最新電動模型飛行機事情
ブラシレスモータを使いこなそう
国産の直流モータ
模型飛行機によく使われる国内メーカのモータはほとんどが３極モータです。
カンの中で回転する電磁石が３つで、外側に永久磁石が２つ固定されています。電源をオンにすることにより自己起動できる最小の構成です。つまりもっとも作りやすく、安価にできる直流モータということです。
高級な多極モータ
これに比べ海外の模型メーカが供給する高級モータは、多極モータと呼ばれる型式が多く、電磁石が５個とか７個 永久磁石が４個とか６個またはそれ以上の構成になっているものが多いようです。もちろん日本の「Ｍ モータ」でもこの様な構成のモータを作っていますが、特定の需要家向けと見えて市販されることは少ないようです。
多極モータは大型のタイプが主流ですが、製造が難しく価格が安くならないということが要因と考えられます。つまり軸の周りに最低限の３つコイルを巻き電磁石を作るより、多数に分割してぎっしりコイルを巻くということのほうが、手間がかかるわけです。外周に固定される永久磁石もたくさんいるので、材料も、セットする手間も余計に必要なので高価になるわけです。しかし多極モータは、模型飛行機にとって性能面で大変重要な特徴があります。
多極モータのメリット
ではなぜ海外の模型メーカは、高価な多極モータにこだわるのでしょうか。
結論だけ言えば、低回転で高トルクだからです。効率の良い大きなプロペラを、ギアダウンしないで直接回せるモータになるのです。このことが、性能上、3極モータとの決定的な違いです。
多極モータは高トルク
モータは同極同士が押し合い、異極同士が引き合う性質を利用して回転し、あるところまで回ると電磁石の極性を切り替えて次々に力が加わるようにして、回り続けます。
回転する力は、それぞれの磁石に生じる力の和になり、同時に駆動される電磁石と永久磁石が多いほど、強い回転力が得られます。回転力は作用する磁石同士の距離が近いほど強くなりますが、多極モータは一周をより多くの区画に区切り、たくさんの磁石を詰め込むため、固定側と回転側の磁石の間隔が常に近いところで切り替えてゆくことができるため、この点からも強い力を出すことができます。したがって電磁石に高い電圧をかけて高回転を得て、出力を稼ぐタイプ（たとえば３極モータ）に比べて、低い電圧で、低い回転数で必要な出力を得ることができる。つまりより大きなプロペラを直接回せるモータになるのです。
ブラシレスモータへの変遷
今までの直流モータはブラシといわれる接点がついていて、電磁石と一緒に回転するコンミュテータという金属板に接触し、電気を供給し、かつ回転と同時に電磁石へ与える電気の方向を切り変えて、回転が持続するようになっています。この接触自体がなかなか難物で、それでなくても電導効率が悪い上に、ブラシが磨り減ったり、汚れたりすると、電気の流れがさらに悪くなり、不要なノイズの元になったりで、ろくなことがないけどなくてはならない、直流モータのアキレス腱なのです。
この接点をやめようとする試みはずいぶんと昔からあり、ゆっくりでよいが滑らかな回転を求め、ノイズを極端に嫌うオーディオ機器などでは活躍してきたのですが、近年の飛躍的な半導体技術の進歩で、大電流、高速の電流切り替え（スイッチング）ができるようになったため、少々高価でもシビアな性能を要求する模型飛行機の世界にブラシレスモータが台頭してきました。強力な永久磁石の材料が開発されたことも貢献しています。
少量でも安価で提供してくれる東南アジアのメーカの努力に敬意を表する次第です。
ブラシレスモータのブラシ
直流モータのアキレス腱である接点がない、ということと、多極モータであるという２つの要因により、うれしくなるような高性能モータが出現したのです。
ちなみにブラシレスモータは金属の接触により給電するブラシはありませんが、ブラシに相当する電流切り替えを、ＭＯＳＦＥＴ（モスエフイーティ）とよばれる半導体でおこないます。
永久磁石と電磁石の位置関係を検知して、それに合わせて電磁石に与える電気を、半導体の中で切り替えるのです。切り替える位置とタイミングで早くも遅くも、また正転逆転いかようにも回せます。そのためには複数の電磁石へ行儀よく電気を供給するためのブラシレスモータ専用のコントローラが必須になります。
半導体は金属同士の接触抵抗はありませんが、これに相当する内部抵抗は存在します。電流切り替えのときの理論的なノイズも出ます。しかし接触不良やブラシが飛び跳ねるような現象は起きませんので、これに起因するノイズは出ません。
磨耗や錆や汚れによる経時劣化はありませんが、ただ気をつけたいのは、半導体は無理が利かないことです。決められた限界点と実力との余裕があまり大きくなく、規定電流以上を流すと、何の前触れもなく割と簡単に壊れます。壊れたら元には戻りません。普通のモータの電磁石に過大電流を流すと、とりあえず過熱して、磁力が低くなり性能が出なくなります。しかしよほどひどくない限り冷えればほとんど元に戻るのとは大違いです。
電気接点の排除
電気接点が不要なため金属同士の接触にまつわる弊害は全部払拭されました。電気接点がなくなったことによるメリットは計り知れないものがあります。
効率改善、寿命改善、ノイズ低減、のみならず、効率を犠牲にしない回転数制御や、自動的な進角調整、回転方向やブレーキの一括制御、などが電子的に制御可能な理想的な直流モータとなったのです。
しかし、この方式では回転するところへ電気を供給できないため、電磁石を固定して、永久磁石をまわす羽目になったことは、古くからの「マブチモータ」の愛用者にとってどうも馴染みにくい一面でもあります。
スピードコントローラの付加価値
ブラシレスモータにはブラシの代わりになる専用のコントローラが必要です。通常コントローラには受信機の信号で回転数を制御するのみならず、ブレーキ制御や、受信機への電源供給と電圧の低下を検知しモータを止めたり(ＢＥＣ)、パワーオンでいきなりモータが回りだしたりしないような安全装置が、マイコンソフトの形で組み込まれています。
ブラシレスモータの多極化
そして何より、電磁石が固定されると、多極のモータが格段に作りやすくなったことで、模型飛行機のプロペラが要求する回転数で最大効率を出すことのできるモータが比較的容易に生産できることにあります。
プロペラと相性がよくフィットした特性が得られるため、重量や騒音や故障や損失の元となるギアダウンが不要になることが、きわめて大きな特徴といえるでしょう。
プロペラの条件
航空機のプロペラは、必要な強度と重量の範囲で、できるだけ大きな直径のものを採用するものです。これは水平に走ると地面にこすってしまうようなプロペラをつけたスピードレーサや、人力機の構成を見ても明らかです。飛行機の設計をするとき、プロペラの大きさは脚の長さとの兼ね合いで決定されるものなんだそうです。
模型用プロペラの大きさと回転数
模型飛行機に使われるプロペラは、翼幅８０ｃｍくらいの小型機用で６インチ、３ｍクラスの大型機で２０インチといったところが機体とのバランスもよく入手容易と思います。回転数は小さなもので１２０００ＲＰＭ、大きなものだと５０００ＲＰＭほどで使われます。超小型のエンジン機やパイロンレーサなどでは２００００ＲＰＭを超える場合もあるようですが、特殊ケースです。
プロペラと３極モータの整合性
プロペラの要求する回転数に対し、模型用に使われる３極の直流モータは、もちろん大きさや銘柄によって異なりはしますが一言で表現すると、直接回すには回転数が高すぎます。３極モータはおよそ２００００ＲＰＭくらい回してやりたいところですが、模型飛行機のバランスから選ばれるプロペラは１００００RPM以下で使うのが一般的です。この様な、プロペラとモータの性格の不一致を合わせるために、歯車（ギアダウン）が仲立ちをするのです。一例を挙げれば、モータが２００００ＲＰＭのときプロペラが８０００ＲＰＭとなるように、２．５：１のギアを持ち出すわけです。
ｋｖ値の意味
たとえばある３極モータは、プロペラをつけないで１０ボルトかけると３００００ＲＰＭ回るというとき、１ボルトあたり３０００回転でこれを「ｋｖ値が３０００｣と呼びます。もっと高回転のモータではｋｖ値が５０００とか、それ以上のモータも存在します。局数が同じなら、電磁石のコイルの巻き数が少ないほど大きくなります。プロペラをつけないときは回転数は電圧に比例します。
ついでに、無負荷のときは電圧を何ボルトにして、何回転させても、電流値は変化しません。ま、実際には無負荷といっても、軸受けの摩擦や、空気抵抗や、振動が発生するため、理論的な無負荷ではありませんので、あくまで「ほぼ」ということになります。
モータの回転数
ここではスピードコントローラはフルパワーの状態でのお話です。
プロペラをつければ回転数が落ちますが、この無負荷回転数の５０％、つまりたとえば、ｋｖ＝３０００のモータに１０ボルトかけたときには、１５０００ＲＰＭになるところが、一番出力が取れる回転数です。
負荷がこれより軽ければ（プロペラのサイズが小さければ）回転は上がります。プロペラが小さいので風を起こす出力は減ってしまいますが、同時に入力電流も減ります。つまり効率がよくなり、無負荷回転数の８０％ほどの回転のときが、一番効率が良いのです。
逆にプロペラを大きくしてゆくと、回転は下がりしかも入力電流は増加します。回転が下がるので出力は減り、入力ばかりが増加するという、最悪な状況になります。モータは回転器から電熱器に近づいてゆきます。
モータは原則とて、無負荷回転数の５０〜８０％の回転域で使うべきだ、ということです。
多極モータでは、ｋｖ値が８００（無負荷で１０ボルトを加えると８０００ＲＰＭ。６０００ＲＰＭほどになるプロペラを使用する。）くらいのものも存在します。
ｋｖ値が１２００でバッテリーが１０ボルトなら８０００〜９５００ＲＰＭほどになるプロペラを使用することになります。
ここでひとつ注意すべきことがあります。
ブラシレスモータでは最大出力を得られるほどの負荷をかけると、そのモータに許された電流値を超えてしまうことがあるのです。理屈の上で最大の出力は、電磁石の巻き線の太さから制限を受けて、このモータにはもっと楽な仕事までしかさせられない、というわけです。
プロペラは直径が微妙
モータがプロペラを回す力は、プロペラの直径に大きく依存します。（回転トルクは直径の4乗に比例します。）経験的には06エンジンに使う6インチに対して６０エンジンでは12インチほどです。パワーはおそらく20倍以上と思われますが、プロペラ直径はたった2倍にしかなっていません。また実例として７インチのプロペラで１０Ａ流れるところ、両端を５ｍｍずつ詰めたら回転が上がって、電流が８Ａになったことがあります。こんなことから実感していただけると思います。
プロペラは捩れにより進む
モータがプロペラを回す力は。プロペラのピッチにもいくらか依存しますが、直径ほどは大きく依存しません。
ピッチを決めるときもっと大切なことを考えないといけません。プロペラはそのピッチによって機体を進行させ、進行することにより揚力を得て浮いているのだということです。その飛行機が浮いていられる最低の速度より速く機体をひっぱることのできるピッチを持たせなければならないということです。
プロペラのピッチとは一回転するときに進む距離です。ピッチ６インチといえば約１５ｃｍで８０００ＲＰＭ（毎分８０００回転）なら分速１２００ｍ、時速では７２ｋｍとなります。実際には機体はプロペラが進もうとする速度では飛ばず、いくらかのすべりがあります。しかしこの速度以上で水平飛行することはありえないのです。
飛行機は翼面荷重によって最低飛行可能速度がほぼ決まります。３０ｇ/平方ｄｍの機体では約３０ｋｍになります。ピッチによる進行速度がこれ以下では水平飛行に必要な速度を得られず、飛行できません。
グライダーでは翼面荷重が小さいのでユックリ飛びます。なおかつ、前進の妨げになる要素が大きいので、あまりむちゃくちゃ引っ張っても付いて来られず、空気をかき回すだけになってしまいます。そのためピッチ速度を低めに、また最低飛行速度に対するピッチ速度も近めに、たとえば１．５倍程度に設定します。重い荷物を積んだトラックがローギアでユックリ坂を上るような感じです。
空気抵抗の小さな翼面荷重のおおきめな高速機であれば、大きなピッチに高回転を与えます。スポーツカーをオーバートップで引っ張るようなものです。そうしないとプロペラが空回りをしてスピードが伸びて来ないということになります。
翼面荷重で決まる飛行可能最低速度の何倍の速度で引っ張るのか、を進行倍率と呼び、プロペラのピッチを決める根拠となります。ユックリ上昇するグライダーでは１．３ 〜１．５、スケール速度を考慮する場合１．８から２倍、とにかくすっ飛ぶなら、空気抵抗を極力抑えた機体にそれ以上のプロペラをつけてみてください。
空中静止
最近の有り余るブラシレスパワーと超軽量バッテリーによって、ちょっと違ったフライトスタイルが実現できています。翼の揚力に期待せず、真上をむいて上昇したり、静止したりする飛行です。
この場合プロペラの静止推力が重要になってきます。このときの理屈を考えるのは飛行機ではなくヘリコプターの領域で、簡単に言えば、直径が大きくピッチが小さな、ヘリのメインロータみたいなプロペラをユックリ回せば、もっとも効率よく空中静止できることが分かります。水平飛行で離着陸せず、つねに垂直に飛んでいる飛行機なら、そんなプロペラを採用すればよいのです。主翼はいりません。んなら、普通にヘリコプターじゃあないですか。
リチウムポリマーバッテリー
最近の電動模型飛行機が、ガスパワーを凌駕するようになったのは、半導体の進化によるブラシレスモータによるところのみならず、夢のバッテリー「リチウムポリマーバッテリー（リポ）」の出現がおおきな役割を果たしています。
はじめて遭遇した「リポ」は７．４Ｖ１５０ｍＡｈで１０ｇ弱、これで１Ａ取り出し、１００ｇそこそこの無線操縦飛行機が実現できることになったのです。いままで出来なかった領域です。しかし最近では翼長１ｍクラス、翼面積１５平方ｄｍくらいの飛行機が１０００ｇを切り、軽量なブラシレスモータと組み合わせれば、７００ｇも可能で、重さパワーともに１０クラスのエンジン機に匹敵、さらにもっと大きな飛行機まで、軽量なリポとブラシレスモータの独壇場となったのです。
電動機は電池が重い。だからパワーがいる。脚に強度もいる。電気を食う。長く飛べない。電池を大きくする。重くなる。大型化するという。電動の悪循環から開放されたのです。
飛行機は軽くなれば、少ない電気で飛べます。なら、もっと小さい電池で飛ばせます。荷物が軽ければ機体も軽く出来ます。リポによって電動飛行機がそんな好ましい循環に入ったように思います。
リチウムポリマーバッテリーの心構え
リチウム電池は蓄えるエネルギーが大きいことと、内部の電解物質が可燃物であることから、危険性が付きまとい、また充放電の制限事項などに取り扱いに難しさがあります。そのため実用の世界では、金属の容器に密封した比較的小容量の、しかもできるだけちまちま使って一週間も持たせよう、という小型のものが主流で、携帯電話はほぼすべてがリチウムイオン電池です。リポとは電解質の状態が異なりますが取り扱いや蓄電原理は同じです。
これを少し大きくしたノートパソコン用では、日本の最大手メーカが発火事故を起こして大騒ぎになっていることは周知の事実です。電解液に金属粉が少量（規定値以上）混入したことが原因といわれていますが、工程上（規定値以下の）混入が皆無ということはありえず、そのために充電電流や放電条件を低めに設定して、問題に至らないように使用している、というのが実状のようです。
模型飛行機の用途ではリチウムポリマー電池が主流ですが、性能優先で、２０Ｃ放電（3分間で使い切る）ができるような頑丈な電極をもったものが現れ、ニッカドに比べて半分以下の重さ・サイズのメリットが、グローエンジンメーカを震撼とさせています。
ユーザが自信とプライドを持ったマニアで、その研究心を信頼して、なおかつアジアの新進気鋭の（もしなんかあってもブランドイメージにダメージを受けない）メーカが積極的に取り組んでくれているおかげと思われます。ユーザは何があってもメーカに責任を問うことはしない、という前提で購入する訳ですから、全責任をもって危険のない様に使用することです。
充放電において、ニッカドに比べいささか制限がおおく、難しい面もありますが、よく理解して使用することが安全確保だけでなく、性能を引き出し、長持ちさせるためには大切です。
ユーザにできることは、専用の充電器とリポ専用のスピードコントローラを正しく使い、メーカの推奨条件を守ることしかありません。不注意でショートさせたり、墜落して変形したセルに充電したり、逆接続したり、といった基本的な禁止事項を馬鹿正直に守ることが、自己責任の実行ということだと思っています。
リチウムポリマーバッテリーの充放電
「リポ」は後で述べるような事情で、急速充電が苦手です。空から満タンまで、1.5時間くらいかかります。ユックリ入れないと危険だということです。そのため一個の電池で一日に5回も6回も飛ばすことは出来ません。充電器と電池はたくさん用意しないと退屈します。
これは、充電電流の制限とともに、端子に与える電圧にも上限があって、リポ用充電器は、充電後半には電流を下げるようにできているからなのです。これを超えると、内部の電極間の絶縁が耐え切れなくなり、ショート状態になるということです。
空になるまで使ってはいけない、というルールもあります。電圧が1セルあたり2.5ボルトを切ると、急激に劣化してしまいます。そのためリポ専用のスピードコントローラで電圧をチェックし、下がってくるとモータを止めてしまうようにします。ニッカド用の受信機用電源の温存のためのモータカットとは電圧レベルが異なり、3セル以上では共用は出来ませんので、注意が必要です。
保存中に自然に電気が減ってくる自然放電は、ニッカドとは桁違いに少ないのですが、使用後下限ぎりぎりで保管して、自然放電で限界電圧をきってしまうことさえ避けるよう、マニュアルには書いてあります。これもニッカドにはない制限です。
ついでに、保管中に気温が上昇すると、内部電圧も上昇するのだそうで、そのとき満充電で保管してあると上限電圧を超える恐れがあります。これもだめなんだそうです。腹八分で保管するのが良いのです。
かなり扱いにくいじゃじゃ馬ですが、うまく使ってすばらしい能力を発揮させてください。
どのモータを買えばいいのか
いろいろと概念的なことは理解できても、じゃあどのモータにどんなプロペラをつければいいのでしょうか。メーカによっては詳しいデータをホームページに掲載していますので、その数字を信頼して購入しましょう。あるいは販売店の店長の言葉を信じるのもいいでしょう。後は自分なりに入手できるプロペラを取りつけて、飛ばしてみて決めてゆきます。
実際に飛ばさなくてもパソコンによる計算でシュミレーションできます。
モータとプロペラとバッテリー、そして機体の重さと翼面積の組み合わせで、どんな飛び方をするのか（実はこの勉強を始めたころは、飛行可能かどうかの見極めが主眼だったのですが）が数値から推測できます。
パソコンによるシュミレーション
１・まず適当と思われるプロペラとギアダウンでまわし、電流と回転数を測定します。
次にプロペラをはずし空転させ電流と回転数を測定します。
KV値＝無負荷回転数値÷電圧 です。
計った数値を「設計シート」に記入します。ダイレクトドライブならギア比は１です。
２・ここまでやれば、後はいちいちプロペラを取り替えて見なくても「ピッチ」と「ダイア(直径）」と「ギア比」によって
「パワー倍率」：出力が、理論上飛行に最低必要なパワーの何倍あるか
「飛行時間」：電流値とバッテリー容量との関連での回転持続時間
がどう変わるか計算で予想できます。
３・そればかりでなく ギア比を変えたときの「パワー倍率」と「飛行時間」がグラフで表されます。
４・最大のパワーが欲しければ、パワー倍率が最高になるプロペラとギア比にセットします。
もっと長く飛ばしたければ、希望する飛行時間になるプロペラとギア比にセットします。
５・そのときの推定電流も出ますので、スピードコントローラやバッテリーの最大電流もチェックできます。
６・「パワー倍率」と「進行倍率」と「飛行時間」が飛行機の飛び方を推測する「答え」です。
答えは計算結果です。雑誌の記事のフライトインプレッションみたいな文学的表現は期待できません。
今まで飛ばした飛行機の数値との比較により、これから作る飛行機の飛びを推測するのです。
いろいろな事例を比較すると、「飛び」が予想できるようになります。
簡単に言うとパワー倍率が３以上あればとりあえずフラフラ飛びます。５あれば練習機として風がないときはOKでしょう。８あれば軽スタントが出来ます。10以上あれば小型のエンジン機と競争したくなります。20あればハーフスロットルで離陸です。大き目のプロペラをつければどこまでも垂直上昇します。
７・ただ残念ながら、これは飛行機用の計算であってヘリコプターには当てはまりません。つまり上を向いて空中静止できるかどうかの判断は出来ませんので、ご了承ください。 ２００７．２．２３