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2010.11.21

コアレスモーター雑感

10d11006_800sリンク先の松謙氏のブログ「ココペリ・サウスウエスタン」2010/10/05の記事で紹介されていた、IMONのコアレスモーターを入手しました。10月末に、所用で東京に行った際に、IMONの池袋店に立ち寄り、店頭で現物を見て、大きさを実感して、すぐ購入しました。制作中の夕張鉄道11型にあてがってみると、火室にひっかかりながらも入りそうです。左側がキット付属のマシマのモーター、中央がIMONの1616です。

コアレスモーターは、高トルクなのですが、某大先輩のレイアウト上では、「最初は良かったけれど、すぐに走らなくなった」とぼやいて居られました。原因はまだ分かりませんが、ゴムタイヤ装備のウェイト満載の機関車が多いので、モーターに負荷が掛かって温度が上がったのが原因では無いかと思い当たりました。希土類を使った磁石は、120℃ぐらいで、磁力が低下する恐れが有るとのことです。コアレスモーターは、負荷が掛かると高トルクが出せますが、電流も多くなります(ロックすると、ショートに近い状態です)。瞬間的で有れば良いですが、温度が上がるとまずいかもしれません。当方の機関車はその点、ロッドやギアが引っかかるところを乗り切ってもらおうと言う魂胆なので、コアレスモーターは有利かと思っています。

松謙氏のブログは、レイアウトを指向する者にとっては、示唆にあふれた内容が多いです。とれいん誌の「パイプスモーキング」が無くなってからは、寂しかったのですが、他にも2つほど、コラムを掲載されているサイトが有りますので、こちらも楽しみです。

<FAB Articles>
FABのサイト
タイトルをいくつかひらってみると、次のような感じです。
「ストラクチャーへの想い」「私の愛する中・小型蒸機」「 La Belle の木製車輌キット」
こちらは、ユーザー名とパスワードが必要です。FABさんの店頭・通販で1万円以上買い物をするともらえます。

<松本謙一の工作トーク>
さかつうギャラリーのサイト
Topから「作家・メーカー」「松本謙一」「松本謙一 コラム」と辿るとコラムが有ります。
http://www.sakatsu.jp/maker/artist/matsumoto_c.html
2010/11/21日現在のURL

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コメント

IMONのコアレスモータは特許3790214を使用された物で特殊な巻き線となっており、他のコアレスモータと比べて非常に高性能です。
元は、青森の有限会社UNOというところで製品化されたものですが、今は特許がシチズンマイクロ株式会社に移っています。

コアレスモータがダウンする件は、私もおそらくネオジウム磁石が高温で磁力が低下することが原因と思います。それならば、熱に強いサマリウムコバルト磁石のコアレスモータを使えば良いかなと思います。
どのメーカのコアレスモータを使用されたか不明ですが、maxonですと巻き線許容温度は85℃,faulhaberですと125℃となっています。(形式にもよります)
なので、磁力を低下させるだけの高温になったら、巻き線も正常な状態ではないと思われます。
下手をすれば巻き線がほどけてしまいます。
それから心配なのは貴金属ブラシです。模型用にはグラファイトブラシの方が合っているような気がしています。
御大のレイアウトは勾配が沢山あるので負荷は大きいのでしょうけど、重すぎるのではないかと思います。

投稿: 森井義博 | 2010.11.22 01:25

森井様
的確なるフォローをありがとうございます。
御大のお話では「全く動かなくなるわけではなく、力が出なくなる」との事でしたので、磁力低下が致命的で有ったのかもしれない、と推測した次第です。
御大の機関車は、きっちりと補重されているので、古典機で小ぶりとはいえ相当重いのでしょうね。

ロボット制御の様な本来のモーターの用途では、電流制御(電流制限)=トルク制御、で駆動するので焼けにくいです。また過電流保護を、回路やポリスイッチ(TMS12月号の中澤寛さんの京津線260型には使用されておられます!)などで行うので、滅多に壊しません(工場ではモーターを壊すより、発煙、発火が怖いのですが)。
しかし、模型の場合電圧制御なので、ロックさせると、パワーパックの制限いっぱいの電流が流れる羽目になりますので、モーターにとって相当つらい状況になりそうですね。DCCのデコーダーで電流制御(制限)を掛けるようなモノを作ると良いのかもしれませんね。その場合は、電流の瞬時値で制限するのではなく、サーマルリレー(スミマセンちょっと専門用語かも)のような動きをさせるのが良いでしょうね。

投稿: 管理人 | 2010.11.22 02:01

鉄道模型の場合は、可変回転数制御ですね。
磁気ディスクや光ディスクのスピンドルモータ等は回転数制御が行われていますので、これも普通の制御方式と思います。
どんなトルクか否かに関係なく、所定の回転数を保つことが必要です。
BEMFでは逆起電圧を検出して回転数をフィードバック制御していますが、電流は関知していません。
単位時間当りの電力値を求めて、ある値を超えないように制御できれば良いのでしょうね。でも、電流をコンパクトなな回路で効率よく測定するのは難しいかも?

投稿: 森井義博 | 2010.11.22 22:31

言葉足らずでまたまたフォロー頂きありがとうございます。DCサーボモーターなどでは位置制御や回転数一定(起動・停止時だけ速度を変化させる台形制御を含む)などよく使われていますね。
また電流検出を小型に納めるのは、難しそうですね。抵抗の両端の電圧を計測する方法では、うまく行かないかな??? 計測した電流値で、演算するのが一番コンパクトに出来そうですね。どこか製品化してくれないかな~ 安心して、高負荷を掛けられますね。

投稿: 管理人 | 2010.11.22 23:14

H御大のレイアウトでは、ゴムタイヤを付けた4-4-0が20両以上の貨車を引っ張って3%近くある勾配線を上下しています。ただトレーラーが重すぎるとスリップするのではなく止まってしまうそうです。
ということはモーターが停止してロック状態になりモーターが過熱状態になって磁力低下を起こしたということでしょうか。ということはコアレス掲載機関車では、トレーラーが重すぎて停止=ロック状態にしないように注意して運転しないといけないとうことになるのでしょか?
ゴムタイヤを履いていないロコだとスリップしてモーターがロックすることはないようなので安全弁?になっているのでしょうか。

森井様
貴金属ブラシだとどのような点に問題があるのでしょうか?
もう少し詳しく教えていただけませんか?

投稿: ゆうえん・こうじ | 2010.11.23 10:08

ゆうえんさん

スリップするのが安全弁になっている可能性は高いと思います。ロックする状況では、2~3Aぐらい流れっぱなしになると思います。御大のパワーパックはSL-1だと思うのですが、最大出力(電圧X電流)が掛かる事になると思います。どれぐらいなのでしたっけ? いずれにせよ起動時は最大電流が流れるのですが、鉄道模型の場合、出発時は電圧が低いのと、高効率モーターだとロックさえしていなければ、すぐ電流値が下がるので問題にはならないわけです。しかし,御大のレイアウトではこれが続くのだと思われます。
一方、松謙氏の場合は、大型蒸機でマレーなどメカ的なロスが比較的多い状況なので、これらの起動抵抗を克服するのにトルクを要するのだと思います。機関車は重い(どれも充分補重されている)ですがゴムタイヤは無いので、ロックすることは無いと思います。そもそも、巡行時の消費電流を下げたいのでコアレスに交換された経緯も有ります(SL-1で2~3両の大型機を動かすため)ので、おそらく巡行時の発熱は多くないと思います。

だからロックする可能性のある条件では、電流制限回路が車両側に欲しいところです。

投稿: 管理人 | 2010.11.23 20:17

ゆうえん様
私はブラシの事についてそんなに詳しくはないのですが、モータを分解してみるとどんなブラシが付いているのかわかると思います。
我々が集電用に使用しているブラシと比べて随分華奢なように見えます。無論、モータメーカが充分研究をして問題が無いはずではあります。
それから、同じ仕様でグラファイトブラシを使用しているものは定格電力が大きくなっています。
(maxon RE13の場合、1.2W->1.5W RE16では 3.2W ->4.2W)
ということで、磁石、巻き線は変わらないのにブラシの変更でより多くの電流が流せるようになるということだと思います。

それから、ロックの話が出ていますが、仮に機関車の動輪上の重量が1000g、減速比1/30 ウォームギアの伝達効率15%、動輪とレールの摩擦抵抗0.3、動輪半径10mmとした場合、ロックに打ち勝つモータの起動トルクは、(1000*0.3)/30/0.15=67gf-cmと計算されます。(4-4-0はこんなに力持ちではないはずです)
牽引される側で計算すると、貨車1車輛150gとし、車輪の負荷3g(車重の2%)、20輛牽引で3%の勾配とすれば、
(3+150*0.03)*20=150g と計算されます。
上記の機関車の牽引力の半分で良いはずなので、モータは33.3gf-cmのトルクがあれば良い計算になります。
御大の使用されたモータが何か不明ですが、例えばfaulhaberの1724を使用すれば、起動トルクは約100gf-cm(10mNm)あり、その約1/3の出力なので連続稼働しても問題は無いはずです。
コアレスモータによっては、アルニコ磁石付きもあって、それだと図体が大きくてもトルクは1724の半分以下ということもあります。
ひょっとすると御大は車軸の動力を利用した仕掛けを組み込まれていて、その負荷が割と重いとか。。。

投稿: 森井義博 | 2010.11.23 22:53

森井さま
マクソンのコアレスでもブラシの違いで出力が変わるのですね。次回注文時は良く検討してみます。
あとご覧になったかと思いますが、御大のレイアウトではカーブの勾配線を上っていくという線形ですので、直線より牽引力が必要になるのだと思います。またいくら良く補重してあるといっても、ロコ自体1000gはないと思います。
あと御大の4-4-0には、スティーブンソン式のバルブロッドを可動にするためにエキセントリックリンクが組み込まれたものもありますが、そんなに走行抵抗は大きくないはずです。キアボックスはずすと手で押しても軽く動輪が回るレベルです。

投稿: ゆうえん・こうじ | 2010.11.24 00:35

faulhaberの1724を使ったことは有りませんが、今回参考にした松謙氏のブログでも、faulhaberでも1724はトルクが有るが、1717や1515はトルクが無いとのお話です。もしかしたら、御大はこのあたりのモーターをお使いになったのかもしれません。

ちなみに、うちの9600(旧作)は、集電ブラシの負荷が大きい(8輪ともブラシ付)のですが、LN18で助かっているようです。ローラーの上でも50~60mAぐらいは流れているようです。無負荷なら5~7mAなので、相当な負荷ですね。ロックさせようとしたら、うちのひ弱な駆動系は壊れそうなので、やめました(大汗;)。500mAぐらいは楽にいきます。

うちのような、効率の悪い伝達系では、コアレスモーターのおかげで、なんとかスムーズに動いているようです。これこそリパワリングですね。しかもN用のパックで運転出来るような、小電流で・・・

本当にロックしたら、DCCのデコーダーは焼けるのかもしれませんね。DZ125ならモーターより安いし交換簡単なので、あきらめもつくと言うモノです(言い訳ですが)

投稿: 管理人 | 2010.11.24 01:19

廣瀬様
9600に入りそうな物なら、faulhaberの1524ですと、端子間抵抗は約20Ωですので、12Vをかけても0.6Aしか流れません。それで起動トルクは6.7nNm(67gf-cm)あります。
maxonのRE16ですとΦ16で長さは約23mmで、端子間抵抗は33Ωなので約0.4Aしか流れません。起動トルクは5mNm(50gf-cm)あります。
今のLN18の特性は存じませんが、30年ほど前のLN18の起動トルクは非常に小さかったと記憶しています。
大学生の頃にキヤノン精機からコアレスモータのカタログを取り寄せたのですが、意外にトルクが小さくて(コア付きモータより弱い)愕然としました。

投稿: 森井義博 | 2010.11.25 00:06

森井様
早速、仕様を調査頂きありがとうございます。
LN18の仕様書は見当たらないので、分かりませんでした。 もう一つ有ったはずと未実装のモーターを計ったたら停止時で50Ωぐらい有りました。単純計算では16Vでも300mA程度にしかなりません。ロック時に500mAを超えたような記憶が有るのですが、もしかしたら何かおかしかったのかもしれません。
エムテックスのカタログを見ても、起動トルクは書いてあるのですが、電流は「無負荷時」だけでした。I-Tグラフなどは載っていませんでしたね。
どこかで、起動電流2A近いモノの仕様書(グラフ)を見たような気がするのですが、いざとなったら出てこない。どなたかお持ちでは無いですか?

投稿: 管理人 | 2010.11.25 02:56

LN18ですが、メーカのサイトを見ると、Φ18、長さ37.4mmで、起動トルクは37.3mNm(380gf-cm)と書いてあります。起動電流は、3800mAもあります。
で、定格トルクは、4.9mNm(50gf-cm)で、定格電流は500mAだそうです。
参考までにURLは、
http://www.canon-prec.co.jp/products/dcmotor/pdf/DC_Micro_Motors.pdf
です。

投稿: 森井義博 | 2010.11.25 22:28

森井さん

LN18の仕様書をありがとうございます。
探し方が悪くて見つかりませんでした。
やはり、ロックさせたら、パワーパックの容量一杯流れそうなスペックですね。うちの効率悪い96でも1/80程度のトルクで動いているので、余裕たっぷりと云うところでしょうか。もっとも定格の500mAも流したら、8Wぐらいなので相当な発熱量です。放熱しないと連続使用はNGでしょうね。仕事で使っている電子部品の感覚から推定すると、模型用モーター程度の大きさで通風の悪い空間に設置されるモノを100℃以下(温度上昇60℃程度)で使うには、1~2W程度の消費電力でないと収まりそうに無いですね。それから逆算すると200mAなので、ロックしないでもゴムタイヤ+十分な補重で流れてしまうモーターも有りそうな気がしてきました。faulhaberの1524で考えると、最大トルクの1/3程度が鉄道模型的な使い方での「最大消費電流」となるのかもしれませんね。

PS
コアレスモーターでのリパワリングの御本家! の松謙氏からコメントを頂きましたので、整理してUPしたいと思っています。

投稿: 管理人 | 2010.11.25 23:14

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