると、これら3つのコンポーネントはすべて、磁束の低リラクタンス経路を提供する十分な厚みを持つ金属であることがわかります。それはもはや見過ごすことのできない、リレーデザインに不可欠な要素なのです。
技術的なヒント： 低エネルギー状態の概念を理解するのは難しいかもしれません。私たちの人間の視点を考慮してください。私たちは物は落ちることを知っています。物体が倒れて地面に横たわるとき、物体はエネルギーが最も低い状態になります。磁石はこの観察に反しているように見えます。磁石は、例えば冷蔵庫に写真を保持するために、再び重力に反して「引き上げる」ことができるからです。磁石は、静止して重力に逆らって「機能」しているように見えます。この矛盾は、磁束とループの長さを考慮すれば解決します。磁石が「落ちない」のは、磁束のループが短くなったからです。磁気のループは、最も抵抗の少ない経路を探します。関連して、磁石のN極とS極が互いに求め合うのはこのためです。ループの径は小さくなり、システムはより低いエネルギー状態にあります。
レビュー
コイルがアーマチュアを引きつけるというのは単純すぎます。
そうではなく、磁束はループの長さを最小にしようとすると言うべきでしょう。リレー部品は磁束のリラクタンスが低く設計されており、アーマチュアとコイルの間の距離で磁束が締め付けられるゴムバンドのように作用するように感じられます。
ご健闘をお祈ります。
APDahlen