今回は、電験3種 機械科目の平成19年度 問3で出題された「三相巻線形誘導電動機の構造と特徴」に関する知識問題について、詳細に解説していきます。
この問題は、誘導電動機の基本的な構造や動作原理、材料に関する知識を問うもので、一見すると長文で複雑に見えますが、4つの重要な技術テーマに分解することで、一つひとつを確実に理解することができます。
本記事では、スライドの内容を追いながら、各選択肢の正誤判断の根拠を丁寧に解説し、関連知識も併せて総整理します。電験3種の学習にお役立てください。
問題文の確認｜平成19年度 機械 問3（三相巻線形誘導電動機）
まずは問題文全体を確認しましょう。
三相巻線形誘導電動機は、[ (ア) ] を作る固定子と回転する部分の巻線形回転子で構成される。
固定子は、[ (イ) ] を円形又は扇形にスロットとともに打ち抜いて、必要な枚数積み重ねて積層鉄心を構成し、その内側に設けられたスロットに巻線を納め、結線して三相巻線とすることにより作られる。
一方、巻線形回転子は、積層鉄心を構成し、その外側に設けられたスロットに絶縁電線を挿入し、結線して三相巻線とすることにより作られる。絶縁電線には、小出力用では、ホルマール線や [ (ウ) ] などの丸線が、大出力用では、[ (エ) ] の平角銅線が用いられる。
三相巻線は、軸上に絶縁して設けた3個のスリップリングに接続し、ブラシを通して外部（静止部）の端子に接続されている。この端子に可変抵抗器を接続することにより、[ (オ) ] を改善したり、速度制御したりすることができる。
選択肢は以下のとおりです。
| 選択肢 | （ア） | （イ） | （ウ） | （エ） | （オ） |
|---|---|---|---|---|---|
| (1) | 回転磁界 | 高張力鋼板 | ビニル線 | ガラス巻線 | 効率 |
| (2) | 回転磁界 | けい素鋼板 | ポリエステル線 | ガラス巻線 | 始動特性 |
| (3) | 電磁力 | けい素鋼板 | ビニル線 | エナメル線 | 効率 |
| (4) | 電磁力 | 高張力鋼板 | ポリエステル線 | エナメル線 | 効率 |
| (5) | 回転磁界 | けい素鋼板 | ポリエステル線 | エナメル線 | 始動特性 |
本問を解くための「4つの視点」｜長文問題の攻略法
この長文問題を攻略するために、以下の4つの技術的な視点に分解して考えていきましょう。
| 視点 | 空欄 | 問いかけ |
|---|---|---|
| 視点1：動作原理 | （ア） | 固定子の根本的な役割は何か？ |
| 視点2：鉄心の材料と構造 | （イ） | なぜその材料を「打ち抜いて積層」するのか？ |
| 視点3：出力に応じた電線 | （ウ）（エ） | 出力の大小で電線の形状・材質はどう変わるか？ |
| 視点4：特有の制御機構 | （オ） | スリップリングや外部抵抗は何のためにあるのか？ |
長文問題を4つの技術テーマに分解し、一つずつ確実に対策することが合格への近道です。
視点1：固定子が「作る」もの（空欄 ア）｜回転磁界とは何か
固定子（ステータ）の役割と動作フロー
三相誘導電動機の固定子には三相交流が印加されます。これにより、空間的に回転する磁界、すなわち「回転磁界」が発生します。これが電動機が回転する根本的な原理です。
- 固定子に三相交流を印加する（Input）
- 固定子が回転磁界を発生させる（Cause）← ここが（ア）
- 回転磁界が回転子を横切り、回転子に誘導電流が発生する（Induction）
- 誘導電流と磁界の相互作用で電磁力が生じ、回転子が回る（Result）
なぜ「電磁力」ではなく「回転磁界」なのか
選択肢にある「電磁力」は、固定子が作った回転磁界によって回転子に誘導電流が流れ、その結果として回転子に生じる力です。つまり、電磁力は「結果」であり、固定子が直接「作る」ものではありません。この点が誤答を誘う巧妙なひっかけポイントです。
したがって、（ア）に入る正しい語句は「回転磁界」です。この時点で、選択肢(3)と(4)は誤りであることがわかります。
視点2：鉄心の材料と構造（空欄 イ）｜けい素鋼板と積層鉄心の理由
なぜ「けい素鋼板」を積層して使うのか
電動機の鉄心には交番磁束が通るため、ヒステリシス損と渦電流損という2種類の鉄損が発生します。この鉄損を低減するために、鉄心材料には次の工夫がされています。
| 工夫 | 内容 | 効果 |
|---|---|---|
| けい素鋼板 | 鉄に少量のけい素（Si）を添加した鋼板 | 電気抵抗が大きくなり、渦電流損を低減。ヒステリシス損も小さい。 |
| 積層構造 | 薄い鋼板を何枚も重ねて鉄心を構成 | 渦電流が流れる経路を狭め、渦電流をさらに抑制する |
なぜ「高張力鋼板」ではないのか
「高張力鋼板」はその名のとおり「強度」を重視した材料で、建築物の構造材や自動車のボディなどに使われます。磁気的な特性（低鉄損・高透磁率）は考慮されていないため、電気機器の鉄心には不向きです。
よって、（イ）には「けい素鋼板」が入ります。これにより、選択肢(1)も除外されます。
視点3：出力規模に応じた絶縁電線の使い分け（空欄 ウ・エ）｜ポリエステル線とガラス巻線
電動機の巻線に使われる電線は、その出力規模によって使い分けられます。
| 出力規模 | 形状 | 材質・種類 | 重視する特性 |
|---|---|---|---|
| 小出力用 | 丸線 | ホルマール線、ポリエステル線など | 柔軟性（スロットへの挿入容易性） |
| 大出力用 | 平角銅線 | ガラス巻線など | 耐熱性・占積率の向上 |
「ビニル線」「エナメル線」が不正解の理由
- ビニル線：耐熱性が低いため、連続的に熱が発生するモーターの巻線には通常使用されません。
- エナメル線：大出力用の平角銅線には「ガラス巻線」が適切であり、エナメル線では耐熱性・占積率の要求を満たせません。
以上から、（ウ）には「ポリエステル線」、（エ）には「ガラス巻線」が入ります。（エ）がエナメル線となっている選択肢(5)が誤りだとわかります。
視点4：巻線形特有の制御機構とその目的（空欄 オ）｜スリップリングと始動特性の改善
スリップリングと外部抵抗の仕組み
巻線形誘導電動機の最大の特徴は、回転子巻線が外部に引き出されている点です。その経路は以下のとおりです。
三相巻線（回転子） → スリップリング → ブラシ → 外部の可変抵抗器
この外部端子に可変抵抗器を接続することで、二次回路（回転子回路）の抵抗値を変化させることができます。二次抵抗を大きくすると、始動電流を抑制しつつ、大きな始動トルクを得ることができます。この原理を「比例推移」と呼びます。
なぜ「効率」ではなく「始動特性」なのか
外部抵抗を接続する操作の主な目的は「始動特性」の改善です。外部抵抗を挿入すると二次回路での損失が増えるため、むしろ効率は低下します。「速度制御」にも利用されますが、問題文の文脈では始動特性の改善が主目的です。
したがって、（オ）には「始動特性」が入ります。
解答の導出プロセス｜消去法で選択肢(2)を確定する
これまで見てきた4つの視点から、消去法で正解を導き出します。
| ステップ | 判断内容 | 脱落する選択肢 |
|---|---|---|
| STEP 1 | （ア）「電磁力」を消去 → 「回転磁界」が正解 | (3), (4) が脱落 |
| STEP 2 | （イ）「高張力鋼板」を消去 → 「けい素鋼板」が正解 | (1) が脱落 |
| STEP 3 | （エ）「エナメル線」を消去 → 「ガラス巻線」が正解 | (5) が脱落 |
| STEP 4 | （オ）「始動特性」を確認 | 残るのは (2) のみ |
全ての条件を満たすのは、【選択肢 (2)】のみとなります。
試験対策｜かご形と巻線形の構造比較
電験3種では、かご形と巻線形の違いも頻出テーマです。本問の理解を深めるために比較整理しておきましょう。
| 比較項目 | かご形 | 巻線形（本問） |
|---|---|---|
| 回転子の構造 | 棒状導体（硬銅など）＋短絡環 | 積層鉄心に絶縁電線を用いた三相巻線 |
| スリップリング・ブラシ | なし | あり（外部回路と接続） |
| 始動特性の調整 | 構造的工夫（深溝・二重かご等）で対応 | 外部の可変抵抗器により容易に調整可能 |
| 保守性 | 単純で堅牢、保守が容易 | ブラシ等の定期的なメンテナンスが必要 |
重要キーワードまとめ｜電験3種 機械科目で繰り返し問われる知識
本問で登場した重要キーワードを整理しておきましょう。これらの知識は、他の問題でも頻繁に問われます。
| キーワード | 内容 |
|---|---|
| 固定子鉄心の材料 | けい素鋼板の積層構造で、ヒステリシス損・渦電流損（鉄損）を低減する |
| 小出力用電線 | 丸線（ポリエステル線など）。柔軟性重視でスロットへの挿入が容易 |
| 大出力用電線 | 平角銅線（ガラス巻線など）。占積率・耐熱性を向上させる |
| スリップリング・ブラシの目的 | 二次回路を外部に引き出し、外部抵抗を接続するためにある |
| 二次抵抗制御（比例推移）の効果 | 始動特性を改善し、始動電流を抑えつつ始動トルクを増加させる |
電験3種・機械科目では、これらのキーワードがセットで繰り返し問われます。確実に記憶して、本番に備えましょう。
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