電験三種 機械 問41：電気機器（直流機）

電験三種「機械」の「電気機器（直流機）」に関する問題（令和6年度下期 問1）。正答は(5)です。

【基本公式】直流機：固定子=界磁（磁極）、回転子=電機子（コイル）+整流子。

正答(5)「電機子 電気的 火花 補極」の根拠：

(ア)電機子：直流機では界磁を固定子とし、電機子を回転子とする（逆ではない）。

(イ)電気的中性軸：電機子反作用により幾何学的中性軸と電気的中性軸がずれる（電気的中性軸が移動）。

(ウ)火花：ブラシが電気的中性軸からずれた整流子片に接触→電位差で火花（スパーク）発生→整流子損傷。

(エ)補極：小形機では補極（整流補極）が一般的（大形機は補償巻線を追加）。

【電気機器（直流機）の電機子反作用の解法と要点】（令和6年度下期 問1）

【直流機の基本構造】

固定子：界磁磁極（永久磁石または界磁巻線）、継鉄（ヨーク）

回転子：電機子鉄心（積層鉄心）、電機子巻線、整流子（コミュテータ）

接触部：ブラシ（カーボン製）が整流子片に接触→外部回路と接続

【電機子反作用のメカニズム】

電機子電流→電機子磁束→界磁磁束と合成→磁束分布が歪む

→幾何学的中性軸（磁極の中心線）と電気的中性軸（磁束密度=0の位置）がずれる

→ブラシが正しい位置（電気的中性軸）にないと整流が正常に行われず火花発生

【各空白の正解】

(ア)電機子→回転子（界磁が固定子・電機子が回転子）

(イ)電気的中性軸（電機子反作用で移動するのは電気的中性軸）

(ウ)火花（スパーク）→整流子損傷の原因

(エ)補極：小形機の電機子反作用対策（大形機は補償巻線+補極の両方）

→正答(5)

【電気機器（直流機）電機子反作用の深層解析と電験三種合格戦略】（令和6年度下期 問1）

【核心論点と正答根拠】

直流機：固定子=界磁、回転子=電機子。電機子反作用→電気的中性軸ずれ→火花。小形機対策=補極。

正答(5)「電機子・電気的・火花・補極」。

【電機子反作用の詳細メカニズム】

電機子反作用磁束：電機子電流による磁束（電機子回路の起磁力AT₂）

→界磁磁束と直交（幾何学的中性軸上）→合成磁束の非対称化。

効果①：電気的中性軸の移動（発電機→回転方向、電動機→逆方向に移動）。

効果②：磁極面の磁束密度偏り→局所的磁気飽和→端子電圧/トルクの低下。

【対策の詳細比較】

補極（コミュテーティングポール）：N-Sの間に小磁極追加→整流コイルの自己インダクタンス電圧を打ち消す→整流改善。電機子電流に比例した起磁力発生→小形機に最適。

補償巻線（コンペンセーティングウインディング）：磁極面の溝に挿入した巻線→電機子反作用磁束を直接打ち消す→大容量機（急激な負荷変動あり）に必須。

【ブラシレス直流モータ（BLDC）の台頭】

整流子・ブラシを廃止→電子整流（インバータ+エンコーダ）で方向制御。

火花問題・整流子摩耗問題の根本解決。EMC（電磁適合性）も大幅改善。

産業用サーボ・EV補機・家電（エアコンコンプレッサ）で主流。

電験二種：直流機の整流理論・過渡応答・現代のモータ制御への展開が出題範囲。