こんにちは！今回は、電験3種 機械科目の令和3年度 問4「誘導電動機の分類」を徹底解説します。固定子と回転子の基本から、三相・単相の磁界の違い、巻線形とかご形の構造まで、この1問でまとめて理解できます。一緒にマスターしていきましょう！
📘 スライド1：表紙
今回のテーマは「誘導電動機の固定子と回転子」です。電験3種の機械科目では頻出のテーマであり、基本的な構造と原理をしっかり押さえておくことが合格への鍵となります。
📝 スライド2：問題文（その1）
【問題文】
次の文章は，誘導電動機の分類における，固定子と回転子に関する事項に関する記述である．
a．固定子の分類
三相交流を三相巻線に流すと [ア] 磁界が発生する．この磁界で運転される誘導電動機を三相誘導電動機という．一方，単相交流では [イ] 磁界が発生する．この [イ] 磁界は，正逆両方向の [ア] 磁界が合成されたものと説明される．したがって，コンデンサ始動形単相誘導電動機では，コンデンサで位相を進めた電流を始動巻線に短時間流すことによって始動トルクの発生と回転方向の決定が行われる．
b．回転子の分類
巻線形誘導電動機では，回転子溝に巻線を納め，その巻線を [ウ] とブラシを介して外部抵抗回路に接続し， [エ] 電流を変化させて特性制御を行う．かご形誘導電動機では，回転子溝に導体棒を納め， [オ] に導体棒を接続する．
【解説のポイント】
この問題は、大きく分けて「a. 固定子の分類」と「b. 回転子の分類」の2つのパートで構成されています。それぞれの空欄に当てはまる適切な用語を考えていきます。
- 固定子：三相交流と単相交流で発生する磁界の違いが問われています。
- 回転子：巻線形とかご形、それぞれの構造と制御方法がポイントです。
📝 スライド3：問題文（その2）・選択肢
【選択肢】
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) | 回転 | 交番 | スリップリング | 二次 | 端絡環 |
| (2) | 交番 | 回転 | 整流子 | 二次 | 継鉄 |
| (3) | 交番 | 回転 | スリップリング | 一次 | 継鉄 |
| (4) | 回転 | 交番 | 整流子 | 一次 | 端絡環 |
| (5) | 交番 | 固定 | スリップリング | 二次 | 継鉄 |
5つの空欄の組み合わせで正しいものを選びます。一つずつ確実に知識を当てはめていけば、必ず正解にたどり着けます。次のスライドからの解説で確認していきましょう！
🔍 スライド4：問題の概要・条件整理
【誘導電動機の基本構造】
誘導電動機は、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）の2つの主要部品で構成されています。固定子が磁界を作り出し、その磁界によって回転子が誘導されて回転します。
| 部品 | 役割 | 交流の種類 | 発生する磁界 |
|---|---|---|---|
| 固定子（ステータ） | 磁界を作る | 三相交流 | 回転磁界 |
| 固定子（ステータ） | 磁界を作る | 単相交流 | 交番磁界 |
| 回転子の種類 | 構造 | 特徴 |
|---|---|---|
| 巻線形 | 巻線 ＋ スリップリング | 外部抵抗で特性制御が可能 |
| かご形 | 導体棒 ＋ 端絡環 | シンプル・堅牢 |
⚡ スライド5：固定子の分類（三相誘導電動機）
【三相誘導電動機の固定子】
三相交流を固定子の三相巻線に流すと、各相の磁界が合成されて回転磁界が発生します。この回転磁界は一定方向に同期速度で回転し続け、回転子を誘導して回転させます。これが三相誘導電動機の基本原理です。
同期速度の公式：
\[ N_s = \frac{120f}{p} \quad \text{[min}^{-1}\text{]} \]ここで、\( f \)：電源周波数 [Hz]、\( p \)：極数
✅ [ア] = 回転（回転磁界）
三相交流 → 三相巻線 → 回転磁界 → 三相誘導電動機
🔄 スライド6：固定子の分類（単相誘導電動機）
【単相誘導電動機の固定子と交番磁界】
一方、単相交流では磁界の向きが周期的に反転するだけの交番磁界しか発生しません。この交番磁界は、互いに逆向きに回転する2つの回転磁界が合成されたものと考えることができます。
⚠️ 交番磁界の性質：
- 正方向の回転磁界と逆方向の回転磁界が合成されたもの
- 静止時は合成トルク = 0 → 始動トルクが発生しない！
- 一方向に回転していれば、合成トルクは回転方向と同方向になり加速できる
コンデンサ始動形単相誘導電動機の始動方法
単相誘導電動機を始動させるためには、工夫が必要です。コンデンサ始動形では、コンデンサで位相を進めた電流を始動巻線に短時間流すことで、擬似的に回転磁界を作り出し、始動トルクを発生させます。
✅ [イ] = 交番（交番磁界）
単相交流 → 交番磁界 = 正逆2方向の回転磁界の合成
🔧 スライド7：回転子の分類（巻線形誘導電動機）
【巻線形誘導電動機の回転子構造】
巻線形誘導電動機は、回転子溝に巻線が巻かれています。この巻線はスリップリングとブラシを介して外部の抵抗器に接続されており、外部抵抗を変化させることで回転子側（二次側）の電流を制御できます。
| 部品 | 役割 |
|---|---|
| スリップリング | 回転する巻線と外部回路を電気的に接続するリング |
| ブラシ | スリップリングに接触し、電流を流す固定側の部品 |
| 外部抵抗 | 二次電流を調整してトルク特性を制御する |
💡 比例推移の原理：
外部抵抗 \( R_{ext} \) を変化させると、同じトルクを発生させる滑り \( s \) が変化します。
\[ \frac{r_2}{s} = \frac{r_2 + R_{ext}}{s’} = \text{一定} \]ここで、\( r_2 \)：回転子抵抗、\( s \)：滑り、\( R_{ext} \)：外部抵抗
✅ [ウ] = スリップリング
✅ [エ] = 二次（二次電流）
🏗️ スライド8：回転子の分類（かご形誘導電動機）
【かご形誘導電動機の回転子構造】
かご形誘導電動機の回転子は、回転子溝に導体棒を入れ、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した構造です。この形が鳥かごに似ていることから「かご形」と呼ばれます。
| 比較項目 | 巻線形 | かご形 |
|---|---|---|
| 回転子の構造 | 巻線（コイル） | 導体棒 |
| 外部接続部品 | スリップリング ＋ ブラシ | 端絡環（外部接続なし） |
| 制御電流 | 二次電流（可変） | 制御不可 |
| 構造の複雑さ | 複雑 | シンプル・堅牢 |
| 用途 | 大型・特性制御が必要な場合 | 一般産業用（最も普及） |
✅ [オ] = 端絡環
かご形：導体棒の両端を端絡環で短絡 → 外部接続なし
🎯 スライド9：解答まとめ
✅ 正解：(1)
| 空白箇所 | 正解 | 根拠 |
|---|---|---|
| [ア] | 回転 | 三相交流 → 三相巻線 → 回転磁界 |
| [イ] | 交番 | 単相交流 → 交番磁界（正逆2方向の回転磁界の合成） |
| [ウ] | スリップリング | 巻線形回転子の外部接続部品 |
| [エ] | 二次 | 回転子側 = 二次側の電流を制御 |
| [オ] | 端絡環 | かご形回転子の導体棒接続部品 |
📌 スライド10：重要ポイント・試験対策
【ポイント1：磁界の種類】
🔵 三相交流 → 回転磁界
三相交流を三相巻線に流すと、各相の磁界が合成されて一定方向に回転する「回転磁界」が発生します。
🟠 単相交流 → 交番磁界
単相交流では、磁界の向きが周期的に反転する「交番磁界」が発生します。これは正逆2方向の回転磁界が合成されたものです。
【ポイント2：巻線形 vs かご形】
🔴 巻線形誘導電動機
- 回転子：巻線（コイル）
- 外部接続：スリップリング ＋ ブラシ
- 制御：二次電流を変化させて特性制御（比例推移）
🟢 かご形誘導電動機
- 回転子：導体棒
- 接続：端絡環で短絡（外部接続なし）
- 特徴：シンプル・堅牢・最も普及している
【ポイント3：コンデンサ始動形単相誘導電動機】
🟢 なぜコンデンサが必要？
単相誘導電動機は交番磁界しか発生しないため、静止時に始動トルクが発生しません。コンデンサを使って補助巻線に位相の進んだ電流を流すことで、擬似的な回転磁界を作り出し、始動トルクを発生させます。
始動後は開閉器が動作して補助巻線とコンデンサを切り離します。
🎉 スライド11：まとめ
【今回学んだこと】
1. 固定子の分類
- 三相交流 → 回転磁界 → 三相誘導電動機
- 単相交流 → 交番磁界 → 単相誘導電動機（始動工夫が必要）
2. 回転子の分類
- 巻線形：スリップリング ＋ ブラシ → 二次電流制御
- かご形：端絡環 → シンプル・堅牢
3. 解答：(1)
[ア]回転、[イ]交番、[ウ]スリップリング、[エ]二次、[オ]端絡環
お疲れ様でした！今回は誘導電動機の分類に関する基本的な知識を問う問題でした。この問題で登場したキーワード（回転磁界、交番磁界、スリップリング、端絡環）は、今後の問題でも繰り返し登場します。ぜひ確実に覚えておきましょう。
次の問題解説もお楽しみに！
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