(1)モータ交換の際、都度各HPを見るのは面倒なのでまとめておく。

M : FA-130RA RE-140RA RE-260RA RC-260RA RE-280RA
千: F-13-10249-5
☆:75026 15317

RC - 260 RA - 18130 は、タミヤでも ITEM 72001 遊星ギヤ BOX のスペアモータとして販売されている。
コードNO.19400008 遊星ギヤボックス用 RC 260 モータ
カスタマーサービスへコンタクトしてメール注文となる。
1 個 ¥ 350 送料 ¥ 140 代引 ¥ 315 合計 ¥ 805



(2)電圧での適用

@乾電池 1 本 1.5 V 130 枠 ・・・ F - 13 - 10249 - 5 ・・・ 問題なし

A乾電池 2 本 3.0 V 130 枠 ・・・ F - 13 - 10249 - 5 ・・・ 問題なし

B乾電池 2 本 3.0 V 260 枠 ・・・ 201 - A 、RE - 260 RA - 2670 ・・・ 問題なし

C乾電池 3 本 4.5 V 130 枠 ・・・ F - 13 - 10249 - 5 または 130 加強

D乾電池 3 本 4.5 V 260 枠 ・・・ 201 - A 、RE - 260 RA - 2670 または RC - 260 RA - 18130

E乾電池 4 本 6.0 V 130 枠 ・・・ 130 加強 ・・・ 問題なし

F乾電池 4 本 6.0 V 260 枠 ・・・ RE - 260 RA - 2670 または RC - 260 RA - 18130 、吟味して 201 - A

G乾電池 6 本 9.0 V 130 枠 ・・・ 130 加強

H乾電池 6 本 9.0 V 260 枠 ・・・ RC - 260 RA - 18310


電圧で問題ある場合は、定常電圧と定常電流、連続(ベルコンなど)か間歇(ラジコンステアリングなど)か熱、匂いが出るかなどで決める。

モータ印加電圧は、使用範囲内であるべきだが、オーバーする場合でもせめて 1.5 倍以下に抑えておきたい。

ひどければ、電池直列途中から電圧取り出し、抵抗ヒューズ、可変 3 端子レギュレタ、ダイオード( 0.6 V / 本 )などで対応したいが、トルク減により動かない場合はオーバースペックでも致し方ない。

回転が速すぎる場合は、(5)− D、E 参照


(3)モータ特性

マブチ HP の性能線図シュミレーションを使用
モータは、FA - 130 RA - 2270
電圧を一定としたとき、横軸をトルク T、縦軸を、回転数 N ( 黄 )、電流 I ( 緑 )、出力 P ( 赤 )、効率 η( イータ :青 ) としたもの。
普通は、定格電圧の 1.5 V のグラフであるが、これは、電圧が 1.8 V ( 濃色 )と 1.5 V ( 薄色 ) との重ね書きである。

4 点性能表
電圧(V) 無負荷回転数(rpm) 無負荷電流(A) 停動トルク(g ・cm) 停動電流(A)
1.5 9100 0.20 2.55 2.20
1.8 10920 0.20 3.06 2.64



















実機の状態を知るには、定電圧電源を使い、グラフのCで電圧を指定する。( 例 1.8 V )

電流を実測し( 例 0.5 A )、Bのスライダを動かして、D表の電流が 0.5 A になるようにする。

表に、回転数 9600 rpm、トルク 3.8 g ・cm、出力 0.37 W、効率 41.7 % と表示される。

効率が思ったより低いね。

効率曲線と出力曲線には極大値があるが、極大点がずれているので、同時に効率と出力の最大値を得ることはできない。
上の(1)項表の適正負荷とは、適正の 1.5 V 定電圧 ( 乾電池 NG ) のとき、効率の極大点のトルクと回転数を言うらしい。

電圧が変わると、@のように回転数直線が平行移動する。
電源が乾電池だと、内部抵抗で電圧が降下するため、回転数直線の傾きがAのように変わる。( 誇張して追記したもの )

電圧を変化させたとき、これらがどう変わるかは、この線図では直感的にわからない。
また、1.5 V 未満もわからない。
2 重書き図を見比べると、電圧増減で電流、回転数、トルクが増減 ( 比例するらしい ) するので、回転数を変えたければ電圧を制御すればいい。



(4)モータの故障

@電源を直結しても回らず、手で回しても回転しない。
・ 整流子とブラシの汚れによる接触不良
・ ブラシ折損
・ 整流子短絡、断線 ・・・ ロック状態が長いと熱でプラ部が溶けて短絡、断線

A電源を直結しても回らず、手で回してやると回転を始めた。
・ 整流子とブラシの汚れによる接触不良
・ ブラシ摺動部折損、磨耗

B電源を直結しても回らず、端子に半田ゴテを当てると回転を始めた。
・ 整流子とブラシの汚れによる接触不良・・・ 半田熱でグリスが溶けて導通

C回転するが、トルクが弱い。
・ 整流子とブラシの汚れによる接触不良

D回転するが、手で押さえると止まるところがある。動かないときがあり、手で回すと動き出す。
・ ブラシ先端折損

プラレールの FA 130 クラスのモータでは、左側が折損しているのが多い。


エンドベルから見て左極に + の左回転では、マイナス側ブラシへの当たりがきついと思われる。
右図のようであれば、寿命が延びると思われる。
寸法的に載せ替え可能なら、RE - 140 にすれば寿命が長いだろう。


・ 回転子の 3 極 整流子端子のどれかが半田不良

Eキーキー音がする。
・軸受けブッシュの油切れ、磨耗

F回転が重い。
・ケース爪のカシメ過ぎ
・シャフト曲がり、軸受けブッシュ芯狂い
・シャフトさび付き
・スラストワッシャ厚過ぎ


☆モータに異常があったら面倒でも分解し、整流子とブラシの汚れをアルコールなどで清掃し、接点グリスを少し塗布しておく。
急場しのぎなら、スプレーオイルを注入して清掃、高電圧をかけて運転すれば汚れが飛び散るが、汚れが取りきれないので、すぐ再発する。

モータホルダと爪こじ開けドライバがあると分解や組立て時、怪我防止と作業がやりやすい。

13 mm 厚の板と同ブロックをモータとのスキマ 0 で接着
ベース板に φ 7.5 穴があけてあるので、ピニオンが付いたままでも OK

−ドライバは、先端を溝幅に合わせて細身にヤスリ加工

モータケースが広がらず、ほぼ一発で爪が起こせ、カシメも楽チン


☆分解するときは、エンドベルとケースの向きを逆に組立てると、逆回転するので、分解前に合いマ−クをしておく。
理由は、磁石とブラシの相対位置が 180 度ずれるためである。

合いマークは、マジックではアルコール清掃時に消えてしまうので、目立てヤスリでキズをつけておく。
カシメ爪を起こしてエンドベルを抜くが、そのまま引き抜くと、整流子の前にワッシャがはめてあるタイプでは、ブラシを痛めてしまう。
反対側のシャフトをピアノ線で押し、ロータごと押し出すようにする。

☆ブラシ折損、磨耗で穴あきは、モータ交換とする。
長軸や低回転などの特殊モータの場合、ケース、ロータを使用し、エンドベル一式を交換する。

リン青銅系の金属ブラシは、点接触であり、> 形先端、ツイン、接触部メッキ、バネ圧など ・・ 繊細で、> 形厚みの半分ぐらいが磨耗限界だろう。
こんなブラシは作れないし、まねて作って動いたとしても起動不安定、短寿命がオチ。
退院後すぐ動かなくなる確率が高くガッカリさせるので、ブラシの複製だけはやめたほうがいい。簡単にできるならメーカは苦労しない。

古いモータでは、鋼線スプリングをブラシにしたものがあり、まねてやろうとしてもコイル製作やその取り付けが難しい。


☆再組立てでは、ロータをケースに入れてエンドベルをかぶせるとブラシを痛めるので、ブラシ間に整流子をはめたロータとエンドベルの一体物をケースに入れる。
このとき糸で引っ張って、マグネットに引きこまれないようにする。(あきる野おもちゃ病院から)

☆カシメ爪を戻す前に、通電して回転方向を確認する。
エンドベル側から見て、左端子に + で軸が反時計回転がお約束

☆カシメ爪を戻すときは、締めすぎて回転が重くならないよう注意する。



(5)あれこれ

@マブチでは、6 V 以上がカーボンブラシとなる。
カーボンブラシは、面接触であり、形状が簡単で低摩擦、耐熱・耐酸化性がよく、磨耗限界が大きく取れ、構造が対応していればブラシ交換も可能。

ある例では、カーボンブラシが 凹 状に磨耗しており、ヤスリで平坦にしたら、かなりよくなったが、たまに起動しない。
ブラシ拡げ用の穴がなく、整流子の差込みが難しいので、逆動作ピンセットがいる。





普通にはない扇形のリングがついており、2 極はこの扇形と半田付けしてあるが、1 極だけ半田付けがされていなかった。
半田付けしたが、変化なし、バリスタかな?



A2011.12 マブチの箱が一新され、取付ベースと 2 段プーリーが同梱され、型式に巻線表示が追加された。
末尾の 2270 とは、φ 0.22 の 70 ターンを意味する。
線積値 ( φ × φ × ターン ) がわかるので、モータの巻き替えができ、低速化もできる。
線積値を同じにし、ターン増で 回転数減、太くすると径の 2 乗に比例して電流、トルクが増となる。


B正逆 SW
<1> シンプルタイプ
ワイヤリモコンに多く使われている。
水色 : ボタン
茶色 : 固定電極
黄色 : 可動電極

電線微動を嫌い、スプリング経由で通電しているものがあるが、おもちゃ箱で SW が入りっぱなしでモータがロックされると、過電流が流れる。
スプリングが熱くなり、プラ突起が溶けて動かなくなったり、スプリングが焼鈍されて弾性がなくなった事例があった。
みかけたら可動電極につなぎ換えておく。


<2> 2 極 双投 ON - ON タイプ、 2 極 双投 ON - OFF - ON タイプ

一般的な回路で、電動乗用車は、ON - ON タイプ + 足踏 SW、レバー直動 UFO キャッチャーは、ON - OFF - ON タイプが使われている。
極 ・・・ 同時に操作できる回路数、単極、2極、3極 ・・・
投 ・・・ 投入接点数、単投、双投、三投 ・・・
ポジション ・・・ レバーの止まる位置、2 pos、3 pos、この位置で ON OFF を指定、ON - OFF、ON - ON、ON - OFF - ON ・・・


<3> 単極 ON 4 個タイプ
ワイヤリモコンに使われている。
a 接点タクト SW の 2 個を同時に押す。
+− がショートしないよう、シーソーストライカになっている。

シーソーストライカ紛失の場合、ボタンにプラ小片をつけて長くするだけでは、正逆を同時に押したときにショートするので、電池線にポリ SW をつけておく。



<4>単極 ON 2 個タイプ
ワイヤリモコンに使われている。
電池を 2 本使う。
シーソーストライカではない場合、ボタンを同時に押したときにショートするので、ポリ SW をつけておく。




C過負荷の逃げ方
外力でモータが止められると停動電流が流れ、トルクも通常の 5 倍近くとなり、モータの焼損やメカの破損になる。

☆メカを保護しながら運転を継続する方法
・バネクラッチ式 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ プラレール
・遠心クラッチ式 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ラジコン車のステアリング
・エンドで伝達が外れる式 ・・・・・・・・・・・・ ラジコン車の扇形ステアリングギヤ
・過電流電子制御式 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ おもちゃでは見かけない。

☆停止させ、メカの破損防止をする方法
再起動には、過負荷要因の除去や保護部品の交換が必要
・ヒューズを飛ばす式 ・・・・・・・・・・・・・・・・ おもちゃでは抵抗ヒューズなどを見かける。
・モータが移動してSW を切る方式 ・・・・ おもちゃでは見かけない。

☆停止させるが自動復帰する方法
・自動復帰ヒューズを飛ばす式 ・・・・・・・・ おもちゃではポリ SW を見かける。
しばらく手で押さえたりした時に停止、手を離してしばらくすると起動する。

☆ちょっと主旨が違うが、モータ OFF 時に手押しができるよう、スライド SW と連動してモータが前進 / 後退し、ギヤを接続 / 断しているのがあった。


過負荷保護がつけてあるのが多くなったが、古いクレーンゲームなどでついていないものもある。
ないと出てくる症状としては、
・タテ、ヨコのエンドでコゼて動かない。
・ギヤの割れ

対応としては、SW 用のストライカ をつけ、少し早めに効かせ、当て止めをしないようにする。

緑のキャッチャー部は、ラックとピニオンで駆動され、SW の検出で横行モータが停止する。

A → a では、SW のガタなどで検出が甘くなると、キャッチャー部と固定部がきつく当たり、すべてのギヤにパンパンの力がかかる。
これが、ギヤ割れやギヤ噛みこみのためにモータがロック・・・ などを引き起こす。

B のようにストライカをつけてやると B → b では、キャッチャー部と固定部にスキマができて停止するため、メカに負担がかからない。
ストライカは、硬いものだと押し過ぎてSW を壊す恐れがあるので、固めのスポンジがいい。

SW の動作のさせ方だが、限りのある SW のストローク方向 にいくらでも押す式は、SW を壊れす恐れがある。
ある限度以上は SW を押さないような方法が望ましい。

複雑だが壊れにくい圧縮バネを使う。
SW を押すストローク S は一定であり、ピンクが押しすぎても壊れない。
灰色のボス長は、黄色ストロークの 3 倍ぐらい必要かな。


D回転が速すぎる 〜 1
1.5 V では速すぎる場合、電圧を絞れば遅くできるが、トルクも減る。
仕様以下の範囲になると、マブチの性能表や一般理論は当てにならない。
おもちゃ修理 NO.324 では、起動トルク、SW 切換え時のトルク不足で、本来の速度にできなかった。
単に定電圧では、負荷が重くなると、すぐ停止する。せっかくの可変レギュレタなので電圧を上げてやりたい。

V = 4 V 定電圧、R = 2.5 Ω、Vm = 1.05 V、100 mA 、ADJ = 0.28 V で FA-130 を動かしてみた。
負荷が増えると、Vm = 0.6 V、500 mA 、ADJ = 1.1 V で、フィードバック定速運転のような動きをする。
上げるつもりの Vm が減っている?電流は増加してる。
R を変えて LM だけで済めばよいが、実際には ADJ をオペアンプで 数倍せねばならないかも。


E回転が速すぎる 〜 2
マブチ FA ‐ 130 RA ( F - 13 - 10249 - 5 ) では速すぎる場合、 130 加強でちょうどよい場合がある。



(6)回転数コントロール

回転数をコントロールするには、基本モータである マブチ FA - 130 RA 2270 のことを知っておかねばならない。

@マブチモータの技術ガイドサイトマップ
重要なのは、「 モータ性能の変化要因 」 の 「 電源の電圧 」 の項であり、
電圧 ∝ 回転数
回転数 ∝ トルクとなっていることである。


Aモータの抵抗値


ブラシは、B 1 と B 2の 2個、整流子は 3 極、コイル L 1 = L 2 = L 3 の接続状態
回転するので 左右 2 種類の状態がある。
回転子を缶から取り出し、1個所の線を外して コイル単体を抵抗法で測ると、0.849 V で 0.998 A だったので約 0.851 Ω である。
ブラシ B 1 - B 2 間では、直並列の 2 値 0.425 Ω か 0.567 Ωになるが、0.425 Ωは瞬間で、ほとんどが 0.567 Ω状態である。

仕様表では、ストール電流は、 2.2 A となっており、0.567 Ω+ 0.1 Ω ( B 1 と B 2 の接触抵抗 )= 0.667 Ωだと 2.249 A となる。

これらは、静的なものであり、実際は発電もあり回転による激しい極切換などで複雑な波形の電流が流れている。
回転数もパラメータとなり、複雑怪奇で小生では計算などできないのだが、オームの法則による見かけの抵抗値は知ることができる。


Bモータの負荷

種々の回転数コントロール回路の性能を比較するには、一定の負荷をかけなければならない。
個々のおもちゃの負荷はマチマチなので、基準になる負荷が欲しい。

マブチでは、適正負荷と言っており、適正の 1.5 V 定電圧のとき、効率の極大点の各値を言うらしく、6690 rpm、6 g ・cm、0.66 A、0.43 W となっている。
この負荷を体感してみた。


モータの端子電圧が 1.5 V で 6990 rpm になる負荷である。

右 : テストモータは、FA - 130 RA で φ24 プーリー → 輪ゴム → φ29 プーリーで発電用モータに連結、無負荷は、輪ゴムを外す。
真ん中 : 発電用モータは、F - 13 - 10249 - 5 で 出力は左の負荷抵抗に接続
左 : 負荷抵抗は、巻線形ボリウム 15 Ω NOBLE - WR 026 ( 50 年前のもの ) で、調整後の値は 3.6 Ω ぐらいである。

テストモータの端子電圧が 1.5 V になるよう電源電圧を調整する。
レーザ回転計で 6690 rpm になるよう負荷ボリウムを調整する。

適正負荷の体感はできたが、この負荷はある一点の回転数の負荷であり、実際のおもちゃの負荷と同じなのかな?
回転 0 のとき発電機は 0 V なのでトルクがかかっていないので違うようである。

せっかく作ったので、この 1点負荷と無負荷での電圧と回転数と電流の関係を見ておくことにする。

無負荷と 1 点負荷で、電圧を 0.4 V 〜 3.0 V まで変化させたときの 回転数と電流である。
抵抗は、オームの法則で計算した参考値

左のほうの回転数欄に色がついているところは、起動ができない。一旦回ると絞れるということ。
この再起動できないとき、端子電圧は、印加していた電圧の半分以下に落ちる。
たとえば高いほうから 0.4 V まで絞っていくと、回るが、停止すると再起動できない、このときの電圧は 0.4 V をかけていたのに 0.2 V などのように下がってしまう。
電流を増やして起動しようとするが、起動電流までは流れないということである。
低電圧域での再起動は、定電圧だけではダメなのでなにか工夫が必要となる。

1万回転とかになるとチョット恐いので、モータの固定と保護メガネが必要



C負荷の種類


  定トルク負荷

  トルクが一定
  出力は回転数に比例
  走行台車、コンベヤ、クレーン、エレベータなど
  走行、昇降、摩擦回転などの要素があるほとんどのおもちゃ

  低減トルク負荷

  負荷トルクは回転数の 2 乗に比例
  出力は回転数の 3 乗に比例
  ポンプ、送風機など
  ファン、水ポンプなど流体要素があるおもちゃ
  

  定出力負荷

  出力 ( トルク × 回転数 ) が一定
  負荷トルクは回転数に反比例
  工作機械主軸、ロール巻取機
  おもちゃで該当するものは見当たらない。
  
---
  
  

ファンを FA - 130 で回すと、1.5 V で 5427 rpm、0.86 A と適正負荷値からずれており、効率が悪くなっているようだ。

RAINBOW PRODUCTS ターボファン φ 60 左回転

電圧と回転数、電流特性






D定トルク負荷

回転コントロール回路の評価をするための簡易な定トルク負荷は何か?


  クレーンのようにドラムでオモリを巻き上げるもので、トルク ( g ・cm ) が直感的でわかりやすい。
  機械的変動要素はドラム径で、径が変わらないよう糸を密巻および整列するのが難しい。
  オモリの調整は停止させねばならない。
  連続運転できないのが最大の欠点
  

  ブローニーブレーキと言われるもので、オモリを糸とスプリングで引っ張り、プーリーがけしてある。
  張った糸とプーリーの摩擦であり、静止摩擦から動摩擦への変化、磨耗や発熱による摩擦係数変化、消耗切断が欠点である。
  摩擦力を使うと常にこれらの不安定要素を抱え込むので頻繁な校正が必要
  
  

  産業用に使用されているのは、パウダーブレーキで磁性粉末を励磁し、ロータを吸引してブレーキ力を得ている。
  0 回転から安定した定トルクを保持する。
  
  おもちゃ用に使える低トルクの小さいものはなく、高価
  

  パウダーブレーキの代用として、ステッピングモータの OFF 時ブレーキか通電ブレーキ時の保持力を使う。
  励磁電流を一定としても回転数によって保持力が変化しないか検証が必要
  
  
  

  プラレールを自作テストベンチで動かす。
  オモチャを動かすのがズバリであるが、負荷のかけ方が摩擦なので、一定にするのが難しい。
  回転数を見るため、モータは、タミヤのミニ四駆の両軸ノーマルモータ ( FA - 130 同等品 ) が必要
  
  テストベンチ詳細は、100 ヒューズ項参照
  
  
  



結局ステッピングモータを使うことにした。

ステッピングモータは、メーカ不明の 7 B 817 _ φ24 _ 5 V _ 15°24 ステップ _ 200 Ω
巻線 φ 1 を励磁すると負荷は重くなるが、調整幅がたいして取れず、重くすると振動する、電源も必要なので、励磁はしないことにする。
負荷電流が少しすくなかったので、巻線 φ 1 のコネクタ部で短絡してある。
回転 0 でもプルプルと一定のトルクがかかっており、オモチャ負荷に近い。

モータ側プーリーは 2 段で、隠れて見えないがベルトは φ 8 プーリーで駆動
ステッピング側はφ 44
これで、1.5 V 時 0.64 A、6623 rpm となり、適正負荷とほぼ同じ負荷にできた。結構重い負荷である。
無負荷では、0.3 V で起動するが、この負荷をつなぐと 0.4 V で起動となる。



E回転コントロール回路

下表 2 行目以下は、上記ステッピングモータ負荷で 1.5 V 〜 の定電圧電源をかけたときのもので、低速化を主眼にしている。
負荷が変われば評価も変わる。
低回転モータが入手できないときや回転数を下げたいときに使用する。
実例
NO.324
NO.860
NO.1197



  電池電圧を切替えるもの。
  SW はトランジスタとし実機で使用されている。

  R1 の巻線形ボリウム RA25Y 10 Ω 1.2 W で電圧を絞り低速にする。
  電源が 1.5 V で 0.5 〜 0.9 V くらい可変できる。
  
  低速すぎて起動できないときは、S2 をチョン押しして起動させる。
  超簡単だが、エネルギーロスが大きく、ボリウムは自作しないと高価
  ボリウム購入だと \ 800 ぐらい
  

  上図ではボリウムが大型になるので、トランジスタで電流を絞る。
  電源が 1.5 V で 0.4 〜 1.1 V くらい可変できるが負荷変動で不安定である。
  
  R1 は 47 Ω、R2 は 1 KΩ半固定ボリウム、R3 は 1 Ω、トランジスタは 8050、C1 は 104 ( 0.1 μF )
  0.7 V 以下では再起動できない。起動できないときは、S2 をチョン押しして起動させる。
  起動できないときはトランジスタが熱くなるので要注意!
  ¥150 ぐらい
  

  電源が 3 V 以上であれば可変三端子レギュレタが使え、過電流保護などがついている。
  レギュレタは四端子 LT 3080 ET で 最低 0 V、1.1 A 出力、0.3 V の低損失
  無負荷時は0.7 V 出ているが負荷をつなぐと 0 V になる。
  電圧設定用 R1 は 100 KΩ半固定ボリウムの 1 個のみ、C2 は安定用積層セラミック 4.7 μF、R2 は 2.2 Ω
  電源 3 V で出力は、0 V 〜 1.13 V 、低電圧領域でも電流が流せるようで、0.4 V でも再起動する率が大きい。
  低電圧領域では放熱板が必要
  低速すぎて起動できないときは、S2 をチョン押しして起動させる。
  0.5 V までなら再起動できるので、実用的
  ¥350 ぐらい
  

  チョン押しがなくても起動させたい。
  電源が 3 V で 0.4 〜 1.2 V くらい可変でき、再起動する。
  コンパレータ LM 393 P で、モータ電圧と設定電圧を比較し、Tr A 1020 を断続させる。
  R1 10 K、R2 10 K 半固定 VR、R3 1 K、R4 1 K、R5 47 K、R6 1 K、R7 0、R8 1 K、C1 0.1μ、C2 0.1μ
  D1 で 3 V → 2.3 V にして Tr の発熱を抑える。
  C2 は再起動補助用、LED は CP 動作確認用
  ¥200 ぐらいだが、自作回路なので保証なし。

  秋月キット K-06244 ¥500、NE 555 による PWM、パワ MOS FET 出力
  モータ電源 1 V 〜、制御電源 5 V ( 4.5 V で可 ) の 2 系統が必要
  電源が1.5 V 時で 0.3 V 〜 1.25 V ぐらい可変できるが、0.4 V では再起動できない。
  回路は HP で公開されている。
  HT 7750 A で 5 V に昇圧すれば、1.5 V 単電源でも使えるが、3 V 電源がよさそう。
  

  秋月販売キット K-00908 AVIOSYS製 2PK-2400 ¥780、NJM 2904 使用、パワ MOS FET 出力
  電源 6 V
  無負荷で 0.4 V で脈動 〜 4.0 V まで、負荷では 0.4 V で脈動 起動は不可 〜 1.3 V まで可変できる。
  FA -130 の低速化向きではないようである。
  小生に製作ミスか部品不良があるのかも?
  回路は HP で公開されている。
  基板銘板は合っているが、ボリウム回転方向右回しで低速は逆
  

  共立ワンダーキット DCC - 06 K ¥1850、電源 2 V 〜 3 V
  PWM 出力、モータ電流検出フィードバックがあり、低速でもトルクは十分ある。
  0.3 V 〜 2.7 V くらい可変でき、0.3 V でも再起動でき、おもちゃ用 RE - 260 モータまで使える。

  回路は非公開なので掲示できない。サルマネ自作すれば¥400 ぐらいである。
  










(7)いろいろ計算

@基本になる SI 単位のおさらい


      SI 接頭語

番外として日本の単位と数字、
ギリシア文字を最後部に UP しておく。

Aトルク の ( g ・ cm ) を ( mN ・m ) に換算
3.8 g ・cm = 3.8 × 10^-3 Kg × 10^-2 m = 3.8 × 10^-5 × 9.8 N ・m = 37.24 N ・m × 10^-5 = 0.37 mN ・m
g ・cm × 0.098 で mN ・m になる。


B出力 = トルク × 回転数
上表の基本量で表すと、トルク × 回転数 = N ・m × ( 回 ) / s = J × ( 回 ) / s = W で、確かに W になる。

1 回転当たりの移動距離は 2π ( m )となり、

W = N ・m ( 回 ) / s = N × 2π× ( rpm / 60 ) となる。

前(3)項の性能線図の 「 回転数は 9600 rpm、トルクは 3.8 g ・cm ( 0.37 mN ・m )、出力は 0.37 W、効率は 41.7 % 」 を検算してみる。
出力 W out = 0.37 ( mN ) × 2π× 9600 / 60 = 0.37 × 6.28 × 160 = 371.776 ( mW ) で 0.37 W になっている。
入力 W in = 1.8 V × 0.5 A = 0.9 ( W )、効率 η= 0.37 / 0.9 = 0 .411 で合っている。

トルク×回転数=W 計算

トルク(g・cm)

回転数(rpm)

出力(W)


C簡易モータ容量選定
自作おもちゃで、130 枠とか 260 枠とかを決める時の計算方法で、所要 W = 重量 × 速度 で計算する。
基本量で表すと、重量 × 速度 = 9.8 N × 質量 Kg 数 × m / s = 9.8 × 質量 Kg 数 ×J / s = 9.8 × 質量 Kg 数 ( W )になる。

普通は、速度を ( m / min ) にして係数を整理し、効率を加えた、
W = 9.8 × 質量 Kg 数 × m / min / 60 / 効率 η= 質量 Kg 数 × 速度 ( m / min ) / ( 6.12 × 効率 η ) を使う。
ギヤなどの機械効率 η は 0.8 程度でみておく。


例 1: 100 g ( 中みかん 1 個 ) を 2 cm / sec で上下する天井クレーン
所要 W = 0.1 × 1.2 / ( 6.12 × 0.8 ) = 0.025 ( W )
余裕をみて 1.5 倍しても 0.037 W で、FA - 130 RA の 0.43 W で十分過ぎる。

つるべ式エレベータでは、カゴ分のカウンタウエイトをつければ、さらに小さくできる。

オマケだが、実機エレベータで、SI 単位施行に伴い、従前の 「 積載荷重 1000 Kg 」 の表示を尻切れトンボで中途半端な 「 積載 1000 KG 」 としているのがある。
たしかに重量と質量の区別はややこしく、計量法の規定もあるが、やっぱり 「 積載荷重 1000 Kg 」 がいいなぁ。

例 2 : 重さ 500 g のタイヤ駆動車 を 30 cm / sec で走行
摩擦移動の場合、μ: 走行抵抗をかける。・・・ レールと車輪では 0.0 1 〜 0.0 3、車輪と砂利道では 0.1 〜 0.2

所要 W = 0.2 × 0.5 × 18 / ( 6.12 × 0.8 ) = 0.37 ( W )
1.5 倍すると 0.56 W となり、RE - 260 RA の 0.52 W でいけるだろう。タミヤミニモータの 0.51 W でいけるかも。


速度は適正負荷回転数で計算し、適当なタミヤギヤ BOX を選定してトライする。
トライ結果で全重量、ギヤ比、回転径、電圧を調整する。



(8)ギヤ BOX

@ギヤのこと

おもちゃ修理では、歯数、モジュール、穴径ぐらいを考慮すればよく、基本をおさらいしておく。

・基準円直径 : d ( mm )は、歯が当たる点の直径で、歯数 × モジュール となる。摩擦伝動輪の直径に相当する。

・外径 : da ( mm )は、歯先円直径で、基準円直径 + ( 2 × モジュール ) となる。偶数歯ならノギスで測れる。

・歯数は、z で表す。

・歯の大きさは、モジュール : m ( mm )で、基準円直径 / 歯数である。

・歯の形状はインボリュート歯といい、いつも滑らかに当たっているスグレモノ。

・中心距離 : a は、2 枚の 基準円直径の和の半分となる。


インボリュート歯の様子

アニメは、Wikipedia より借用
インボリュート曲線とは、筒に巻いた糸を張りながらほどいていく時に糸の先端が描く曲線である。
これを使った歯で、当たり点がスムーズに動いているのがわかる。構造、アニメ共、すごい!
矢印は、ベクトルの作用 ・反作用の意味だね。



おもちゃ用ギヤのモジュールは、普通 0.5 か 0.6 で、電動乗用車では大きいのが使われている。

    12 歯での大きさの違い

中心間距離 : a は、2 枚の基準円直径の和の 1 / 2 となる。
例 : モジュール 0.5 の 8 歯と 14 歯の場合、( 4 +7 ) / 2 = 5.5 となる。
ギヤ交換で、同一のものがないとき、中心間距離が細工できるなら、違う歯数のものに交換できる。
しかし、速度が変化するので、機能に差し支えない場合に限られる。

おもちゃ用ギヤの材質は、ポリアセタール樹脂、ナイロン樹脂、アルミ、真鍮 ぐらいで、シャフトに圧入がほとんどである。

市販の樹脂ギヤ穴径は、シャフト径 − 0.1 mm としており、φ 2 軸では φ 1.9、φ 2.5 軸では φ 2.4 となっている。
セレーション ( スプライン状の縦直線突起 )、ローレット ( 網目突起 ) がある場合はシャフト径と同じにする。

プラレールは、セレーション、ローレットどちらもある。
左写真のは、ローレットでセレーションより固定力が弱い。
市販のギヤの場合、φ 2.4 のままでもいけるが、φ 2.5 にあけ直したほうが樹脂へのストレスが少ない。


穴の追加工は、ドリル刃径もさることながら、垂直度が大切で、ボール盤でやるのが望ましい。
ボール盤では、動力回転せず、チャックを手で回してやると安全で斜めになったりせず、キレイにできる。

同じ意味合いから電ドルは使用せず、手回しチャックで、ギヤの両側から少しずつ削ると垂直度が出しやすい。


小径では歯先と指先を傷つけないよう、平ゴム板を巻いて保持する。


車輪の抜き方はいろいろあると思うが、プラレールはモールドされており、軸端がセレーションの場合は強固で、並みの作りの自作工具では歯がたたない。
力技が一番で、手で回すか、打ち抜きとなる。
方法 1

バイスプライヤで軸をつかみ、手でゴムタイヤを回して樹脂をバカにする。
ギャから近いほうの車輪を外す。


方法 2

万力で車輪を受け、押し棒をハンマーで打ちこみ、軸を抜く。
軸端がセレーションの場合は、上の手回しより車輪ボスの損傷が少ない。

押し棒は、平頭の 6 角レンチドライバーが強度があって具合がいい。
ハンマーはでかいほど簡単で、写真のでは軽い一撃で抜ける。

適当な押し棒がないときは、ドリル刃を木片ブロックにかませ、ドリル刃の尻を使う。



プラレール動輪のピニオンは、12 歯か 14 歯である。
純正 12 歯 の取付寸法

ギヤ BOX によっては、5 mm 厚 のギヤでは、ケースや他のギヤと干渉したりするので、ギヤの角をカッターナイフで落とす。
ピラニア鋸で切ると、厚みが薄くなり、固定力が減る。



ピニオン ( スパーギヤ 2 枚のとき、小さい方をピニオンという ) の抜き方であるが、ピニオン割れのときは手で抜ける。
モータ分解時に、ピニオンでたまに、ウオームではたいていギヤ抜き工具を使う。

左はタミヤのもので、FA -130 モータにピニオンの挿入もできる。



ギヤ挿入時、たたき込みでは、位置の調整がむつかしいので道具が必要である。

市販の 2 インチのバイスとカラー、精密ネジのバイスが欲しいのだが見当たらない。
プラレール動輪のギヤはこれで入れている。
軸端のセレーション ( またはローレット ) はヤスリで落として挿入する。
車輪はロックタイト 401 で接着する。


ギヤへの給油脂は、樹脂ギヤでは基本的に不要なのだが、556 を噴霧すると軽く静かになるのは事実。
産業用金属ギヤはオイルバスだが、おもちゃでは乾いてしまうし、周囲がベタベタになるので、当座しのぎ以外は噴霧しないほうがいい。
タミヤのギヤ BOX ではグリス塗布になっている。
グリス塗布がいいと思うが、流動性がないので分解しないと塗布できない所があり、面倒である。
軸受けには、シリコンオイルを爪楊枝で塗布、ギヤ当たり面にはセラミックグリスを塗布することにする。


なぜピニオンが割れるのか?

軸とピニオンは大抵 0.1 mm の径差で圧入されている。
セレーションでピニオンの局部に力が集中しているときもある。
割れの原因としては、
・ピニオンの穴径ミスできつ過ぎ、ピニオンが引っ張りに耐えられない。
・モータ過負荷で軸温度が上がり、軸径が膨張し、ピニオンが引っ張りに耐えられない。
・図のようにロックされると、赤→の反力でセレーション頂点と歯底線に破断力がかかる。


ツバ付きピニオンの向き
割れ防止にツバをつけてあるものの入れ方は?
どちらでも同じようなものだが、力のかかる所にツバを近づけるのがよいだろう。

モータ軸のスラスト方向のガタが一杯振れたとき、ツバと次段ギヤが干渉しないかチエック要



Aタミヤギヤ BOX ギヤ比一覧

☆70093 ☆70097 ☆70103 ☆70110 ☆70167 ☆70168
☆72001 ☆72002 ☆72003 ☆72004 ☆72005 ☆72007 ☆72008
☆70188 ☆70189 ☆70190 ☆70203
☆75026 ☆76004 ☆76005 ☆76011

プラレールの高速で、1 / 21.6、低速で 1 / 44.2、ミニ四駆で 1 / 3.5 〜 1 / 4



☆ギヤ計算クイズ

スパーギヤ 5 枚
歯数 10 の A が 1 回転したとき、B は何回転するか?

答えは最後に




(9)ベルト&プーリー

おしゃべり系おもちゃで、モータ と回転体に直接、あるいはギヤ BOX 入力軸にプーリーをつけてベルト駆動しているがある。
高速回転のギヤ騒音や脈動を減らすためである。


@ベルト修復
切れているが全体のくたびれが少ない場合、ロックタイト 401 瞬間接着剤で突合せ接着でいける場合がある。
とくに黒い合成ゴム系は相性がよく、かなりの強度がある。

ベルト交換の場合、ホームセンタでも売っているがサイズが合わない、高価 ・・・ なのでバンコード( BANDO 化学 の商品名 )で作る。
ポリウレタンの橙色で 型番 #480
おもちゃでは、最小の φ 1.5 を使う。¥ 70 / m

ただ、BANDO 資料 ( 後述のリンク ) によると、φ 1.5 のプーリーの最小径は、12 mm なので、おもちゃでは苦しい。
プーリー径が小さいと屈曲疲労が大きく寿命低下となる。
上記の写真は、張りすぎである。


両端面を半田ゴテで溶かし、突合せするが、手が足りないのでツールがいる。

スライドコンパスに取り付けた木製ブロックにバンコードをはめ、万力で固定した半田ゴテに当て、溶けたら押し付ける。
ブロックは半割りで、φ 1.3 と φ 1.7 の穴があけてあり、ネジでバンコードをはさむ。
ベルトの長さは、プーリー間に糸をかけてマジックで点を打ち、その長さ + 2 〜 3 mm ぐらいだが、張り過ぎや失敗も含めて 5 本ぐらいいるかなァ。

100 均プラノギスやプラのピンセットでやっている人もいる。
ツールの要件
・突合せ部の開閉ができる
・ベルトが保持できる
・直線的に突合せる
・小外径ベルトでもつかめる

木ネジがバカになってきたので、100 均プラノギスでやってみた。

木製ホルダをプラ角材 ( 7 × 4 × 19 - 4 個 ) に変更、ネジ止めを M 3 ビスナットに変更しネジがバカになるのを防止。
コンパスのスライドガタの削減で芯合わせ度向上。
横向きの上下ブロックは、突合せ時、ノギス左腕を挟み、先のブレをなくす。


Aベルト接合後の養生
突き合わせ後、冷えても組成変化が落ち着くまで使えない。
BANDO の 資料の 3 ページ によると溶着後 1 〜 2 分はそのまま保持して養生しろとある。
別の情報では完全接着には 10 時間かかるという。
小生は 30 分としている。


Bカエリの処理
突合せ部のカエリがあるとプーリーに通らない場合、カエリを取る。

プーリーを通るとき、コトンコトンとなるが、次段がギヤBOX の場合、減速中に脈動が消えてしまうので、カエリがついたままでもよい場合がある。
カエリも接着断面積の一部なので極力残しておきたい。

コトンコトンが影響するようであれば、ハサミでカエリを斜めに切り取る。


C平ベルト
切れたが劣化していない場合、面積があるので、ロックタイト 401 瞬間接着剤の重ね合せ接着でいける。

平ベルトの交換でタイコドラムの場合、ボール紙などで上下に土手をつけ、○ベルトのズレを防止する。



D長ベルトのたわみ
バンコードで作る場合、たわみが大きいからといっても、長いのでそうそう作り直しはできない。
アイドラープーリーをつけて、たわみを取るのがいい。 タミヤプーリーセット が便利である。

白色 : アイドラープーリー
水色 : ブッシュ
黄色 : M 2 ボルト、ナット
緑色 : 自作ブラケット ・・・ たわみ調整後に点接着

最小径などから、アイドラーの外側にベルトを通し、たわみを調整するのがいいだろう。

Eベルトの外れ
原因は、芯ズレやベルトの伸びであり、またその複合作用と思われる。

左図は、プーリーのはめ合いゆるみのため、プーリーの芯がずれ、傾斜を登って外れる。

右図は、芯が合っていても、手で押さえつけられたりしてギヤ軸がロックすると、A 側 はスリップしながら緊張するが、B 側 はゆるみ、波打つように激しく振動する。
このとき手を離してギヤ軸が開放されると、振動波がモータ軸側まで伝わり、ベルトがふっ飛んで外れることがある。
ベルトの伸びが大きい程、長い程顕著になる。


Fベルトのすべり
ベルト駆動面にグリスがつくと、すべってしまう。
中間プーリーがある場合、軸からグリスがにじみ出て、遠心力で小径プーリーの周端にまわり、駆動面に回り込むので起こりやすい。
この場合は、ベルトとプーリー全体をアルコールで洗浄し、軸は過剰グリスを拭き取ってやる。

薬屋で売っている燃料用アルコール ( 500 cc で 200 円 程度 : 飲用不可 ) で ヒタヒタ漬け洗いする。
















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(20)モータを発電機として使用

災害時の携帯充電、ラジオ、ライト、理科の実験用 ・・・ でおなじみである。

@虎のライト

レバーをニギニギして、マブチ FA-130 クラスのモータを正逆回転させ交流発電し、Ni-MH 直列 3 個 に充電する。
SW で白 LED を 2 個並列で点灯させている。
Ni-MH 直列 3 個なので 3.6 V になり、白 LED 点灯には十分である。
でも、このクラスのモータと短い握りストロークで 3.6 V が発電できるのかな?


回路を調べると、半波倍電圧整流というのをしていた。

(1) C 2 と BT は 0 V 、SW は OFF とする。
G の A が + のとき、D 1 → C 1 → G と流れ、C 1 が 1.5 V に充電される。





(2)G が OFF となる。
C 1 → D 2 → C 2 と BT → G → C 1 と流れ、C 2 が 1.5 V に充電され、BT の電圧が上昇していく。





(3)G の B が + のとき、C 1 → D 2 → C 2 と BT → G と流れ、C 2 が 3 V に充電され、BT の電圧が上昇していく。
G と C 1 の電池が直列したと思えばいい。




(4)G が OFF となる。
C 2 → BT → C 2 と流れ、BT の電圧が上昇していく。
これの繰り返しで、BT が 倍電圧の 3 V に充電される。

この方式を何段も重ねると超高圧が作れる。
素子の耐圧は、電源電圧の 2 倍程度でよいので経済的。
大阪市立科学館に、コッククロフト・ウォルトン式の陽子加速器電源装置の展示がある。

手回しハンドル式では、直流なのでこれが使えず、100 倍くらいの増速ギヤが必要となる。


























☆ギヤ計算クイズの答え

スパーギヤ 5 枚
歯数 10 の A が 1 回転したとき、B は何回転するか?


答えは 1 回転
10 / 20 × 20 / 15 × 15 / 30 × 30 / 10 = 1 ・・・ なんてやる必要はない。
スパーギヤ連続だから A が 1 歯動けば、どれも 1 歯動くので即答できる。
初めと終わりだけみればよく、間は関係ない。

2 段ギヤの場合

回転数を求めるには
歯数 z first / z second の積 = z 1 / z 2 × z 3 / z 4 =10 / 24 × 12 / 30 = 1 / 6 回転の減速である。
1 なら等速、1 < なら増速

トルクは逆数の 6 倍となる。






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番外 : 日本の単位と数字 (ついでにギリシア文字も )

@単位


漢字正数の場合は万進法、小数の場合は、分 ( 1 / 10 ) 厘 ( 1 / 100 ) ・・・の 10 進法。 欧米は千進法
☆五分五分 ・・・ 50 %、九分九厘 ・・・ 99 %

お金の単位は、法律で決めてあり、円以下は、銭 ( 1 円 / 100 )、厘 ( 1 円 / 1000 ) である。
☆日歩 4 銭 ・・・ 1 日の利率で、通常、元金 100 円に対してかかる。 4 銭( 0.04 円 )× 365 日 = 14.6 円、年利 14.6 % になる。

「 割 」 は、江戸時代に使われていた比率の単位で、小数の場合は歩合といい、( 1 / 10 ) を意味する。
単位として 「 割 」 を使う場合、「 二割三分四厘 」のようになることから、分が ( 1 / 100 )、厘が ( 1 / 1000 ) だという勘違いがある。
これは 「 2.34 割 」 の意味であり、分が ( 1 / 10 )、厘が ( 1 / 100 ) であることは変わらない。
☆打率二割三分四厘 ・・・ 2 割 + 0.3 割 + 0.04 割 ・・・、これは ( 割り = 10 % ) に置き換えると、 20 % + 3 % + 0.4 % = 23.4 %
☆ 5 割増の罰金 ・・・ 150 %
☆ 1 割引 ・・・ 10 % 引き、5 分引 ( 0.5 割引き ) ・・・ 5 % 引き


A数字


「 零 」は、位取り記数法では、「 〇 」 を使う。
108 = 一〇八 = 百八つの鐘
熟語は必ず 「 零 」 を用いて、「 零点 」、「 零戦 」 などと書く。

「 壱、弐、参、壱拾 」や複合文字の 「廿 ( 20 )、卅 ( 30 ) 」 は改ざん防止に使われる。

「 八 」 は二つに分けることを表し、8 → 4 → 2 → 1 と分割できることを示すとされる。
二分するという意味の 「 八 」 を含む文字が、「 分 」 や 「 半 」 である。
八つ裂きの刑は、手足を馬 4 頭で引かせ、5 分裂にする欧州の酷刑の日本版らしいが、8 個にはならないので、バラバラに分けるという意味かな?

阪急十駅 ・・・ 阪急じゅうそう駅
八百萬の神 ・・・やおよろずの神
三十一文字 ・・・みそひともじ
合百貨店・・・そごう百貨店
代紙 ・・・・・・ ちよがみ
山口恵・・・・・山口ももえ
広島県廿日市市 ・・・ はつかいち市






---- 2016.09.15 ---