ソレノイド製品技術解説 - ケージーエス株式会社

視覚障害者用福祉機器と精度の高いソレノイドの開発生産、産業用機器から民生用機器まで

ソレノイド技術解説本文

1. KGS DC ソレノイドの特徴

DC ソレノイドは、電気エネルギーを機械的な直線運動に変換させる電磁機能部品です。KGS のDC ソレノイドは下記の特長を有し、数多くの産業の各種の用途に使用されています。
当カタログの標準モデル品をベースに、お客様のお求めにより、特長を生かした特性、品質の製品を提供しています。豊富な当社の製品シリーズから、お客様の設計思想を満たす製品をお選び下さい。

  • (1)制御性の良さ
    • 動作させる時だけ、通電する制御性に優れる。
    • 応答(動作)時間が、速く、一定であるため制御性に富む。
  • (2)応用性の高さ
    • コイル仕様と鉄芯の先端形状を変えることにより、負荷特性に合わせた吸引力特性が得られる。
    • 通電方法による吸引力の上昇が計れる。
  • (3)安全への対応
    • 逆起電圧の吸収をダイオード内蔵で解決。
    • 異常なコイル温度上昇を温度ヒューズ内蔵で防止。
  • (4)作業性への対応
    • ジョイント部の形状は使用方法に応じて変更可能。
    • リード線の端末にコネクタ等の装着が可能。
  • (5)信頼性・低騒音化への対応
    • 摺動部の表面処理によって動作耐久性(寿命)を延ばすことができる。
    • 可動鉄芯の動作音も低音化可能。


2. ソレノイドの構造

KGS のソレノイドは図1 のように磁気回路となるフレーム・可動鉄芯・固定鉄芯・及び励磁用コイルから成り立ちます。

図1 画像の説明


3. 品名の呼称のしかた

KGS ソレノイドは、SDC-0740(7M)、KPS-0730(7X)、のように記号と数字とアルファベットで、機種を表現します。

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※ただし、CA、チューブラ型は除きます。


4. カタログの見方

外観寸法図は吸着時の状態です。
 図2

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         ↑

間欠通電時の消費電力の電圧を連続印加
した場合の印加時間と温度上昇の関係







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       ↑

  吸引力特性(初期値):
  コイル温度20℃の時の吸引力

  • 通電率については、6 項(連続定格と間欠定格)を参照ください。
  • コイル温度上昇分に周囲温度を加えた温度が、コイル温度になります。9 項(温度上昇の測定方法)を参照ください。
  • 連続定格の温度上昇分は65℃を超えないため、カタログのグラフから除いてあります。
  • 吸引力特性データは、コイル温度20℃における初期平均特性値です。

SDC-0740(7M) 標準コイル数

電圧[V]通電率[%]抵抗[Ω]±10%
at20℃
消費電力[W]電流[mA]
6V連続[100%]12Ω3W500mA
12V連続[100%]48Ω3W250mA
24V連続[100%]192Ω3W125mA
6V間欠[25%]12W2,000mA
12V間欠[25%]12Ω12W1,000mA
24V間欠[25%]48Ω12W500mA


標準コイル表は、連続(通電率100%)と間欠(通電率25%)の場合の使用電圧、抵抗値、消費電力、電流値の関係を示しています。
間欠で通電率25%以外のコイル抵抗値については「5.グラフからの抵抗値の求め方」「6.連続定格と間欠定格」を参照ください。


5. グラフからの抵抗値の求め方

このカタログの吸引力特性グラフから消費電力(P)がわかります。使用される電圧値(E)はお客様によって決められますので、次の式から抵抗値(R)が求められます。

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(例)SDC-0740(7M)は連続消費電力は約3W です。電圧12V で使用する場合のコイル定抵抗の算出は、

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となります。


6. 連続定格と間欠定格

定格には連続定格と間欠定格とがあります。

  • 連続定格
    • 周囲温度20℃において、連続して何時間通電してもコイル温度が65℃以下になるように設計しています。連続で通電できる定格です。
  • 間欠定格
    • 連続定格よりも数倍の吸引力が得られる反面、消費電力増となり、秒きざみでコイル温度が上昇(カタログのコイル温度上昇特性参照)するので、通電(ON)時間と遮断(OFF)時間の割合である「通電率」から、最適のソレノイドを選ぶことが必要です。

通電率(DUTY CYCLE と表現することもあります)の求め方

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7. 保持時の消費電力を削減する方法

DC ソレノイドの吸引力は、ストロークが小さくなるほど急激に大きくなります。従って、吸引後のソレノイドの力(保持力)は負荷に対して余裕があり過ぎる傾向にあります。このムダな電力を少なくする使い方が半間欠通電使用と呼んでいる方法です。つまり吸引動作の間は大きい電力を与え、動作完了後は、負荷を保持するのに必要なだけの電力に落とす使い方です。
具体的には、次の2 つの方法があります。

  • (1) 半間欠通電
    • コイルに印加する電圧値を吸引・吸着後に下げる。
  • (2) 3 リード式
    • コイルに中間タップを設け、3 本のリード線を引出し、駆動回路側でコイル端子を切り替えて吸引完了後の電力を下げる。

(1)の場合、高い電圧と低い電圧の2 つの電源が必要になります。半間欠通電により、保持時の余分な電力が節減でき、サイズの小さいソレノイドを有効に使用するメリットがあります。

(2)の場合、2 つのコイルの大きさの関係がいく通りかあり、特性に適したものを選ぶ必要がありますので、ご相談ください。


8. 温度上昇の測定方法

温度上昇の測定には、水銀あるいはアルコール温度計を用いる温度計法が簡単で一般的な方法ですが、ソレノイドの場合、コイルの温度上昇は内部から外部へ向かっての温度傾斜がかなり大きいため外側の温度計測では、コイル温度の正しい値が得られません。そのため、銅の抵抗温度係数を利用した抵抗法によって平均温度を測定する方式がとられています。

・抵抗法計算式は下記のようになります。

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t1=通電前の温度[℃]
R1=通電前の抵抗[Ω]
t2=通電後の温度[℃]
R2=通電後の抵抗[Ω]

この式よりt2 を求めると

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・温度上昇分θ は、求めたt2 より

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△t=通電前と温度上昇後の周囲温度の変化[℃]
周囲温度が上がった時減算し、下がった時は加算する。

で求められます。

  • 上記(1)、(2)式を変型して計算に便利な形にすれば、抵抗法による簡易な温度計算式となります。
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9. 耐熱クラス(旧 絶縁階級)

ソレノイドのコイル温度上昇分と周囲温度の和によって、ソレノイドに使用される材料は、JISC4003 電気機器耐熱クラスの種類(105℃[A]、120℃[E]、130℃[B])などの制約を受けます。当社のソレノイドは『105℃[A]』のものを標準にしています。標準の105℃[A]だけでなく、120℃[E]、130℃[B]の製作も可能です。使用条件や周囲温度の条件により、耐熱クラスをアップさせたい場合は、当社までお問い合わせください。
仕様についてのお問い合わせの際は、周囲温度の範囲についてもお知らせください。
使用温度範囲は、18項を参照ください。


10. コネクタ付リード線、及び、端子方式

ソレノイドには入力部が端子方式のものと、リード線方式のものがあります。カタログは、リード線方式にて編集してありますが、端子方式も生産しています。
また、リード線の先端部にコネクタを装着することも可能です。詳細は、当社までお問い合わせください。


11. 吸引力の低下

ソレノイドの吸引力変動要因として、以下のことが考えられます。

(1)コイル温度変化による吸引力値の変動
吸引・保持力は理論上起磁力(アンペア[A]:電流×銅線の巻数)(旧アンペア回数:AT)の2 乗に比例します。コイル(銅線)の巻数は一定なので、電流値の2 乗に比例するとも言えます。
コイルの温度が変化すると、銅線の抵抗値は表の抵抗係数を掛けた値に変化します。従って、吸引・保持力も理論上、吸引・保持力係数を掛けた値に変化します。つまり、温度が上昇すると抵抗値が上がり、電流値は下がることになり、吸引・保持力は低下します。

温度(℃)02060100120
抵抗係数0.9211.161.311.39
吸引・保持力係数1.181.000.750.580.52

理論的には、コイル温度100℃の時の吸引力特性は、カタログ記載の初期の値の0.58倍になります。しかし、実際には磁気回路の磁気飽和の影響により吸引・保持力は上記係数ほどの変化はありません。

(2)電圧変動による吸引力値の変動

電源電圧の変化が吸引力に及ぼす影響については、次の2つの場合が考えられます。

  • ①.電源電圧の変化がコイルの温度上昇に影響を与えない場合。
    • 電源電圧の変動がきわめて短時間の場合やソレノイドの使用時間がきわめて短い場合等は、電源電圧の変動がそのまま起磁力の変化となり、吸引力の変化となります。
  • ②.電源電圧の変化がコイルの温度上昇に影響を与える場合。
    • 電源電圧の変化がかなりの長時間にわたる場合、電源電圧の変動により吸引力値も変化しますが、同時にコイルの温度も変化します。これによる吸引力値への影響と複合するので、電源電圧の変動の範囲を予め特定して、吸引力値の変動の範囲を知ることが、ソレノイドを有効に使用する秘訣となります。


12. 鉄芯形状による吸引力の変化

当社では、SDC タイプはC 形、KPS タイプはF 形の鉄心形状を標準としています。
お客様の要求される吸引力特性に合わせた鉄心形状に変更することも可能です。
下図にその特性の違いを示します。

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13. 消音タイプ

通常タイプのソレノイドでは、可動鉄芯が吸引され固定鉄芯に衝突したときに金属音が発生します。その金属音を緩和する消音タイプも製作しています。
消音タイプとは、可動鉄芯が吸引されても固定鉄芯に直接当たらないよう緩衝物で、約1mm のエアー・ギャップを設け、金属音を発生させないようにしたものです。
ただし、カタログの吸引力特性曲線は、使用ストロークに対して1mm を加えた値でお読みください。

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14. 寿命

ソレノイドの寿命は、可動鉄芯とガイド(黄銅パイプ)の摺動面の機械的磨耗に大きく左右されます。DC ソレノイドではこの摺動部に摩擦係数を少なくする処理を施し、寿命を延ばすことが可能です。
一般に、可動鉄芯はニッケルメッキで黄銅パイプが酸洗いの組合せで、寿命は3~5 万回といわれていますが、可動鉄芯と黄銅パイプに各種の処理を施すことで、相互に摩擦係数を減少させ、耐磨耗性を向上させ、寿命を延ばすことができます。当社では下表の組合せにて、設計等を行っています。

可動鉄芯の処理黄銅パイプの処理寿命
ニッケルメッキ酸洗い3~5 万回
モリブデン処理酸洗い30~50 万回
モリブデン処理モリブデン処理100 万回
テフロン処理モリブデン処理300 万回超

この表に示された寿命についても、負荷・ストローク・ソレノイドの吸引力・断続動作条件・周囲温度条件等により相違が発生します。ソレノイドを使用する機器の耐用年数、使用頻度から、ソレノイドに対する必要寿命回数が設定できますが、この設定した寿命回数に対し、30~50%の余裕を有するソレノイドを選ぶことが適切とされています。お客様が安全設計をされるとき、吸引力等に過剰な安全マージンを設定される場合がありますが、これは寿命に悪影響を及ぼすことがあります。設計の際は当社までご相談ください。
寿命回数はソレノイドの使用条件や取付状態に左右されるので、使用する機器に実装してテストを行い確認できれば理想的です。
摩擦係数が増加し動作不完全となったソレノイドには、鉄芯の先端部の一方向部分が磨耗しているケースが多くあります。これは可動鉄芯の動作方向に対して、直角方向の分力が掛かっていたことを示しており、これの改善で寿命を延ばすことに成功した例は多くあります。従って、可動鉄芯、パイプの組合せだけでなく、ソレノイドにかかる負荷の与え方についての考慮が長寿命の秘訣です。


15. 残留保持力と鉄芯戻し力の関係

鉄を磁界中で磁化させた後、磁界を取り去っても鉄に僅かな磁束が残ります。この磁束を残留磁束、または残留磁気と呼びます。
ソレノイドに通電して鉄芯が吸引した後、通電を切った場合にも磁路中に残留磁気が発生します。この残留磁気による保持力を残留保持力と呼び、鉄芯を戻す時の戻し力を決める目安となります。
残留保持力は、鉄芯保持面の形状(面積)と磁気回路の磁化特性、励磁起磁力の大きさ等によって決まります。このカタログに記載されている特性のものでは、小さい機種(鉄芯径φ7 以下)で20~30g、大きい機種(鉄芯径φ8 以上)で50~70g 程度あります。カタログ記載以外で保持力の大きいF 形、FT 形(図5 参照)の鉄芯では、200~300g になるものもあります。
鉄芯の戻し力は、この残留保持力と、摩擦力、鉄芯の質量を加味して決める必要があり、少なくとも下記の戻し力が必要となります。

戻し力 = (残留保持力)× 2 + (鉄芯質量)

消音付のソレノイドでは、鉄芯間にエアー・ギャップがあるため残留磁気は非常に小さな値となり、残留保持力も殆ど0 になります。従って戻し力は鉄芯自重と摩擦力に若干の余裕を加えればよいことになります。
永久磁石を使った自己保持形ソレノイドの戻し力については、「20.自己保持形ソレノイド(KPS)動作説明」の自己保持形ソレノイドの解説を参照してください。


16. 温度ヒューズとダイオードの内蔵

電気回路の故障等により異常通電された場合や、周囲温度が異常に上昇する恐れのある場合は、コイルの焼損、発火を予防することが安全上求められます。温度ヒューズを内蔵することにより、未然に確実にそのような事故を防ぐことが可能となります。ご注文により温度ヒューズ内蔵のソレノイドを製作していますので、詳細お問い合わせください。
また、逆起電圧吸収のためダイオードを内蔵させるソレノイドもご注文により製作しております。
温度ヒューズ、ダイオード両方を内蔵するソレノイドについても承っております。ソレノイド
のサイズ、コイル外装ふくらみ等制約事項もありますので、詳細は、当社までお問い合わせください。


17. 電源

駆動させるための電源は、安定化電源、バッテリー電源等の直流電源を使用して下さい。AC 電源を整流にして使用する場合、半波整流未平滑回路ではソレノイドに励磁しても可動鉄芯が振動し、正常には動作しないことがあります。全波整流回路では脈流分が少ないため、より安定的な動作は得られますが、図7 のように平滑コンデンサを使用することで、より電源の安定化を図ることがソレノイドを上手に使うコツといえます。

  図7

画像の説明


18. 絶縁抵抗・耐電圧・保存温度範囲・使用温度範囲

標準モデルタイプの「絶縁抵抗」「耐電圧」は、常温、常湿の条件下でコイルとフレーム間の規格として、SDC タイプのSDC-0740(7M)以下、自己保持形のKPS-0740(7R)以下の小型のもの、及び、チューブラ形、CA、DKS シリーズ等は、『絶縁抵抗:DC250V メガ、100MΩ 以上、耐電圧:AC500V 50/60Hz 1 分間(常温・常湿)』とし、SDC-0825(8AK)以上、KPS-0827(8W)以上の大きいものは、『絶縁抵抗:DC5000V メガ、100MΩ 以上、耐電圧:AC1000V 50/60Hz 1 分間(常温・常湿)』を規格としています。
保存温度範囲は、-30~100℃、使用温度範囲は、-5~40℃、にて設計しています。
これらの範囲外で使用されるとき、不明な点など当社までお問合せください。


19. 自己保持形ソレノイド(KPS)動作説明

自己保持形ソレノイド(KPS)は、SDC タイプのソレノイドに永久磁石を内蔵させたものです。無通電状態でも永久磁石の磁力による保持力(無励磁保持力)が得られ、長時間の連続保持が必要な用途に最適です。

  • 19-1. 吸引動作
    • 内蔵の永久磁石の磁気力に、励磁コイルによる電磁力が加算されるように通電し、吸引力を増加させ可動鉄芯を吸引します。
    • 動作電圧の印加時間は、ストロークや負荷などによって異なりますが、30~150ms 位で動作します。
  • 19-2. 復帰動作
    • 無励磁保持状態の可動鉄芯を復帰(開放)させるには、永久磁石の磁力を打ち消すように、吸引動作と逆極性の電流をコイルに加えて保持力を小さくし、スプリング等の外部の戻し力によって可動鉄芯を引き離します。復帰動作電流(電圧)は、保持力が戻し力よりも小さくなるように設定する必要があります。
    • KPS ソレノイドに通電したときの保持力の変化は、図8 のようになります。電流0 のときの保持力(無励磁保持力)は”A”です。コイルに加える復帰電流を0 から徐々に大きくしたとき保持力は徐々に小さくなり、”B”に達すると永久磁石の磁力を完全に打ち消して保持力は0 になります。さらに復帰電流を大きくすると励磁コイルによる保持力が発生して徐々に大きくなり、”C”に向かって変化します。

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可動鉄芯を引き離すには保持力が戻し力よりも小さくなるようにI1~I2 の範囲の電流を加える必要があります。
電圧を加える場合は、E=R×(I1+I2)÷2 がほぼ最適値になりますが、コイル抵抗値(R)は温度によって変化しますので、使用温度範囲とソレノイドの自己発熱を考慮して決める必要があります。
復帰電圧(電流)の印加時間は、コイルのインダクタンスや戻し力の値によって異なりますが、概ね30~100ms です。
これらの電流値・電圧値は、ソレノイドの種類とコイルの定格、戻し力によって異なりますので、当社までお問い合わせください。

当社のKPS タイプのソレノイドは、2 リード式(動作・復帰コイルが共通)を標準タイプとしていますが、特注品として動作コイルと復帰コイルをそれぞれ独立に設け、一端を共通端子とし3 リード式も製作可能です。

・3 リード式(KPS タイプ)
1つのボビンに2 つのコイルを巻くので、吸引力の効率(同じ電力での吸引力値)は2 リード式よりも劣りますが、復帰コイルが独立していますので、動作電圧と同じ極性・同じ電圧値での使用が可能です。

  • 19-3. 駆動回路
    • 駆動については、使用方法により色々な工夫がありますが、参考までに、一般的な回路例を図9~図12 に示しました。

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20. 鉄芯のジョイント部の形状

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カタログの外観図が標準タイプのジョイント形状となりますが、上記の形状も製作可能です。
また、お客様のメカ機構に対応した形状やサブASSY(スプリングピンを使用した金具の取り付け。等)も対応しております。詳細は、当社までお問い合わせください。


21. マーキング


画像の説明

標準モデル品は、一般に左図のようにマーキングしています。
(イ):KGS または、登録商標
(ロ):製造年月(略称)
(ハ):抵抗値または、電圧値


ご要求により、部品番号、その他をマーキングすることができますので、当社までお問い合わせください。


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