電験3種の機械科目で問われるブラシレスDCモータの構造。本記事では、令和元年度 A問題6の穴埋め問題を解説します。【機械】令和3年度A問題8の論説と対になる基本問題です。
カギは「永久磁石が回転子、電機子巻線が固定子」と「回転位置を検出して半導体スイッチで電流を切り換える」の2点です。
令和元年度 機械科目 A問題6：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】 令和元年度 A問題6
次の文章は、一般的なブラシレスDCモータに関する記述である。
ブラシレスDCモータは、(ア) が回転子側に、(イ) が固定子側に取り付けられた構造となっており、(イ) が回転しないため、(ウ) が必要な一般の直流電動機と異なる。しかし、何らかの方法で回転子の (エ) を検出して、(イ) への電流を切り換える必要がある。この電流の切り換えを、(オ) で構成された駆動回路を用いて実現している。ブラシレスDCモータは、(オ) の発達とともに発展してきたモータであり、上記の駆動回路が重要な役割を果たすモータである。
上記の記述中の空白箇所(ア)〜(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
| (ア) | (イ) | (ウ) | (エ) | (オ) | |
|---|---|---|---|---|---|
| (1) | 電機子巻線 | 永久磁石 | ブラシと整流子 | 回転速度 | 半導体スイッチ |
| (2) | 電機子巻線 | 永久磁石 | ブラシとスリップリング | 回転速度 | 機械スイッチ |
| (3) | 永久磁石 | 電機子巻線 | ブラシと整流子 | 回転速度 | 半導体スイッチ |
| (4) | 永久磁石 | 電機子巻線 | ブラシとスリップリング | 回転位置 | 機械スイッチ |
| (5) | 永久磁石 | 電機子巻線 | ブラシと整流子 | 回転位置 | 半導体スイッチ |
出題のポイント：磁石が回り、巻線は固定
一般のブラシ付き直流電動機は電機子巻線が回転するため、ブラシと整流子で給電・整流します。ブラシレスDCモータは永久磁石を回転子、電機子巻線を固定子に置くので機械整流が不要です。その代わり、磁極の回転位置を検出し、半導体スイッチで構成した駆動回路が固定子巻線への通電を切り換えます。
ポイント解説：検出するのは速度ではなく回転位置
回転子の磁極の位置に応じてどの巻線に電流を流すかが決まるため、検出すべきは回転位置です（ホール素子が磁束の向きから検出）。切り換えを担うのはパワーエレクトロニクスの半導体スイッチで、その発達とともにブラシレスDCモータは普及しました。
問題の解説：5つの空欄を構造と整流から確定
| 空欄 | 答え | 理由 |
|---|---|---|
| (ア) | 永久磁石 | 回転子側＝永久磁石 |
| (イ) | 電機子巻線 | 固定子側＝巻線（回転しない） |
| (ウ) | ブラシと整流子 | 一般の直流電動機で必要な機構 |
| (エ) | 回転位置 | 磁極の位置に応じて通電巻線を決める |
| (オ) | 半導体スイッチ | 電子的に電流を切り換える駆動回路 |
したがって、正解は (5) です。
「磁石が回る・巻線は動かない」→ ブラシ不要。「位置を検出して半導体スイッチで切換え」とセットで覚える。
(エ)を「回転速度」にしないこと。制御に使うのは磁極の位置です。また(ウ)は直流機なので「ブラシと整流子」（スリップリングは同期機・巻線形誘導機）。
まとめ：ブラシレスDCモータの構造
| 空欄 | 答え |
|---|---|
| (ア) 回転子側 | 永久磁石 |
| (イ) 固定子側 | 電機子巻線 |
| (ウ) 一般の直流電動機に必要 | ブラシと整流子 |
| (エ) 検出するもの | 回転位置 |
| (オ) 駆動回路 | 半導体スイッチ（答(5)） |
ブラシレスDCモータの特徴を問う論説は【機械】令和3年度A問題8をどうぞ。
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