電験3種の機械科目で頻出の直流電動機の特性に関する論説問題。本記事では、令和7年度上期 A問題1で出題された、分巻・直巻・複巻電動機の特徴の正誤を問う問題を解説します。
カギは \( N=(V-I_aR_a)/K\phi \) と \( T=K\phi I_a \) の2式。とくに直巻では磁束が負荷電流に比例するため、トルクは電流の2乗に比例します。
ほぼ同じ問題が 【機械】平成25年度A問題1 でも出題されています。出題パターンが固定なので、セットで解けば確実な得点源になります。
令和7年度上期 機械科目 A問題1：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。
電験3種 機械科目 【直流機】 令和7年度上期 A問題1
直流電動機に関する記述として、誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
(1) 直巻電動機は、負荷電流の増減によって回転速度が大きく変わる。トルクは、回転速度が小さいときに大きくなるので、始動時のトルクが大きいという特徴があり、クレーン、巻上機などの電動機として適している。
(2) 分巻電動機の速度制御の方法の一つとして界磁制御法がある。これは、界磁巻線に直列に接続した界磁抵抗器によって界磁電流を調整して界磁磁束の大きさを変え、速度を制御する方法である。
(3) 分巻電動機は、端子電圧を一定として機械的な負荷を増加したとき、電機子電流が増加し、回転速度は、わずかに減少するがほぼ一定である。このため、定速度電動機と呼ばれる。
(4) 複巻電動機には、直巻界磁巻線及び分巻界磁巻線が施され、合成界磁磁束が直巻界磁磁束と分巻界磁磁束との和になっている構造の和動複巻電動機と、差になっている構造の差動複巻電動機とがある。
(5) 直巻電動機は、界磁電流が負荷電流（電動機に流れる電流）と同じである。このため、未飽和領域では界磁磁束が負荷電流に比例し、トルクも負荷電流に比例する。
出題のポイント：界磁のつなぎ方で特性が決まる
直流電動機は界磁巻線のつなぎ方で特性が大きく変わります。分巻は界磁が電源に並列で磁束ほぼ一定 → 定速度・\( T\propto I \)。直巻は界磁が電機子に直列で磁束が負荷電流に比例 → 速度が大きく変わり・\( T\propto I^2 \)（未飽和領域）。
ポイント解説：N と T の式から特性を読む
回転速度は \( N=\dfrac{V-I_aR_a}{K\phi} \)、トルクは \( T=K\phi I_a \)。分巻は \( \phi \) 一定なので N はほぼ一定（定速度電動機）で \( T\propto I_a \)。直巻は \( \phi\propto I \) なので N は負荷で大きく変わり、\( T=K\phi I=K’I^2 \) と2乗に比例します。始動時（回転が小さい＝電流大）はトルクが非常に大きく、クレーン・巻上機・電車に向きます。
問題の解説：誤りは (5)「トルクも負荷電流に比例」
直巻電動機では界磁電流＝負荷電流なので、未飽和領域では \( \phi\propto I \)。ここまでは正しいのですが、トルクは $$ T=K\phi I=K(kI)I=K’I^2 $$ となり、負荷電流の2乗に比例します。「トルクも負荷電流に比例する」が誤りで、正解は (5) です。
| 選択肢 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| (1) | 正しい | 直巻は始動トルク大 → クレーン・巻上機向き |
| (2) | 正しい | 界磁制御法＝界磁抵抗器で磁束を変える |
| (3) | 正しい | 分巻は定速度電動機 |
| (4) | 正しい | 和動複巻／差動複巻の定義どおり |
| (5) | 誤り | T∝I²（2乗）。「比例」で止まるのが誤り |
分巻＝定速度・T∝I ／ 直巻＝変速度・T∝I²・始動トルク大（クレーン・巻上機・電車）
「界磁磁束が負荷電流に比例する」までは正しい記述です。そこからトルクは φ×I＝I² となるので、「比例」で止まっていたら誤りと見抜きましょう。
まとめ：直流電動機の特性
| 種類 | 磁束 | 回転速度 | トルク |
|---|---|---|---|
| 分巻 | ほぼ一定 | ほぼ一定（定速度） | T∝I |
| 直巻 | φ∝I | 負荷で大きく変化 | T∝I²（未飽和） |
| 複巻 | 和動／差動 | 中間 | 中間 |
同一の論説が【機械】平成25年度A問題1でも出題されています（選択肢の並びのみ違い）。運転・制動の穴埋めは【機械】令和4年度上期A問題1をどうぞ。
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