今回は、電験3種 機械科目の平成21年度 問3、三相誘導電動機の構造に関する問題を徹底解説します。かご形回転子と巻線形回転子の違いを問う、基本的な知識問題です。構造と名称、そしてその役割を正確に理解しているかがポイントになります。
本記事では、この問題を10枚の図解スライドで分かりやすく解説していきます。まずは問題の全体像を把握しましょう。
この記事でわかること
三相誘導電動機の基本構造（固定子・回転子）／回転磁界が発生する原理／かご形回転子と巻線形回転子の構造と特徴／端絡環とスリップリングの役割の違い／問題の正しい選択肢とその根拠
【問題文】平成21年度 機械 問3｜三相誘導電動機の構造を問う空欄補充問題
まず、今回の問題文を見てみましょう。5つの空欄を埋める形式です。
問題文（要約）
三相誘導電動機は、【(ア)】磁界を作る固定子及び回転する回転子からなる。回転子は、【(イ)】回転子と【(ウ)】回転子との2種類に分類される。【(イ)】回転子では、回転子溝に導体を納めてその両端が【(エ)】で接続される。【(ウ)】回転子では、回転子導体が【(オ)】、ブラシを通じて外部回路に接続される。
| 選択肢 | (ア) | (イ) | (ウ) | (エ) | (オ) |
|---|---|---|---|---|---|
| (1) | 回転 | 円筒形 | 巻線形 | スリップリング | 整流子 |
| (2) | 固定 | かご形 | 円筒形 | 端絡環 | スリップリング |
| (3) | 回転 | 巻線形 | かご形 | スリップリング | 整流子 |
| (4) | 回転 | かご形 | 巻線形 | 端絡環 | スリップリング |
| (5) | 固定 | 巻線形 | かご形 | スリップリング | 整流子 |
この問題は、誘導電動機の構造に関する5つのキーワードを正確に覚えているかを試すものです。一つずつスライドで解き明かしていきましょう。
【解説①】空欄(ア)の正解｜三相誘導電動機はなぜ回るのか？回転磁界の原理
最初のポイントは、誘導電動機が回転する原理です。固定子が作る磁界は「固定」されているのでしょうか、それとも「回転」するのでしょうか。
固定子が作る「回転磁界」とは？誘導電動機の回転原理
三相誘導電動機の固定子（ステータ）に三相交流を流すと、時間と共に回転する磁界、すなわち「回転磁界」が発生します。この回転する磁界が、アラゴの円盤の原理で回転子（ロータ）を追いかけるように誘導し、トルク（回転力）を生み出します。
問題文の「【(ア)】磁界を作る固定子」という部分から、答えは「回転」であることがわかります。
POINT：(ア)の正解は「回転」
固定子に三相交流を流すと回転磁界が発生し、この磁界が回転子を誘導して動力を生み出す！「固定子が作る磁界」＝「回転磁界」と覚えよう。
【解説②】空欄(イ)(ウ)の正解｜かご形と巻線形の見分け方・構造の違い
次に、回転子の種類についてです。誘導電動機の回転子には、大きく分けて2つのタイプがあります。
その2種類とは「かご形回転子」と「巻線形回転子」です。問題文の後半にある構造の説明が、どちらが(イ)でどちらが(ウ)かを判断するヒントになります。
(イ)＝かご形回転子：端絡環（たんらくかん）で短絡されたシンプル構造
問題文には「【(イ)】回転子では、回転子溝に導体を納めてその両端が【(エ)】で接続される」とあります。これは、かご形回転子の特徴です。
かご形回転子は、導体棒を回転子のスロットに入れ、その両端を「端絡環（たんらくかん）」と呼ばれるリングで短絡（ショート）させた、非常にシンプルで頑丈な構造をしています。その見た目が鳥かごに似ていることから「かご形」と呼ばれます。
したがって、(イ)は「かご形」、(エ)は「端絡環」となります。
(ウ)＝巻線形回転子：スリップリングで外部抵抗に接続できる構造
一方、問題文には「【(ウ)】回転子では、回転子導体が【(オ)】、ブラシを通じて外部回路に接続される」とあります。これが巻線形回転子の特徴です。
巻線形回転子は、回転子に固定子と同様の巻線を施し、その巻線の端を「スリップリング」と「ブラシ」を介して外部に取り出せる構造になっています。これにより、外部に接続した可変抵抗器で始動電流や速度を制御することができます。
よって、(ウ)は「巻線形」、(オ)は「スリップリング」です。
【比較まとめ】かご形 vs 巻線形：特徴と違いを徹底比較
ここで、両者の特徴をさらに詳しく見てみましょう。試験ではこの比較が頻出です。
かご形電動機の3つの特徴（構造・利点・始動特性改善法）
かご形電動機の特徴まとめ
①構造と利点：構造が極めて単純で頑丈。効率が良く、保守が容易。主に小形から中形の電動機に採用。②導体の工夫：回転子のスロットに絶縁なしで導体を挿入する堅牢な設計。③始動特性の改善：始動時の特性を改善するため、「深溝かご形」や「二重かご形」といった特殊なスロット形状を持つ派生型が存在する。
巻線形電動機の3つの特徴（巻線構造・外部抵抗接続・速度制御）
巻線形電動機の特徴まとめ
①巻線構造：鉄心に絶縁電線を用いた多相巻線（普通は三相巻線）を施す、固定子と同等の構造。②外部抵抗への接続：スリップリングとブラシを介して、回転子巻線を外部の可変抵抗器に接続できる特有の構造を持つ。③制御と用途：外部抵抗を変化させることで、始動特性の改善や速度制御が可能。主に中形から大形の電動機に採用。
かご形 vs 巻線形：構造・接続・制御の違いを比較マトリクスで整理
| 比較項目 | かご形電動機（Squirrel-Cage） | 巻線形電動機（Wound-Rotor） |
|---|---|---|
| 回転子構造 | 絶縁なしの導体棒 | 絶縁電線による多相巻線 |
| 端部の接続 | 端絡環（両端を短絡） | スリップリングとブラシ |
| 外部回路接続 | なし（内部で完結） | あり（可変抵抗器等に接続） |
| 主な長所 | 構造が簡単、高効率、保守容易 | 始動特性の改善、速度制御が容易 |
| 主な適用 | 小形〜中形 | 中形〜大形 |
| 始動特性改善法 | 深溝かご形、二重かご形を採用 | 外部抵抗器の抵抗値を調整 |
【正解】答えは(4)！解答プロセスと全空欄の確認
これまでの解説をまとめ、問題の正解を導き出します。
各空欄に当てはまる語句は以下の通りです。
| 空欄 | 正解 | 根拠 |
|---|---|---|
| (ア) | 回転 | 固定子に三相交流を流すと回転磁界が発生するため |
| (イ) | かご形 | 両端を端絡環で短絡する構造はかご形の特徴 |
| (ウ) | 巻線形 | スリップリングで外部に接続する構造は巻線形の特徴 |
| (エ) | 端絡環 | かご形回転子の両端を短絡するリング状の部品 |
| (オ) | スリップリング | 巻線形回転子の巻線端を外部に取り出す摺動接触子 |
正解：(4) (ア)回転 (イ)かご形 (ウ)巻線形 (エ)端絡環 (オ)スリップリング
誘導電動機の構造は、機械科目の基本中の基本です。それぞれの部品の名称と役割を、構造のイメージと結びつけて確実に覚えておきましょう。問題文のキーワードと構造部品をリンクさせることが、確実な解答への最短ルートです。
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