同期機55【電験3種 機械】制動巻線でかご形として起動し直流励磁で引き込む！同期電動機の自己始動法 令和7年度下期 A問題5 完全解説

今回は令和7年度下期 機械科目 A問題5を解説します。同期電動機がなぜ自分では始動できないのか、そして制動巻線を使った自己始動法の手順を問う空欄補充問題です。

ストーリーは「①同期機は始動トルクが出ない → ②制動巻線でかご形誘導電動機として回す → ③同期速度近くで直流励磁して引き込む」の3段階。この流れを言葉にできれば、4つの空欄はすべて埋まります。

令和7年度下期 機械科目 A問題5：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和7年度下期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題5

電験3種 機械科目 【同期機】 令和7年度下期 A問題5

　回転界磁形同期電動機が停止している状態で，固定子巻線に対称三相交流電圧を印加すると回転磁界が生じる．しかし，励磁された回転子磁極が受けるトルクは，同じ大きさで向きが交互に変わるので，その平均トルクは零になり電動機は起動しない．これを改善するために，回転子の磁極面に（ア）を施す．これは，（イ）と同じ起動原理を利用したもので，誘導トルクによって電動機を起動させる．

　起動時には，回転磁束によって誘導される高電圧によって絶縁が破壊されるおそれがあるので，（ウ）を抵抗で短絡して起動する．回転子の回転速度が同期速度に近づくと，この短絡を切り放し（エ）で励磁すると，回転子は同期速度に引き込まれる．

　上記の記述中の空白箇所（ア）〜（エ）に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ．

回転界磁形同期電動機が停止している状態で、固定子巻線に対称三相交流電圧を印加すると回転磁界が生じる。しかし、励磁された回転子磁極が受けるトルクは、同じ大きさで向きが交互に変わるので、その平均トルクは零になり電動機は起動しない。これを改善するために、回転子の磁極面に（ア）を施す。これは、（イ）と同じ起動原理を利用したもので、誘導トルクによって電動機を起動させる。

起動時には、回転磁束によって誘導される高電圧によって絶縁が破壊されるおそれがあるので、（ウ）を抵抗で短絡して起動する。回転子の回転速度が同期速度に近づくと、この短絡を切り放し（エ）で励磁すると、回転子は同期速度に引き込まれる。

上記の記述中の空白箇所（ア）〜（エ）に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）
(1)	補償巻線	巻線形誘導電動機	界磁巻線	交流
(2)	制動巻線	巻線形誘導電動機	界磁巻線	交流
(3)	制動巻線	かご形誘導電動機	界磁巻線	直流
(4)	制動巻線	かご形誘導電動機	固定子巻線	直流
(5)	補償巻線	かご形誘導電動機	固定子巻線	直流

出題のポイント：なぜ同期電動機は自力で始動できないのか

問題文の前半が、始動できない理由をていねいに説明してくれています。回転磁界は毎秒50回や60回という速さで向きを変えますが、止まっている回転子はそれに追いつけません。

結果として、回転子の磁極は「引かれる」「押される」を交互に受けることになります——平均すればトルクは0。回転子はその場で振動するだけで、回り出しません。

	誘導電動機	同期電動機
回転子が止まっているとき	回転磁界との相対速度が最大 ⇒ 大きな誘導電流 ⇒ トルク発生	磁極が交互に引かれ押される ⇒ 平均トルク0
自力始動	できる	できない
回転子の正体	短絡された導体（かご形）	直流で励磁された磁極

だったら、始動のあいだだけ誘導電動機になればよい——これが自己始動法の発想です。本問はその手順を空欄にした問題になっています。

空欄を一つずつ確定する

（ア）（イ）磁極面に施すものと、その原理

回転子の磁極面に埋め込む短絡導体が制動巻線です。構造はかご形誘導電動機の回転子とそっくり——だから始動時にはかご形誘導電動機として働き、誘導トルクで回り出します。

☝️ ひっかけの作り方：選択肢にある「補償巻線」は直流機の用語です。電機子反作用を打ち消すために主磁極の面に設ける巻線で、同期電動機の始動とは無関係——「磁極面に施す」という似た言い回しで混同を誘っています。
（イ）の「巻線形」誘導電動機も誤りです。制動巻線は短絡された導体であって、外部抵抗を接続する巻線形ではありません。

（ウ）抵抗で短絡しておくもの

始動中、回転子は回転磁界に対して大きく滑っています。すると界磁巻線にも回転磁束が鎖交し、高い電圧が誘導されます——界磁巻線は巻数が多いので、この電圧は絶縁を破るほど大きくなり得ます。

そこで界磁巻線を適当な抵抗で短絡しておくのです。開放したままだと高電圧が発生し、直接短絡すると始動特性が悪くなる——「抵抗で」短絡するのがちょうどよいという設計になっています。

☝️ ひっかけの作り方：（ウ）を「固定子巻線」とする肢もありますが、固定子巻線は電源につながっているのですから短絡できません。短絡できるのは、電源から切り離されている回転子側の巻線＝界磁巻線だけです。

（エ）同期速度に近づいてから何で励磁するか

同期電動機の界磁は直流で励磁するのが原則です。直流で励磁して初めて回転子が固定した磁極になり、回転磁界に引き込まれます——この「引き込み」を同期引入れと呼びます。

同期電動機の始動法は3つある

始動法	やり方	特徴
自己始動法（本問）	制動巻線でかご形誘導電動機として始動し、同期速度付近で直流励磁	設備が簡単で最も一般的。始動電流が大きい
始動電動機法	別の電動機（誘導電動機など）で同期速度近くまで回してから並列投入	始動電流が小さい。別の電動機が要る
低周波始動法	低い周波数の電源から始動し、徐々に周波数を上げる	滑らかに始動できる。可変周波数電源が要る

いずれも「回転磁界の速度と回転子の速度を近づけてから同期させる」という点は同じです。自己始動法は誘導トルクで、始動電動機法は外部の動力で、低周波始動法は磁界の側を遅くして——近づけ方が違うだけと整理できます。

現代ではインバータが安価になったため、低周波始動法（可変周波数駆動）が現実的な選択肢になっています。永久磁石同期モータがインバータ駆動を前提にしているのも同じ流れです。

関連問題：制動巻線は乱調対策としても問われる

制動巻線は、乱調（ハンチング）を抑える装置としても出題されます（同期機30：負荷角・脱出トルク・乱調の穴埋め）。そちらでは「始動巻線も兼ねる」という書き方で登場します——本問と表裏の関係です。

始動が面倒なのに、なぜ同期電動機を使うのか

本問で見たとおり、同期電動機は自力で始動できず、制動巻線や界磁の短絡といった手当てが要ります。誘導電動機ならスイッチを入れるだけで回り出すのに、それでも同期電動機が選ばれる場面があるのはなぜでしょうか。

	誘導電動機	同期電動機
始動	そのまま始動できる	始動装置・手順が要る
速度	負荷が重くなると少し落ちる（すべりが増える）	負荷によらず同期速度で一定
力率	常に遅れ。負荷が軽いほど悪化	界磁で自由に調整できる（進みも可）
効率	二次銅損があるぶん不利	回転子に電流が流れないので有利
空隙	狭くする必要がある	広く取れるので機械的に頑丈

最大の利点は「速度が絶対に落ちないこと」です。圧延機や製紙機のように、複数の機械の速度を厳密にそろえたい用途では、すべりで速度が変わってしまう誘導電動機は使いにくいのです。

次が力率の調整能力です。大容量のポンプやコンプレッサを同期電動機で回し、同時に過励磁にして工場全体の力率を改善する——1台で2役をこなせます。進相コンデンサと違って連続的に調整できるのも利点です。

そして効率。誘導電動機は回転子に電流を流してトルクを作るので、必ず二次銅損が生じます（すべり5 %なら入力の5 %が熱になります）。同期電動機の回転子には直流しか流れないので、この損失がありません——大容量で連続運転する用途ほど、この差が効いてきます。

始動の手間は「最初の数十秒だけ」の問題です。何千時間も連続運転する大形機なら、始動装置を追加してでも効率と力率の利点を取る——そういう判断で選ばれていると理解しておきましょう。

まとめ

同期電動機が起動しない理由	停止時は磁極が受けるトルクの向きが交互 ⇒ 平均トルク零
(ア) 制動巻線	回転子磁極面の短絡導体（ダンパ巻線）
(イ) かご形誘導電動機	制動巻線＝かご形回転子と同じ構造 ⇒ 誘導トルクで起動
(ウ) 界磁巻線	起動中に高電圧を誘起 ⇒ 抵抗で短絡して絶縁を守る
(エ) 直流	同期速度付近で短絡を外し直流励磁 ⇒ 同期速度に引き込む
制動巻線のもう一つの役目	運転中の乱調（ハンチング）を抑える
答え	(3)

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