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ミニ四駆で学ぶモーターの効率

みはらぼ

ミニ四駆を題材に、モーターについてわかりやすく解説します。
本記事ではモーターの"効率"とは何かを学んでいきます。

例えば照明を蛍光灯からLEDに変えると、電気代が安くなる
という話を耳にした事があるかと思います。
これは蛍光灯よりLEDの方が、電力を光に変換する効率が高いためです。

ミニ四駆で使われるモーターも、同じように電力を回転に変換する効率　という指標があります。効率が高い使い方をすると、発熱が減ったり、走行距離を延ばすことも出来ます。

今回はモーターの効率について学んでいきます。

▶ モーターの効率とは？

モーターの効率とは、
・モーターに入力されるエネルギー量と
・モーターが出力するエネルギー量
の比率を表しています。

電気エネルギー(左)と回転エネルギー(右)の比率が効率

入力から出力で目減りしたエネルギーを損失といいます。

今回は
・効率の読み取り方
・効率と損失の関係
・タミヤの"推奨負荷"と効率
について学んでいきます。

▶ マッハダッシュモーターの効率

最初に説明したように、効率とは出力と入力の比率です。
この関係性は以下の式で表されます。

効率[%] = ( 出力[W] ÷ 入力[W] ) × 100

これまでの記事で、
マッハダッシュモーターのトルクと電流、
回転数の関係を実測してきました。
これらの実測データから入出力エネルギーを算出しました。

この入出力エネルギーの数値から効率を計算した結果が、
以下のグラフです。

効率が高いほど、入力エネルギーを無駄なく出力エネルギーに変換出来ている

最大トルクの約20%付近で、効率が最も高くなりました。
マッハダッシュモーターの最大効率は50%でした。

では "効率が低い状態 = 悪い状態" と言えるでしょうか？

▶ 効率と損失の関係

高効率ポイントの左側と右側で、低効率の意味が違う

グラフ左側の水色部分が、最も効率が高い"おいしい"エリアです。
このエリアを境目に、左側と右側で効率が下がっていきます。

ここで左側を"気にしない"エリア、
右側を"やばい"エリア と勝手に命名しました。

それぞれのエリアについて、どのような状態か読み取っていきます。

- "気にしない"エリア -

ここは効率も低いので一見損失も多そうですが、
そもそも入力エネルギーが少ないため
損失の量も少なくなっています。

このエリアはミニ四駆が最高速度に到達し、
これ以上加速出来ないエリアです。

なぜ最高速度に達すると入力エネルギーが減るかというと、
電流が減ったからです。
最高速度に達した=負荷トルクが減った(加速が終わった)
状態ですので、電流が減っているのです。

- "おいしい"エリア -

モーターの出力が50%以上に達しており、
電気エネルギーを回転エネルギーに
一番変換出来ている領域です。

そのためモーター出力が50%と高いですが、
発熱量は12%と低い、
というのが"おいしい"の由来です。

ミニ四駆では最高速度に達しても、
・車体の負荷 (軸受け/ギヤ/グリスの抵抗等)
・走行負荷 (コースの傾斜/ローラーの摩擦等)
によって、負荷トルクが若干発生しています。

この負荷トルクを出来るだけ少なくし、
"おいしい"エリアで出来るだけ長い時間走行する事が、
電気エネルギーを無駄なく利用するコツです。

- "やばい"エリア -

やばいと言っても、"おいしい"エリア寄りの
負荷トルクが50%程度のエリアはあまり心配ありません。

最もやばいのは負荷トルクが100%に近いエリアで、
ここはモーターがほとんど回転しておらず、
ほとんどのエネルギーが損失(=発熱)になっている状態です。

このエリアはミニ四駆の走行状態で言うと
・タイヤの回転を手で止めている　か
・上り坂で止まりそう
な状態です。

ミニ四駆の説明書に
"回転しているタイヤを無理に止めないでください"
と書いてあるのは、モーターにとって一番やばい状態だからです。

▶ タミヤの"推奨トルク"とは何なのか

ここで少し視点を変えて、タミヤの推奨トルクについて考えてみます。

【 基本スペック 】
　適正電圧：2.4～3.0V
　推奨負荷トルク：1.3～1.8mN･m
　回転数：20000～24500r/min
　消費電流：2.6～3.5A
　　※推奨負荷トルク時

株式会社タミヤ HPより

上記の"推奨負荷トルク"とは、
いったいどんな状態の負荷なのでしょうか。
効率のグラフに当てはめて考えてみます。

推奨負荷トルクは"おいしい"エリア

負荷トルク1.8[mN･m](18[gf･cm])の場所は
効率が高い"おいしい"エリアとなっています。

つまり推奨負荷トルクとは、最も効率が良い使い方
という事になります。

この負荷トルク1.8[mN･m]から上に縦線を引くと、
電流と交差する点が3.5[A]、
回転数と交差する点が24,500[rpm]と
基本スペックの値と一致します。

つまり基本スペック値はすべて最高効率時の値
という事だったのです！

※ みはらぼの推定です。タミヤ様へ確認は取っていません。
　

▶ まとめ

  • 効率とは入力エネルギーと出力エネルギーの比率【ここが一番のポイント！】

  • 出力の割に損失が少ないのが、効率が高い"おいしいエリア"

  • 推奨負荷トルクとは、最も効率が良い使い方


▶ 最後に

今回はマッハダッシュモーターの効率を算出し、モーターの"おいしい"使い方について解説してみました。

ミニ四駆という身近な題材を通じて、モーターについて楽しく学べる記事を目指しています。

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”XXについて知りたい！”

など、皆さんが知りたい事を教えて下さい。
コメントお待ちしております！

▽「ミニ四駆で学ぶ」シリーズ


◎ "ミニ四駆"は株式会社タミヤの商標登録です
◎ モーターの画像は、株式会社タミヤのホームページより引用しています
◎ SlidesCarnivalによるプレゼンテーションテンプレートを利用しています

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