パワーエレクトロニクス回路の電磁ノイズ低減設計と障害事例解説

はじめに：実務現場で直面するパワーエレクトロニクス回路の電磁ノイズ問題

製造業の現場では、生産設備や制御盤、産業用ロボットなど、多くのアプリケーションでパワーエレクトロニクス回路が幅広く活用されています。

このパワーエレクトロニクス技術の進化によって、工場の自動化や省エネといったメリットが拡大する一方、現場では「電磁ノイズ」が大きな課題として根強く残っています。

特に昭和時代から受け継がれてきたアナログ思考や現場裁量が強い業界では、ノイズ対策が十分に体系化されず、原因不明の装置停止や品質トラブルが多発しています。

本記事では、現場目線から電磁ノイズ問題の本質と効果的な設計・対策方法、そして具体的な障害事例とその改善手法について、分かりやすく解説していきます。

パワーエレクトロニクス回路で発生する電磁ノイズの正体とその影響

電磁ノイズはなぜ生まれるのか

パワーエレクトロニクス回路では、高速スイッチング動作を繰り返すことで大きなエネルギーを効率よく制御できます。

一方で、この高速スイッチング（オンオフの切替え）自体が、配線や基板、周辺機器にノイズを生み出します。

電磁ノイズ（EMI）は主に以下のような経路で拡散します。

・伝導ノイズ…電源ラインや信号線を通じて拡散するノイズ
・放射ノイズ…空間を通じて他機器へ影響するノイズ

このようなノイズが現場機器同士の誤動作や通信障害、機械の不良停止へと発展することがあるのです。

現場で具体的に現れるトラブル

パワーエレクトロニクス回路のノイズ問題は、主に次のような形で現れてきます。

・PLC（シーケンサ）やタッチパネルのフリーズ
・インバータの誤動作
・サーボアンプのアラーム発生
・センサーの誤検出
・基板焼損や電子部品の過熱

特に生産現場では、「いつもと同じ配線」「以前と同じ設計」で新たな装置を導入した際に突発的な障害が起こりやすいという特徴もあります。

現場のバイヤーやサプライヤーには、こうした電磁ノイズの本質とリスクを事前に理解しておくことが求められます。

電磁ノイズ低減のための設計ポイント

1. グラウンド設計の最適化

グラウンド（接地）は、ノイズ対策の最重要項目です。

複数の機器や回路が同じグラウンドラインを共有していると、ノイズが瞬時に全体へ拡散し、機器誤動作の連鎖を招くリスクが高まります。

現場実務では、「一点アース方式」を徹底し、ノイズ源と制御機器のグラウンドを明確に分離することが有効です。

また、工場など大規模な現場ではアース間電位差にも注意しなければなりません。

導体の太さやアース線の接続順序、配線距離も不良トラブルの大きな要因となります。

2. 配線レイアウトと経路分離

電源・信号・通信ケーブルを同一ダクトや束線内で一緒にまとめている現場は少なくありません。

しかし、パワーライン（電力系の配線）と信号ライン（センサーや通信ケーブル）は必ず物理的に分離し、交差する場合もできるだけ直角にします。

また、ケーブルシールド（編組線）は片側接地、または両端接地のどちらを選択するべきか、現場ごとのノイズ環境に合わせた判断が必要です。

3. 各種ノイズフィルタやフェライトコア活用

電源投入部やインバータ出入口など、ノイズ発生源となる場所には、ノイズフィルタやフェライトコアの適切な導入が効果を発揮します。

装置ごとに「適正容量のフィルタを選定し、短いリード線で接続する」といった基本が非常に重要です。

特にお客様現場で「とりあえず安価な共通フィルタを後付けしたら改善した」という現象もありますが、原因究明と用途最適化を怠ると、将来的に更なる障害を生みかねません。

アナログ思考が根づく現場で起きやすい障害事例

事例1：インバータの導入に伴う機械誤動作

・背景：
老朽化した搬送設備を省エネ目的でインバータ駆動に更新。

・トラブル：
周辺の制御盤やPLCが頻繁に再起動。通信遮断も同時多発。

・原因と対策：
古いアース配線を流用し、ノイズ分離が全くできていなかったことが根本原因でした。

配線経路の見直しと信号ライン専用のノイズフィルタ導入、アースの一点化で問題を解消できました。

事例2：複数機械の共同アースによる相互障害

・背景：
現場の「配線をまとめてアースすればよい」という昭和流発想で、各種設備のアースを集合柱に一括接地。

・トラブル：
新設した自動機のみが、夜間に不定期で停止。

・原因と対策：
他機械からの大電流ノイズが新設自動機の制御回路に流れ込み、誤トリガーが発生。

新設自動機だけ独立したアースポイントを持たせることで、トラブルが再発しなくなりました。

現場では「昔からこうしてきた」の思い込みにこそ、トラブルの種が潜んでいるのです。

デジタル化・自動化時代のノイズ対策：今後のトレンド

産業設備のIoT化とノイズリスク拡大

近年、現場機械のIoT化・遠隔監視が進み、通信ケーブルや無線通信が工場全体に広がっています。

通信信号は従来より格段に微細かつ高速になっているため、少しのノイズ混入でも情報エラーや誤制御のリスクが高まります。

今後は単純な「電源のノイズ対策」だけでなく、ネットワーク全体のEMC（電磁環境適合性）管理やノイズモニタリング技術の本格的な導入が必須となります。

最新対策：EMC規格遵守と多層的アプローチ

日本のみならず、グローバルでのものづくりでは、IEC規格やCISPR、EN規格など国際EMC基準への適合が重要です。

製品単独でのノイズ試験、設計段階でのシミュレーション、加えて現場据付時の再調整といった「多層的ノイズ対策」が常識化しています。

また、AIを使ったノイズ原因推定やデータロガーによる障害予兆管理など、先進的な取り組みも増えつつあります。

バイヤー・サプライヤーの立場からは、単なる安価な部品供給ではなく、「EMC設計力」や「現場サポート力」そのものが競争力の軸となりつつあります。

まとめ：現場目線で、粘り強いノイズ対策こそ製造業の強み

パワーエレクトロニクス回路の電磁ノイズは、どんなに技術が進化しても現場から完全に消すことはできません。

しかし、現場で培った経験と新しい知見を柔軟に取り入れ、グラウンド設計や配線分離、フィルタ導入、そして定期的なノイズ測定を地道に重ねることで、大きな障害を未然に防ぐことが可能です。

また、「うちは昔からこうしている」「以前は問題なかった」というアナログな思い込みを常に問い直し、現場目線の実践的ノウハウを組み込むことが、日本の製造業が次代を乗り越えるための土台となります。

これからバイヤーを目指す方や、サプライヤーとして現場貢献力を高めたい方には、是非ノイズ対策の奥深さと、粘り強い技術追求の現場目線を持ち続けてほしいと思います。

今後も進化する製造現場で、安全・高品質なものづくりの支援に少しでも役立つことを、この記事が願っています。