直流機30【電験3種 機械】励磁方式（他励・自励）とは？令和4年度下期 A問題1 完全解説

電験3種の機械科目で問われる直流機の構造と励磁方式。本記事では、令和4年度下期 A問題1で出題された、構造・励磁方式・電機子反作用に関する論説問題を解説します。

カギは励磁方式の分類。「他励式＝界磁を別電源で励磁」「自励式＝自分の発電電力で励磁（分巻・直巻・複巻）」です。

令和4年度下期 機械科目 A問題1：問題文と選択肢

「分巻」の「分」が何を意味するかを確かめるところから始めます。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和4年度下期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題1

電験3種 機械科目 【直流機】 令和4年度下期 A問題1

　直流機の構造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) 直流機は固定子と回転子からなる。界磁は固定子にあり、電機子及び整流子は回転子にある。

(2) 電機子鉄心には、交番磁束による渦電流損を少なくするため、電磁鋼板を層状に重ねた積層鉄心が用いられる。

(3) 直流発電機には他励式と自励式がある。他励式には、分巻発電機、直巻発電機などがある。

(4) 電機子電流による起磁力がエアギャップの磁束分布に影響を与える作用を電機子反作用といい、この影響を防ぐために補償巻線や補極が用いられる。

(5) 直流電動機に生じる電機子反作用の向きは発電機の場合とは反対であるが、電機子電流の向きが反対であるので補償巻線や補極の接続方法は発電機の場合と同じでよい。

出題のポイント：「分巻」の「分」は分路＝並列のこと

この問題の答えは(3)で、誤りは「他励式には、分巻発電機、直巻発電機などがある」という部分です。分巻も直巻も自励式——ここを取り違えさせるのが狙いです。

混乱の原因は「分巻」という語感にあります。「分」は「分路（シャント）」＝並列接続を意味しており、「別に分けた電源」という意味ではありません。英語では shunt（分路）で、まさに電機子と並列に分岐していることを表しています。

方式	界磁の電源	接続	特徴
他励	別電源	界磁回路が独立	界磁を自由に制御できる。電圧の確立に残留磁気が不要
分巻（自励）	自分の発電電力	電機子と並列	無負荷でも電圧が立つ。負荷で大きく垂下
直巻（自励）	自分の発電電力	電機子と直列	無負荷では電圧が立たない（負荷電流が界磁電流）
複巻（自励）	自分の発電電力	分巻＋直巻の両方	分巻の垂下を直巻の上昇で打ち消せる

他励と自励を分ける基準はただ一つ、「界磁の電源が外部か自分か」です。分巻・直巻・複巻はすべて自分の発電電力を使うので、まとめて自励式。接続の仕方（並列・直列・両方）で3つに枝分かれしているだけです。

正しい4つの選択肢も確認する

(1) 固定子と回転子の振り分け → 正しい

界磁は固定子、電機子と整流子は回転子。これは直流機の構造の基本です。ブラシは固定子側で、回転する整流子に接触しています。

(2) 電機子鉄心の積層 → 正しい

回転する電機子から見ると、N極とS極の下を交互に通るので磁束は交番します。交番磁束は鉄心内に渦電流を誘導するので、薄い電磁鋼板を絶縁して積層し、渦電流の通り道を細かく分断します。渦電流損は板厚の2乗に比例するので、薄くするほど効果が大きくなります。

(4) 電機子反作用と補償巻線・補極 → 正しい

電機子電流が作る起磁力が、界磁による主磁束の分布をゆがめるのが電機子反作用です。対策は補償巻線（主磁極の磁極片に埋め込む）と補極（主磁極の間に置く）で、どちらも電機子巻線と直列に接続します。

(5) 電動機でも接続方法は同じでよい → 正しい

この選択肢がいちばん考えさせられます。問題文の主張を分解すると次のようになります。

	発電機	電動機
電機子電流の向き	基準	逆
電機子反作用の向き	基準	逆（電流が逆だから）
補償巻線・補極が作るべき磁束の向き	基準	逆
補償巻線・補極に流れる電流	基準	逆（電機子と直列だから）
結論	—	電流も逆・必要な磁束も逆 ⇒ 接続はそのままでよい

「逆」が2回起きて打ち消し合う——これが(5)が正しい理由です。電機子と直列につないであるおかげで、運転モードが変わっても自動的に正しい向きの打ち消し磁束が得られます。直列接続の利点が、負荷追従だけでなく運転モードの切り替えにも及んでいるわけです。

複巻発電機の「和動」と「差動」

励磁方式のうち複巻は、分巻巻線と直巻巻線の両方を持ちます。この2つの起磁力の向きによって、性質がまったく変わります。

種類	直巻巻線の向き	負荷が増えると	外部特性	用途
和動複巻	分巻と同じ向き（磁束を強める）	磁束が増えて電圧が持ち上がる	垂下を打ち消せる	一般的な発電機
└ 平複巻	ちょうど釣り合う量	無負荷電圧と全負荷電圧が等しい	ほぼ水平	電圧を一定に保ちたい
└ 過複巻	多め	全負荷のほうが電圧が高い	右上がり	線路の電圧降下を先に補う
差動複巻	分巻と逆向き（磁束を弱める）	磁束が減って電圧が大きく落ちる	急激に垂下	電気溶接機など

差動複巻がわざわざ「電圧が落ちる」ように作られているのは奇妙に思えますが、電気溶接機のように「短絡しても電流が増えすぎない」性質が欲しい用途があるためです。アークが飛んで短絡状態になっても、電圧が急落するので電流が制限されます。

「垂下特性は悪いもの」とは限らない——用途によっては積極的に使う性質だということです。分巻発電機の大きな垂下も、短絡時の電流が小さくて済むという点では利点になります。

電動機側の複巻も同じ考え方

複巻は電動機としても使われます。和動複巻電動機は分巻の定速度性と直巻の大始動トルクを両立でき、圧縮機・巻上機・切断機のように「普段は一定速度で、急な重負荷にも耐えたい」用途に向きます。

	分巻電動機	和動複巻電動機	直巻電動機
始動トルク	小さめ	中間（大きめ）	非常に大きい
速度変動	小さい（定速度）	中間	非常に大きい
無負荷	安全	安全（分巻巻線があるため）	暴走して危険

和動複巻の重要な利点は「無負荷でも暴走しない」ことです。直巻巻線の磁束はゼロになっても、分巻巻線の磁束が残るので、n＝E/(k_Eφ) の分母がゼロになりません。直巻の長所（大始動トルク）だけを取り込んで、致命的な短所（無負荷での暴走）を消した——よくできた組合せです。

自励発電機が電圧を確立できる条件

自励式には「最初にどうやって電圧を立ち上げるのか」という根本的な問題があります。電圧がゼロなら界磁電流もゼロ、界磁電流がゼロなら磁束もゼロ——何も起きないように見えます。

答えは鉄心に残っている残留磁気です。回し始めるとわずかな残留磁束が小さな起電力を生み、それが界磁電流を流し、磁束が増え、起電力がさらに増える——正のフィードバックで電圧が育っていきます。

条件	満たされないとどうなるか
残留磁気がある	最初のきっかけがなく、まったく電圧が立たない
界磁の接続の向きが正しい	残留磁束を打ち消す向きに電流が流れ、電圧が育たない
界磁抵抗が臨界値より小さい	成長が途中で止まる（臨界界磁抵抗）
回転速度が十分高い	同じく成長が止まる（臨界速度）
直巻の場合は負荷がつながっている	無負荷では電流が流れず磁束が立たない

最後の行が直巻発電機の決定的な弱点です。界磁電流＝負荷電流なので、負荷をつながなければ界磁電流が流れず、永遠に電圧が立ちません。他励なら別電源があるのでこうした条件はいっさい不要——他励が実験や精密制御に使われる理由でもあります。