直流電動機の基礎・構造③ ~直巻・複巻~ 

皆さんこんにちは!NORIです!

前回はこちらの記事↓

にて、「直流他励電動機・直流分巻電動機」について説明しました。

今回は残りの二つ、「直流直巻電動機」・「直流複巻電動機」について説明したいと思います。この二つは他の二つとは少し異なった性質を持っていますのでよく理解してください。

直巻(ちょくまき)

直巻電動機の回路図は↓<画像1>のようになります。

<画像1>

他励または分巻は界磁巻線と電機子巻線が別々または並列になっていましたが、直巻に関しては直列に接続されています。つまり、界磁巻線と電機子巻線に同じ大きさの電流が流れるので、磁束$Φ$は電機子電流$I_{a}$に比例することになります。

これによって、他励・分巻とは異なった性質を持つこととなります。

回転速度

回路図<画像1>より$E=V-(R_{a}+R_{s})I_{a}$となります。

つまり回転速度$N$は、$$N=\frac{E}{KΦ}=\frac{ V-(R_{a}+R_{s})I_{a} }{KΦ}$$となります。ここで先に説明した通り、界磁巻線と電機子巻線が直列になっているので、磁束$Φ$は$I_{a}$に比例することになります

よって$$N=\frac{ V-(R_{a}+R_{s})I_{a} } {K^”I_{a}}$$となり、直列界磁巻線抵抗$(R_{s})$と電機子巻線抵抗$(R_{a})$が非常に小さいとすると、$$N≒\frac{V}{ K^”I_{a}} $$となります。これより、回転速度は電機子電流に反比例するという関係が導かれました。

これは無負荷運転を行うと、回転速度が非常に高速となり、危険であるということを意味しています。($I_{a}$が非常に小さくなると、$N$が非常に大きくなるということです。)

トルク

トルクに関しても、他励・分巻とは違った特性を持ちます。

まずトルクの式は$$T=KΦI_{a}$$でした。また上記に示したように、$Φ∝I_{a}$の関係があるので、トルクと電機子電流の比例関係は$$T∝I_{a}^{2}$$となります。つまりトルクは電機子電流の二乗に比例します。←大変重要であり、論説で問われたりします。

複巻(ふくまき)

複巻というのは直巻と分巻の複合型です。

複巻には、分巻界磁巻線が直巻界磁巻線の外側にある「外分巻」と、分巻界磁巻線が直巻界磁巻線の内側にある「内分巻」に分けられます。(※発電機は内分巻、電動機は外分巻が一般的なようです。)

また、分巻界磁巻線の磁束と直巻界磁巻線の磁束が加わるように接続する「和動複巻」と、 分巻界磁巻線の磁束と直巻界磁巻線の磁束が打ち消しあうように接続する「差動複巻」に分類されます。

<画像2>に和動複巻、<画像3>に差動複巻の回路図を載せています。

<画像2>
 
<画像3>

ご覧の通り、分巻界磁巻線・直巻界磁巻線から発生する磁束が「足される」か「打ち消しあう」かで「和動」か「差動」が決まってきます。

ここでは最も一般的な、外分巻の「和動複巻電動機」<画像2>を例にとって説明します。

<画像2> 再掲

 

<画像2>より$E=V-(R_{a}+R_{s})I_{a}$であり、$N=\frac{E}{K(Φ_{f}+Φ_{s})}$より、 $$N=\frac{ V-(R_{a}+R_{s})I_{a} }{K(Φ_{f}+Φ_{s})}$$となります。

ここで少し戻って、直巻電動機の場合、回転速度は$$N≒\frac{V}{K^{“}I_{a}}$$とあらわされ、無負荷運転($I_{a}$が小さい)とすると速度が非常に大きくなり危険となるのでした。しかし、複巻電動機の場合電機子電流が小さくなっても($Φ_{s}$が小さくなっても)、分巻界磁巻線による磁束$Φ_{f}$が存在するおかげで、直巻のような危険速度にはならないということになりました。

四方式の特性をグラフで見てみよう

ここで前回から学んできた「分巻・他励・直巻・複巻」の4パターンの「”回転速度又はトルク”と”電機子電流”」の関係をグラフで見比べてみましょう。

<画像4>

他励と分巻の特性はすごく似ていますが、両者ともに終盤にかけてトルクの傾きが小さくなっています。これは、”電機子反作用“という現象によって起こっています。

直流機の電機子反作用は↓で解説していますので興味がある方は是非ご覧ください。


複巻電動機は「直巻と分巻の複合」ということで、グラフも両者の中間のようになっていること。直巻電動機はトルクも回転速度も変化が急になっていること。がこのグラフから分かります。

過去には「どのグラフがどの励磁方式か」ということを問われた問題もありますので、しっかり理解しておいてください。

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まとめ

二記事にわたり、「他励・分巻・直巻・複巻」の四種類の方式を説明しました。電験三種機械科目では、直流機は頻出となっています。今回は”電動機”の説明をしましたが、発電機も概要は同じです。ただ少し計算の仕方が異なります。次回は直流発電機の概要を簡単に説明したところで、実際に計算問題を解いてみましょう。

では、ありがとうございました!

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