高速回転のクリップモーターと直径10cmのクリップモーター

クリップモーターと言えば、電気工作の定番ですが

バランスや接触など難しい問題が多々あり、

結構ハイレベルな工作だと思っています。

最近、クリップモーターのことが話題になり、
私も久しぶりに作ろうと材料を引っ張り出してきて色々とやってるうちに
軸に待ち針、軸受けにネオジム磁石を使うことで
高速回転するクリップモーターを思いつきました。

以前、通常の方法で作ったクリップモーターと比較すると

約2倍の速さで回転します。

待ち針を使うので、子供向けの工作としては難しいですが、

ビュンビュン回転する様子は面白いと思います。

(映像ではあまりビュンビュンの様子がわかりにくいですが・・・)

＜作り方＞

①

直径2cm前後の円柱状のものに
 φ0.35mmのUEW(ポリウレタン銅線)を20～40回程度巻き付け、
両端は約10cm程度残してカットします。
下の写真の右のような待ち針の球を外して
尖った方を上にしてコイルの中心に通します。

 ②
 コイルの端を針とコイルを固定するように巻き付けます。
固定し終えたら、被覆を剥がします。
上は全ての被覆を、下は右半分又は左半分を剥がします。

③
上の被覆を全て剥がしたところは、針にしっかりと巻き付けます。
ここが緩いと、コイルに電流が流れにくいので要注意です。
下は3cm残してカットします。

 土台の方は、ダイソーの5mm厚のスチロール板で作りました。
電源は単3アルカリ乾電池1本です。

回転用にはダイソーのφ20mmのフェライト磁石を使用しています。
φ13mmのネオジム磁石でもやってみましたが、
ほんの少しネオジム磁石の方が速いかな？程度でした。

(下写真左)電極はφ0.9mmの銅針金をW型に折り曲げてリード線をハンダ付け、

押さえ用のU字型のものはφ0.35mmのUEWを使用しました。

(下写真右)リード線のもう一方の端は被覆を剥いてアルミホイルでくるんでいます。

このアルミホイルは電池のマイナス極の方にテープで貼ってもいいのですが

この写真のように、磁石でくっつけた方が接触が良く通電しやすいと思います。

W型、U字型はスチロール板に埋め込み
コイルの端を写真のようにセットします。

電池のプラス極の方にφ6mm×3mmのネオジム磁石を斜めにくっつけ
この磁石にコイルの針の先端をくっつけました。
ネオジム磁石はニッケルメッキされているので
電池のプラス極～ネオジム磁石～針～コイルへ電流が流れます。

当初、下の写真のようにネオジム磁石と針が垂直に接触するようにしていました。
これでも回転するのですが、
5～10分くらい経つと 急に停止してしまうことが多々ありました。
原因は不明ですが、上のように斜めにすることでかなり改善されました。


またφ13mm×3mmのネオジム磁石を使用すると もう少し安定するかも知れません。
このネオジム磁石も回転力への影響があるかも？と思いましたが、
N極、S極を入れ替えても回転数はそれほど変化しなかったので、
電磁回転力への影響は少ないのかな？と思います。

実際に作られるときは、このネオジム磁石のところを
色々と変えてやってみて下さい。

乾電池のプラス・マイナス(＝コイル両端)の電圧波形をとってみました。

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電池の寿命ですが
新品の乾電池(約1.6V)を使って実験すると
1時間後に約1.4Vまで下がります。
さらに1時間後には約1.3Vくらいになります。
速度も少しずつ落ちますが、
それでも通常のクリップモーターに比べるとかなり速く回転します。

もし途中で、回転が遅くなったり停止したときは、
・電池を5分くらい休ませる(コイルは外した状態で)
・電池に貼ったネオジム磁石を少し動かす(角度を変える)
・W型の電極の角度を変える
・コイルと電極の接触しているところに接点復活剤を使用する
等でまた勢いよく回転すると思います。

ただ、電池電圧が1.2Vくらいまで下がると
これ以上は難しいかも知れません。
(電池を休ませながら0.7Vまで回転したものもありますが・・・)

いざ作ってみたものの、そのとき そのときで違う現象が現れ
原因がよくわからないまま終わってしまい、
いい加減なことを書いていたら申し訳ありません。

やはりクリップモーターはハイレベルで奥が深い工作だと痛感しました。
いつかまた新バージョンにチャレンジしてみたいと思います。

＜クリップモーターが回転する理由について＞
以前まとめた資料です。

＜なぜ半分なのか？＞
下の図は真横から見たところです。

黄色い丸の周囲のオレンジ色が被覆されてるところ、

オレンジ色のないところが被覆を剥がしたところです。

(被覆をちょうど半分剥がした場合です)

シルバーはクリップの電極、

軸はφ2mm程度の場合です。

半分剥がした状態では、コイルが真横の位置になると電流は流れません。

上図の中３つの場合は電流が流れ、電磁力が発生します。

特に図の真ん中のときが最も多くの電磁力が発生します。

もし剥がすのが半分以下だと電磁力を得られる期間が短くなります。

剥がしすぎると、逆向きの回転力が発生し、

回転速度が遅くなったり、次第に止まってしまうときもあります。

しかし、上図は理想的な図で

コイルが図のように横から見て反時計回りに回転すると
コイルは電極の右の方へ移動します。
すると下図の一番左のように右向きの電磁力が発生することも考えられます。

これを防ぐには、
少し角度をつけて半分剥がすといいかも知れませんが
電極のカーブや回転方向まで考慮してその角度を決めるのは難しそうです。
剥がすのを半分以下にするか？
電極をフラットにしサイド部分を絶縁体にしてもいいかもしれませんね。

さらに速く回転させた場合は特に
コイルは上下左右に振動しながら回転します。

振動してジャンプした時に、被覆を剥がしたところが、

下図のように電極に接触した場合も右向きの電磁力が発生してしまいます。

なるべく振動を抑える工夫や
振動しても上図のような誤接触をおこさないように
上で書いたように電極のサイド部分を絶縁体にしてもいいかも知れませんね。

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<2020年2月9日 追記>
直径10cmのクリップモーター
Facebookで懇意にさせて頂いている、青森・野呂茂樹先生が
直径10cmの大きなクリップモーターを作成されているのを拝見し
https://www.youtube.com/watch?v=b2ctzHiH_JY
私も作ってみました。


上記で記載したのと同様、軸に針、軸受けに磁石を使用しました。
両側は取り付け金具を使用しています。
コイルはφ0.35mmのUEWを30回巻きにしたものです。
巻き数が多い方が回転トルクが増します。
(10回巻き以上では回転速度はあまり変わらない)

<2020年2月13日 追記>
直径10cmのアルミ針金1巻きのクリップモーター
ダイソーで販売されているアルミの針金1巻きのものも作ってみました。
横に伸ばした軸のところを細い銅線にすることで摩擦抵抗が軽減され
直径10cmもの針金がマンガン電池1個でも回転します。
勿論、アルカリ電池を使ったり、強力な磁石を使うともっと速く回転します。

＜コイルの作り方＞

 φ1mm～φ2mmのアルミの針金をこのように曲げます。

φ1mmの方が軽くてよく回ります。

アルミの針金はコーティングされてるので、

絶縁されてると思ってしまいますが、

ある程度 電流を流してしまいます。

そのため、アルミ針金同士が接触するところは

テープを巻いて絶縁してから(白く見えてるのがテープです)

φ0.35mmのUEWで写真のように固定します。

両端は1.5cmほど残して切り落とし、

コーティングはカッターナイフなどで剥がします。

(ある程度電気を流すとは言え、完全に剥がした方が確実です。)

コーティングを剥がしたところに

(右)φ0.55mの銅の針金を10回程度巻き付けます。

(左)φ0.55mmのUEWは長い部分の被覆を全て剥がしてから巻き付けます。

(左)UEWを巻き付けた後、被覆を半分剥がします。

コイルを乗せるところは銅箔テープを折り曲げ、

取り付け金具に貼り付けました。

取り付け金具の穴そのまま使っても回りますが、

酸化被膜ができやすく、その度に接点復活剤を使っていました。

この 銅箔テープを使うと、このような処理を長時間しなくても回り続けます。

φ1mmのアルミ針金

マンガン電池1本(電池電圧1.51V)

回し始めてから30分後に停止(電池電圧1.37V)

マンガン電池2本(電池電圧1.37Vと1.39V直列)

回し始めてから1時間40分後に停止(電池電圧0.89Vと1.16V)

でした。

磁気浮上装置（Magnetic Levitation）

以前から作りたいと思っていた磁気浮上装置（Magnetic Levitation）!!

先日ネットサーフィンをしていたところ、このサイトを見つけました。

「Arduinoで作る浮遊光球」

とても丁寧にかつ詳細に説明して下さっていて、
読んでいると私でも作れそうな気がして挑戦してみることに・・・

しかし、なかなか思うように進まず、悪戦苦闘しながらようやく完成しました♪ 

＜ホールセンサーについて＞

この装置ではホールセンサーで磁石の位置検出を行っています。
ホールセンサーには主に3種類のものがあるようです。

①ラッチタイプ(磁石の接近をHigh or Lowで検出し、別の極が接近するまで記憶する)

②スイッチタイプ(磁石の接近をHigh or Lowで検出)

③アナログタイプ（磁石の接近を数値で検出）
詳細はこちら

今回はアナログタイプのものを使用しています。

しかし、同じアナログタイプでもセンサーの型番やロットによってまでも
出てくる数値や特性はまちまちです。

Arduinoのシリアルモニターで見ると、出力される数値を見ることが出来ます。

例えば今回使用した、ホールセンサー「UGN3503」(503 224)は

（電磁石が近くにない状態で）
通常500前後の値、

（センサーの刻印側から）ネオジム磁石のN極を近づけると約320～158、
S極を近づけると約700～883の値となりました。

今回の装置では電磁石の下にホールセンサーをつけるので

電磁石の下がNかSか？によっても出てくる数値は変わってきます。

＜この装置の仕組み＞

この装置は下図のような仕組みでうまく落ちることなく制御されています。

ホールセンサーから出てくる数値はArduinoのanalogRead(0)で読み取ります。
S極が離れると出てくる数値は小さくなり、近付くと大きくなります。
例えば数値が600以下なら、図の左のように引き寄せ
600以上なら、図の右のように反発させる仕組みです。

＜今回作った装置について＞

今回作った装置のホールセンサーは、参考にさせて頂いたサイトで使われている

「UGN3503」を使用しました。
(このホールセンサーが届くまでに手持ちの4種類のホールセンサーで試したところ
「A1324LUA-T」でも浮きましたが、浮かすことが出来る重さは「UGN3503」の半分以下でした。)

「UGN3503」は日本で販売されてるところが見つからず
AliExpressの2店舗で購入しました。
注文してから約2週間後に届いたものは「503 224」と刻印されたものでした。
これで工作を進め、振動対策などを行ってうまく浮くようになりましたが、
その後届いた「503 721」と刻印されたものでは
同じ方法では うまくいきませんでした。
「503 721」の対策は最後の方に書いています。

＜作り方＞
上でも書いたように
「UGN3503」の「503 224」と刻印されてるものを使用した場合の一例です。

モータードライバーは参考にさせて頂いたサイト(TA7291P)とは 別の
ステッピングモータードライバーL298N miniを使用しました。
TA7291Pでも試したのですが、少し発熱が大きいような気がしました。
L298N miniでは発熱は全くありません。
出力もL298N miniの方が少し大きいように思います。
ただ、L298N miniではTA7291Pのような
電磁石の電源電圧のコントロール(TA7291Pの4pin)は出来ません。
(先日「超音波浮遊マシン」を10個ほど作成し、
そのとき使ったL298N miniが たまたま机の上にあったので、これでやってみました。 
何と言っても、L298N miniはめっちゃ安いです(笑))

＜配線図＞

参考にさせて頂いたサイトに記載されているプログラムも少し変更しました。

＜私のプログラム＞
こちら
プログラムに記載している
 if (x <645 )、else if ( x >=645  &&  x <845 )の数値は
電磁石の強さ、永久磁石の強さ、ぶら下げる重さによって変更して下さい。
目安は
電磁石とネオジム磁石が強く引き合うときは数値を下げ、
電磁石とネオジム磁石の反応が弱く落ちてしまうときは数値を上げます。

【読み取りの高速化について】
通常のanalogRead(0)の読み取りは1秒間に10000回(分周比128)ですが
もっと速く読み取ることが出来ないか？調べてみると
このようなサイトを見つけました。
分周比16とすることで1秒間の読み取りが約66000回と速くなるようです。
(ATmega328Pの場合)
実際、こうすることで電磁石から聞こえる音が変わりました。
(分周比128のときはジ・ジ・ジというような音、16のときはシャーというような音です）
これも振動防止に少しは寄与しているように思います。
分周比4にしてもいいかも知れません。

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最初は上図のように配線をして、
取りあえずプログラムを書き込んでから、電磁石の極性を調べます。
センサーを貼った方ではわかりにくいので、
センサーを貼っていない方(電磁石の上側)でチェックします。
もし電磁石の上側がS極になっていたらOK、N極なら上図の①と②の接続を変えます。
電磁石を手で持ち、おもりが浮くようにプログラムの数値を少しずつ変更します。

うまく浮くようになると、本体を組み立てますが
そのときに問題となるのが おもりの振動です。
参考にさせて頂いたサイトにも記載されていますが
電磁石を手で持っているときは、おもりは振動せずうまくぶら下がっているのですが、
いざ電磁石を固定すると おもりが振動し
振動は徐々に大きくなり、落下するか上の電磁石に張り付いてしまいます。

手で持ってぶら下げるところまでは割と簡単に出来ますが
振動対策がこの装置の一番厄介なところで、
私はこの振動対策だけで100時間以上かかってしまいました(苦笑)

当初、全ての電源をモバイルバッテリー(5V,1A)1つで作ろうとしていたのですが、
おもりを回転させたときの振動を抑えることは出来ませんでした。
モバイルバッテリーで試すときは、上記プログラムの数値を
if (x <585 )、else if ( x >=585  &&  x <835 程度に変更してみて下さい。
回転させずに、そーっとぶら下げるだけなら問題なく浮くと思います。)

そこでモバイルバッテリーは諦め、9Vの電源アダプタで作成することにしました。
（全ての電源を9V,1Aの電源アダプター１つで）
それと共にとった対策は
①電磁石とおもりのネオジム磁石を強くし、おもりを重くする
②電磁石がある程度 動くことが出来るようにする
③プログラムで読み取り時間を短縮＆電磁石の電流が流れない期間を設ける
等で、ようやく振動がなくなり
安定して浮き続けたときは本当に嬉しかったです。

他にも色々と対策方法はあると思いますので
作成される装置によって工夫してみて下さい。

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①
電磁石はM6×35mmの鍋小ねじにφ0.4mmのUEWを1300回巻きにしました。
上下の薄緑色の円形のものは厚紙です。
ナットは少し緩めに留めて穴を作りました。
（ネオジム磁石が電磁石とくっついたとき、ホールセンサーが挟まれて壊れやすいので
ホールセンサーの避難場所のためです。）

②
フィルムケースの底に6mm程度の穴を開け、ホールセンサーを入れています。

③
土台は木で作成し、上部の中心にM4×10mmの鍋小ねじをネジ留めしています。


④
フィルムケースに電磁石を入れて、
(フィルムケースは長すぎるので上部5mmほどカットしています。)
ネジの頭に12mm×3mmのネオジム磁石を貼り付け(S極が上 N極が下です。)
土台の鍋小ねじに貼り付けたところです。
このようにすることで、電磁石がある程度自由に動くことが出来て
振動を抑えることが出来ました。

⑤
ただこのままでは落ちやすいので、針金を上の木材に通して ゆるめに留めています。

後ろ側です。

⑥
電源部です。
左の黒いコネクタに9V１Aの電源アダプタを差し込みます。
真ん中がArduino Nano 互換機(Atmega328)
右がステッピングモータードライバーL298N miniです。

改めて回路図も記載します。

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ぶら下げるものは4種類のものを準備しました。
・ボルト人形  ・男の子  ・ランタン  ・地球儀
地球儀以外の3種類は77～79gで、地球儀は316gです。
(磁石も含めた総重量です。)

＜ボルト人形＞

目から上が磁石です。

φ20mm×10mm、φ15mm×5mm、φ12mm×3mmの磁石を3段重ねにしています。

(S極が上 N極が下です。) 

磁石はφ20mm×10mm 1個で浮くのですが

電磁石の鉄心との反応が強いので

このように3段重ねにしてみました。

実際に作られる方は、磁石も色々と変えて試してみて下さい。

体や手足はボルト、ナット、小ねじ、傘釘等を

"板金用ハンダ"でハンダ付けしています。

(通常のハンダでは鉄同士はつきません。)

体重77gです。

＜男の子＞

ボルト人形と同様に板金用ハンダで胴体にM3鍋小ねじをハンダ付けし

木製の手足を取り付けました。

顔は透明カプセルを着色、目に青色LEDを埋め込み、

コイン型電池(CR2032)で光らせます。

電池はカプセルの中に入れています。

頭に取り付けた磁石は

φ20mm×10mm、φ15mm×5mm、φ12mm×3mmを3段重ねにしています。

(S極が上 N極が下です。) 

体重79gです。

 男の子は手にファンの風を当てて回転するようにしています。
ファンはDCファン(25mm角、定格5V)です。
電源を1つにまとめたいので、9V→5VのDC-DCコンバーターを取り付けました。
(下の写真左上のコネクタの付いた基盤)
(組み立て後に「三端子レギュレーター」を使えばよかったかな？と気づきました。)

Arduino、モータードライバーは9V、ホールセンサーはArduinoの5V
DCファンはDC-DCコンバーターからの5Vを給電します。


当初、発振回路で回転させようとしたのですが、
電源を別にしないと不安定だったので断念しました。
ホールセンサーをもう一つ使って回転させる方法もありますね・・・

＜ランタン＞

水風船を膨らませて、その全面にダイソーの「flower paper」の白色を貼ります。

貼るときは木工用ボンドを水で溶きサラサラの状態にしたものを付けながら

貼っていきます。約5枚分の紙を貼り付けました。

風船の上の方には穴を開けたペットボトルの蓋をかぶせて
蓋の周囲にも紙を貼っています。

乾燥させて1日後、風船を破裂させて取り外します。
ペットボトルの蓋は外しにくいですが、針で少しずつ隙間を拡げて外します。

取り外した蓋にイルミネーションLED3個を並列接続にしました。
電池はコイン電池を使いたいところですが、
イルミネーションLEDを並列にしたとき、
コイン電池からとれる電流容量が少なく青色が光りにくいので
リチウムイオン電池(16340)を使っています。

磁石はφ20mm×10mm、φ15mm×5mm、φ12mm×3mmの3段重ね、
中にはM10用のナットにφ12mm×3mmを付けたものを入れます。
(S極が上 N極が下です。)

ランタンに入れて、磁石同士をくっつけます。

ランタンンの口にLED付きのペットボトルの蓋を差し込み、
LEDを位置を整えます。

電池を縦に挿入し落ちないようにクリアファイルで蓋をしてネジ留め、

スイッチも取り付けました。

重さは77gです。

当初、相互誘導方式で電池なしで光らせようとしたのですが、
電源を別にしないと不安定になること、
相互誘導の1次回路の電源を5Vにすると、トランジスタの発熱が大きいこと
(トランジスタ2SC2120は勿論のこと、TIP41C、TIP35Cでも熱くなります。
ヒートシンクを付けるとなんとかいけそうな感じではありますが・・・)
だからと言って1次回路の電源を1.5～3Vにすると、光り方が悪くなる
等の理由で、今回は電池で光らせることにしました。
いつか、磁界共鳴方式で光らせてみたいです。

＜地球儀＞

地球儀は316gと他の3種類の77～79gに比べ4倍の重さがあるため、

電磁石とネオジム磁石は強力にしました。

電磁石はM12×55mmの六角ボルトにφ0.55のUEWを1300回巻きにしています。

ビタミンの入っていたケースに入れました。
底には6mm程度の穴を開け、ホールセンサーを入れて、
スポンジシートを貼りました。

ネオジム磁石はφ25mm×10mmを2個重ねたもの

地球儀の内側にφ20mm×3mmの磁石を入れて、これとくっつけています。

プログラムは if ( x <645 )を if ( x <793 )としています。

（else if ( x >=645  &&  x <845 )は削除）

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＜「UGN3503」の「503 721」と刻印されてるホールセンサーの場合＞
上の方でも書きましたが、同じ「UGN3503」でも
「503 224」と「503 721」では反応が異なっていました。
（224、721以外にもあるようですが、手元になく試していません。）

Arduinoのシリアルモニターでホールセンサーから出力される数値を見ると

（電磁石が近くにない状態で）

通常510前後の値(224よりやや高め)

ネオジム磁石のN極を近づけると約220～159(224より低め)
S極を近づけると約830～883(224よりかなり高め)の値となりました。

上で紹介した「503 224」と同じように作って
プログラムの if ( x <645 )をif ( x <790 )にすると、
取りあえず浮きますが、かなりパワーが弱くそれほど重いものは浮きません。

そこで、NとSを全て入れ替え、プログラムの数字も変更してみました。
・ぶらさげる磁石のN極,S極を反対にする
・電磁石は最初のチェックで上がN極になるようにする。
・プログラムは if ( x <174 )くらいの数値にする。

これで取りあえず77gのものを振動することなく浮かすことが出来ましたが、
「503 224」に比べるとやや不安定な気がします。
もう少し対策を考えた方がいいかも知れません。

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今回は長文となり申し訳ありません。
わかりにくい点も多々あると思いますが、
最後までお読み下さって、本当にありがとうございました。