直流機36【電験3種 機械】補極と補償巻線とは？令和6年度上期 A問題1 完全解説

電験3種の機械科目で問われる補極と補償巻線。本記事では、令和6年度上期 A問題1の穴埋め問題を解説します。

カギは「回転子＝電機子」「ずれるのは電気的中性軸」「生じるのは火花」「小形機は補極」の4点です。

令和6年度上期 機械科目 A問題1：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6年度上期 A問題1

　次の文章は、直流機に関する記述である。

　直流機では固定子と回転子の間で直流電力と機械動力の変換が行われる。この変換を担う機構の一種にブラシと整流子とがあり、これらを用いた直流機では通常、界磁巻線に直流の界磁電流を流し、(ア) を回転子とする。

　このブラシと整流子を用いる直流機では、電機子反作用への対策として補償巻線や補極が設けられる。ブラシと整流子を用いる場合には、補極や補償巻線を設けないと、電機子反作用によって、固定子から見た (イ) 中性軸の位置が変化するために、これに合わせてブラシを移動しない限りブラシと整流子片との間に (ウ) が生じて整流子片を損傷するおそれがある。なお、小形機では、補償巻線と補極のうち (エ) が一般的に用いられる。

　上記の記述中の空白箇所(ア)〜(エ)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)
(1)	界磁	電気的	火花	補償巻線
(2)	界磁	幾何学的	応力	補極
(3)	電機子	幾何学的	応力	補償巻線
(4)	電機子	電気的	火花	補償巻線
(5)	電機子	電気的	火花	補極

出題のポイント：補極・補償巻線は電機子巻線と直列

電機子反作用対策の補償巻線（磁極片のスロット）と補極（N極とS極の間＝幾何学的中性軸）は、どちらも電機子巻線と直列に接続します。電機子電流に比例した打ち消し磁束が得られるので、負荷が変わっても自動的に追従します。小形機では安価な補極が一般的です。

ポイント解説：なぜ「電気的」中性軸がずれて「火花」が出るのか

電機子反作用で磁束分布がゆがむと、磁束密度が零になる電気的中性軸が幾何学的中性軸から移動します。ブラシが幾何学的中性軸のままだと、整流中のコイルに電圧が誘導されて火花が生じ、整流子片を損傷します。

問題の解説：空欄を一つずつ埋める

空欄	答え	理由
(ア)	電機子	ブラシ・整流子を使う直流機の回転子は電機子
(イ)	電気的	ずれるのは磁束密度零の「電気的」中性軸
(ウ)	火花	ブラシと整流子片の間に火花 → 整流子片を損傷
(エ)	補極	小形機では安価で構造が簡単な補極が一般的

したがって、正解は (5) です。

まとめ：補極と補償巻線

対策	設置場所	特徴
補償巻線	磁極片のスロット	効果大だが高価（大形機）
補極	N極とS極の間（幾何学的中性軸）	安価で簡単（小形機で一般的）
共通	－	電機子巻線と直列に接続（電流に比例して打ち消す）

同一問題が【機械】平成28年度A問題2で出題されています。反作用の理屈は【機械】令和元年度A問題2をどうぞ。