電験三種 機械 問55：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年度上期 問1）。正答は(2)です。

【基本公式】電機子反作用：電機子電流→電機子磁束（界磁と直交する方向）→合成磁束歪む。

正答(2)「界磁電流による磁束のベクトルに対し、電機子反作用磁束のベクトルは同じ向きとなる」→誤り。

正しくは：電機子反作用磁束は界磁磁束に対して「直交する方向」に生じる（交差磁化）。

これにより電気的中性軸が移動し、整流が悪化→火花の原因となる。

「同じ向き」であれば電機子反作用は増磁・減磁のどちらかのみになるが、実際は直交（交差磁化）。

【電気機器（直流機）電機子反作用の解法と要点】（令和6年度上期 問1）

【電機子反作用の物理】

界磁磁束：N極→S極方向（幾何学的中性軸と直交）

電機子磁束：電機子電流（幾何学的中性軸を基準に流れる）→界磁と90°交差方向

→合成磁束が歪む（交差磁化）→電気的中性軸が移動

【各選択肢の正誤確認】

(1)正しい：電機子反作用の定義通り（界磁磁束に影響を与える）。

(2)誤り：電機子反作用磁束は界磁磁束と「直交方向」→同じ向きではない。

(3)正しい：補償巻線（磁極面の溝に設置）→電機子反作用を緩和。

(4)正しい：補極（N-S間に小磁極）→整流コイルの電圧を打ち消す→電機子反作用を緩和。

(5)正しい：ブラシを電気的中性軸に合わせて移動→整流改善（ただし負荷変動で都度調整必要）。

→正答(2)

【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年度上期 問1）

【核心論点と正答根拠】

電機子反作用磁束方向=幾何学的中性軸方向=界磁磁束と90°交差（直交）。

選択肢(2)「同じ向き」が誤り→正答(2)。

【電機子反作用の2効果】

①交差磁化効果：界磁磁束の分布を歪める→一方の磁極で磁束増加・反対側で減少。

磁気飽和があると：増加<減少→合計で磁束低下（減磁作用的効果）。

②電気的中性軸の移動：発電機=回転方向に移動、電動機=逆方向に移動。

→ブラシが幾何学的中性軸に固定されていると：中性軸以外の整流子片を短絡→火花。

【対策の技術詳細】

補極（コミュテーティングポール）：整流中のコイルの電気的条件を改善（逆方向電圧で自己インダクタンス打消し）。

補償巻線（コンペンセーティングウインディング）：磁極面に設けた巻線で電機子反作用磁束を直接打消し。

両方組合せ：大型電動機（製鋼用ロールミル・紙パ機械）で最大整流性能を実現。

【現代への接続】

BLDC（ブラシレスDC）：整流子廃止→電機子反作用問題を根本解決。

IPMモータ（埋込磁石型PMSM）：d-q軸リラクタンストルクも利用→小型高トルク。

電験二種：直流機の理論・4象限制御・PMSM比較が出題範囲。