令和6年度第三種電気主任技術者上期試験　機械科目 問10 解説 問1 直流機の構造と電機子反作用

直流機において、界磁巻線に電流を流して固定子磁束を発生させ、電機子を回転子とすることで、電機子反作用による電気的中性軸の移動に伴う火花の発生を防ぐために小形機では補極が用いられるため、正答は(5)です。

直流機の構造と電機子反作用

直流機は、固定子である界磁極と、回転する電機子で構成されます。電機子に電流が流れると、その電流によって電機子磁束が発生し、固定子から発生する主磁束に影響を与えます。これを電機子反作用と呼びます。

電機子反作用が発生すると、主磁束と電機子磁束が合成され、磁束分布が歪みます。本来、ブラシは「電気的中性軸」と呼ばれる、電圧が発生しない（誘導起電力がゼロとなる）位置に置く必要がありますが、電機子反作用によってこの軸が幾何学的な中性軸からずれてしまいます。このため、ブラシを適切な位置に維持できないと、整流時に整流子片とブラシの間に大きな電圧差が生じ、火花放電（火花）が発生して整流子を損傷させる原因となります。

電機子反作用の対策

電機子反作用を抑制または打ち消すための装置として、補償巻線と補極が用いられます。

1. 補極 主磁極の間の空間に設置される小さな磁極です。電機子電流によって生じる磁束を打ち消すような磁束を発生させ、電気的中性軸付近の磁束を改善し、整流を良好に保ちます。

2. 補償巻線 電機子の磁束を直接打ち消すために、主磁極の表面に埋め込まれる巻線です。電機子反作用を非常に効果的に抑制できますが、構造が複雑で高価になるため、主として大型機に採用されます。一方で、補極は構造が単純であるため、小形機において一般的に用いられます。

判断のステップ

1. 直流機の構造を確認します。直流機では固定子側に界磁極を、回転子側に電機子を配置するため、(ア)には「電機子」が入ります。
2. 電機子反作用の影響を特定します。磁束の歪みによって電圧がゼロになる位置がずれるため、ブラシを合わせるべき対象は「電気的」中性軸となります。
3. ブラシと整流子の関係を判断します。ブラシ位置が電気的中性軸からずれると、整流子片間に電圧が生じ、「火花」が飛ぶ原因となります。
4. 小形機での対策を決定します。補償巻線と補極のうち、構造が簡素で経済的な「補極」が小形機に選ばれます。

これらの用語を問題文の空欄に当てはめると、電機子、電気的、火花、補極の順となり、選択肢(5)が導かれます。

電機子と界磁極の配置関係や、磁束の歪みによる中性軸のずれを頭の中で図に重ねてみると、整流時に火花が発生する様子が見えてきます。

参考リンク

• 直流機の電機子反作用について（電気主任技術者試験の対策）
• DIYで小型直流モーターを分解して構造を観察してみた
• 直流機の電機子反作用の理論的定義（電気工学用語集）