Nゲージレイアウト国鉄露太本線建設記

運転よりシナリー重視コンセプトで、昭和40年代後半の風景再現を目指しレイアウトを製作中です。映像・画像を交えながら、製作記に加え、随想や旅行記も発信します。2016年9月より延伸線建設に着手しました。

西方より荷物届く

1/7、朝一番で宅配便が到着しました。

【到着した宅配便】
『がおう☆』さんへ委託加工をお願いしてた当社機関車群が帰ってきたのです。 内容は常点灯化対応コンデンサ外し、ついでに購入放置車両の入線整備もお願いしました。

【がおう☆さん2019.01.07更新】
入線整備さえ人任せじゃ鉄道模型ファンの資格がない?、ごもっともです。 蒸機を分解するウデも度胸もなく、常点灯諦めてました。 それどころかオリジナルは走行開始してもHL点灯せず、チラチラ点灯を経て安定点灯するのは感覚速度40km/h以上でした。

【混載貨物がゆく】・・・例え夜でも写真はHL非点灯でした(泣)
Hyper-Gを開発してコアレスモーターはどうなると興味津々、でも確認する方法がない、苦しい時は藁にも縋る、できない事は人に頼んででもやってみたいワガママです。


届いた以上委託加工品の検収を優先しないと『がおう☆』さんに失礼です。 高機能電源製作を中断し、ワンランク成長した我が子達と対面しました。 その前に、


★何故KATOはコンデンサを付けたか?・・・露太本線の解釈
コンデンサ外しや低周波PWMはコアレスモーター信頼性に悪影響が出ると言われてますが、疑問を感じてました。 専門領域外ですが文献を調べ次の様に解釈しました。

【湖南工場で分解加工中の当社D51】・・・こんなになってたのね
通常モーターは鉄芯による慣性モーメントが大きく、一定以上磁力に達しないと回転しない、程度は大きく異なるがポイントマシンソレノイドに似た特性を持っている。
コアレスモーターは無鉄芯で慣性モーメントが小さく、少ない磁力で回転する。
PWM電源はパルス入力で慣性モーメント閾値を超えて通常モーターを間欠回転させ、周波数最適化によりON/OFF動作不自然さと作動音問題を解消している。
コアレスモーターをPWM駆動すると、応答性が早く逆起電力の影響を強く受ける。 ④-1.直流2.4Vと12V PWMデューティー20%は共に実効電圧2.4Vで、通常モーターは差を無視できるが、コアレスモーターは実効電圧が逆起電力により下がってしまう。
④-2.逆起電力により本来点灯すべきでないHL/TLが点灯する可能性がある。


『KATOはコアレスモーターの逆起電力影響を打ち消す目的でコンデンサを付け。PWM電源波形を鈍らせている』が筆者解釈です。(学術論文でないので正確性は?・・・笑) 換言すればPWMなしでシューンと回れるのに余計なお世話、PWMと相性が悪いのです、でも常点灯を可能にするにはDCCを除き、PWM&コンデンサ外し以外ありません。


★委託加工品検収
丁寧な仕事振りで「常点灯性」「走行性」「外観」共に申し分なく、湖南工場技術の確かさを実感できました。 加工はOKですがコンデンサ外し技法の課題も解りました。

開梱しました、往路は秋月部品納品のピッタリサイズ箱に緩衝シートで送品しましたが、2両づつ緩衝袋に入れ更に上下左右に緩衝材を詰めた丁寧な梱包で帰宅しました。

この3両はコンデンサ外し加工委託、常点灯性能を確認します。

この3両はコンデンサ外し加工と入線整備をお願いしました。 『がおう☆』さんブログで見たスノーブロワ付き長野式集煙装置D51との対面が楽しみです。

まずは一番古株の標準型D51一号機から、点いてる!当社創立以来初のHL点灯蒸機写真です。 でも常点灯域は0.5V-0.7Vと狭く輝度も不十分、0.8Vで微速前進を始めます。 残念ながらHyper-G/N-1001-CL共に結果は同じ、有意差はありませんでした。

続いて標準型D51二号機、重連運転本務機用に重連カプラー装備です。 点いてるか点いてないかと言えば点いてる、でもわずかに常点灯VR回すと走行開始は同じです。 これまでのHL非点灯発車に比べれば格段の進歩、でも欲には切りがない・・・。

C12は点灯してすぐ走行開始は同じですが、輝度が2ランク/10倍程度明るく、かつ色差しが必要な白っぽい光です。 『がおう☆』さんによると、KATO D51は新旧でHL導光方式が異なり長野式集煙装置付きは明るいハズとの事、C12も新方式の様です。


おそらく『混合列車がゆく』撮影時の(乱暴な)連結開放作業でバネが外れ曲がっていたカプラーも直していただきました。(筆者は気付いてませんでした)

で、その長野式集煙装置付き、C12同様段違いに明るいです。 集煙装置も良いけどスノーブロワが口元引き締めと広軌感軽減効果が大きくとても気に入りました。 ボディ金型は標準型と共通だと思いますが、細かな改良が積み重ねられている様です。

予想通り後発のC57も明るいです。 でも常点灯域0.5-0.7V、0.8Vで走行開始は他のKATO蒸機と同じで、客車列車牽引時はどう見ても常点灯輝度不足です。 目前の問題が解決すると次の問題が見えてくる、中々一発解消とは行きませんね。

【DD51常点灯電圧1.5V】・・・走行開始は1.7V
DD51は驚きの結果でした、走行開始電圧1.7V、従って1.5Vで煌々と常点灯します、これなら牽引列車も十分な輝度で点灯しバッチリです。 でも何故~???。

【『高機能電源③』より転載】
速度計設計基礎データ収集実験の時は走行開始電圧ほとんど同じで同速度でした。

【『高機能電源③』より転載】
実験時の走行開始電圧を未計測ですが多分1V弱です、そしてもう一つ衝撃の事実。
走行開始すると後方HLが暗くチラチラ点灯する。
この現象はHyper-G/N-1001-CL共に同じ様に発生する。
蒸機のバック運転でHLが点灯する事はない。


KATO蒸機とDLは、市販状態で協調運転できるほど特性が揃ってますが、コンデンサ外すと異なる特性を示します、逆起電力の影響と思われますが詳細は不明です。 常点灯性能が良くても走行中後方HL点灯は要改善、原因解析と対策を取らなければなりません。


『がおう☆』さんへ検収報告と共に伝えると先刻ご承知、外したコンデンサの替わりに0.033μFを付けこの現象を回避する方法も公開されてる様です。 どうやらKATOが使用するコアレスモーターは複数品種の様です、『電気の謎』には血が騒ぎます(笑)


ではまた。

高機能電源⑫動作確認と評価 後編

にほんブログ村の新システム移行で混乱が生じてます。 アルゴリズムが変更されたのかPVが倍近くなったり、マイページの注目記事ランキングが信用できない状態で、今一つ張り合いがありません、早く安定して欲しいものです。 それでは前回の続きです。

【生野トンネル】・・・緩いカーブの角は文房具屋


4.惰行特性の確認
ノッチOFFすると惰行で徐々に減速する設計なので、その特性確認を行います。

【ノッチ4最高速度からの惰行-1】
ノッチ4最高速度137.5km/hでノッチOFF後、15秒毎に速度計表示を撮影しました。 15秒で92%の126.6km/h、30秒で84%の115.7km/h、45秒で77%の105.8km/hと、15秒毎にほぼ10km/hづつ速度低下していきます。

【ノッチ4最高速度からの惰行-2】
ノッチOFF1分後~1分45秒後です。 速度低下が緩くなった様に感じますが、比で見るとノッチOFF後15秒毎に約8%速度低下する一定の減速率になってます。

【ノッチ4最高速度からの惰行-3】・・・2分45秒は53.0/52.9
ノッチOFF2分後~2分45秒後です。 15秒毎に約8%速度低下は同じです、2分で初速半分になる減速率をどう見るか好みもあり難しい処です。 この減速率で4分後34km/h、6分後17km/hで走行を続けます。 筆者は惰行回路100kΩ4本で放電抵抗458KΩにしましたが、5本なら初速半分の2分が2分26秒、6本なら2分52秒に減速率が低くなります。


5.制動特性の確認
5-1.ブレーキスイッチONの減速特性
ブレーキボリュームスイッチON(ブレーキ弁を開く)、一番弱いブレーキ時の減速特性を確認します。 これが大き過ぎるとスイッチON時にガクッとつんのめるからです。

【ノッチ4最高速度からノッチOFF&ブレーキスイッチON】

放電抵抗実測値452kΩと88.6kΩから予測される5倍の減速率、15秒毎に約40%速度低下になってました。 0~15秒は手が3本なく操作上の都合で32%になってます(汗)

【惰行とブレーキスイッチON減速特性】
破線は100km/h、80km/h、60km/hからブレーキスイッチON時の特性です。 筆者従来線は100kΩ5本相当の減速率比6.1倍で、ブレーキスイッチON時にクンッと速度低下するのが目視確認できますが、自然で違和感はありません。


5-2.ブレーキボリューム直列抵抗影響確認
目標位置停止を容易にするブレーキ操作性向上の為にブレーキボリューム直列に235Ωを入れてあります。 これによりC51/330μFのブレーキMax時放電時間はゼロでなく約0.3秒になっており、予測される影響が二つあるので確認しました。

【ノッチ4ONでブレーキMaxの速度計表示】
一つ目は非通常操作でノッチON状態でブレーキMaxにした際の速度計表示です。 充電抵抗R67/33kΩと235Ωの分圧で、ノッチ4で0.9km/h表示でした。 ノッチ4/12Vのお薦め仕様は1.4km/hになりますが、非通常操作なので許容します。


二つ目は常点灯ボリュームを早く回した際の過渡応答が、速度計表示に表われないか心配してました。 テスター速度計では00.0km/hで安定し問題ありませんでした。


6.評価結果まとめ
常点灯調整・・・80点
調整上限3.0V設計に対し2.5Vになってます、実用上問題ありませんが要検証です。
常点灯調整時の速度計表示・・・100点
完全なゼロ表示、常点灯ボリューム操作時バタツキも認められませんでした。
各ノッチ最高速度・・・100点
理論設計値と完全一致し狙い通りです。
各ノッチ加速特性・・・70点⇒7項検証で100点
今回評価で一番気になったのがココです。

【各ノッチ加速特性設計値と計測値】
設計値に対し最高速度到達時間が14%早くなりました。 R67/33kΩ⇒39kΩ変更で設計値になりますが33kΩのままにします。 差は小さくノッチ毎に加速特性が違うので、図示の様にノッチを進める操作で従来線仕様より滑らかな加速が可能だからです。
[註]設計値ズレの原因は従来線/今回製作品の330μF容量許容差と推定してます。
惰行特性・・・100点
従来線使用実感から少し高くしたかった減速率を実現しました。
ブレーキスイッチON時の「クンッ」も減り、より自然になります。
制動特性・・・90点
従来線120Ωから235Ωに増やした直列抵抗操作感の実車確認が未実施です。


7.加速特性の検証
7-1.実車加速特性の計測
加速性能が設計値よりズレてヨシとしましたが、実は設計値自体の根拠は何もなく設計時試験車両183系グレードアップあずさで感覚的に決めた値です。 そこで実車加速特性を計測し妥当性を検証しました。

【山手線E231系】・・・新宿駅にて2019.01.03
輸送力確保の為、高い加速/減速性能を求められる山手線で計測しました、発車して11両編成最後尾が先頭車位置を通過するまでの時間を計測します。

ホーム先端列車最前部位置で計測するのが一番正確ですが、複数駅計測を優先し、それに寒いから(笑)車内計測しました、上記4駅計測で23秒でした。 渋谷⇒原宿間は渋谷駅カーブホームで最後尾の振られ防止なのか加速度が低く26秒でした。

高校物理で習う公式です、文系の方には馴染みが薄いかもしれません。 距離が解ってるので時間だけ計れば加速度も速度も解ります。

で、計算したら加速度3km/h/秒、40秒で120km/hに達する俊足、発車時に振動と音ばかり大きく、トルコンロスで中々加速しないDCとは大違いです。 駅を離れる時の約70km/hも実際の乗車感覚に合ってました。


念の為Wikipediaで調べたら、山手線用500番台は起動加速3.0km/h/sと書いてあり、800番台は3.3m/h/s、湘南新宿ラインの近郊型は2.3km/h/s、ダッシュ力より高速時エコランって訳ね。 結果的に計測不要でしたが、現場で体感すると納得度が違います。

【E235系】・・・Wikipediaより
ンンンッ、起動加速が同じE235系も山手線に投入?、そう言えば少し毛色の違ったのも走ってた様な・・・、JR化後車両に興味がないのでサッパリ解りません。


7-2.模型車両加速特性への換算
4-15連でJRのみならず公営鉄道や私鉄までその一族を広げるE231系は、現代を代表する電車と言える様です。 その起動加速を模型車両に、そして電源電圧に換算しました。

30秒後速度は69km/h~99km/hです、模型車両が実速より遅く感じる補正をして、さらに電源電圧に置き換えるとこの様になりました。

それを筆者仕様に重ねるとノッチ2からノッチ3に重なりました。 DCは大馬力エンジン搭載キハ181系でも電車より加速は悪かったハズ、ましてギア比で0.7倍になるとは言え蒸機列車や重連貨物はノッチ1でも加速度過大では?という疑問が湧きました。


では更に加速度を低くするか?答えはNoです。 各ノッチ最高速度95%到達までの走行距離計算結果は約4.4mで一定でした。 従来線生野駅発車列車がダブルループトンネル出口手前でようやく到達します、これ以上遅くして4.4mを長くする事はできません。

お薦め仕様AはE231系加速特性がノッチ1・2に重なります。 近代的な電化路線に似合います、EL牽引ブルトレやコンテナ/タンカー貨物もカバーできると思います。


お薦め仕様A/B共通でノッチ3は4.4km/h/sと緊急ブレーキ並みの高加速モードです。 ノッチ4は5.9km/h/sと数値的には非現実的ですが、通常方式ダイヤル制御でMaxまで30秒以上かけて回す人は少なく、相当な急加速が一般的だと思います。 ノッチ4で15秒、8V(感覚速度120km/h)でノッチOFFなんて使い方も模型ならアリだと思います。

お薦め仕様B1はこんな感じになります。 複線電化幹線と単線非電化ローカル線併存を想定した仕様ですが、最大出力12Vを前提にするとノッチ間段差が大きく、ノッチ数4でなく5にした方が使い勝手が良くなるかもしれません。


ではまた。

高機能電源⑪動作確認と評価 前編

高機能電源基板が完成したので動作確認を行います。 まだHyper-G本体とは接続せずに基板単体で評価し、その結果を仕掛り中の残り3枚に適用するのが目的です。

【新春の北アルプス連峰】・・・1/4撮影
今回は同じ様な写真ばかり登場しますが、やってる事は一つ一つ違い意味があります。


1.ゼロ調整
Vcompゼロ調整を1.7Vに合わせる作業です。

【12V ACアダプタ接続】
評価用DCジャックに1M5-6両編成に相当する23.5Ωのダミー負荷を付け、12Vアダプタを入力します。 常点灯ボリュームは反時計回り一杯の0Ω、未調整状態にします。 マスコンはOFF、ブレーキボリュームは時計回り一杯のMax状態です。

【Vcomp電圧確認】
テスタープローブをGNDと、オペアンプIC3番ピンに繋がる抵抗リード線に接続すると、実装完成状態で約2.2V表示になります。

【Vcompゼロ調整】
VR52/20kΩ半固定ボリュームツマミをドライバーで時計回りに回し、テスター表示1.7Vに調整します、これでゼロ調整完了です。


2.常点灯ボリューム動作確認と調整
ゼロ調整を終った状態で常点灯ボリュームを回し電圧変化を確認します。

【常点灯ボリュームを一杯まで回す】
回転角度に比例せず、すぐに立ち上がり段々緩やかに上昇すればOKです。 設計値はMax約3.7V/Vout3.0Vですが、3.38V/Vout2.5Vでした。 2.5Vなら走行開始するので問題ありませんがボリューム許容差でしょうか?、Hypwe-G本体組合せで再確認します。

【常点灯1.5Vに調整】
Vout1.5VになるVcomp2.8Vに調整しました。 制御特性を改善してるので、回転角300度の半分弱135度で2.8Vになりました。

【オペアンプバッファの動作確認】
テスタープローブをオペアンプ1番ピンと常点灯電源間のジャンパーに繋ぎ替え、オペアンプバッファが正常動作し2.8Vになってる事を確認してください。 異常時はACアダプタを抜き、8P ICソケット半田付け不良またはブリッジを確認し修正してください。


3.速度計表示と加速特性確認
3-1.常点灯時の表示
テスターを追加した左下オペアンプバッファ出力1-2番ピンジャンパーに繋ぎます。

【追加オペアンプバッファの動作確認】
C51/330μFはブレーキボリューム直列抵抗235Ωで放電しており、速度調整回路Vcompは2.8V、オペアンプバッファで分離した速度計回路Vcompも2.8Vになってます。 異常時はACアダプタを抜き、前記オペアンプと同様に確認し修正してください。

【常点灯調整後で速度計表示はゼロ】
次にテスタープローブを速度計測定端子に繋いで速度計表示を確認します。 2.8Vと2.8Vの差はゼロ、分圧してもゼロ、従って速度計表示0km/hです。 これは常点灯調整に係らず同じです、停車中なので当然ですが、この機能実現には結構苦労しました。


なお速度計用電圧計は9V電源をHyper-G本体から供給しないと動作しないので、この評価ではテスターを代用しています。

【常点灯1.5V調整のVcompとVoutの関係】・・・露太本線仕様
ブレーキOFFしマスコンノッチONすると、各ノッチ最高電圧までC51/330μFが充電されてVcompが上昇し、分圧した速度計が上昇します。 Vcompが上昇するとHyper-G本体コンパレータでPWMデューティー比が変化しVoutも上昇します。


3-2.ノッチ1

【ノッチ1最高速度】
ブレーキOFFしてノッチ1ONすると、60秒で最高速度95%80km/h、120秒で83.8km/h、180秒で飽和し84.1km/hになりました、感覚的には75-80秒で最高速度到達です。 車種選択スイッチを切り替えると71.6%の60.2km/h表示になりました。

【ノッチ1最高速度Vcomp】
最高速度時のVcompは5.62V、Vout6.2Vで設計値通りの結果になりました。


3-3.ノッチ2

【ノッチ2最高速度】
同じくノッチ2ONすると、51秒で最高速度95%97km/h、100秒で101.4km/h、160秒で飽和し102.1km/hになりました。 車種選択は71.5%の73.0km/h表示になりました。 感覚速度補正してますので、実車性能を考えるとノッチ2が実感的運転速度です。

【ノッチ2最高速度Vcomp】
最高速度時のVcompは6.21V、Vout8.2Vで設計値通りです。


3-4.ノッチ3

【ノッチ3最高速度】
同じくノッチ3ONすると、41秒で最高速度95%114km/h、80秒で119.0km/h、130秒で飽和し119.7km/hになりました。 車種選択は71.5%の85.6km/h表示になりました。 当社キハ181最高速度120km/hとD51最高速度85km/hとくしくも一致してます。

【ノッチ3最高速度Vcomp】
最高速度時のVcompは6.80V、Vout8.2Vでこれも設計値ドンピシャです。


3-5.ノッチ4

【ノッチ4最高速度】
同じくノッチ4ONすると、36秒で最高速度95%131km/h、70秒で136.5km/h、120秒で飽和し117.4km/hになりました。 車種選択は71.5%の98.3km/h表示になりました。 非現実的な最高速度ですが、当社には余裕を見てこれで必要十分です。

【ノッチ4最高速度Vcomp】
最高速度時のVcompは7.39V、Vout9.2Vで恐いくらい理論設計通りになりました。


残る動作確認と評価まとめは後編で行います。


ではまた。