2017年6月24日土曜日

リードスイッチモーター 光ルンです♪

前回作成したリードスイッチモーター ネオジム磁石編の
ローターにLEDを取り付けて、回転しながら光る装置を作ってみました。

ローターを光らせる方法としては、
ローターにボタン電池を取り付けて、
ボタン電池からLEDに給電させる方法も考えられますが
今回は相互誘導を利用して光らせています。

装置は前回と同様のもので
ローターにイルミネーションLEDを4個取りつけました。

単3アルカリ乾電池1個でも、光りながら回るのですが
2個にした方が光り方が良かったので2個にしました。
2個にするとリードスイッチモーターは勢いよく回り過ぎるので
抵抗4.7Ω入れています。

水色の輪が相互誘導の1次側のコイル、
ローターに付いているコイルが2次側のコイルです。

回路図です。
<1次側>
リードスイッチモーター回路と、相互誘導1次側回路を並列にしています。
1次回路の方はブロッキング発振回路になっていて、
高周波発振をしています。(数10~1000k㎐程度)
そのため、2次側コイルに誘導されやすく、
割と簡単な仕組みでも相互誘導が楽しめます。

<2次側>
2次側コイルにLEDを直結しても光るのですが、
高速でオンオフを繰り返す点滅のため、
連続した電流が必要なイルミネーションLEDは、
最初の1色しか光りません。
そのため、半波整流をしています。
半波整流にすると完全オフがなくなり
色の変化が見られますが、脈動により、
ローターを回転をさせると細かく点滅しているように見えます。





これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)



2017年6月22日木曜日

リードスイッチモーター(ネオジム磁石、フェライト磁石使用)

2009年にセロテープカッターを使った
「リードスイッチモーター」を作りました。
そのときの作品はこれです。


2009年作の電磁石は
くぎに0.35mmφのエナメル線を約10m巻いて作りました。
装置がもう残っていないので、実際に電流測定は出来ませんが
1.5Vの乾電池に接続した場合、恐らく0.8A程度だと思います。
エナメル線等の巻線の安全電流は、0.35mmφの場合、0.245Aなので、
安全電流をかなり超えてしまっています。

学校で電磁石を作る場合でも、
例えば0.4mmφのポリウレタン銅線 10mを使用して作るとします。
0.4mmφ、10mの場合、抵抗値は約1.4Ω、
1.5Vに接続すると、計算上 約1.06A流れますが、
安全電流は0.32Aと、かなりオーバーしています。

1.5Vで1Aだと消費電力は1.5Wなので、
これくらいなら大丈夫、
30Vに接続し 1A流すと、30Wで危険!
と思ったりもしそうですが、
単位長さ当たりの消費電力は同じです。




ただ、一つの鉄心に巻く場合は
長いほうが巻数も増え、熱がこもりやすいので
危険性は増すと思います。

安全電流は使用状況や冷却方法によっても違うとのことです。
(安全電流値はここの下の方に、それぞれの太さの電流が纏めて書いてあります。)
http://oyaide.com/catalog/products/p-1104.html

リードスイッチモーターのようにオンオフを繰り返すようなものは
安全電流はある程度超えてもいいのかも知れませんが
連続して電流を流す場合は、
やはり安全電流の範囲内にする方がいいのでしょうか・・・?
ご存知の方がおられたら、教えて下さい。

計算してみたところ
0.1~1mmφのポリウレタン銅線を使用する場合
1.5V接続時に 安全電流を確保するには
長さ約31~34m必要です。
でも手軽に電磁石実験を行う場合、
30mも使用していないのではないでしょうか?

オヤイデ電気のHPに
「エナメル線などの巻線の許容電流2.5A/mm2が標準とされる」
と書いてあり、上で書いた安全電流
この値に基づき算出されたようです。
http://www.oyaide.com/application/files/1714/7557/2543/201602.pdf

いずれにしても、安全電流を守って電流を下げると、
電池の寿命が長くなるのでいいですよね♪
コイルが大きくなりすぎて、見た目が悪くなりますが・・・

ここまで、ポリウレタン銅線などの巻線の安全電流に関して、不明な点が多く、
色々と書いてしまいましたが、もしご存知の方がおられたら
どうか教えて下さい。宜しくお願いします。
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今回、Facebookで色々と教えて頂きました。
ポリウレタン銅線の指標として温度指数E(120℃)と書かれています。
安全電流というより、どうもこの温度が目安となりそうです。
実際に電流を流して、暫くたってから 手で触っても、
熱いと感じない電磁石なら、OKかも知れないですね。

この後、オヤイデ電機さんに安全電流に関して
問い合わせをして下さった方がおられます。
「安全電流とはその電流の範囲であれば連続して流してもいい値だそうです。
許容電流はこれ以上流すと危険な値だそうです。
UEWには許容電流表示はないそうです。
安全電流を越えたからすぐに問題になる事はないそうです。
別途温度上昇限度が規程されているとのことです。」


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<ここから 今回作った装置に関してです。>

M4×55mmの鍋小ねじに0.4mmφのポリウレタン銅線を
1000回巻いたものです。


今回の安定バージョンを作成するために試したものは
☆ 鉄心は、空芯、2mmシャフト、くぎ、M3・M4・M5の小ネジ
☆ ポリウレタン銅線は0.32mmφ、0.35mmφ、0.4mmφ
☆ 巻き数は 600回巻、700回巻、800回、900回、1000
それぞれ全ての組み合わせを試したわけではありませんが
かなりの数の電磁石を作りました。(笑)
ポリウレタン銅線は再使用しながらですが・・・

4mmφのポリウレタン銅線を使用した場合1.5Vに接続し、
安全電流(0.32A)を確保するには、長さ33m以上必要です。

今回600回巻いた状態で0.315Aと安全電流以下となりましたが
安定性からすると、うまく逆回転しないときがあるので、
もう少し巻き数を増やすことに・・・
(電池が新しいうちは逆回転するが、電池電圧が下がると難しい。)

さらに100回ずつ巻き数を増やして試してみると、
安定感が増していくのもよくわかりました。

★ 電流は700回巻きで0.27A、800回で0.25A
900回で0.22A、1000回で0.17Aでした。
1000回巻きを単3アルカリ乾電池2個に繋ぐと0.31Aとなり、
1000回以上巻くと、3Vかけても安全電流以下となります。


セロテープカッターのローター部分?に穴を開け
ダイソーのネオジム磁石(6mmφ)を差し込みました。
極性は全て同じです。
 ③
プーリの中心を置くところのくぼみの一部をふさぎました。
(逆回転をしたときに移動するのを避けるため)


リードスイッチ用のアームを取り付けました。



リードスイッチは4mmφのストローに入れて使用することに・・・

上から見たところです。
このリードスイッチと磁石の位置関係で
時計回りに回転したり、反時計回りに回転したりします。



回路図です。
LEDは本来の極性とは逆向きです。
コイルに流れる電流が切れるときの
自己誘導起電力を使用して光らせるためです。

電磁石の極性はネオジム磁石と反発するようにしておくと
ローターが逆回転しやすくなります。


ローターにはスポンジシートを貼ってちょっとカラフルにしてみました。
 


動画で撮ってみました。

さらに、2009年と同様にフェライト磁石を使ったものも作ってみました。
これもネオジム磁石編と同様に
M4×55mmの鍋小ねじに0.4mmφのポリウレタン銅線を
1000回巻いた電磁石を使用しています。

磁石は12.7mmφ×5mmのフェライト磁石を6個、
使用済みのテープの枠に貼っています。
(磁石はダイソーのマグネットから取り出したものです。)

フェライト磁石も良く回ります。

ネオジム磁石は磁力が強いので、電磁石との反発力も大きくなりますが
コギングも強くなるので、
フェライト磁石より断然よく回るということはありませんでした。
見た感じではほぼ同程度の回転に見えました。

<リードスイッチがなぜ回るのか?考察してみました>

<リードスイッチがなぜ逆回転するのか?考察してみました>



これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)





2017年6月9日金曜日

消したロウソクに煙をつたって再び火がつく!?

先日(201966)、関西地方で放送されている
「す・またん!」(読売テレビ 5:207:30)を見てると、
家庭で簡単に出来る、ろうそくを使った実験を紹介されていたので、
私もやってみました。

この実験は以前、Facebookお友達に教えてもらった、
「第1 SLOW MOTION VIDEO AWARD 2016
(ハイスピード(高速度)カメラで撮影した動画投稿コンテスト)
で拝見したことがありました。

受賞された方は、ロウソク実験と同時落下実験を
ハイスピードカメラで撮影されて、
エンターテイメント賞を受賞されてます。
初めて、この映像を見たとき、ビックリするとともにとても感動し、
いずれ私もハイスピードカメラを購入したらやってみたいと思っていました。
(別にカメラなしでもやってみたら?と思うのですが、
なかなか周りが固まらないと出来ない性格で・・・(^^;)

やり方は、ロウソクの火を消して立ち上る煙に
着火ライター(チャッカマンタイプのもの)で煙に火を近づけるだけです。

ハイスピードカメラ(PANASONIC LUMIX DMC-TZ40 )
240fps(640×480)で撮影してみました。



「す・またん!」の中で、なぜこのようなことが起きるのか?について
大阪大学 産業科学研究所 小口多美夫教授が説明をして下さってました。

「普通 皆さん、煙というと燃えカスというふうに思ってる方が多いのですが、
ロウソクの火を消したときに上がる煙は、そういう燃えカスではなく、
ろうが蒸気になったり、ろうの非常の細かい粒が煙になっている、
まさに燃えるものが煙になっているので、
導火線のように火がつくということもありえます。」
とのことでした。

実験成功のポイントは煙をむらなく真上に立たせること。」
とのことですが、
なかなか真上に立たせることが難しく、
私の成功率は、10%くらいでした。
うまくいくときは、5回、6回と連続してうまくいくのですが、
部屋の中の微妙な空気の流れでも煙が流され、
なかなかうまくいかないときも多々ありました。
火を消すときに使用したスプーンを持ち上げる角度も
影響してるかも知れないですね?
(火を消すときに私はスプーンでやりましたが、
1 SLOW MOTION VIDEO AWARD 2016で受賞された方は
小さなガラス容器のようなものを使用されてました。)

火を消すスプーン等はススや蠟の成分も付着するので、
捨ててもいいものを使用したほうがいいかも知れませんね。

着火ライターの燃料が尽きたところで、やめました。




これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)



2017年5月29日月曜日

振動するオブジェ(山あり谷あり編)

山あり谷あり編を作ってみました。


 ①
電磁石は前回と同様、
M16×55mmの六角ボルトに
0.35mmφのポリウレタン銅線を1本あたり2300回巻いています。
これを2本並列に接続し、
電源トランスHT-3005 の15V端子に繋いでいます。
ヒューズは1次側に入れました。
土台の黒い部分は前回と同様、ダイソーのクリップボードを使用し
強度を増すため、下に板を貼っています。



上に乗せる台は、アルミ板(厚み0.3mm)で波型に作成し、
クリップボードから剥がした紙を貼りました。
線路も前回と同様、2mmφアルミ丸棒、
磁石も外径6mm、内径3mm、高さ3mm、着磁方向:高さ方向
(ネオマグで購入したもの)で前回と同じです。
磁石の周囲にはテープを貼っています。
 ③
②を①の電磁石の上に置いて完成です。

このような動きになります。

今回の装置では
交流15Vに電磁石を2本並列に繋ぎましたが
2本の合計電流は0.177Aでした。
(1本あたり約0.09A)

そのため電磁石、電源トランスともに 温度上昇はほとんどなく、
1時間動かした後の電磁石の鉄心の温度は
36.1℃と体温以下でした。

前回の「のぼりおり編」の場合は
なるべく高くまで上昇させようと、電流0.19A流しました。
0.1A程度でも上昇するにはするのですが、
あまり高くまで上昇してくれませんでした。

今回の装置の場合、0.09Aと少ない電流でうまくいったのは、
リング磁石が常に電磁石の近くを移動していることが
大きな理由だと思いますが、
棒に対して横向き(磁石は棒にぶら下がった状態)で移動するので
安定しているせいもあるのかな?と思います。

逆にこの装置に0.2A程度の電流を流すと、
アルミ棒&磁石は電磁石から10cmくらい離さないと
うまく動いてくれませんでした。
(0.09Aの場合、約3~4cmくらいです。)

ハイスピードカメラで撮影してみました。


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たつのサイエンスひろばで展示して頂くことになり
もう少し安全バージョンを作成しました。
トランスはプラスチックケースに格納し、
変圧器2次側にもスイッチ(写真の赤色スイッチ)を取り付けました。
子供さん達には、この2次側のスイッチで操作してもらいます。




これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)




2017年5月24日水曜日

振動するオブジェ(のぼりおり編)

先日、Facebookで佐藤慶次郎氏の「振動するオブジェ」の
ビデオを紹介して頂きました。

この映像に魅せられ、私も作ってみたい!! と思い、挑戦してみました。
さすがに佐藤慶次郎氏ような芸術作品を作ることは無理ですが、
リング状のネオジム磁石をのぼりおりさせることが出来ました♪


この装置は交流電源に繋ぐことで、
電磁石のN極、S極が毎秒60回入れ替わります。
(60㎐地域に住んでます・・・σ(^^)
それにより、リング状のネオジム磁石が振動し、
うまく回転に代わったところで、磁石が上下していると思います。

電磁石はM16×55mmの六角ボルトに
0.35mmφのポリウレタン銅線を1本あたり2300回巻きました。
これを3本直列にして、0.2Aヒューズを入れて100Vの電源に繋ぎました。

土台はダイソーのクリップボードで作成しました。

 ③
中央に電磁石を3個置き、
手前にアルミ丸棒2mmφを6本立てています。
リング状のネオジム磁石が振動から、うまく回転に代わる位置は割と微妙で
電磁石に近付き過ぎても、離れすぎてもうまくいかず、
反応を試しながら、1本ずつ棒を立てていきました。
下の方も反応が悪く、磁石が上ってくれないので
反応の良いところにストッパー役のビーズを置いています。

またアルミ丸棒の長さも、長すぎても短すぎても良くないようで、
今回は25cmとしました。
磁石が振動することで、棒も振動しています。
この棒の振動も、磁石の のぼりおりに影響している気がします。
電磁石の極性も3本とも同じ方向にした方が高く上昇します。

上下するネオジム磁石は外径6mm、内径3mm、高さ3mm、着磁方向:高さ方向
http://www.neomag.jp/shop/shoppingcart/itemdetail.php?itemno=MAG09585054870039&qty=1
の周囲に、細く切ったビニールテープを貼りました。
色んなサイズの磁石や棒、パイプ、針金等々 試しましたが、
このサイズの磁石と、2mmφのアルミ丸棒の組み合わせが
一番よく上昇しました。

スイッチ、ヒューズは装置裏側に取り付けました。

電磁石にカバーをかぶせて完成です。
動くとこんな感じです。

佐藤慶次郎氏の「振動するオブジェ」は
Maker Faire Tokyo 2013」で、今江科学さんが展示をされていたそうです。
私も今回これを作成するにあたり、
今江科学さんの作品を参考にさせて頂きました。

今江科学さんの「振動するオブジェの動作試験」では
くまとりモーターを使っておられました。

当初 私はくまとりモーターの回転磁界を利用して、
磁石を回転させているのかしら?
・・・と思っていました。

でも、くまとりモーターで回転磁界を得られるのは、
ローターの入っている直径数cmのところだけです。
どうも、回転磁界で磁石を回転させているのではなく、
交流を鉄心に巻いたコイルに流し、ネオジム磁石を振動させ、
それを回転に変えて磁石が移動する仕組みのようです。
 ならば、電磁石でもいけるのでは?と思い、今回、電磁石で作成しました。

実は、くまとりモーターでもやってみました。
ネットで調べると「くまとりモーター」としての販売はあまりされていないようで、
扇風機等から取り出さないと入手できないかも知れません。

写真左は小型扇風機(17/14W  50/60Hz)から、
右はサーキュレーター(32/30W 50/60Hz)から
取り出したくまとりモーターです。

右側のくまとりモーター(ローターを外した状態)は
電源に接続してから約10分で、115℃の温度ヒューズが切れてしまいました。
私がファンから取り出したくまとりモーターは発熱が凄いようです。

温度ヒューズのところを短絡し、電流を測ってみたところ
(切り替えスイッチの一番強モード)
ローターを入れた状態で0.43A、抜いた状態で0.69Aでした。

左のくまとりモーターは右ほどではありませんが、
30分もすれば、手で触れられないほど過熱しています。
扇風機やサーキュレーターはファンで送風することで、
くまとりモーターの発熱を抑える効果もあるのかも知れないですね。

もちろん、くまとりモーターでも
リング状のネオジム磁石は、良い動きをしてくれるのですが、
どうしても、発熱が気になり、今回は電磁石で作成することにしました。
電磁石も1800回巻き→ 2000巻き → 2300回巻き/1個
と巻き数を増やしていきました。

結局2300回巻き×3個直列を100Vに繋いで、電流0.19A
30分間 電源オンにしたあとの電磁石の鉄心の温度は45.5℃となりました。
(改めて1時間測定をやってみると、なんと43.9℃・・・
外気温が1時間測定時の方が低かった影響でしょうか。
いずれにしても、長時間駆動させても温度がそれほど上昇せず良かったです)

近いうちに、もう1種類「振動オブジェ」を作成したいと思っています。
ぜひ、また見てやって下さい。



これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)