トミックスモータの短絡故障について

★２０２０／２／１追記：今般発売された新型モータ「M-13」で各M-9モータの駆逐開始。なお、コアレスモータでも何でもなく、単にブラシ部分が太いだけの模様。

★この記事自体のその後「２」はこっち
★鋭意交換開始2020年2月1日以降の状況はこっち。この記事には「慣らし運転後」加筆の予定。

電動機処分場。PCBのトランスか。

【はじめに】

トミックスの電車等に大量に使われているフライホイール付きモータ（品番０６２３など）において、新品から程なく回転不良に陥り、パワーユニットが保護停止してモータが起動できない、という不具合に遭遇した方は多いはずである。自分も３０個くらい交換した。今般、理論に基づきその理由を考察したので記載する。

【概要】

・ブラシが「電機子反作用」を考慮された位置、構造でないため、逆起電力をブラシで短絡し、カーボン飛沫を生じている
・生じたカーボン粉が整流子間に詰まり、ブラシ－整流子－カーボン粉－整流子－ブラシの経路で電源短絡を生じている

【結論】

・モータとして非常に不安定で動作不良を起こしやすい構造である
・出力電流の大きな制御装置で使用した場合、発火の危険がある
・危険な破壊モードに至る設計不良であり、トミーテック殿には構造変更を「要求」する

たかが鉄道模型のモータと言うなかれ、技術的には分巻固定界磁型直流電動機そのものであり、素材の故に発火事故の危険があると判断する。非常に技術的に高度な内容となるが、非常に危険なのでここに書かせていただく。トミーテック殿には早急な改善を要望する。火事になりかねない。

まず、マブチの系統を汲む鉄道模型用直流モータ（トミックスＭ－５等）のブラシと整流子の写真を示す。

黒っぽいのがブラシでカーボン製。左右からつる巻きばねで強く押されている。

電機子コイル。および、黒く汚れた銅の板が整流子である。両者の接続状態の断面イメージを次に示す。

コイルは整流子緑－青／青－ピンク／ピンク－緑の3つが巻かれてあり、それぞれ永久磁石（界磁）と吸引反発し、回転する。

ここで、「電機子反作用」と呼ばれる現象を考える。

（電験問題「発電機と電動機の原理（４）」より）

要約すると。

・磁界の中でコイルが動いているので、モータであると同時に「発電機」でもある（逆起電力）
・ブラシが回転中もイラストの位置のままの場合、その発電電流を短絡してしまう

この対策として、「電気的中性軸」にブラシを移動させる。が、この図を必要とした理由である。

これに対してマブチの構造は以下の通り。イラストのモータが時計回りに回転すると、ブラシは摩擦で引きずられる。

大げさに書いたが、このように「電気的中性点」に向かって動く。結果、起電力電流の短絡を回避している。逆回転も同じ。バネで強く押しつけ、ブラシ表面が円弧を描いているのもこれを目的としている。

一方、トミックスのフライホイール付きモータを見てみる。

ちなみにこれは、短絡症状起こした個体を「システムパワーユニット」（出力２A）で無理矢理動かした物。

矢印したが、ブラシが溶けて外れてしまった。

・板バネに穴を開けてはめ込んであるだけ
・ブラシの摺動面は平面

当然、逆起電力を短絡するので火花を散らす。削れたカーボンが溶けて整流子の隙間（緑－青／青－ピンク／ピンクー緑）に入り、溜まって行く。それが証拠に

整流子真っ黒だし、中性点追従が確実であれば、ブラシは円弧型に摩耗するであろうが、そうなっていない。どころか、直線的に摩耗して台形になっている。これは、ブラシ引きずられる←→バネで戻されるを繰り返して、歯ブラシゴシゴシみたいな運動をしており、均等に削られていることを示している。

そして、削られて出来たカーボン粉はいずれ整流子間にはまりこみ、ブラシ－整流子－カーボン粉－整流子－ブラシとなって短絡する。この時、電子式の保護回路を持った制御装置では、その保護が働いて止まるとともに、保護を解除してもカーボン粉はその場に入ったままであるから、すぐにまた保護が作動して、となり、起動不能に陥る。
一方、大電流の流せる制御装置であれば、短絡したまま流してどうにか低速回転するか、カーボン粉を焼き切って機能回復が可能である。ネットで「AC17Vを一瞬掛ければよい」という「回復法」を見た方もあろうが、これは焼き切るとともに、モータ自身に振動を発生させ、粉をふるい落とす効能もあると見られる。

【結論】

・トミックス製フライホイルモータのブラシは、電気的中性軸移動に追従する構造ではなく、逆起電力の短絡が常時生じているものと考えられる
・短絡の結果、ブラシのカーボン粉飛散が多く、応じて整流子間に入り込む確率が高く、ブラシ間短絡を起こしている

ここで、大きな電流を流せる電源装置の場合、短絡が形成されても流してしまうため、発火発煙の可能性がある。設計不良と断ぜられ、トミーテック殿には構造の変更を強く要求する。

【使用者の対応】

・「走らせっぱなしのまま忘れる」などがあるお子様の使用は危険である。制御装置の保護レベル以下では電流が流れ続ける。
・フライホイールはある程度、短絡からの離脱エネルギを与える。但し低速域など、その効果の期待できない場合も多く、根本解決手段では無い
・ブラシの摩擦移動と板バネのフック力により定まる共振点で回転した場合、ブラシの角を削るなど、カーボン粉の発生がより多くなり、短時間で短絡に至るパターンもある
・負荷が重い（長大編成・ライト装備）などの場合、逆起電力も大きくなるため、カーボン粉飛散も増え、応じて短絡を生じるまでの時間が短くなる（すぐ壊れた…は大抵これ。ウチの４８５系１２連もまだ入線したばかりだが症状が出た）
・バネ圧が適正で温度に対しロバスト性があり、ブラシが円弧状に摩耗すれば、中性点追従性を獲得する可能性はある。但し殆どの場合、ユーザの使いこなしでその状況を獲得するのは困難である。
・可能性だけで言えば、電流が小さければ逆起電力も小さく、短絡も発生しづらいため、無負荷・低速で、前進・後進を同じ時間ずつ、長時間繰り返す「バーンイン」（慣らし運転どころじゃねぇ）を行えば、うまく行く。かも知れない。

以上。なお、ED75など大きなフライホイールを搭載した動力車では症状おきにくいと思うが、カーボン粉による短絡が生じたタイミングで止めた場合、同様に起動しない。

さすがにこれはトミーテックに言うべき内容であると考えている←言った。論文を示してやりとり中。

●２０１６／６／２０補遺

トミックスから書面回答あり、当方疑念点も念頭に調査する、とのこと。故障品送られたし、とのことで、仕事なしのEH800と、モハ４８４から外したモータ単体を送ります。４８４は新旧製品があるので、その12連時の電流電圧・速度特性。また、４８４は再度モータを変えましたので、それ走らせて「ドコまで持つか」様子見をします。理論、データ、動画、これだけあればイイでしょう。
ちなみに「設計おかしいちゃう？」という喧嘩腰ですが、モーター屋が「チャンピオン性能品を試験用に送付して信用させ、量産品はへっぽこを送りつける」とか中国製はよくあります。そうなると被害者ですので、契約時に縛るとか、時々ランダム抜き取りすべきとかいう話もします。
まぁ、ジョーシンのこのモータの客レビューがこう

http://joshinweb.jp/train/12523/4904810006237.html#reviewJump

ですから。私だけ特異な状況ではないでしょう（補修部品がしかもモータが売り切れるんじゃねーよ）。