直流機33【電験3種 機械】電機子反作用（論説）とは？令和元年度 A問題2 完全解説

電験3種の機械科目で頻出の電機子反作用に関する論説問題。本記事では、令和元年度 A問題2を解説します。

カギは「電機子反作用の磁束は主磁束と常に同じ向きになるわけではない」こと。強め合う部分と弱め合う部分があり、磁気飽和のため全体としては減磁に働きます。

令和元年度 機械科目 A問題2：問題文と選択肢

電機子が作る磁束がどこを向いてい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「令和元年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題2

電験3種 機械科目 【直流機】 令和元年度 A問題2

直流機の電機子反作用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) 直流発電機や直流電動機では、電機子巻線に電流を流すと、電機子電流によって電機子周辺に磁束が生じ、電機子電圧を誘導する磁束すなわち励磁磁束が、電機子電流の影響で変化する。これを電機子反作用という。

(2) 界磁電流による磁束のベクトルに対し、電機子電流による電機子反作用磁束のベクトルは、同じ向きとなるため、電動機として運転した場合に増磁作用、発電機として運転した場合に減磁作用となる。

(3) 直流機の界磁磁極片に補償巻線を設け、そこに電機子電流を流すことにより、電機子反作用を緩和できる。

(4) 直流機の界磁磁極のN極とS極の間に補極を設け、そこに設けたコイルに電機子電流を流すことにより、電機子反作用を緩和できる。

(5) ブラシの位置を適切に移動させることで、電機子反作用を緩和できる。

出題のポイント：電機子が作る磁束はどこを向いているか

電機子反作用の論説問題では、「電機子電流が作る磁束の向き」が毎回の争点になります。結論は主磁束と直角——この一点さえ動かなければ、どんな言い回しで問われても対応できます。

なぜ直角になるのかを構造から確認しましょう。電機子巻線はブラシを境に電流の向きが分かれています。ブラシは電気的中性軸（無負荷なら磁極の中間）の位置にあるので、電流の分かれ目は磁極の中間。

この電流分布が作る磁束は、電流の分かれ目を軸とした向き——つまりブラシを結ぶ線の方向になります。主磁極の軸（N→S）とは90°ずれているので、交差磁化作用と呼ばれるわけです。

なぜ「全体としては減磁」になるのか

直角に足されるなら磁極の片側は強まり、反対側は弱まるだけで、合計は変わらないように思えます。ところが実際には減ります。理由は磁気飽和です。

磁極の位置	反作用磁束の働き	鉄心の状態	磁束の変化
片側（強められる側）	主磁束と同じ向きに加わる	すでに飽和に近い	あまり増えない
反対側（弱められる側）	主磁束と逆向きに加わる	余裕がある	素直に減る
合計	—	—	差し引きで減少（減磁作用）

もし鉄心が飽和しなければ、増える量と減る量が釣り合って、主磁束の合計は変わりません。実機の鉄心は設計上、飽和にそれなりに近いところで使われているので、増える側だけが頭打ちになって減磁が現れるのです。

この減磁作用は発電機でも電動機でも同じです。電流の向きが逆になれば反作用磁束の向きも逆になりますが、「強める側が飽和する」という仕組みは変わらないため、やはり合計は減ります。

5つの選択肢を検証する

(1) 電機子反作用の定義 → 正しい

「電機子電流によって生じた磁束が、電機子電圧を誘導する磁束＝界磁磁束を変化させる」——定義そのもので誤りはありません。主語が電機子、目的語が界磁という向きも正しくなっています。

(2) 反作用磁束は界磁磁束と同じ向きで、電動機なら増磁・発電機なら減磁 → 誤り

この選択肢には誤りが2つ含まれています。

記述	正しくは	見抜き方
「同じ向きとなる」	直角（交差磁化作用）	同じ向きなら分布はゆがまず、中性軸も移動しないはず
「電動機は増磁、発電機は減磁」	どちらも減磁	磁気飽和は運転モードと無関係に効く

1つ目は記述の内部矛盾から気づけます。電機子反作用が問題になるのは中性軸がずれて整流が悪化するからです。ところが「同じ向き」なら分布はゆがまず、中性軸も動きません——それでは電機子反作用という現象自体が成り立ちません。

☝️ ひっかけの作り方：「電動機と発電機で逆になる」という形の記述は、部分的に正しい事実が混じっているので厄介です。実際、中性軸のずれる向きは発電機と電動機で逆——発電機は回転方向へ、電動機は回転方向と逆へずれます。「何が逆で何が同じか」を切り分けられるかが問われています。

(3) 補償巻線を磁極片に設ける → 正しい

補償巻線は主磁極の磁極片に切ったスロットに埋め込み、電機子巻線と直列に接続します。電機子電流と逆向きに流すことで、主磁極下の反作用磁束を直接打ち消します。

(4) 補極をN極とS極の間に設ける → 正しい

補極は主磁極の間（幾何学的中性軸）に置き、やはり電機子と直列。整流中のコイルがいる場所で、リアクタンス電圧を打ち消す起電力を与えるのが役割です。

(5) ブラシの位置を移動させる → 正しい

ずれた電気的中性軸の位置までブラシを動かせば、整流中のコイルは再び磁束密度ゼロの場所に来ます。負荷が変わるたびに動かさねばならず実用的ではありませんが、「緩和できる」という記述は正しいので誤りではありません。

★同一問題：令和5年度下期 A問題1

この問題は令和5年度下期 A問題1とほぼ同一の再出題です。5つの選択肢の内容も、誤りが(2)である点も一致しており、(1)の「励磁磁束／界磁磁束」という言い回しだけが違います。

4年という短い間隔で、しかも表現をわずかに変えただけ——電機子反作用が直流機の最重要論点だと出題側が考えていることがはっきり分かります。言い回しの違いに惑わされず、中身で覚えることが対策になります。

発電機と電動機で「何が逆で何が同じか」

項目	発電機	電動機	同じ／逆
電機子電流の向き	基準	逆	逆
反作用磁束の向き	基準	逆	逆
電気的中性軸のずれる方向	回転方向へ	回転方向と逆へ	逆
主磁束の増減	減磁	減磁	同じ
補償巻線・補極の接続	電機子と直列	電機子と直列	同じでよい

「向き」に関するものはすべて逆、「増減」と「対策の接続」は同じ——この切り分けが(2)を見抜く鍵です。電流が逆になれば必要な打ち消し磁束も逆になるので、電機子と直列につないでおけば自動的に正しい向きになります。

ちなみに、電機子反作用は発電機と電動機で「困り方」も違います。発電機では主磁束が減って端子電圧が下がるのが問題、電動機では主磁束が減って速度が上がるのが問題です（n＝E/(k_Eφ) の分母が小さくなるため）。同じ減磁でも、現れ方が正反対という点も押さえておくと理解が深まります。