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。)





4 件のコメント:

  1. 前半FBと重複します。小学校理科電磁石づくりは、私は児童の取って作りやすさから、釘に0.35~0.4mmφ4m200回巻としています。電源はクレーンづくりの時はマンガン電池単3の1.5Vです。これでも時折熱い!との声が上がることがあります。巻き数と電源の関係を調べるときは電源装置で1~2A。ただ、電源装置で実験する先生は少ないようです。(教科書によっては単3の充電池)。熱くなるのを意図的に体験させています。1つは6年で電流による発熱の事前体験と家庭でのたこ足配線指導のためです。上橋さんのご指摘は重要な課題を含む大切なことです。
    リードスィッチや電磁石で回転するものをつくるときどっちへ回るかは一定していませんね。回り始めるとそっちへぐんぐん回るが多いですが、途中で気分をかえて逆回転することもありますね。スィッチのON/OFFの時の逆起電力の波形も影響しているかも。
    装置はとてもスマートになりましたね!指摘の課題もなるほどと思いました。

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    1. 野呂先生、ありがとうございます。
      4mだと、計算上 0.4mmφで約2.65A、0.35mmφで2.02Aの電流となりました。電源装置でも もう少し少ない1~2Aなのですね。乾電池なら特性上、連続して大電流を流すのは難しそうですね・・・
      確かに、危険を体験し 実生活に活かすのはいいことですね。

      今回作った「リードスイッチモーター」は上の図で書いてる通り、リードスイッチと磁石の位置関係で、ハッキリ分かれます。
      上の図のAの場合は反時計回り、Bの場合は時計回りになります。

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  2. Chieさんこんばんは
    また改良されたリードスイッチモーターですね、今回のはスッキリしていて、逆転レバーも見事です。回転の原理までカラフルなイラストで素晴らしいです。
    私が以前作ったリードスイッチモーターは、φ13mmxt3のネオジ磁石を4個使いました。
    コイルは0.5mmを5mmの釘に300回これを2個シリーズに接続しました。
    スイッチ電流容量が0.5Aになっていたため、5Aのリレーを接続しました、ただリレーを入れるとその分リレー作動時間で回転が遅くなると予想しましたが、実際にはそんなに遅くはなりませんでした。
    単3充電電池を4本で4.8Vでしたが、短時間(1~2分)の作動のためコイルが熱くなる事はありませんでした。私は今ガラス管のfire tube を作っていますこれが済んだら、またこのモーターの電流を測ったり実験したいと思っています。またその際には教えて下さい。

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    1. 啄童 さん

      いつもありがとうございます♪
      啄童さんのリードスイッチモーター、こちらですね?
      https://www.youtube.com/watch?v=ZajyuXUTY3k
      さすがにしっかりした作りで、パワーもありそうで実用化レベルですね。

      ガラス管のfire tubeも作成されてるとのこと・・・
      ガラス管だと、中も見えるのかしら?楽しみです。
      それにしても、啄童さん、木工だけじゃなくガラスの加工も出来るのですか?
      凄いですね・・・
      本当に啄童さんの技術、尊敬するとともに憧れて見ています。

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