電験3種の機械科目で問われるいろいろな直流機の総合論説。本記事では、平成30年度 A問題2を解説します。分巻・直巻発電機、分巻・直巻電動機、ブラシレスDCモータまで幅広く問われる総合問題です。
カギは直巻発電機の電圧安定性：未飽和では \( E\propto I \) で不安定、飽和すれば E≒一定で安定です。
平成30年度 機械科目 A問題2：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
電験3種 機械科目 【直流機】 平成30年度 A問題2
いろいろな直流機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) 電機子と界磁巻線が並列に接続された分巻発電機は、回転を始めた電機子巻線と磁極の残留磁束によって、まず低い電圧で発電が開始される。その結果、界磁巻線に電流が流れ始め、磁極の磁束が強まれば、発電する電圧が上昇し、必要な励磁が確立する。
(2) 電機子と界磁巻線が直列に接続された直巻発電機は、出力電流が大きく界磁磁極が磁気飽和する場合よりも、出力電流が小さく界磁磁極が磁気飽和しない場合のほうが、出力電圧が安定する。
(3) 電源電圧一定の条件下で運転される分巻電動機は、負荷が変動した場合でも、ほぼ一定の回転速度を保つので、定速度電動機とよばれる。
(4) 直巻電動機は、始動時の大きな電機子電流が大きな界磁電流となる。直流電動機のトルクは界磁磁束と電機子電流から発生するので、大きな始動トルクが必要な用途に利用されてきた。
(5) ブラシと整流子の機械的接触による整流の働きを半導体スイッチで電子的に行うブラシレスDCモータでは、同期機と同様に電機子の作る回転磁界に同期して永久磁石の界磁が回転する。制御によって、外部から見た電圧－電流特性を他励直流電動機とほぼ同様にすることができる。
出題のポイント：直流機ファミリーの接続と特性を整理
この問題は、分巻発電機・直巻発電機・分巻電動機・直巻電動機・ブラシレスDCモータの接続と特性を横断して問います。分巻は界磁巻線が電機子と並列、直巻は直列です。さらに、分巻発電機の電圧確立、分巻電動機の定速度特性、直巻電動機の大きな始動トルク、ブラシレスDCモータの電子整流を対応させて整理しましょう。判定の中心は、直巻発電機の磁気飽和と出力電圧の安定性です。
ポイント解説：直巻発電機は飽和領域で電圧が安定
直巻発電機では界磁電流＝出力電流。未飽和領域では \( \phi\propto I \) なので \( E=k\phi n\propto I \) となり、電流が変わるたびに起電力が大きく変わって不安定。飽和すれば \( \phi \) がほぼ一定になり \( E \) も一定で安定します。
問題の解説：誤っている選択肢は（2）
上のとおり、直巻発電機は磁気飽和する（出力電流が大きい）場合のほうが出力電圧は安定します。記述は逆になっており、正解は (2) です。
| 選択肢 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| (1) | 正しい | 分巻の電圧確立：残留磁束 → 界磁電流 → 電圧上昇 |
| (2) | 誤り | 飽和する場合のほうが安定（E≒一定） |
| (3) | 正しい | 分巻電動機＝定速度電動機 |
| (4) | 正しい | 直巻は始動トルク大（φ∝I で T∝I²） |
| (5) | 正しい | ブラシレスDCモータは同期機と同様の回転磁界＋永久磁石界磁 |
直巻発電機は「飽和してこそ安定」。未飽和では E∝I でふらつく。
「飽和＝悪いこと」というイメージに引きずられないこと。直巻発電機では飽和が電圧を安定させます。
まとめ：いろいろな直流機
| 機種 | キーポイント |
|---|---|
| 分巻発電機 | 残留磁気から電圧を確立（自励） |
| 直巻発電機 | 飽和領域で電圧が安定 |
| 分巻電動機 | 定速度電動機 |
| 直巻電動機 | 始動トルク大（T∝I²） |
| ブラシレスDCモータ | 半導体スイッチで整流、他励と同様の特性にできる |
電圧の確立は【機械】平成21年度A問題1、電動機特性の論説は【機械】令和7年度上期A問題1、ブラシレスDCモータは【機械】令和3年度A問題8をどうぞ。
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