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2022年09月30日

ヘクスローブ

井門義博氏のblogを見ているとへクスロープの穴が付いたというロッドピンが発売されるそうです。
ロッドピン.jpg私が2014年に流線型のC5343を作った時に使用したロッドピンが左の写真のものです。
従来のマイナス穴は目立つし、六角ボルトも日本の制式機とは違うし、できるだけ小さな穴で、ねじ回しで回せるのはないかということで、トルクス(ヘクスローブ)T1を使うことにしました。
ロッドピンの頭にトルクス(ヘクスローブ)T1の凹みを付けて、トルクスT1ドライバーで回せるようにしてあります。
このロッドピンはステンレス(SUS303)製です。
ModelIMONのがどのような仕様になるのかは分かりませんが、真鍮にめっきを施したものらしいので、耐久性はどうなのでしょうか。
専用のねじ回しが販売されるとこのとなので、トルクスT1とはまた違った形状なのでしょうか。
さすがに、IMON製だけあって、私のと比べて星形の穴は綺麗ですね。
タグ：ねじ 動輪
posted by よしひろ at 14:22| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月28日

速度計

TRAINOのDCCチェッカーで走行中の速度を測定できるようにしました。
「DCCチェッカー」は本来はDCCコマンドを見るためのツールですが、リアルタイムの速度計測もできるため、アナログで使用しています。
但し、電源は走行電源では電圧が低い時に稼働しないため、牽引力測定車の電源から供給するようにしてあります。
将来的には、速度データを牽引力測定車に取り込んで、無線で送れるようにしたいと思っています。
 
映像がボケボケで申し訳ありません。
C53の次位に連結されているのが「DCCチェッカー」です。
LEDにスケール時速が表示されます。
これは、輪軸に取付けた磁石をセンサーで検出することで輪軸の回転数を求めています。
どうも私の磁石の取付け方が悪いのか時々回転を取りこぼしているようです。
台車はIMONのTR11を使用していますが、輪軸の車軸が鉄のため、磁石から発せられる磁束が車軸を通っているようです。
センサーにできるだけ多くの磁束を通せるように工夫しないといけないかもしれません。
タグ：効率 勾配 測定 モータ
posted by よしひろ at 22:01| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月25日

電気ブレーキ

C53に客車13輛を牽引して2.5％の勾配で走らせると、電源を切ると重力に負けて客車の重量で下ってしまいました。
この模型には機械的なブレーキは付いていません。
動きを止めるには電気ブレーキしか無いと思い、確認してみました。
 
C53をできるだけゆっくり走らせると動輪はスリップしていますのでこの辺が限界かもしれません。
前回の試験では、もう少し速度を上げていたので、スリップしなかったのかもしれません。
坂を上がったところで電源を切ると列車は下り始めます。
坂を下る方向に走るように電圧をかけると下る速度は遅くなります。
レール間を完全に短絡するとほぼ停止するようです。
列車が下ることにより動輪が回り、ギアを経由してモータが回り発電します。
その発電した電圧で電流が流れれば、モータの回転を止める力となります。つまり発電ブレーキとして機能します。
使用している電源では、ほぼ0Vにしても、短絡したのよりも内部抵抗が大きいのかもしれませんが、坂を下る時は、坂を下る方向に走るように、うまく電圧をかければ、ある程度、速度増加を抑止できることが分かりました。
タグ：効率 勾配 測定 客車 モータ
posted by よしひろ at 15:26| Comment(2) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月19日

勾配での走行

試験用線路を2.5％の勾配に設定し、客車を牽いて機関車を走らせてみました。
2.5%勾配.jpg
試験用線路の下に板を積み重ねて2.5％の勾配を付けました。
使用している勾配計は、0.5°単位でしか測定できないため、2.5%丁度の表示はできません。
 
C11に客車12輛を牽引して走らせました。
客車は製作中のため、床下機器が未取り付けのものが多く、重量では10輛相当になると思います。
総重量は1990gです。
C11でがこの程度が限界のようです。
客車を牽引する力は62gfでしたので、62/1990≓0.031(3.1%)でした。
勾配は2.5％ですので、3.1-2.5=0.6%がそれ以外の客車の負荷ということになります。
 C53に客車13輛を牽引して走らせました。
客車は製作中のため、床下機器が未取り付けのものが多く、重量では11輛相当になると思います。
総重量は2170gです。
C53はもう少し牽くことができるようですが、映像の通り、勾配を上って、電源を切ると客車の重量で下ってしまいます。
機関車が電気で動いているのではく、重力で動いているのです。
この動きを止めるには上る方向に少し電圧をかけるしかありません。
高効率のギアではありませんが、動輪側から回るためにこのようなことが発生します。
実物はブレーキが付いているので止めることができますが、小さな模型にはブレーキは無いので、代替手段が必要になります。
下り勾配での走行のコントロールは難しいかもしれません。
DCCのBEMFによる速度制御を使うと、ちゃんとコントロールできるのでしょうかね?
タグ：勾配 測定 踏面
posted by よしひろ at 17:08| Comment(2) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月18日

効率測定5

効率測定の続きです。


  • C59(乗工社キット)
乗工社のキットを組立てたものです。
キットはテンダーモータですが、本品は機関車本体に動力を入れてあります。
使用しているギアは、スパイクモデル製の「コースティングギャー」(商品名)です。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
4      
60.0480.2880.09137.40.03311.6
80.0490.3920.15839.10.06115.5
100.0510.5080.22339.00.08516.8
120.0560.6660.28040.60.11216.7
ギアは異なりますが、C53と同程度の効率のようです。
４Vでは走りませんでした。

これまでは、1／87 12mmゲージの車輛の効率を測定していましたが、1/80 16.5mmの車輛の効率も測定してみました。
客車12輛を牽引しています。
効率測定.jpg

  • C62(天賞堂)
天賞堂の完成品ですが、ギアはスパイクモデル製の「コースティングギャー」(商品名)に取り替え、コアレスモータを入れてあります。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
4      
60.0420.2490.05424.00.0135.1
80.0430.3430.14825.60.03710.8
100.0460.4590.24124.50.05812.6
120.0500.5940.33324.20.07913.3
同じギアを使用した1/87の車輛よりも効率が悪いようです。
普段ほとんど走らせておらず、整備が悪いからもしれません。
４Vでは走りませんでした。

  • C51(珊瑚キット)
珊瑚のキットを組み立てたものです。
ギアの中にクラッチを入れてあります。
コアレスモータを入れてあります。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.1200.4800.06422.90.0143.0
60.1410.8430.13124.90.0323.8
80.1651.3170.19724.50.0473.6
100.1781.7800.26225.40.0653.7
120.1962.3500.33326.80.0873.7
クラッチの動作のため常に摩擦負荷があり、効率を低下させている要因となっていると思います。
４Vでの走りは不安定でした。

  • C10(天賞堂)
天賞堂の完成品ですが、ギアはスパイクモデル製の「コースティングギャー」(商品名)に取り替え、コアレスモータを入れてあります。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0530.2110.07322.50.0167.7
60.0620.7320.13723.00.0318.3
80.0710.5700.20123.70.0478.2
100.0810.8130.26424.80.0647.9
120.0881.0600.32125.60.0807.6
前照灯が電球で点灯するようになっています。
入力電流は前照灯分も含まれているため、効率は低くなってしまっています。

タグ：効率 測定 モータ 歯車 車輪 輪軸
posted by よしひろ at 18:48| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

効率測定誤差

測定には誤差はつきものですが、どの程度の差が出るのか、測定日を変えて確認してみました。
  • 1回目
前回公開したデータです。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
2.50.0410.1030.02235.20.0087.5
40.0420.1700.06136.30.02212.7
60.0440.2650.11436.50.04115.4
80.0450.3630.16737.00.06016.7
100.0460.4630.21937.00.07917.2
120.0470.5650.25938.10.10117.9
炭水車の負荷は考慮していません。

  • 2回目
改めて測定したしたデータです。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0420.1700.05537.70.02012.2
60.0440.2650.10938.00.04015.2
80.0460.3670.16338.90.06216.9
100.0460.4630.22239.40.08618.5
120.0470.5650.27540.90.11019.6
入力値はほとんど同じですが、牽引負荷が少し異なっています。
牽引力測定車の測定値がずれていないかと考え、分銅をぶら下げて確認しましたが、正確な値を示していました。
温度、湿度、車輪やレールの汚れ等の影響で客車の車輪を回す負荷が変わるのでしょうか。


タグ：効率 測定 モータ 歯車
posted by よしひろ at 00:16| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月17日

効率測定4

さらにいくつかの機関車で効率を測定してみました。
客車20輛を牽引しています。

  • 2120(乗工社キット)
乗工社のキットを組立てたものですが、モータはコアレスモータ(maxon RE13)を取付けてあります。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
80.1351.0790.06137.50.0222.0
100.1381.3840.10536.80.0382.8
120.1411.6970.14437.10.0533.1
2120で客車20輛を牽引できたのは、なかなかと思いますが、さすがに低い電圧では牽引できませんでした。
歯車の効率は想定通り良くないです。


  • C11(ModelsIMONキット)
ModelsIMONのキットを組立てたもので動力回りはキットのままです。
サイドロッドのみ取り付けてあり、メインロッドやバルブギアといった負荷になるものは付けてありません。
給電は、モータから電線で直接給電しています。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0720.2890.07037.10.0268.9
60.0790.4760.11738.00.0449.1
80.0860.6890.16339.50.0639.2
100.0910.9100.20239.20.0788.5
120.0961.1570.24440.30.0968.3
効率は期待していませんでしたが、余計なロスを省いて測定したせいか思いの外良いです。
それでも効率は10%に達しませんでした。


  • C11(ModelsIMONキット)
ModelsIMONのキットを組立てたものですが、歯車やモータは交換しています。
前回、客車22輛で試験を行いましたが、条件を合わせて客車20輛牽引で測定しました。
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0350.1400.06437.00.02316.5
60.0360.2130.11937.40.04420.5
80.0360.2910.17638.20.06622.7
100.0360.3600.23139.40.08924.8
120.0360.4450.28040.50.11125.0
前回の22輛牽引時よりも少し効率が低くなっていますが、測定誤差程度ではないかと思います。

タグ：効率 測定 モータ 歯車 車輪
posted by よしひろ at 19:50| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

効率測定結果の疑問

C53の効率測定結果でモータの効率分を差し引いて、その他の駆動部分の効率を計算してみると。
電圧
(V)
 モータ回転数
(rpm)
 モータ効率
(%)
 効率補正値
(%)
 4 1332 5127.2
 6 25116326.6
 83661 6926.4
 104811 72 26.1
 1259477326.5
電圧や回転数によらず、ほぼ同じ効率になっています。

上記の表はモータの回転数からモータの効率を求めていますが、モータの特性表にて実際に流れている電流からモータモータの回転数を見るとかなり値が違っています
電圧
(V)
モータ回転数
測定値
(rpm)
電流測定値
(A)
電流から
求められる
モータ回転数
（rpm)
電流・回転数から
想定される
モータ電圧
（V)
印加電圧と
モータ電圧の比
4 1332 0.04216603.450.86
6 2511 0.04429005.40.9
8 3661 0.04541707.20.9
104811 0.046 54609.050.905
125947 0.047
 6700
10.85
0.904
上表から印加電圧の約90%しかモータにかかっていないと推定されます。
C11の場合は動輪や従輪のタイヤに集電ブラシが取付けられていますが、C53の場合は、動輪や炭水車台車の軸受を経由して集電しているため、接触抵抗が大きいのではないかと推測されます。
タグ：効率 測定 モータ 歯車
posted by よしひろ at 00:02| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月15日

炭水車の負荷

今回測定したC53の炭水車は127gあり、そこそこ負荷がかかっていると思われます。
炭水車の牽引負荷を測定したところ約3.35gfありました。
そこで、炭水車分を加味して表を修正してみました。

電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
2.50.0410.1030.02238.50.0088.2
40.0420.1700.06139.60.02213.9
60.0440.2650.11439.80.04116.8
80.0450.3630.16740.30.06018.2
100.0460.4630.21940.40.07918.7
120.0470.5650.25941.40.10119.5
炭水車の牽引負荷は客車の牽引負荷の1割もありませんので、ほとんど誤差程度なのかもしれません。


タグ：効率 測定 軸受 車輪 摩擦
posted by よしひろ at 16:50| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

効率測定3

いくつかの機関車で効率を測定してみました。
今回は測定の都合で客車20輛を牽引しています。
測定はそれぞれ5回実施し、平均値を使用しています。

  • C12(珊瑚キット)
珊瑚製のキットを組立てたものですが、モータはコアレスモータ(maxon RE13)を取付けてあります。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0820.3270.02733.60.0092.8
60.0880.5280.06534.50.0224.2
80.0980.7860.10735.00.0374.7
100.1051.0530.14236.10.0504.8
120.1111.3360.17835.80.0634.7
C12で客車20輛を牽引できたのは良かったのですが、珊瑚の歯車の効率は想定通り良くないです。

  • D51(乗工社キット)
乗工社製キットを組み立てたものです。
キットはテンダーモータで機関車本体の動輪を回すようになっていますが、これは機関車本体にコアレスモータ(maxon RE15)を組み込んでいます。
使用しているギアは、スパイクモデル製の「コースティングギャー」(商品名)です。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0280.1120.04834.80.01614.6
60.0300.1790.09635.80.03418.9
80.0310.2460.14936.20.05321.5
100.0320.3230.20536.50.07322.7
120.0350.4190.25437.60.09422.4
色々と問題点が指摘されているギアですが、効率はそこそこのようです。
炭水車を負荷として扱っていませんので、機関車単体の効率はもう少し良いと思われます。

  • C53
前に測定したC11と同じ歯車を使用しています。
モータはコアレスモータ(maxon RE16)です。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
2.50.0410.1030.02235.20.0087.5
40.0420.1700.06136.30.02212.7
60.0440.2650.11436.50.04115.4
80.0450.3630.16737.00.06016.7
100.0460.4630.21937.00.07917.2
120.0470.5650.25938.10.10117.9
炭水車を負荷として扱っていませんが、炭水車をかなり重くしてあるので効率が悪くなった可能性があります。

タグ：効率 測定 モータ 車輪
posted by よしひろ at 00:06| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月14日

効率測定2(誤り修正)

昨日の効率測定で誤りがあるのが発覚しました。
牽引した客車の内、1輛に尾灯が付いており、その電流を差し引くのを忘れていました。

修正した結果は以下の通りです。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
動輪回転数
(rpm)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0380.1510.05764430.02416.0
6
0.034
0.2060.114126430.04823.2
80.0350.2770.172191430.07326.3
100.0360.3620.229253430.09626.6
120.0410.4920.277307470.12826.0

修正した結果では、同じ牽引負荷で電流がほぼ同じとなりましたので、こちらの方が確からしいと思います。

モータの効率分を差し引いて、その他の駆動部分の効率を計算してみると。
電圧
(V)
 モータ回転数
(rpm)
 モータ効率
(%)
 効率補正値
(%)
 4 1463 4734.1
 6 2894 5939.4
 8 4390 6639.8
 10 5821 68 39.2
 12 7057 6937.6

以前に牽引力とモータ電流から求めたモータトルクの比で計算した効率に近い値となっています。
タグ：効率 測定 摩擦 輪軸
posted by よしひろ at 09:44| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年09月13日

効率測定2

C11の効率を測定した結果は以下の通りです。
電圧
(V)
電流
(A)
入力電力
(W)
速度
(m/s)
動輪回転数
(rpm)
牽引負荷
(gf)
出力
(W)
効率
(%)
40.0430.1710.05764430.02414.2
60.0470.2840.114126430.04815.0
80.0550.4730.172191430.07316.6
100.0640.6420.229253430.09616.9
120.0760.9120.277307470.12814.2
dda40x氏の作製された高効率ギヤを1/80の蒸気機関車に換装されて効率を測定された結果がI田氏のblogに掲載されています。
それによると、効率は30%前後とのことですので、私のC11の効率は約半分ということになります。
無論、高効率ギヤを使用していませんので、この結果は良いのか悪いのか分かりません。
通常、直流モータは回転数や電圧に関係なく、トルクにほぼ比例した電流が流れます。
今回の結果では、同じ牽引負荷であるにも関わらず、電圧が高い(回転数が高い)ほど電流が増えています。
このことは、モータ以外の部分で、回転数が高くなると回転負荷が増えるということなのかもしれません。

使用しているモータは、Φ12の1.6Wのものですので、能力的には問題は無いと思いますが、本試験ではこのモータの最大効率の点よりも大きな負荷で動かしています。
機関車の効率は、モータの効率とも関係しているので、モータの効率分を差し引いて、その他の駆動部分の効率を計算してみました。
電圧
(V)
 モータ回転数
(rpm)
 モータ効率
(%)
 効率補正値
(%)
 4 1463 47 30.1
 6 2894 59 28.6
 8 4390 66 25.2
 10 5821 68 22.1
 12 7057 69 20.3

この効率補正値は、機関車の効率をモータの効率で割っただけの値です。
また、モータの効率は、メーカの特性データから割り出した計算値です。
この計算が理屈に合わないとか、こんなことは意味が無いとかご意見もあるかと思います。
コメントにてご指摘いただければと思います。
タグ：効率 測定 車輪 輪軸
posted by よしひろ at 19:46| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

効率測定

ようやく、機関車の入出力効率を測定できる環境が整いました。
測定用路盤.jpg走行試験用路盤を作ってみました。
なるべく曲がらないようにしたかったので、15mmのベニア合板を900mm×109mmに切断した板を使用し、その下に4mm厚、40mm×80mm×40mmのアルミチャンネルを接着と木ねじで固定してあります。
ベニア板ですのである程度曲がっているため、上記アルミチャンネルで矯正しています。
路盤同士の固定は、3mm厚の20mm×40mmのアルミアングルで上記アルミチャンネルにねじ止めするようにしてあります。
路盤を8本作成し、全長7200mmで、家の廊下に置いてみました。
まず、傾き0%になるように設置してみたのですが、築50年以上経過し、震度5の地震を2度経験した家で、襖も開かない状態ですので、廊下も結構歪んでおり、調整が大変でした。
当初は、路盤にレールをスパイクするつもりだったのですが、面倒で時間もかかるので、とりあえず、組線路を乗せて使用します。
C11_22輛_低速試験.jpg
効率測定の前に客車22輛を牽引して低速走行の試験を行ってみました。
速度測定器を付けましたが、スケール換算で1km/h単位でしか表示できないため、手動でストップウォッチで測定しました。
20cmのセンサ間を走行するのに要した時間は10回測定の平均で14.4秒でした。
スケール時速換算で4.35km/hとなります。
2002年国際鉄道模型コンベンションの低速コンテストで、このC11は3cmを約1.8秒で走りましたが、今回の負荷を付けた走行の方が良い結果(より低速)になっています。
ただ、走行時の速度のむらが気になります。
  実際の低速走行映像です
 牽引負荷.png
この環境で、C11の効率を測定してみました。
客車22輛(+牽引力測定車)の牽引負荷の測定結果は左のようになりました。
12Vだけ走行距離が充分でないのか定常状態に至っていないのかもしれませんが、少し負荷が大きく出ています。
その他の電圧では、走行速度に関わらずほぼ同じ負荷となっています。
所定の電圧に設定してから、電流を流していますので急発進しています。
起動直後は客車の加速のため大きな負荷がかかっていますが、速度が安定するとほぼ均一な負荷になっています。
負荷測定はそれぞれの電圧で5回行い、データを平均化しています。
同時に速度測定器にて走行速度を、速度測定器のセンサの間を走っている時の電流値をテスタで測定しました。
結果は纏め中ですが、dda40x氏の作られた高効率ギヤと比べて半分以下の効率しかなさそうです。
タグ：効率 測定 モータ 歯車
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2022年08月03日

低速走行

今年開催予定の国際鉄道模型コンベンションの低速コンテストへC11で参加しようと思っています。
過去データを見るととても勝ち目は無いのですが、実物換算で最高速度100km/hが出る機関車がどの程度の低速が出せるのか挑戦してみたいと思っています。
 
 約1.2Vを印加すると前進してくれます。
後進は、1.3Vをかけないと動輪が途中で止まってしまします。
トルクが小さいので、微妙な負荷で動輪の回転むらが発生しているようです。
集電の改善と、負荷のむらを改善すれば1.0Vで走ってくれるかもしれませんが具体的な対策は今のところありません。
 
 ローラ上で動かすと、車体が揺れているのがわかります。
動輪の振れが少々大きいのかもしれませんが、下手に触るとより悪くしそうなので、手を付けないでおこうと思っています。
低速は3.5Vほどかけないと動輪が回りません。
ボールベアリングの負荷がそこそこあるのでしょうか。
映像ではよく分かりませんが、手前のボールベアリングは3つとも後ろ側がほとんど回っていません。
イコライジングの負荷分散がうまく機能していないのかもしれません。
タグ：モータ 歯車 輪軸
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2022年07月07日

高効率ギヤ2

dda40x氏のblogで高効率ギヤを小さなモータで使う事に関して、「犬に馬車を牽かせるようなもので云々」の記載があります。
私の考えと異なるところがありますので、ここで述べたいと思います。(自分の考えを纏めるためでもあります)
なお、あくまでも模型における負荷と速度低下についての比較の話で、どちらが良い悪いとか、実物と似ているか否かについては考慮していません。

今回の高効率ギヤはその名の通り、効率が高いことをうたっています。
効率とは本来は入力エネルギーと出力エネルギーの比です。
この場合、モータを含めた全体系での入出力になるでしょうから、回転数や負荷によって大きく変化し、かなりややこしくなります。
ここでは、歯車のトルクの伝達効率として考えます。
1のトルクを入力し、どれだけのトルク(減速比考慮)を出力できるかです。
伝達効率は負荷や速度に関係なく一定という前提です。
また、機関車の動輪回転負荷やカプリングの負荷等は無視します。

・電子制御による回転数の安定化
話が長くなりますので、始めに結論めいたものから書いておきます。
図は歯車の効率と減速比以外は全く同じものを使用した機関車の動輪から見た回転数と負荷の関係を描いたものです。
単なる一例ですので、数値は単なる目安です。(以下同様)
電子制御.png
歯車の伝達効率が高く減速比が小さい場合、高い負荷には耐えられますが、回転数が速くなります。
回転数-負荷のグラフの傾きが大きいほど、負荷に対して回転数の変動が大きい事を示します。
減速比の小さい高効率ギヤを使用した場合は、同じモータを使用しても従来の高減速比低効率の歯車よりも負荷に対する回転数変動は大きくなります。
ここで、電子制御により回転数を調整した場合、高くなる回転数を抑えるだけですので、モータの出力エネルギーは減少します。
従来の高減速比低効率の歯車で使用しているのと同じモータを使用するなら、効率向上分のロスが減っているので、モータにかかる負担は同等か軽減されていると言えます。
ということで「犬に馬車を牽かせるようなもので云々」の比喩はいかがなものかと思います。
むしろ効率向上により犬の力でも牽ける馬車になったと言えるのではないでしょうか。
大きめのモータを使う事が望ましいのですが、物理的制約で小さいモータしか使えない場合は、電子制御による回転数の安定化も手段の一つであると思います。
ただ、電子制御による回転数の安定化は(設計や設定によりますが)負荷に対する速度変化が極めて少ない事が多く、人によっては実物との乖離を嫌われるかもしれません。

以下は、歯車やモータの挙動はいくつもの要素が絡み合って分からなくなるので、特定の要素に限定して考えてみます。

・歯車の伝達効率
伝達効率のみに着目して考えます。
伝達効率違い.png図は歯車の効率以外は全く同じもの(無論歯車の減速比も同じ)を使用した機関車の動輪から見た回転数と負荷の関係を描いたものです。
これから分かるのは、伝達効率が上がると負荷に対して回転数が変動しにくくなります。
実際には動輪やカプリング等の歯車に関係の無い負荷がありますので、無負荷時の回転数は効率が悪いほど低くなると推定されます。




・歯車の減速比
減速比違い.png減速比のみに着目します。
減速比以外は全く同じとしています。
減速比が小さいと対負荷変動率は大きくなります。




・歯車の効率と減速比の組み合わせ
効率の違いと減速比の違いを組み合わせるとこのようになります。
効率・減速比違い.png
効率の良い歯車は大きな負荷に耐えられますが、回転数が高いという状況になります。
そのため、減速比が小さく効率の良い歯車は、減速比が大きく効率の悪い歯車と比べ、負荷に対する回転数の変動が大きくなります。




・電圧による回転数の調整
無負荷近辺の回転数をスケールに近い回転数にする方法としては、駆動電圧を下げる方法があります。
電圧を下げると下図のようになります。
電圧違い.png
印加電圧を変えても負荷に対する回転数の変動の絶対値は変わりません。
ある負荷がかかった時の無負荷時の回転数に対する変動比は印加電圧が低いほど顕著になります。
見た目の減速の体感は、変動比が影響しているのではないかと思います。



・電子回路による回転数調整
それでは、逆起電圧等でモータの回転数を測定し、電子的に回転数を調整した場合はどうなるのでしょうか。
これが最初に述べた結論で、有効に使えば良い結果が得られると期待されます。

なお、私はこの高効率ギヤ使用して実証実験等を行ったわけではなく、理屈だけですので、もしかしたら考え方に間違いがあるかもしれません。
コメント等でご指摘いただければと思います。

この意見はdda40x氏のblogへコメントを送れば良いと思われる方もいらっしゃるかもしれませんが、私のPCからのコメントはブロックされていてエラーになります。他の手段で無理矢理送りつけても公開される事はないように思われます。

元々この高効率ギヤは1/48 32mmゲージ用に開発され、16.5mmゲージ用に転用されたもののようですので、小さいモータでの使用は想定されていなかったと思われます。
それゆえ、16.5mmゲージ用としては大きなモジュール(M0.6のはずM0.5らしい 2022/8/3修正)が使われています。
M0.4であれば、わずかですが減速比が大きくなり、もう少し小さなモータでも負荷による減速があまり問題にならなかったと思います。
1/80 や 1/87 16.5mmゲージでこの高効率ギヤを使用する場合は、できるだけ無負荷回転数が小さく、起動トルクの大きなモータを使用した方が負荷変動の点で扱いやすいと思います。
どうしても物理的に無理な場合は、電子制御による回転数安定化が選択肢の一つになるのかなと思います。
タグ：モータ 歯車
posted by よしひろ at 22:44| Comment(1) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年07月04日

高効率ギヤ

運転会にゆうえんさんが高効率ギヤを組み込んだ6200蒸気機関車を持ってこられましたので、走らせていただきました。
 
汽車を作るのblogに書かれているとおり、直線走行時と曲線走行時とではかなり速度が変わります。
この機関車は割と小型のため、大きなモータを入れることはできません。
なので、モータの負荷変動に対する回転数の変動が大きく、どうしても負荷が大きくなった時に速度が大きく落ちるのは仕方が無いと思います。
直線、曲線で速度は違いますがかなり安定して走っていると思います。
電流計が3Aのアナログのものだったので正確なところは分かりませんが、ほとんど振れておらず、曲線で僅かに増えるかなという程度でした。
ちょっと気になったのは最小起動電圧が約3Vと少し大きめだったことです。

高効率ギヤは通常のギアと比べて同じ負荷がかかっても、モータに必要なトルクは少なくて済むはずです。
例えば、通常のギアがギア比1:30でトルク伝達効率10%と仮定し、高効率ギヤがギア比3:23でトルク伝達効率50%とした場合、同じ負荷がかかった場合のモータに必要なトルクは後者(高効率ギヤ)は前者の約78％で済みます。
((3/23/0.5)/(1/30/0.1))
高効率ギヤはギア比が小さいにも関わらず、同じ出力トルクを得るのにモータのトルクは小さくて済むのです。

もう一方の要素である回転数については、一般的な日本の蒸気機関車の動輪の最高回転数＋α程度には抑えておきたいところです。
300〜400rpmが目安となります。
モータの回転数で言うと、従来の1:30のギアなら、30×400=12000rpm程度、高効率ギヤなら3:23なので23/3×300=3000rpm程度のモータが望ましいという計算になります。
トルクは前記の通り、高効率ギヤでは従来と同じか若干小さくても良いことになります。
この仕様に該当するモータは、現在の技術ではΦ20 長さ30mm程度以上の大きさが必要と思われます。(数年後は磁石や巻き線等の改良でもっと小さくてもこの仕様を満たせるものが出ている可能性は否定しません)
この大きさのモータはC62やD52ならば入るかもしれませんが、6200蒸気機関車には入りませんので、何らかの対応が必要と思われます。
機関車の速度を目で見てスロットルを調整するというのも一つの手段だと思います。
そういった運転大好きな人にはそれで良いのかもしれませんが、ちょっと怠けたい場合は、電子的にそれをシミュレーションするのが適当と思います。
具体的にはBackEM(逆起電圧)でモータの回転数を検知し、目標の回転数になるようにモータへの印加電圧を変化させる手法で、DCCでよく使われる方法です。
負荷がかかると速度が落ちるのは自然ですので、過度な制御は行わず、低めのゲインで回転数制御を行うのが望ましいような気がします。
尤も、高効率ギヤの製作者の方はこのような制御を好意的に見られていないような気はします。
タグ：モータ 歯車 車輪 摩擦 輪軸
posted by よしひろ at 00:57| Comment(2) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年06月23日

ウォームギアの効率

私の手元にある蒸気機関車の駆動系の効率を測定してみました。
効率は入力エネルギーと出力エネルギーの比ですので、機関車に負荷をかけながら走らせ、その時の負荷、速度、電圧、電流を測定し、算出するのが正しいと思います。
この場合は、歯車だけではなくモータの出力効率も影響するので低めに出ると推測されます。

当方でそれら全ての値を同時に測定できる環境が揃っていないので、簡易的な測定としました。
  • 牽引力測定車を動かないようにし、機関車で引っ張った時の牽引力、電圧、電流を測定
  • モータのトルク定数と電流から、モータの出力トルクを計算
  • 計測された牽引力から動輪径で動輪のトルクを計算
  • モータの出力トルクを減速比倍したもの動輪のトルクとの比を高率とする
ということにしました。
なので、厳密には効率を測ったのではないのかもしれません。
また、測定値は刻々と変化しますが、計測器の測定値を算術平均したのではなく、表示された値を見てほぼ平均かなと思われる値を使用しています。
モータのトルク定数もカタログ値からの値ですので、モータ個々の誤差はそれなりにあると思われます。
そのため、測定精度は高くありません。

結果としては、
C11(動輪から回転可能な1条ウォーム付):35％前後
C11(ModelsIMONキット付属の歯車):10%前後
C53(動輪から回転可能な1条ウォーム付):35％前後
でした。

測定値は以下の通りです。
C11(動輪から回転可能な1条ウォーム付)
減速比23:1
maxon DCX12モータ使用 トルク定数:125.4gf-cm/A
印加電圧(V)電流(mA)牽引力(gf)
動輪の換算トルク
(gf-cm)
モータの出力トルク
減速比倍(gf-cm)
効率(%)
3625951.5178.829
6637363.8181.735
9617868.1175.939
12637868.1181.737

C11(ModelIMONキット付属歯車)
減速比30:1
IMON 1616モータ使用 トルク定数:124.4gf-cm/A
印加電圧(V)電流(mA)牽引力(gf)
動輪の換算トルク
(gf-cm)
モータの出力トルク
減速比倍(gf-cm)
効率(%)
3955043.7354.512
61205043.7447.810
91356052.4503.810
121506355.0559.810

C53(動輪から回転可能な1条ウォーム付)
減速比23:1
maxon RE16モータ使用 トルク定数:141.7gf-cm/A
印加電圧(V)電流(mA)牽引力(gf)
動輪の換算トルク
(gf-cm)
モータの出力トルク
減速比倍(gf-cm)
効率(%)
3657070211.833
685100100277.036
985105105277.038
1285105105277.038
タグ：測定 歯車
posted by よしひろ at 17:06| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年06月14日

カプリング

モータと歯車(ウォームギア)を繋ぐカプリングで、面白そうなものがあったので使用してみました。
継手のところにボールが入っていて伸び縮みもするものです。
今回使用したのは、MBDB4という型番のもので、外径4mm、長さ19mmの工業用としては非常に小さな物です。
このカプリングのシャフト取付部はM2.0のねじが切ってあり、Φ1.5のシャフトに取付けるのには難儀しました。
最初はM2.0とΦ1.5の変換アダプタを作ろうとしたのですが、ダイスで切ったM2.0のねじ底径がほぼΦ1.5近いせいか、あるいは若干曲がってねじが切れているせいか、ねじを切った後にΦ1.4の穴を開け、Φ1.5のリーマを通すとねじが折れてしまいました。
何度か挑戦したのですが、結局作ることはできませんでした。
カプリングばらばら.jpg
次に挑戦したのは、カプリングのM2.0をΦ2.0穴に加工することです。
穴加工はできたのですが、奥に入った切粉が取れず、超音波洗浄しても充分には取れず、カプリングのグリスが取れ、奥にある切粉を取ろうと色々触っているうちにばらばらになってしまいました。
ボールは片側4個ずつ入っています。
こうなってしまうと元には戻せません。
アダプタ.jpg
カプリング本体に手を付けないでアダプタを作製するために、M2.0の内径に入る外径Φ1.56、内径Φ1.5のものをSUS303で作製しました。
Φ1.56の部分は非常に薄いので指で押えると歪んでしまいます。
一応、穴の中にシャフトが入るので、心配ではありますが強度は大丈夫かなと思っています。
これを嫌気性接着剤でカプリングの穴に接着しました。
カプリング.jpg
機関車に取付けた状態です。
向こう側の黒いものが、前に付けていたカプリングです。
カプリングのウォーム側が細くなっているのは、台枠の部品との接触を避けるためです。
アダプタの精度の問題か、モータを回すとカプリングが若干振れているように見えるのですが、カプリング自体にガタはほとんどなく、スムーズに回ります。
タグ：モータ 歯車 カプリング
posted by よしひろ at 00:33| Comment(3) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年04月26日

機関車を手で押して動輪の回転を確認

ModelsIMONのC11キット組立がほぼ終わりましたので、機関車を手で押して動輪が回るのか確認してみました。
同時に、今まで作製した動輪から回転可能な機関車も確認しました。
ウォームギアを使用していない1/87 12mmのC62もあるのですが、モータの軸が固まったようで、全然回らなくなってしまったので、これは除外しています。
試験をしたのは以下の通りです。一部の機関車は油切れの様です。
この結果から見ると二条ウォームの方が動輪からの回転は有利ですが、ギア比の違いが影響しているのかもしれません。
モータから動輪への減速比が問題でなければ、三条ウォームの方が動輪側から回りやすいと思います。

1/87のC11はギア単体では約7%の勾配を下ったので、その先のカプリングやモータの負荷が大きいと思われます。
C11のみボールベアリング入りのコアレスモータを使用していますが、もしかするとスリーブメタルの方が外部からの回転は軽いかもしれません。
モータ軸とウォームを結ぶカプリングも当初はNorthWestShortLineのプラ成型のジョイント(U-Joint)を使用していたのですが、精度が悪く、回転負荷にムラがあったので、C53で使用した切削のジョイントを改造して使用しています。もっと別の方式のカプリングにするべきなのかもしれません。
縮尺/ゲージ形式自重歯車種類備考
1/87 12mm

  		C53500g一条ウォーム 1:23 
C11365g 少し上から押えないと動輪が回りませんでした。
C59399g
二条ウォーム  2:30
スパイクモデル
コースティングギア 
 
D51369g 
1/80 16.5mm
  		C62 515g 
C10 372g 
C51427g
珊瑚のキットのウォームホイールに
クラッチ組み込み
速く回すとクラッチが効いてしまいます。

タグ：歯車 摩擦 輪軸
posted by よしひろ at 17:54| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作

2022年04月20日

動輪からウォームギアを回す負荷

組立中のModelsIMONのC11キットで、動輪から回すことのできる一条ウォームギアに取り替えました。
動輪からウォームギアを回す負荷がどの程度あるのか調べてみました。
動画では最初にウォームギア無しで、4%の勾配を下ります。
次にウォームギア付で、動輪からウォームギアを回しながら6.8%の勾配を下ります。
この2例の差から、動輪からウォームギアを回す負荷は、勾配換算で約3%と想定されます。
ギア単体なら、動輪を回す負荷よりも、動輪からウォームギアを回す負荷の方が小さいと考えられます。
タグ：歯車 ウォームギア
posted by よしひろ at 22:33| Comment(0) | TrackBack(0) | 蒸気機関車製作
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