電験三種 機械 問27：電気機器（直流機）

電験三種「機械」の「電気機器（直流機）」からの出題（令和7年度下期 問1）。正答は(5)です（「誤っているものを選べ」の問い）。

直流電動機の種類と特性についての正誤判定問題。直巻電動機は無負荷運転が危険（界磁電流=電機子電流→無負荷でΦ→0→n→∞）。

選択肢(5)が直流電動機の特性について誤った記述をしており、それが正答。

【電気機器（直流電動機の種類・特性）の正誤判定解法】（令和7年度下期 問1）

【各励磁方式の特性まとめ（正しい内容）】

(A) 他励電動機: 界磁電流を独立供給→速度-トルク特性が安定→サーボ・精密制御用

(B) 分巻電動機: 界磁並列→ほぼ定速（速度変動小）→工作機械・ポンプ

(C) 直巻電動機: 界磁直列→T∝Ia²（始動トルク最大）→軽負荷で高速（暴走危険）→電気鉄道・クレーン

(D) 複巻電動機: 分巻+直巻の合成→中間的特性→エレベータ・圧延機

【正答(5)が誤りである理由】

選択肢(5)は直流電動機のある特性について誤った記述をしている。

直巻電動機の「無負荷運転が危険」「電機子反作用の補償巻線が必要な場合」など、特性の説明に誤りが含まれる。

【電機子反作用の基礎】

電機子電流→電機子周辺に磁界→主磁界を歪める→ブラシ位置（中性軸）がずれる→整流悪化

対策: (a)補極（補助磁極）の設置、(b)ブラシ位置移動、(c)補償巻線

【電気機器（直流機の詳細特性・制御・応用）の深層解析】（令和7年度下期 問1）

【正答(5)の根拠：直流電動機の総合的理解】

【各励磁方式の速度-トルク方程式】

(a) 他励・分巻（Φ一定）:

n = V/(kΦ) - Ra×T/(kΦ)² → 右下がり直線（軟特性）

速度変動率: ε = (n₀-n_n)/n_n × 100[%]≈3〜8%

(b) 直巻（Φ∝Ia∝T^0.5）:

n ≈ V/(k√T) - Ra × √T/k → 双曲線（重負荷で低速・軽負荷で高速）

T→0のとき n→∞（理論上暴走）→無負荷運転禁止

T∝Ia²: 始動トルクが二乗に比例→巻上機・電気鉄道に最適

(c) 複巻:

Φ = Φf + Φs（和動複巻: 分巻磁束+直巻磁束）→始動トルク↑かつ無負荷安定

Φ = Φf - Φs（差動複巻: まれ）→不安定になる可能性

【電機子反作用の定量的影響】

電機子電流Iaによる磁界Fa[AT/極]=Ia×Za/(2×p×a)

（Za: 電機子導体数、p: 極対数、a: 並列回路数）

この磁界がN-S極間の主磁界を歪める→中性軸が回転方向にずれる。

電動機: 回転方向と逆にずれる→ブラシを回転方向と逆に移動させると整流改善。

（発電機では逆：回転方向にずれる→ブラシを回転方向に移動）

【現代的な直流電動機の応用分野】

(1) 電気鉄道の回生制動: 直巻→回生ブレーキに使用（制動力が大きい）

(2) 自動車の補機: 永久磁石形直流電動機（スタータ・ウィンドウモータ・ドアロック）

(3) 産業用サーボ: 永久磁石形→高精度位置制御（CNC工作機械・ロボットアーム）

現在はブラシレスDC（BLDC）またはPMSMに移行が進む

【ブラシレスDC電動機（BLDC）との比較】

従来DC: 整流子+ブラシで機械的整流→寿命問題・ノイズ

BLDC: ホールセンサ+インバータで電気的整流→長寿命・高効率→現代の主流

電験三種ではBLDCは出題頻度低いが実務で最も普及している機種。

【電験二種・実務への接続】

電験二種: 直流機の安定度（傾き条件）、整流方程式・ブラシ電圧降下の解析

実務: 変電所・発電所の励磁機（直流発電機→交流発電機の界磁電源）の管理