はんだ付けとコイル巻きでモータ技術の神髄を体感 ―― CQエレクトロニクス・セミナ「実習・モータ&インバータの原理と組み立て」

　CQ出版社は，2012年6月30日～7月1日，東京・巣鴨のCQ出版社 セミナ・ルームにて，技術セミナ「実習・モータ&インバータの原理と組み立て」を開催した．これはEV（電気自動車）などで使われるモータ・システムについて解説するセミナである．また，セミナの中で使用している教材「CQブラシレス・モータ＆インバータ・キット」の外販も2012年7月末より開始した．

　ここでは，6月30日～7月1日のセミナの様子を報告する．なお，本セミナは今後も定期的に開催する予定．

●はんだ付けとコイル巻き，実験を通してモータ・システムの挙動を理解

　「CQブラシレス・モータ＆インバータ・キット」は，ブラシレスDCモータ，センサ基板，ドライバ基板，マイコン基板，マイコン開発環境から構成されている．このキットを動作させるには，回路基板のはんだ付けが必要になる．電子回路は，1カ所でも接触不良や短絡（ショート）があると動かない．本キットには，はんだ付けを行う個所が300カ所ほどあり，はんだ付け作業は，中級者の方で3～4時間程度かかる．コツコツとやれば，作業そのものはそれほど難しくない．

　モータのコイルも自分で巻く必要がある．モータのコイル巻きを経験したことのある方は少ないだろう．若干，腕力が必要になるが，コツが分かれば作業は早いという．モータのコイル巻きは，巻き数によって作業時間が変わるので，時間がない場合は，巻き数を10ターン（1ティース当たり）程度にする．また，コイルは何回でもまき直せる．最初は巻き数を少なくしてきちんと動作することを確認し，後から巻き直して，巻き数を増やすのもよいだろう．なお，本キットに付属するCD-ROMには，コイル巻きのお手本の動画が収められている．

　このように，はんだ付けやコイル巻きを自分の手で行い，実験を行うことで，モータの原理や制御方法を直感的に理解できるようになる．例えば，以下のような疑問を，実験を通して解消する．

• モータのコイルの巻き数を少なくすると回転速度はどうなるのか？
• モータのコイルの巻き数を少なくするとトルクはどうなるのか？
• モータのコイルの巻き線の太さを変えるとどうなるのか？
• 入力電圧を変えるとモータの回転数はどうなるのか？
• モータに負荷をかけるとモータはどうなるのか？
• 回生電力はどのようにして取り出すことができるのか？

　本キットに含まれるブラシレスDCモータは，EVバイクくらいには利用できるものである．熱対策を施せば，さらに出力を引き上げることも可能．さらに，このモータは発電機として動作させることもできる（つまり，さまざまなパワー・エレクトロニクスの実験に利用できる）．

●1日目：インバータの原理を学び，基板をはんだ付けして組み立てる

　「実習・モータ&インバータの原理と組み立て」は2日コースのセミナである．上述のキットを2日間で組み立て，またモータの原理についても解説する．今回のセミナは11人が受講した．

　セミナの1日目はインバータの解説が中心だった．午前中は，インバータの役割と動作原理を学ぶ講義が行われた（写真1）．ブラシレスDCモータは，インバータによって直流電源から生成された3相交流を入力して回転制御を行う．交流とはいっても，一般にPWM（パルス幅変調）を利用した疑似的な交流を使う．ON/OFFスイッチイング制御を行い，この制御を担うのがマイコンである．

写真1　モータ制御の基礎について解説

 

　午後からいよいよ，はんだ付け作業に入った．まずは初心者にも分かるように，講師がはんだ付けのコツを解説する．やけどやけがをしないように，作業上の注意事項を念入りに説明してから作業を開始した（写真2）．

写真2　午後から実習

はんだ付けがまったく未経験という受講者もいた．写真の方は経験者．

 

　受講者が作業している机を講師が回り，それぞれのはんだ付け状態の良否をチェックしていく．はんだ付け作業は，すぐにはうまくなれない人もいる．しかし，講師のアドバイスを受けたり，うまい人のやり方をまねることで，早くコツがつかめるようだ．

　3時半～4時ころには，はんだ付け作業をひと通り終える受講者が出てきた（写真3）．はんだ付けが終わったら，まずは目視でチェックする．大丈夫だと判断すると，回路基板に電源と講師が用意した完成版のモータをつなぐ．スイッチを入れてボリュームをゆっくりと回し，モータが回れば回路基板は完成である（写真4）．

写真3　4時前には，回路基板のできあがった人が続々

完成版のモータで回路の動作をチェックする．

写真4　いよいよ動作チェック

ボリュームをゆっくり回して...．オッオッ！ 回った！！

 

　ただし，多くの受講者は，一発では動かなかった．動かないときは，必ず動かない理由がある．その理由のほとんどは「はんだ付け不良」だった．とくにグラウンド面に接続している端子は配線パターンに熱を吸い取られ，はんだ付けがなかなかうまくいかない．「この部分はちょっと怪しいかも...」と思った部分は，たいていはんだ付けがうまくいっていなかった．

　次に多かったのが，部品の向きの間違いである．電解コンデンサの極性を間違えたり，マイコン・ボードの向きを逆に装着したり，といった例があった．基板の表から見た配置と裏から見た配置を勘違いするケースもあった．

　このほか，短絡による不良もあった．リード線が長すぎて，隣の配線にごくわずか接触していても短絡を起こす．

　問題なくモータが回った回路基板から順に，オシロスコープでPWM波形を観測した（写真5）．

写真5　PWM波形をチェック