リードスイッチの位置と消費電力の減少

リードスイッチの位置がコイルに電流を流すタイミングや時間を変更する大きなパラメータになる。


リードスイッチをローターから遠ざけると、リレーがONする時間が短くなる。すなわちDuty比が下がる。
逆にリードスイッチをローターに近づけると、リレーがONする時間が長くなる。Duty比は上がり、電流も多く流れることになる。

これとは別に、モーターの中心軸からコイルの中心に伸ばした線を基準にして、
ローターの回転方向側に移動させる。これを遅れ角と呼ぶことにする。

こうすると、コイルに電流が流れるときには、ローターのマグネットがコイル上空を通りすぎて、離れていこうとする状況にある。このときコイルに発生した磁界がマグネットを押し出す力にはなるが、角度を大きくすると、マグネットに力が十分にかからなくなり、電流が無駄になりやすい。
回転速度が遅い起動時には、有効だった。

逆に、基準線よりも回転方向と逆に移動させる。これを進み角と呼ぶことにする。

こうすると、ローター上のマグネットがコイルに近づいてくる段階で、コイルの磁界が発生するため、マグネットとコイルの間の反発力が、ブレーキとなってしまう。もちろんマグネットがコイルの中心を通過したあとは、反発力が回転を加速させる。
回転速度が遅い場合にこの進み角をとると、確実に減速して停止する。
しかし、回転速度が十分に大きくなっていると、ブレーキ効果は瞬間的なものになるため停止することはない。もちろん、角度が大きすぎるのは問題があり、振動が増え停止に至る。

このモーターはリレー式の駆動系となっているので、リレー接点が完全にONとなるまでに数ミリ秒のタイムラグが存在する。このタイムラグを取り除き、モーター全体の効率をよくするためは進み角を少しだけつけるのが有効となる。

以上のポイントを押さえた上で、実験を繰り返した結果、コイルの電流が激減することが分かった。

このオシロスコープの写真は、CH1がコイル電流波形で、CH2がコイルの電圧波形となる。
ここではCH１の電流波形に注目してみる。

電源電圧7Vのときに、電流のピークは550mA程度だとわかる。

次は、電源電圧10Vなので3Vアップしているのだが、電流のピークは550mA程度で上の画像と同じ。しかも、電流波形がとてもスリムになっていることがわかる。

概算で、
上の消費電力は、7[V]*0.55[A]*0.393[%]*0.5=0.756[W]
下の消費電力は、10[V]*0.55[A]*0.2[%]*0.5=0.55[W]
（山の部分をざっと直角三角形として最後に0.5をかけている。波形が異なるので精密に積分すると違いができかもしれないが、誤差の範囲としている。）

電圧が上がっていて、回転数も上がっているのに、30%程度消費電力が減ったのである。
もちろん、７Ｖ時の電流波形は無駄が多いのでデューティー比などもう少し改善すればこの差は小さくなるかもしれない。

しかし、実験を繰り返していて分かったのは、電源電圧が7Vを超えて、10V以上にならないと電流が顕著に減らないということである。

また、リミットスイッチの位置をコイルの電流が0近くになるように最適化していくと、回転力がなくなり、空気抵抗や軸受けの抵抗などでどんどん速度が低下してくる。だから、極わずかでも電流が流れるようにしなければならないことも分かった。

ローターの材質をアルミからPLA樹脂に交換した

先日、当ブログでアルミ板を使うべきではないと書いた。
そういうことで、３Dプリンターで出力することにした。
PLA樹脂（ポリ乳酸）というのは、植物由来のプラスチックで土に埋めると分解するものらしい。

直径160ミリのローターは３Dプリンターではプリントできないので、軸部分と板部分に分けて、さらに板を４分割出力し、ネジ止めすることにした。

このようにマグネットを内部に組み込ませるようにしてみた。
印刷できる大きさに制限はあるものの、このように希望したとおりに作れるのが３Dプリンターの強み。

何れリードスイッチからフォトマイクロセンサーに交換できるように軸裏面側にも細工をしておいた。

コイル改の結果

巻数の多いコイルに交換したら、電流が驚くほど少なくなった。それと同時に回転速度は少し下がった。

１．BEMF利用なし

まず、BEMF利用のためのコンデンサーがない状態から比較する。

以前は、電源電圧7Vでピーク電流が8.4A、周期が40msだった。

今回は、同じ電源電圧7Vで、ピーク電流が0.5A、周期は49msとなった。

次の画像は、電源電圧10V時のものだが、CH２のコイル電圧に注目。

コイルのスイッチがONになる直前の盛り上がりがより鮮明に現れるようになったのが分かる。

２．BEMF利用あり

次は、BEMF利用のためのコンデンサーをつけた状態。

以前は、電源電圧7Vでピーク電流が8A、周期は35msだった。

今回は、電源電圧7Vでも、ピーク電流が0.48A、周期は46msとなった。

画像は、電源電圧10V時のもの。

BEMF再利用している分、同じ電源電圧でも電流、周期ともにパフォーマンスは良い。

３．結論

当初予想した以上に、コイルの電流が減った。この結果からパルスモーターではコイルの巻数を増やすのが良いという話はとても大切だと分かった。電流が小さくなるということは効率が良いことでもあり、その先のオーバーユニティの可能性が見えてきそうなものでもある。

速度低下も予想していたのだが、速度（周期）自体はDuty比に左右されやすい要素でもあるのでコイル巻数による比較はとても難しいと思う。

これまでの実験を通して感じたのは、普通のモーターと同じように、このパルスモーターにおいてもコイルの大きさや巻数、マグネットの強さなどはパラメーターで、これらを色々変えていくことで希望する特性を持ったモーターを作り上げるものなのだということ。つまり、作ろうとするモーターの特性予測がわりと可能なのではないかと思う。

その中で、例えばBEMF再利用のためにコンデンサを追加する等のいままで無かった機能を付加していくことだけが未知のものをつくりだしていくんだなということ。

それから、正確なデータとして記録していないが、電源電圧を上げていくとBEMFはコイルに投入されたエネルギー量によって変わってくるからどんどん大きくなっていくのだが、8V以上になっていくと、大きさに変化がみられなくなるようだった。
そこから多分、コイルに蓄えられるエネルギーがある一定のところで限界に達するのではないかと思った。

パルスモーターのコイル巻数を増やしてみる

パルスモーターのコイルは巻数が多いほうが良いという話があるのだが、それを確認するために巻数の多いものに交換してみた。

これまでの実験で使っていたコイルは110回巻だったが、それを800回巻に増やす。この結果どうなるかを確認してみる。この800回巻コイルは、もともとSQMの実験用に作ってあったのだが、今回再利用することにした。

コイルの巻数が増えたと同時に、直径は30ミリから50ミリにアップ、コイル長さは30ミリから20ミリになり、平たくて大きなコイルになった。平たいほど、マグネットとの間に影響を与えやすくなるはず。

だから、磁石の回転による発電作用が大きくなり、コイル電流が減少すると思われる。


パルスモーターのコイル巻数を増やしてみる

リレー式パルスモーターとBEMFの再利用

電気回路をリレーベースに交換して、BEMFをコンデンサに蓄えて再利用する回路の有無を比較してみた。

１．BEMF再利用なし

まずは、BEMF利用なしの電流・電圧波形から。

画像は、電源電圧６Vをかけたときのもので、CH1はコイル電流波形で、CH2はコイルの電圧波形。
波形は36ms周期なので、回転数は約833rpm。ピーク電流は7.5A、Duty比28%で、三角形に近い波形。電圧波形は、スイッチが入る直前の10msでコブのような盛り上がりがみられ、スイッチON直後1.5msで機械式スイッチ特有のチャタリングが発生して櫛のような状態がみられる。

この波形の時間軸を変えてズームアップしたのが次の画像。

CH１の電流波形は全体として、一般的なコイルの充電電流と同じになっている。しかし、このコイルは設計時の充電時間は3.6ms程度なので、磁石の動きが加わることで立ち上がりが3倍も伸びてしまっている。このことは、見かけ上のコイルインダクタンスが3倍になったような感じ。
スイッチがOFFになった直後に逆起電力が生じている。

２．BEMF再利用あり

今度は、BEMFをコンデンサーに蓄えて、スイッチONと同時に電源に戻すことをしてみる。
次の画像がそのときのもの。

電源電圧５Vのもので、本来比較するためには6Vがいいのだが、撮り忘れたのがこうなってしまった理由。
上記と同様にCH1が電流波形、CH2が電圧波形。１．BEMF再利用なしのときに比べると、ノイズが少なく綺麗な波形。

周期は37msなので、回転数は約811rpm。ピーク電流は6.4A、Duty比は22%。
このDuty比はリードスイッチの位置が回転している磁石から遠ざかると小さくなり、近づくと大きくなるので、先の実験１．よりも少し距離があったようだ。
ただ、ひとつ言えるのは、電圧が５Vだから６Vよりも多少低く、電流も小さくなっているが、それでも回転数がそれほど低下していない。しかも、デューディー比も小さい。つまり、BEMFを再利用した分だけモーター全体で効率アップしているように思える。

次の画像は時間軸を変えたもの。ただし、こちらは電源電圧６V時のもの。
CH１の電流波形は、スイッチON直後のチャタリングがおさまったあとに4Aまで急伸している。そのあとはゆっくりとしたカーブを描きながら電流が上昇している。
またCH2の電圧は、スイッチOFF時は25Vでフラット、スイッチON直後はチャタリングがあり、その後はほとんど0V、スイッチOFF直後で逆起電力がごくわずかに出ているがすぐに収束している。そしてBEMFがコンデンサに充電された結果、電圧が25Vになっている。

スイッチON後の電流が4Aまで急上昇するのは、コンデンサの充電で25Vまで電圧が上がっていることに起因するものだと思われる。
また、コンデンサの放電は一瞬に終わり、電源電圧は6Vにもどってしまうため、電流はゆっくりとしたカーブを描くことになったと。

しかし、実際に流れている電流の量は、立ち上がりが早いために、１．のBEMF再利用なしのときと同程度なのではないかとも思う。となると、効率が目覚しく改善されるとは言えない。

リレー駆動にしてみる

パルスモーターの駆動回路をMOS-FETから機械式リレーに置き換えた。

MOS-FETは、ON-OFFが早いという利点があるのだが、

一方でサージに弱いため保護ダイオードが必要だったり、正常に動作させるためのゲート入力電圧に工夫が必要だったりする欠点がある。

リレー式は、動作がMOS-FETに比べると遅いし、接点のチャタリングがあるけれど、扱いやすい。

これまでMOS-FETの保護用に入れていたフライホイールダイオードが、観測したい現象を見えなくしているのではないかとの疑いが頭の中にずっとあった。だから、外したくなったのがリレーに交換した理由。

それと、どうせならフライホイールを外すついでに、コイルのBEMFをコンデンサーに蓄えて、次のコイルON時に電源に戻したらどうなるだろうかという実験もしてみたかった。これはリレーだと簡単に実現できる。

BEMF利用の有無を比べることが出来るようにスナップスイッチをつけた。

おそらく、テネモスのモーターはこのリレー式と基本的に同じだと思われる。

本来、円板にはアルミ板を使うべきではないのだが

今回作成したパルスモーターの円板だが、実は厚み2.5ミリのアルミ板を使った。
特に理由はなく、以前別な実験のために作った円板を流用しただけなのだ。

そして、たまたまコイルの結線方向がS極が円板側に出たから、下の画像のようにアルミ板をコイルと磁石の間になる配置になった。

この状態でちゃんとモーターとして回転したので何も考えることはなかった。


モーターが回転した後で、磁石とマグネットの距離を近づけた方がもっと効率が良いだろうと考えて、配線を逆つなぎにして、円板も上下を逆にした。それが下の画像。

ところが、この状態だと、回転しない。

おかしいなと調べているうちにアルミ板が電磁ブレーキとなって回転を阻害していたことに気がついた。

コイルがONになり磁界を生じさせると、回転しているアルミ板にうず電流が生じて回転が停止するように力が働く。「アラゴーの円板」や「渦電流」でググると詳しいことが分かる。

じゃあ、なぜ、はじめの方法だと回ったのだろう？と疑問が生じる。



ネオジウム磁石がつくりだしている磁界がつよくて、アルミ板の磁石と接触している部分は、コイルの磁界ぐらいではびくともしないほど、磁界が安定していて渦電流が生じない、、、
ということなのでしょうね。

それと、磁石周辺部では当然渦電流が生じて、磁石と逆向きの磁界が発生するでしょうが、コイルとの間で吸引力が働くので、タイミングよく円板を加速させる力になっていた。

さらに、周辺部で生じる磁界がネオジウムの磁界と拮抗するため、比較的遠い部分で生じたのだが、後者の場合は、アルミ板と磁石の上下関係が逆転したために、渦電流の作る磁界とネオジウムの磁界が拮抗しなくなり、磁石の近傍で渦電流の磁界を作ったため、吸引力がブレーキに転じてしまった、、、
という結果でしょう。



たまたまうまく回ってくれた訳だが、今回のような構造のモーターにはアルミ板を使わないに越したことはない。