同期機31【電験3種 機械】同期発電機の種類と構造の穴埋め！平成30年 A問題5 完全解説

今回は平成30年度 機械科目 A問題5を解説します。同期発電機の種類と構造（回転界磁形・突極形／円筒形）を問う穴埋め問題です。

水車発電機は低速・多極で突極形、タービン発電機は高速・少極で円筒形、という対比が軸です。

問題文と選択肢

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成30年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題5

　次の文章は，同期発電機の種類と構造に関する記述である。

　同期発電機では一般的に，小容量のものを除き電機子巻線は(ア)に設けて，導体の絶縁が容易であり，かつ，大きな電流が取り出せるようにしている。界磁巻線は(イ)に設けて，直流の励磁電流が供給されている。

　比較的(ウ)の水車を原動機とした水車発電機は，50 Hz又は60 Hzの商用周波数を発生させるために磁極数が多く，回転子の直径が軸方向に比べて大きく作られている。蒸気タービン等を原動機としたタービン発電機は，(エ)で運転されるため，回転子の直径を小さく，軸方向に長くした横軸形として作られている。磁極は回転軸と一体の鍛鋼又は特殊鋼で作られ，スロットに巻線が施される。回転子の形状から(オ)同期機とも呼ばれる。空白箇所（ア）〜（オ）に当てはまる組合せとして正しいものを一つ選べ。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
(1)	固定子	回転子	高速度	高速度	突極形
(2)	回転子	固定子	高速度	低速度	円筒形
(3)	回転子	固定子	低速度	低速度	突極形
(4)	回転子	固定子	低速度	高速度	円筒形
(5)	固定子	回転子	低速度	高速度	円筒形

出題のポイント：同期機の分類軸は4つある

同期発電機の構造を問う問題では、複数の分類軸が同時に出てきます。軸ごとに整理しておけば、どの組み合わせを聞かれても対応できます。

分類の軸	2つの型	実用機はどちらか
界磁と電機子の配置	回転界磁形／回転電機子形	ほぼすべて回転界磁形
回転子の形	突極形／円筒形	低速機は突極形、高速機は円筒形
原動機	水車／蒸気タービン	水車＝低速多極、タービン＝高速少極
据付	立軸／横軸	水車発電機は立軸、タービン発電機は横軸が多い

本問は(ア)(イ)で1つ目の軸、(ウ)(エ)(オ)で2〜3つ目の軸を聞いています。軸が切り替わる場所を意識して読むと、混乱しません。

(ア)(イ)：なぜ電機子を固定子に置くのか

問題文が理由まで書いてくれています——「導体の絶縁が容易であり、かつ、大きな電流が取り出せるようにしている」。(ア)＝固定子、(イ)＝回転子です。

	電機子を固定子に置く（回転界磁形）	電機子を回転子に置く（回転電機子形）
絶縁	静止しているので容易	回転部で高電圧を絶縁するのは困難
電流の取り出し	端子から直接	スリップリング経由（大電流は無理）
ブラシが扱う電流	励磁電流（小さい）	負荷電流（大きい）
採用	小容量を除きほぼすべて	ごく小容量のみ

発電機が作る電圧は、大容量機では数千〜数万ボルトにもなります。それを回転しながらブラシ経由で取り出すのは、絶縁の面でも接触の面でも無理——だから電機子は動かさないのです。

一方の界磁は、直流の励磁電流だけです。電圧も電流も比較的小さいので、スリップリングとブラシで十分に渡せます——「小さいほうを回す」という合理的な選択です。

(ウ)(エ)(オ)：速度が形を決める

水車は比較的低速度——(ウ)＝低速度。同じ商用周波数を作るには、遅い分だけ磁極を増やさなければなりません。多くの磁極を円周上に並べるには直径が要るので、直径が大きく軸方向は短い形になります。

タービン発電機は高速度——(エ)＝高速度。遠心力に耐えるため直径を小さくし、そのぶん軸方向に長くします。磁極は回転軸と一体の鍛鋼から削り出し、スロットに巻線を埋め込む——この形が円筒形です。(オ)＝円筒形。

「回転軸と一体の鍛鋼」という記述の意味

問題文の「磁極は回転軸と一体の鍛鋼又は特殊鋼で作られ、スロットに巻線が施される」——この一文が円筒形回転子の作り方を正確に述べています。

	突極形（水車発電機）	円筒形（タービン発電機）
作り方	磁極を1つずつ作って円周に取り付ける	1本の鍛鋼の塊から削り出す
巻線の置き方	磁極に巻き付ける	スロット（溝）に埋め込み、くさびで押さえる
遠心力への強さ	磁極が飛び出す危険がある	出っ張りがないので強い
適する速度	低速	高速

「一体の鍛鋼」から削り出すのは、継ぎ目をなくすためです。3 600 min⁻¹ で回る回転子には、途方もない遠心力がかかります——接合部があれば、そこから壊れます。

巻線も、溝に埋め込んでくさびで押さえます。突極形のように外に出ていたら、遠心力で吹き飛んでしまうからです——「出っ張りを作らない」のが高速機の設計原則だと言えます。

逆に水車発電機は低速なので、磁極を1つずつ作って取り付けるやり方が可能です。48極もの磁極を削り出すのは現実的でない——形式の違いは、製造のしやすさとも結びついています。

界磁の直流電流はどうやって作るのか

「界磁巻線は回転子に設けて、直流の励磁電流が供給されている」——では、その直流はどこから来るのでしょうか。励磁方式には3つの世代があります。

方式	直流の作り方	ブラシ	特徴
直流励磁機方式	同軸につないだ直流発電機	整流子とブラシが必要	古典的。保守の手間が大きい
ブラシレス励磁方式	交流励磁機＋回転整流器を回転子に載せる	不要	保守が楽。現在の主流
静止形励磁方式	主機の出力の一部をサイリスタで整流	スリップリングが必要	応答が速い

ブラシレス励磁方式が画期的だったのは、回転する側で整流してしまうという発想です。交流励磁機の電機子を回転子側に置き、そこで発生した交流を回転整流器（ダイオード）で直流に直して、そのまま界磁巻線へ渡す——静止側とのやりとりが一切なくなります。

ブラシもスリップリングもないので、摩耗する部品がありません。点検・交換の手間が消える——大形発電機では大きな利点です。

静止形励磁方式は応答の速さが持ち味です。サイリスタの位相制御で瞬時に励磁を変えられるので、系統事故のときに素早く電圧を立て直せます——安定度の面で有利になります。

「回転界磁形だからスリップリングが要る」というのが基本ですが、ブラシレス励磁方式ならそれすら不要——技術の進歩が構造上の制約を消していく好例だと言えます。

まとめ

（ア）	固定子
（イ）	回転子
（ウ）	低速度
（エ）	高速度
（オ）	円筒形
答え	(5)

▼あわせて解きたい関連問題
・水車機とタービン機の構造：【機械】令和6年度下期A問題5
・負荷角・脱出トルク：【機械】令和3年度A問題5