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鉄道模型工学  電圧降下について考察する

 新たに測定可能となったモータ端子電圧の測定データをもとに、電圧降下量が計算できるようになった。 そこで、この電圧降下について考察してみることにしよう。 動力車における電圧降下は、動力車の速度低下やギクシャクとした動き、さらには前照灯や室内灯のちらつきなどで経験されている現象であるが、レールと車輪の汚れ以外にも要因があるのではないかと疑っている。 そこで、この電圧降下の実体を探ってみよう。

 

■ 電圧降下量とは?

 

 集電回路はレールから集電された電力を不安定な接触部を介してモータまで通電しています。 この間には当然電圧降下が発生します。 そして電気の流れは、右の線路 → プラス側集電回路 → モータと照明回路 → マイナス側集電回路 → 左の線路 と流れて電源に戻ってきます。  即ち、電圧降下はプラス側とマイナス側で同時に発生します。

 集電回路のモデル化に際しては、集電回路の電圧降下量を供給電圧とモータ端子電圧の差で定義しています。 そして、その降下量は電流値と何らかの関係があるだろうとして、線形関係を定義していました。

 今回の新しい測定法によって、はたして電流値と線形関係があるのか? あるいは他の要因と関係するのか、見ていきたいと思います。

 

■ 電圧降下量の概要

 測定データの詳細については、マイコレクションの各車両毎のページに記載しているので参照ください。 最初に EF510-1号機の速度特性を測定した時の電圧降下量のグラフを下に示す。

 

 電圧降下量は電流と線形関係にあるとの仮説をもとにデータを整理したが、その傾向を見る事が出来た。 また、供給電圧との関係も線形関係があるように見えるが、電流は電圧と線形関係にあるためと思われる。 次に牽引力特性を測定してみた。 まず、電流値との関係から見ていこう。 下左のグラフ。

 この測定により、電圧降下量は電流と線形関係にあるとの仮説は、見事に崩れてしまった。 電圧降下量はこんなにも変化するのかと驚いてしまったのである。 でも、プロット点が馬蹄形をしているので、牽引力と電流の関係グラフから想定して、牽引力も関係しているのではないかと疑ったのが上右のグラフである。

 すると、牽引力がプラス側あるいはマイナス側共に大きくなると電圧降下量は下がって来る様子がはっきりと示されています。

      これは新発見です!    力が掛ると電圧降下量は小さくなる。

 

 なぜ? まだ分かりません。 さらに電圧が高いと電流値は同じでも電圧降下量は大きくなることも不思議ですね? 新たな課題が出てきました。 なお実験の順番は、4、5、6ボルトの順に実施していますので、レールなどがだんだん汚れてきたのかもしれません。

 他の車両について、牽引力特性での電圧降下量のグラフを見てみましょう。 左側のグラフが電流との関係を、右側が牽引力との関係をグラフ化しています。

 グラフの表示方法が統一されていませんが、傾向は良くわかると思います。 また、電圧測定値のバラツキが気になっていたので、ED75-1001号機では、室内灯工作の時に使用していた 10μF のコンデンサをモータ端子部に貼りつけて測定してみた。 少しは効果があるように見えるが、定かではありません。

 

 電圧降下量と電流値の関係は、やはり団子形か馬蹄形になっており、電圧降下量は電流と線形関係にあるとの仮説は放棄せざるを得ないようです。 また、電圧降下量と牽引力の関係では、綺麗な傘形パターンを示すものもあれば、フラットなパターンのモデルもあり、なぜ、このようなパターンになるのか、その要因が思いつかにである。

 レールと車輪の間の電圧降下が表れているとするならば、スリップしている状態の方が電圧降下量は少ないのである・・・・・・・と言う事が言えるかも知れない(?)し、車軸とピボット軸受部での電圧降下であれば、上からの荷重の他に横からの荷重によって、軸と軸受の当たりが強くなって電圧降下量が小さくなる・・・・・・・・と言えるかも知れません(?)。 これらも推定の域を出ないのである。 それにしてもフラットなパターンと傘形のパターンの違いを説明出来ないのである・・・・・・・・・・。

************  電圧降下量について考察する (2014/12/30) を再編集 ******** 

 他の車両についてもデータを比べてみよう。 

 

 電流値に対する電圧降下量は団子状態で、比例関係にあるとは言い難い。 しかし、牽引力に対しては、大きく分けてフラットな形と傘形のパターンに分ける事ができる。 そこで、動輪軸からの集電構造をみてみると、KATOのピポット軸受けと兼ねた集電部の構造と、TOMIXの軸受けとは別に設けた集電シューによる集電構造に分けて見てみよう。 表にしたものを下に示す。

動力車形式 車両番号 メーカ 品番 動輪からの集電構造

牽引力と電圧降下のパターン

EF510
EF510-1
KATO 3051-1
ピボット形
傘形
EF64
KATO 3023-1
ピボット形
フラット形
EF81
KATO 3021-1
ピボット形
フラット形
EF65
KATO 3061-1
ピボット形
弱い傘形
EF57
KATO 3069
ピボット形
フラット形
ED75
KATO 3028
ピボット形
強い傘形
EF65
KATO 3035-1
ピボット形
弱い傘形
ED75
ED75-710 TOMIX 2175
シュー形
フラット形
EF510
EF510-4 TOMIX 2165
シュー形
フラット形
EF81
EF81-151 TOMIX 2198
シュー形
フラット形

 シュー形の集電構造では、構造的に考えてもフラットな特性になるのは理解できる。 集電部分は牽引力とは無関係な構造なのである。 しかし、牽引力の荷重が掛かるピポット形の場合は、傘形になる場合とフラット形になる場合があり、別の要因が隠れていそうな様子である。 分かりません!

 

■ まとめ

 集電回路のブロックとして、電流に比例するモデルを立てていたが、その当ては見事に外れてしまった。 モデル解析では、影響する要因が不明なので、測定値の平均を取った一定値として計算することにする。