楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

DCモーターは電子工作での楽しいアイテム

電子工作や模型の工作では、何かを動かすための簡単な道具として、DCモーターが欠かせません。 DCブラシ付きモーターは安価で、く祝える電圧によって簡単に回転数が変えられる、使いみちの広いものです。 何かのヒントになるようなことがあれば利用いただけると幸いです。

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最近の電子工作では、マイコンと組み合わせて、ロボットの手足などを動かすことなどの記事が多くなって、ステップモーターやサーボモーターなどがよく取り上げられていますので、このDCモーターだけでは少し物足りないのですが、それでも、このモーターが模型などの工作の基本ですし、小さなブラシ付きモーターを自由に使えるようになるだけでも、結構面白みがあります。

ここでは、あまり難しいことは抜きの、基本の基本として、DCモーターの使い方や、「モーターってこんなモノ」という程度に見ていただくといいでしょう。

ブラシ付きのDCモータ


  

ここでは、どこでも手に入るDC小型モーター2種類を用意しました。

FE-130A RE280RA

モーターの仕様抜粋

この表はマブチモーターのカタログから抜粋していますが、ここではFA130の2種類のMODEL(FA-130RA-2270とFA-130RA-18100)が掲載されています。

いずれも形状が同じで、重さが20g以下で、胴回りが20mmと、非常にコンパクトなものです。

英語でわかりにくいのですが、NO LOADは無負荷の状態、AT MAXMAM EFFICIENCYは最大効率の状態、STALLは負荷を強めて回転が止まった時の状態です。

いずれも1.5-3Vの適正電圧の、乾電池の使用を想定したモーターです。

写真の2つを回転させると、FA-130は小さくて、回転も静かで、すばしこい感じで、RE-280RAはどっしりとした感じで回っています。

ただ、RE280はマブチモーター製ですが、手持ちの FA-130 のほうは無印で、メーカー名もわからないのですが、音が静かで軽やかすぎる回り方が気になったのですが、後で示すように、マブチのFA130 とは全く違う仕様でした。

少し この変わり種の FA130 について少し紹介します。


FA130でも、仕様は色々あるようです

私の手持ちのものは、形は FA130 ですが、仕様はマブチモーター製のものとは別物のような感じです。 私の実験には適していたので、結果オーライでしたが・・・こういうこともあることを知っておくといいでしょう。

たとえば、手持ちのものを無負荷で回転させたときの電流を測定すると、2Vのとき27.7mA、3Vで30.6mA、3.5Vで31.4mAで、(後で出てきますが、)少し負荷をかけても、100mA以下ですので、消費電流は、カタログの数値よりも1桁小さい電流量で気持ちよく回っています。

次に、タミヤのギヤボックスに付属のFA130タイプのモーターがついていましたので、それを使って同様に電流測定しますと、1.5Vで200mA 3Vで260mAでした。これは、マブチのカタログに近い値です。

使用したタミヤギヤボックスの外観

【参考】TAMIYAではいろいろな部品を取り扱っています。電子工作でもモーターと合わせて使えそうなものがありますので、HPの商品群を眺めていると、何か使えそうなものがひらめくかもしれませんね。リンクを張っておきますので参考に。

TAMIYAのオンラインショップ紹介


このギヤーボックスに付属のモーターは、説明書には「FA130 TYPE」と書いてあるものの、「マブチモーター」製なのかどうかは無印なのでわかりませんが、測定した回転中の電流値はカタログの値に近いもののようです。

FA130の外観の違い 外観の違い(マーク)

左がギヤーボックスに付属のもの、右が私の在庫品のものです。

つまり、外観形状的にはFA130であっても、全く仕様が違うものがあるようですので、こういうものもあることを、ちょっと頭に入れておいたほうが良いかもしれません。

WEBでも、「FA-130」を検索すると、同形状でマブチモーター製でないものもたくさんあります。 私の場合は、小電力で回転することは都合が良かったのですが、トルクや高速回転が必要な用途には不向きですね。

マブチ製のRE-280RAについては、無負荷で測定すると、2Vで141mA、3Vのときは176mAで、軸に負荷をかけても、カタログのように1Aを超えませんが、もちろん純正品ですから、無負荷時の値は、カタログ値に近い値になっています。



・・・というわけで、このあとの記事は、マブチ仕様のモーターでないのですが、これを使っていきます。

モーターは発電機にもなります

英語でエンジン(Engin)は発動機、モーター(Motor)は電動機ですが、電気で回すか、回して電気を起こすか・・・ですが、同じ仕組みです。

水車や風車のようにしてDCモーターを回すと発電します。その様子を見てみましょう。

2つの小さなモーター(手持ちのFA-130の低電流タイプのもの)を2つジョイントして片方を回転させたときに、もう片方の電圧を測ってみました。

発電の様子を測定

ビニールパイプで結合

発電電圧

電動機側の電圧をあげていくと、回転数が上がっていきますが、それに伴って、発電する電圧も高くなっています。

負荷電圧と発電電圧はこの電圧範囲内では、ほぼ正の比例関係にあるようです。

細かいことは考えていませんので、ここでは、たくさんエネルギーを与えると、たくさんの電気が出てくる・・・という感じで見ておいてください。

発電されている電気は・・・

元になるモーター側は直流で回転させていますが、反対側の「発電機側」に発生する電圧は、内部のローターが回転して磁界を切ることで発電しているので「交流」のはずですですが、オシロスコープで見ると変な波形です。

発電状態の波形

非常に回転数が高いので、直流に近い脈流のようですが、試しに、ダイオードを入れて半波整流した波形もほとんど変わりませんでした。

やや懸念は残りますが、状態を見ただけですし、上のグラフについても、単に、でてきた電圧をDCレンジで測定したままの値です。

電圧を上げれば回転数が上がる 

次に、モーターに加える電圧を変えて、回転数がどうなるのかを調べようとしましたが、回転計がないので、タミヤのギヤボックスNo.167を利用して、ギヤーで速度を落として、運動軸の回転数を数えることで毎分の回転数RPMを算出しました。

回転数についても、2つのモーター(FA130)で、大きく測定値が違うので、両方を示しました。

使用したギヤボックス

回転数と電圧

青色の線が、手持ちのFA130モーターで、赤色がタミヤのギヤボックスに付属のものです。

このように、電圧を変えてみると、この図のように、電圧を上げると、回転数が上がります

このことから、電圧を変えることで、何かを動かす場合に、電圧によってスピードが変えられるということです。

消費電力との関係は?

ちなみに、その時の消費電流を見てみると、次のようになりました。 これらの測定は、定電圧電源を用いて電圧を変えて測定しました。

電圧と電流

電圧をあげれば、見た目で、たしかに回転数が上がっているのがわかりますが、エネルキーを消費するのですから電流値と回転数は相関があってもいいはずですが、不思議なことに、手持ちのFA130は消費電流値は変わっていません。


トルクとの関係などをみないといけないのかもしれませんが、ここではともかく、DCモーターは電圧で回転数が変わるものの、電流値と回転数の傾向ははっきりしていないので、電流値で回転数を制御するのはちょっと難しい感じと言えそうです。

こんなに違うと、実際には困ってしまいますが・・・

モーターの適正電圧は1.5-3V として考えていますが、一方のタミヤの付属モーターは3Vで仕様の限界の感じですが、低電力のモーターは、まだまだ余裕があって、ここには示しませんが、電圧を上げればまだまだ回転数が上がります。

この測定状態は完全な無負荷ではなく、ギヤボックスを回している軽い負荷状態です。しかし、同じFE130で購入したもの2つでも、全く消費電力も回転数も違っているのには驚きます。

このことから、モーターを使うときには、このあたりの違いを知っておいたほうがいいかもしれませんし、しっかりとした関係を知りたいのなら、データシートのある「マブチ製」を使うのが無難ですね。

しかし、たとえば、レーシングカー模型などの高速運転が必要なモーターは、無理してでも仕様外の高い電圧をかける場合もあるようですから、このあたりは、モーター選びは、勝負に勝つための大きな要素のようです。

ただ、高い電圧をかけると、発熱してモーターを痛めるなどの問題もあるし、トルクの強さも関係するのですが、そうは言っても、ここで使った低電力のFA-130はかなり優秀なモーターのようで、そのデータシートがないのが残念です。

大きなモーターの発電量は大きい

大きなモーターは回すための消費電力は大きいのですが、この逆の、回転させた時の発電能力も高いのだろうと推測できます。

水力発電所や火力発電所では、水や蒸気によってタービン(発電機)を回して電気を取り出しています。つまり、自然エネルギーを電気エネルギーに変えています。

今回の発電実験の場合もそうですが、高回転で周波数は高い状態なので、直流にする場合はいいのですが、回転ムラで電圧も変動するので、安定した電気とは言えないようです。

モーターの大きさと発電量

「FA130-FA130」の場合と、「FA130-FA280」の場合で、電圧や電流がどうなるのかを見てみました。

発電側の電圧と出力側のショート電流を測定して電力を比べたのですが、10Ω以下の抵抗を付けて測定したほうが良かったかもしれません。

発電量

加える電圧を上げると回転数が上がり、発電量が増えています。

つまり、P=IE=I2R で、Rが1Ωであれば、P=I2ですのでイメージしやすいでしょうが、ショート電流でも、小さい値なので、同じように考えていいでしょう。

モーター側の電圧が上がると、モーター側も発電機側も回転数が上がります。そして、結果として、発電電力量が電圧の上昇とともに増えます。

これで見ると、やはり、大きなモーターは、小さいモーターに比べて消費電力も大きいし、発電量も大きいことがわかります。

ここで、モーターの一般特性についてみてみましょう。

モーターの特性について

モーターに加える電圧で回転数が変わる事がわかりました。

モーターの特性について簡単に説明

次にトルクについては、使用説明書には下のグラフが掲載されています。

FA130のカタログ抜粋

「電流が増すとトルクが上がる」「回転数を上げるとトルクは下がる」「電流に対する効率の良いところがある」・・・ということが読みとれます。

一般的には、下図のような電流、トルク、回転数の関係の図をよく見ます。

モーター諸元の考え方

これも、「回転数を上げるとトルクは下がる」「回転数を上げると電流を多く消費する」の他に、「電圧を下げるとトルクと回転数が下がり、電圧に応じた消費電流になる」という関係が示されています。

いずれにしても、指定電圧での回転数やトルクの状態はわかりますが、往々にして知りたい「電圧を変えたときの回転数の状態」「極限の回転数の条件」や「最も負荷に耐えられる条件」などはわかりません。

これらは自分でやってみるしかなさそうで、レーシングカーようモーターなどのように、チューニングなどのノウハウが入り込む余地があるといえるのでしょう。


繰り返しになりますが、FA130を使う場合でいえば、推奨電圧が1.5から3Vで、電圧を上げると回転数が上がり、トルクも上がります。 常識でのイメージと合致していますね。 

そして、負荷が増えて回転が止まった時に最大電流が消費される状態になります。つまり、電圧をかけても回転が止まっていると、最大電流が流れます。

また、消費電流を増すと負荷(トルクの大きさ)が増えるので、通常は、電流を増すことによって力強く回転させるということですが、それには、加える電圧を高める・・・というような使い方になります。

この、電流を増すために電圧を上げる・・・という表現はわかりにくいのですが、電圧を上げないと電流を流す余裕が出てこない・・・ということです。 つまり、電圧を上げると回転が上がり、その時には以前より電流が増加しています。

もしも、電圧を上げても回転が上がらなければ、トルクが低下しているということになります。

・・・ これらのことがこの図から読み取れるということです。

ただ、モーターを使おうとした時に、まず、「無負荷回転数とその時の電流値」「最大トルクと最大消費電流」などでモーター選びをしますので、これらはカタログの表にありますが、むしろ、ほしいプラスアルファの数字としては、「すごく力を出したい」「できるだけ高速回転させたい」というときの条件ですが、どうもこれらの特性は仕様書には書かれていないことを知っておきましょう。

だから、レーシングカーなどで極限の能力を引き出そうとすると、電流値、トルク、回転数などを自分で測定して、さらにその最良点を見つけ出すということが必要になるのでしょう。


さて、次に、DCモーターの回転速度と回転方向を変える方法を見てみましょう。

回転を反転させるにはプラスマイナスを入れ替えます

DCモーターは、加える電圧の極性(プラスマイナス)を変えると反転します。

例えば、ロボットの腕を上下させる場合や進行方向を変える場合などですが、DCモーターであれば、電源のプラスマイナスを入れ替えれば反転します。

これはわかりきったことですが重要なことです。 実際の方法は、・・・

①電池(電源)を2つ用意して、スイッチを入れた方の電圧が加わるようにすれば、任意の方向に回転させることが出来ます。

両方同時にスイッチを押すと、回路中でショート(短絡)します。そのために、a接点(押すとスイッチが入る)とb接点(押すつスイッチが切れる)の連動スイッチを使うといいかもしれません。

回路1電池を入れ替えるイメージ①

②電池(電源)を2つ用意する場合は、次のような切り替えスイッチでも同様の正逆転操作ができます。この場合も、スイッチに中立の位置があるほうが、モーターに負担をかけないようになります。

回路2電池を入れ替えるイメージ②

③電源を1つにしたい場合は、2回路2接点スイッチを使えば、次のような回路で正逆転ができます。

1電源の反転回路例

スイッチで電流の流れを切り替えるイメージ③

実際に確認した反転回路 

持ち合わせのスイッチを使ってこの回路の確認をしてみました。

ON-OFFスイッチはつけていませんが、回路図にあるように、動作用のON-OFFスイッチを付けるか、または、6Pトグルスイッチ(2回路2接点・中点つき)というスイッチを使えば、中立の時にモーターが停止しますので、これで簡単に回転を切り替えることができます。

鉄道模型で、電車の方向を変えるのをスイッチ1つでやっていたのは、このような方法ですね。

また、「Hブリッジ」と呼ばれる、4つのスイッチを使って反転動作をさせる方法があり、一般的には、モータードライバーICを使うのですが、これはトランジスタのスイッチ機能を利用しています。

ドライバモジュール例 モータードライバーの例

【Hブリッジ回路】

ここでは、ICを使うのではなくて、スイッチを4つ使って回転を変える考え方を紹介します。

通常は、MOS-FETトランジスタなどのスイッチ機能を使って、「モータードライバー」などとして製品化されているのですが、原理としては下のようにスイッチを切り替えて回転を切り替えるようになっています。

H回路例

(注) このブレーキ機構ですが、DCモーターは、電圧がかからない状態(ストップした状態)でその位置を維持することが難しいので、負荷をかけた状態で静止させる場合は、何らかのブレーキ(機械的なものか電気的なもの)などで一定位置に固定する必要が出てきます。

この図のような機械的なスイッチでは、電流が短時間ショートするなどでうまくいかないのですが、ICなどは瞬時にそれを切り替えてバランスを取りことができるために、うまく電圧がかかった状態にしておくと、トルクが生じて、その位置が保持できることになります。

この位置保持の問題も重要なので、DCモーターでは保持力が弱く、安定しにくいので、ステップモーターを使って、ロボットのアームなどを操作するのが一般的になっています。

モータードライバーについては、別にページを変えて紹介しています。

DCモーターは楽しめる・・・・

電圧を変えるだけで回転数が変えることができるDCモーターは、安価で使いやすいこともあって、色々な使い方ができそうですね。

このように、DCモーターは低電力で非常に高速回転なので、変速機を使うことですごく大きなパワーを出せますし、レーシングカーのように、寿命を考えずに高電圧を加えて高速化するなど、様々な工夫をして使われるなどもあって、自分でノウハウとアレンジを加えて使ってみるのも面白いでしょう。

タミヤのギヤボックス 

先にも紹介しましたが、タミヤのWEBショップ のHPには、楽しそうな商品がたくさんあります。 何かのアイデアが浮かぶかもしれませんので、時間のあるときにでも、是非のぞいてみてください。

停止からゆっくり起動するのは難しい

このページ最後のテーマですが、・・・ DCモーターは、加える電圧を変えれば回転数が変わりました。

動いている状態で回転数を変えるのは電圧で簡単に制御できるのですが、停止状態からゆっくりと回転し始めて定速回転させるような動作は意外と難しいのです。

これを次のページ(→こちら)でやってみようと頑張ったのですが、結果は「失敗」でした。

連続的に電圧を変える安くて簡単な方法は、トランジスタを使って、ボリュームなどで無段階に回転数を変えることができそうな気がします。

しかし、低速で動き出すときに大きなトルクが必要になるので、スムーズに動き出すようにするのは意外に難しいのです。

失敗を積み重ねるのも楽しみの一つですので、次のページでその失敗事例を順番に紹介しています。

長くなりましたので、ページを変えます。

→ モーター記事の続きへ(うまく行かなかったトランジスタでの変速)

→ INDEX(目次)のページへ


  
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(来歴)R2.1記事作成  R2.8様式2カラムに  最終R3.10に見直し 
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電子工作記事の目次

最小限必要なことのおさらい(1-1)

最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

最小限 必要な準備をしましょう

LEDで遊んでみよう

Arduino用センサキットのLEDで遊べそうですか

7セグLEDをアナログ的に使う

バータイプLEDを使ってみる

ろーそくICとはどんなものなのでしょうか

モーターを使って遊んでみよう

DCモーターの回転数を変えてみる

DCモーター用のドライバー

モータードライバーNJU7386を使ってみる

電子工作に使えそうなバイポーラトランジスタ

バイポーラトランジスタの互換性を見てみよう

バイポーラトランジスタのダーリントン接続

電界効果トランジスタFETの基礎

発振によってBEEP音を出してみよう

マルチバイブレータでLED点滅

その他の発振回路:少部品で確実に発振する回路

CdSセルを使ってみよう

電子工作に使えそうなスイッチ類

メカニカルリレーを使った自己保持回路

磁気に反応するホールICを使ってみる

磁気センサの「磁気抵抗素子」

メロディーICを使ってみましょう

サーミスタと温度センサICを紹介します

光を利用する発光受光素子

フォトインタラプタとフォトリフレクタ

オペアンプの使い方(1)オペアンプと電源

オペアンプの使い方(2)コンパレータ

オペアンプの増幅回路

オペアンプの増幅(2)

オペアンプを使った発振回路

タイマーIC NE555を使って見よう

タイマーIC「555」を使い倒そう 

コンデンサマイク用ミニアンプを試作

10進カウンタICとシフトレジスタIC

ボルテージディテクタ・リセットIC

バイナリカウンターを使ってみよう

テスターとオームの法則から始まる電子工作

応用のページのINDEX(目次)

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