直流機48【電験3種 機械】直巻電動機はなぜ無負荷で使えない？平成19年 A問題1 完全解説

今回は平成19年度 機械科目 A問題1を解説します。テーマは「直巻電動機はなぜ無負荷で使ってはいけないのか」という、直巻の最重要知識を問う論説問題です。

結論は「無負荷では磁束が消えて回転速度が暴走するから」。回転数の式に直巻の磁束 \(\phi\propto I\) を代入すると一発で見えてきます。

問題文と選択肢

　直流直巻電動機は，供給電圧が一定の場合，無負荷や非常に小さい負荷では使用することができない。この理由として，正しいのは次のうちどれか。

(1)　界磁電流と電機子電流がともに大きくなるので，界磁巻線や電機子巻線を焼損する危険性がある。

(2)　界磁電流が大きくなりトルクが非常に増大するので，駆動軸や電機子巻線を破損する危険性がある。

(3)　電機子電流が小さくなるので回転速度が減少し，回転が停止する。

(4)　界磁磁束が増大して回転速度が減少し，回転が停止する。

(5)　界磁磁束が小さくなって回転速度が非常に上昇するので，電機子巻線を破損する危険性がある。

出題のポイント：直巻電動機は無負荷で過速度になる

直巻電動機では界磁巻線と電機子が直列で、同じ負荷電流Iが流れます。負荷が軽くなるとIが減少し、未飽和領域では磁束φ＝k_fIも弱くなります。逆起電力E＝kφnを保つため回転速度nが急上昇し、遠心力によって電機子巻線を破損する危険があります。このため無負荷運転や、ベルト外れで無負荷になり得る駆動は避けます。

ポイント解説：Iが0へ近づくとnが急上昇する

直巻電動機は界磁巻線が電機子と直列なので、負荷電流 \(I\) がそのまま界磁電流になります。負荷が軽くなる → 電流が減る → 磁束も減る。ここが分巻・他励との決定的な違いです。

問題の解説：正しい選択肢は（5）

まとめ

直巻の磁束	\(\phi=k_fI\)：負荷電流がつくる
回転数	\(n=\dfrac{V-(r_a+r_f)I}{k_nk_fI}\)：Iが小さいほど高速
無負荷	\(I\to0\) で \(n\to\infty\)（暴走・危険）
答え	(5)

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