Ｎゲージ鉄道模型工作 － モーターの高速回転を減速機で低速にしてみる ー

２０２４年１２月８日（日曜日）　晴れ

　手持ちの小型ＤＣモーターにアナログ制御で変化する電圧を加えて
回転数の変化を観測する実験をしているが、「コギング」現象が強く
現れて停止状態から回転状態への変化がリニアーにならず、電圧値が
ある点を越えると突然高速回転状態になってしまう。
　この状態を電圧の上昇に比例して回転数が上がって行くようにして
みようと「減速機」を使ってモーターの出力を低速回転にして実験して
見た。
　減速機軸に取り付けた円盤はモーター回転数の約１／５０で回転する
ようになった。
　（逆に言うとモーターは回転円盤の５０倍の速さで回転している）
　コギングによる回転への影響は「モーターの回転数が低いときに
影響は大きく現れる」ということだからモーターの回転数が高ければ
回転円盤の速さはスムーズに変化してくれるだろう、との思いで実験を
してみたのだが・・・・・

　ジャンクボックスにあった模型の減速機。　これを使って実験した。

 

　減速機出力軸に回転円盤を取り付けた。
　減速比は１：４２．８
　モーターの回転数を約１／５０に落とす。

 

　モーターに加わる電圧をアナログ的に変化させて回転数を変化させる。
　回転盤の回転数は円盤に貼り付けたマグネットと台座に取り付けたホールセンサー
で確認するようにしてある。

　減速機を取り付けたり工夫をしてみたが結果は減速機無しの時と同じ状態で
コギングの影響が強く現れてある電圧値を越えると突然、停止状態から回転状態に
変化して円盤は高速で回転し始める。

　そんな実験の様子を動画でご覧ください。

 

　今、実験で試験台にしているモーターは「コギング」が強く現れる構造なのかも知れない。
　（モーターの構造（性能）の良し悪しでコギングの発生状況は異なるとのことである）

　模型機関車の走行をアナログ電源で走らせる場合と、デジタル電源（ＰＷＭ）で走らせる場合の
違いを確認するための実験なんだからこんなことをしないで模型機関車のモーターを回せばいいのだが・・・

　オイらはこんなくだらない実験を繰り返して「バカみたい」だ。（いつもお代官さまに言われてる(笑い））
　でもこういうことが好きなんだからしょうがない・・・

　アナログ制御のモーター実験はこれで切り上げて「デジタル制御のモーター実験」を始めよう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

Ｎゲージ鉄道模型工作 － 小型ＤＣモーターをアナログ制御で回してみる ー

２０２４年１２月７日（土曜日）　晴れ

　電子工作好きのオイらは、鉄道模型自動運転システムの工作に手を出してしまいました。
　Ｎゲージ鉄道模型収集が趣味の友人のために自動運転を勧めたのがきっかけでした。
　オイらは鉄道模型工作は初めてのことで機材の購入など、あれこれ失敗しながらも
何とか「自動運転システム」らしきものを構築することができました。

　しかし、あれこれ走行実験を繰り返していると「機関車」がうまく走らない状況になる
ことがありました。
　また、Ｋ社社製動力台車を使った機関車は具合よく走るのに、Ｔ社の動力台車を使った
機関車は指で押してやらないと走り出さない、などの不具合もありました。
　
　マイコンで制御して模型機関車を走らせるその電源はＰＷＭ（パルス幅変調）電源です。
　ＰＷＭがこれらの不具合の原因なのかとちょっと不安なところでもあります。
　そこでモーターを通常のアナログ電源で回すときとＰＷＭ電源で回すときの差を確認して
みようと実験を始めました。

　先ずはアナログ電源でモーターを回してみました。

　Ｎゲージ鉄道模型機関車に取り付けてあるモーターを見てみました。
　軸の両端にウオームギヤが取り付けてある小さなモーターでした。
　これを取外して回すのは難しそうなので手持ちのモーターで代用しました。
　（ちょっと大型ですが・・・）

 

  　モーターを（ボール紙で工作した）テスト台に取り付けて回転円盤を回すようにしました。

 

　回転円盤にはマグネットを張り付けてその磁気をホールセンサーで検出して
円盤（モーター）の回転数を計数できるようにしました。

 

　モーターの回転を細かく調節できるように、ＭＯＳＦＥＴで電圧を調節しました。

　　実験の様子です。

 

　これでモーターは低速度で回転を始めて供給電圧を上げれば高速で
回転してその変化を観測できるだろうと思いましたが、モーターは
低速では回転せず、ある電圧値を越えると急に高速で回転し始めてし
しまいます。
　その実験の様子を動画でご覧ください。

 

　モーターのローター（電機子）がステーター（界磁）の磁力に吸引されて
弱い回転力では回り出せないのではないでしょうか。
　ローターに加わる電圧が上昇し、回転力がステータ―の吸引力を上回ったとき、
その回転力で回り出すので高速回転するのでしょう。
　このローターがステータに吸引されて停止力が働くことを「コギング」という
いうのだそうです。
　停止しているモーターの回転軸を指でつまんで回してみると、「ゴクン、ゴクン
・・・」という抵抗を感じるところがあります。
　このときローターがステータに吸引されているんでしょう。

　しかし、実際の模型機関車は停止状態からゆっくりと走り出し、スピードを上げて
行くし、スピードを落としてゆっくり走りそして停止します。
　コギングなんて発生していません。
　コギングは低速度で回転するときにその影響が大きく表れるということです。
　高速になれば「回転の惰性力」が強くなって影響が小さくなるのだそうです。

　模型機関車はモーターの回転を歯車で減速して車輪に伝えて走ります。
　そうか・・・減速機で回転数を下げて車輪を回しているんだからモーターは
高速で回っているはずだ。　だからコギングの影響をあまり受けないんだな。

　そこで今度は減速機を取り付けて実験をしてみます。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）