同期機53【電験3種 機械】電機子巻線法（分布巻・短節巻）の穴埋め！令和6年下期 A問題7 完全解説

今回は令和6年度下期 機械科目 A問題7を解説します。交流機の電機子巻線法（分布巻・短節巻）を問う穴埋め問題です。

1相を複数スロットに分ける分布巻（各極各相のスロット数は2以上）、コイルピッチを短くする短節巻。誘導起電力は下がりますが電圧波形が改善します。

問題文と選択肢

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和6年度下期 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題7

　次の文章は，交流機における電機子巻線法に関する記述である。

　電機子巻線法には，1相のコイルをいくつかのスロットに分けて配置する(ア)と，集中巻がある。(ア)の場合，各極各相のスロット数は(イ)となる。

　(ア)において，コイルピッチを極ピッチよりも短くした巻線法を(ウ)と呼ぶ。この巻線法を採用すると，(エ)は小さくなるが，コイル端を短くできることや，(オ)が改善できるなどの利点があるため，一般的によく用いられている。空白箇所（ア）〜（オ）に当てはまる組合せとして正しいものを一つ選べ。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
(1)	分布巻	2未満	短節巻	励磁電流	電圧波形
(2)	分散巻	2未満	全節巻	励磁電流	力率
(3)	分布巻	2未満	短節巻	励磁電流	力率
(4)	分布巻	2以上	短節巻	誘導起電力	電圧波形
(5)	分散巻	2以上	全節巻	誘導起電力	力率

出題のポイント：分布巻と短節巻は別の分類軸

巻線法の用語は似ていて紛らわしいのですが、「何を分類しているか」で整理すると混乱しません。2つの独立した軸があります。

分類軸	何を見るか	2つの型
スロットへの配置	1相のコイルを何個のスロットに分けるか	集中巻／分布巻
コイルピッチ	コイルの幅を極ピッチと比べてどうするか	全節巻／短節巻

この2つは独立です。「分布巻かつ短節巻」というのが交流機で最も一般的な組み合わせ——本問はまさにその組み合わせを説明しています。

空欄を確定する

(ア)(イ)：分布巻と、各極各相のスロット数

「1相のコイルをいくつかのスロットに分けて配置する」のが分布巻です。(ア)＝分布巻。「分散巻」という用語は使いません——もっともらしいダミーです。

分けて配置するのですから、各極各相のスロット数は2以上——(イ)＝2以上。1なら分けていないことになり、それは集中巻です。

(ウ)：コイルピッチを短くするのが短節巻

極ピッチ（磁極1つ分の幅）よりコイルの幅を短くするのが短節巻です。(ウ)＝短節巻。「全節巻」は極ピッチと同じ幅にする巻き方で、短くしていません。

(エ)(オ)：起電力は下がるが波形が良くなる

短節巻にすると、コイルの2辺で発生する起電力の位相がずれます。ベクトル的に足すので、合計は全節巻より小さくなる——(エ)＝誘導起電力です。

その代わり、高調波成分を打ち消せて波形が正弦波に近づきます——(オ)＝電圧波形。「力率」は改善しません——力率は負荷が決める量で、巻線法とは無関係です。

起電力が下がることを式で見る

分布巻も短節巻も、起電力を少し犠牲にして波形を良くする巻き方です。その「犠牲」の大きさを表すのが巻線係数です。

巻線法	係数	起電力	得られるもの
集中巻・全節巻	kw＝1	最大	—（波形が悪い）
分布巻	kd＜1	少し下がる	波形が正弦波に近づく・熱が分散する
短節巻	kp＜1	少し下がる	高調波を打ち消す・コイル端が短くなる
分布巻＋短節巻	kw＝kdkp（0.9前後）	1割ほど下がる	両方の利点

実用機の巻線係数は0.9前後です。起電力が1割減る代わりに、波形の歪みが大幅に減る——その取引が割に合うから、ほとんどの交流機がこの巻き方を採っています。

「コイル端を短くできる」という利点も見逃せません。コイル端（スロットの外に出ている部分）は起電力を生まないのに、抵抗と材料費だけは食います——短くできれば銅損も材料も減るのです。

なぜ高調波が打ち消せるのか

短節巻が高調波を減らせる仕組みを、直感的に押さえておきましょう。

コイルは2つの辺（往きと帰り）を持ちます。全節巻ならこの2辺がちょうど磁極1つ分離れており、両辺の起電力が完全に足し合わさります——基本波も高調波も、すべて強め合ってしまうのです。

短節巻では2辺の間隔が少し狭くなります。基本波にとってはわずかな位相差ですが、高調波にとっては大きな位相差——周波数が n 倍なら、位相差も n 倍になるからです。

	基本波	第5調波	第7調波
短節による位相差	小さい	5倍	7倍
打ち消される度合い	ほとんど打ち消されない	大きく打ち消される	大きく打ち消される

コイルピッチを適切に選べば、狙った次数の高調波をほぼ完全に消せます。たとえば極ピッチの5/6にすれば第5調波が消える——「必要な基本波は残し、邪魔な高調波だけ削る」という巧妙な仕掛けです。

分布巻も同じ発想です。複数のスロットに分けると、各スロットの起電力に少しずつ位相差が付く——高調波ほど位相差が大きくなって打ち消し合います。2つの巻線法が同じ原理で働いていることになります。

★同型問題：令和4年度下期 A問題7

この問題は令和4年度下期 A問題7とほぼ同じ問題です。わずか2年での再出題——出題パターンが固定されている論点だと言えます。

巻線法は用語さえ覚えれば確実に得点できる分野です。「分布巻／集中巻」「短節巻／全節巻」という2つの軸、そして「起電力は下がるが波形が良くなる」という結論——この3点で、どちらの年度の問題も解けます。

では集中巻はどこで使われるのか

問題文が「(ア)と、集中巻がある」と並べているとおり、集中巻も実在する巻線法です。大形の交流機では分布巻が標準ですが、集中巻が選ばれる場面もあります。

	分布巻	集中巻
1相のコイル	複数スロットに分散	1つの突極に集中
起電力波形	正弦波に近い	ひずみやすい
コイル端	長くなる	短くできる
巻線作業	手間がかかる	自動巻線しやすい
主な用途	大形の同期機・誘導機	SRM・ブラシレスDC・小形PMSM

集中巻の利点は、コイル端が短くなることと巻線が作りやすいことです。1つの突極にぐるぐる巻くだけなので、機械で自動的に巻けます——量産する小形モータでは大きな利点になります。

コイル端は起電力を生まないのに抵抗と材料を食う部分でした。集中巻ならその無駄が減るので、同じ体積でより多くの出力が取り出せます——小型化が求められる用途に向きます。

代償は波形のひずみです。1か所に集中しているので、位相差による高調波の打ち消しが起きません——起電力が階段状になりやすいのです。ただしインバータで駆動する現代のモータでは、そもそも電源側が正弦波でないので、この欠点は相対的に小さくなっています。

「大形で系統につなぐなら分布巻、小形でインバータ駆動なら集中巻」——用途で選び分けられていると理解しておけば十分です。SRM が集中巻なのも、この流れの中にあります。

まとめ

（ア）	分布巻
（イ）	2以上
（ウ）	短節巻
（エ）	誘導起電力
（オ）	電圧波形
答え	(4)

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