楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

モーターで遊びにヒントを

  

電子工作では、何かを動かす簡単なアイテムとしては、モーターが必須です。モーターは非常に多種類で用途も広範囲ですが、ここではDCブラシ付きモーターだけですが、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。

もっとも、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が主流になっており、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にして、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。

ただ、書きすすめる途中で、使用しているFA130のモーターが、カタログの特性と違うことに気がつきました。とりあえずFA130としていますが、マブチモーターのFA-130RAとは異なっているようです。こういうこともあるので、何らかの役に立てば・・・と思ってそのまま紹介します。

FE-130A RE280RA

いずれも3V乾電池で回すモーターです。

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。ここでは、FA-130を主に取り上げています。

FA130は、マブチモーターのカタログには、2タイプの、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。仕様の一部をカタログ数値から拾い出しました。

モーターの仕様抜粋表1

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。

この仕様は、モーターを効率の良い状態で使うための資料・・・ということですが、私の手元にあるFA130を測定してみると、びっくり・・・。 この表中の数字と全く異なった数字になったのです。

どうも、形はFA130ですが、(FA130として購入したはずですが) 別物のような感じです。

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桁小さい電流で気持ちよく回っています。

写真で見るように、RE280はマブチモーターのパッケージ入りの純正品を購入しましたが、ここで使うFA130は、数年前から持っていた、「無印=ノーブランド」のものです。どうも、本体表記もないので、マブチモーター純正ではない感じです。

そこで、タミヤのギヤボックスに付属の同型番の別のモーター(これにもやはり、FA130と表記あり)がついていましたので、それを加えて測定しますと、1.5Vで200mA 3Vで260mAでした。

使用したタミヤギヤボックスの外観

このモーターにも「マブチモーター(株)」の表示がなかったので、純正でないかもしれませんが、これはカタログ値に近いようです。

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。

このように、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。

WEBでFA-130で検索すると、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。すなわち、同じFA-130といっても、全く違うものの可能性がありそうだということは覚えておいてもいいかもしれません。

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、純正品ですから、値は、カタログ値に近い値になっています。

今回使ったFA130はマブチモーター製ではないけれど、カタログ値よりもかなり小さな消費電流で気持ちよく回っています。いいモーターのようですので、少電力なのを幸いに、トランジスタを使った実験に使う予定にしています。

ここでは、消費電力が少ない、この「手持ちのFA130」のモーターでいろいろ試してみたいと思います。この記事を読んで「自分でもやってみよう」という方は、文章中の数字と大きく変わる場合は、モーター使用の違いが考えられるので、注意していただくようにお願いします。

モーターは発電機になります

英語でエンジン(Engin)は発動機、モーター(Motor)は電動機ですが、仕組みは同じです。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

電動機側に加える電圧をあげていくと、それにつれて、回転数が上がっている感じが「音」でわかります。 ここでも、電圧を上げると回転数が上がり、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。

発電されている電気は交流です

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。

交流電圧を測りたかったのですが、私の持っているテスターはAC200Vレンジしかなくて、それで測ってみたのですが、電圧が小さすぎるのか、電圧値が出てくれません。

非常に回転数が高いので、直流に近いと考えられますので、試しに、ダイオードを入れて半波整流してDCとして電圧を測ってみたのですが、その電圧も、整流しない場合の電圧も、ほとんど変わりませんでした。

理由はよくわかりませんが、簡易なテスターで測っているものなので、テスターのサンプリング応答時間などの制限で、適当に丸められた「何かの値」が表示されているのでしょう。

少し懸念は残りますが、ともかくここでは、違いを見るためだけなので、上のグラフは、DC20Vレンジでの値をそのまま示しています。

また、念のために、かんたんなオシロスコープでその波形を見ると、確かに交流です。これも簡易なオシロスコープですので、詳しい測定はしませんでしたが、何か変な電圧の波形ですね。

このモーターは3つのローターがある・・・と他のWEBの記事がありました。それが現れているのかもしれませんが、交流となると、直流と違って、何か難しい感じがします。

発電している交流の状態 

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ました。

回転計がないので、回転数については、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、運動軸の回転数を計測したものから毎分の回転数RPMを算出しました。

回転数についても、2つのモーターで、大きく測定値が違うので、2種類について示しています。

使用したギヤボックス

回転数と電圧

青色の線が、メインに使おうとしているモーターで、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、電圧と回転数の関係は、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、そのスピードが変えられるということです。(もちろんトルクも変わってきます)

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

電圧をあげれば回転数が上がっているのですが、その割には、消費電流値は変わっていません。特に、青い線で示した低電流のものは、適正電圧範囲では、電圧を上げても消費電流が増えていません。

このことから、電流値を変えることで回転数を制御するのは難しいと言えそうです。

このモーターの適正電圧は1.5-3Vとなっていましたが、同じ型番のモーターとは思えないほど、数値が異なっています。タミヤのモーターは3Vで限界の感じですが、低電力のモーターは、まだまだ余裕があり、電圧を上げれば回転数が上がります。

このことから、モーターを使うときには、ちょっと気にかけておいていいかも知れません。

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。

購入した時に、メーカー名が書いてあって、データシートがついていれば、それは問題ないのですが、私のこのモーターは、購入時期が数年前ですので、どうもよくわかりません。

もっとも、これらの測定は条件を整えて測定したものではありませんので、メーカーが測定しているものとは違いますが、ともかく、電圧を上げていくと回転数が上がることだけは確かです。

このモーターの使用電圧範囲は1.5-3.0Vとなっています。範囲外の測定値を測りましたが、手持ちのFA130は高電圧でもよく回ります。レーシングカーなどの高速運転させるモーターは、このように、仕様外の電圧をかける場合もあるようです。このあたりは、勝負に勝つためのノウハウもあるような気がします。

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のですが、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。

このように、モータに直結して発電状態を確認すると、発電機側は、交流電力が発生し、電動機側は、加える電圧に応じて、適正電圧範囲内では、電圧を上げると、回転数が上がることがわかります。

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、発電能力も高いのだろうと推測できます。どうなのでしょう。

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。

今回の発電実験もそうですが、すごい高回転なので、周波数も変換しないといけないし、電圧も一定にしなければなりませんので、安定した電気を作るのは大変なことだということは予測できますね。

そこまでやるのは大変ですので、モーターの大きさの違いでの発電量の違いを見てみます。

「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。

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、1Ωの抵抗を付けて測定すると計算値としてわかりやすいかもしれません。

つまり、P=IE=I2R で、Rが1ですので、イメージしやすいと思いますが、ショート電流でも、小さい値であるので、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。

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

次にトルクの大きさですが、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

しかし、わかりにくいグラフですので、基本的なモーターでの考え方に基づいた、簡単な特性グラフを紹介しておきます。

モーター諸元の考え方

先の表1と関連付けながら見ていきましょう。

紫色の右下がりの実線とピンクの右上がりの実線を見ます。FA130では推奨電圧が1.5から3Vですが、3Vで回転させた場合の関係が実線で、電圧を下げると、点線のような位置に特性が変化するということです。

一般的には、負荷を増やすと回転数が減ってゆき、止まってしまった時に、最大電流が消費される状態になります。つまり、止まっているときは、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・・・ということですが、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るということです。

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・・・ということなどをこの図から読み取るということでしょう。

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が、これらはカタログの表にあります。

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ません。

だから、これもノウハウなので、自分で測定して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、この次ですが、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・・・

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は、マイコンなどを利用してそれを行っている記事を見かけますが、この場合でも、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ので、この極性を変えて反転させる・・・というのが基本といえます。その方法の例を示します。

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

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

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電源の反転回路例実際に確認した反転回路 これを確認しました

持ち合わせのスイッチを使いました。写真のように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、スイッチが4つでも同じような考え方で反転動作ができます。

この方法は「Hブリッジ」と呼ばれるもので、これをトランジスタなどのスイッチ機能を使って行なうためのICが「モータードライバー」とよばれるものです。

【Hブリッジ回路】

ここでは、スイッチを4つ使って回転を変える方法を紹介します。これは、「Hブリッジ回路」とよばれます。

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ますが、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。

しかし、電圧を変えるだけで回転数が変えられるDCモーターは、安価で使いやすいために、色々な使い方ができそうです。

モータードライバーモジュール

ドライバモジュール例

これは秋月電気のモジュール化されたモータードライバーの例です。モータードライバーICは非常に小さいものが多いので、それをはんだ付けして使うのは至難の業ですので、このように加工されたものが使いやすくていいと思います。これは200円少しで販売されています。

これらのモータードライバーの多くはマイコンなどを使ってステップモーター(パルスモーター)を回すことで使用されています。しかし、3~6V-1Aで使えるようですし、OUT1・2とGNDにモーターをつなぐことによって、モーターの回転が手動で(例えばスイッチを使って)切り替えることができますので、DCモーターでも使えます。

ここではまだ、このドライバーの紹介はしませんが、ぜひいろいろ試してください。自由に遊ぶのが「電子工作」の楽しみ方ですから・・・。

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

DCモーターについてのありきたりの内容の紹介になりましたが、基本を知ってこそ応用につながりますので、仕様書をみて実際の特性を自分で測定してみると、意外なことが発見されるかもしれません。

回転数を変えたい場合は・・・

加える電圧を変えれば回転数が変わりました。そのためには、電池の個数を変えるという方法も考えられますが、急激に変化しないで、連続的に回転数を変えたいですね。

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、結論をいえば、うまく行きませんでした。低速で動き出すときが問題になりました。

これは、次のページで簡単に紹介しますが、使用したFA-130の消費電流が少ないので、300mA程度以内であれば、汎用の電流増幅用バイポーラトランジスタを使って回転数を変えることができそうだということに気づいてやってみたのですが、うまく行きませんでした。

多くの書籍には、モーターの回転数を変える方法として、「モータードライバーIC」を使う方法が紹介されていると思います。それは、マイコンを使ってモーターを制御する、今では主流になっている方法などですが、ここでは、アナログ主体の内容で進めていますので、、それに飛んでしまわないで、安価に、簡単に、そして、その仕組を理解するために、バイポーラトランジスタを使って、アナログでそれができるかどうかを(できなくても)やってみようと思います。

失敗を積み重ねるのも楽しみの一つですので、順番に考えていくことにしましょう。

長くなりましたので、ページを変えます。

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