直流機の基礎

機械の分野でウエイトを占めているのが電動機や発電機です。
直流の電力を作る直流発電機や直流によって動力を発生させる直流電動機を直流機と言います。
本項では直流機の基礎となる構造や種類について説明します。

直流機の構造の一例として下図があります。

直流発電機も直流電動機も構造は同じで、図のように負荷が接続されているのが発電機、直流電源が接続されているのが電動機です。

直流機は以下の表の部品で構成されています。

それぞれに説明を加えましょう。
界磁は、図にある電磁石のことで、磁束を作る役割があります。図は仕組みをわかりやすくするため簡略化していますが、鉄心とそれを巻いている巻線があり、それぞれを界磁鉄心界磁巻線といいます。
図の界磁はN極とS極、2つなので磁極数2と表し、磁極数が多ければ回転数が少なくても電力を作れます。磁極数はN・S極で1組となるので偶数になります。

電機子は、実際の直流機では図のような形ではなく、円筒形の鉄心の表面部分に切り込みを入れ、そこにコイルを巻きつけている部品です。この鉄心を電機子鉄心、コイルを電機子巻線といいます。

電機子巻線に電流が流れると磁界が生じ、界磁が作る磁束に影響を与えます。これを電機子反作用といいます。
電機子反作用には以下のようなデメリットがあります。

  • 整流の悪化
  • 主磁束(界磁の磁束)の減少
  • 整流子片間に火花やフラッシュオーバーが発生しやすい

これらは直流機の仕事効率の悪化や事故に繋がりかねません。
そこで電機子反作用を防止するために、補極や補償巻線を設置します。
補極とは主磁極の間に設置する磁極で、整流の悪化を防ぎます。
補償巻線とは磁極の表面につけた巻線で、電機子電流の起磁力を打ち消します。

整流子は電機子と回路を繋ぐ役目の部品です。

直流機の基本的な構造の説明は以上です。

続いて直流発電機と直流電動機の種類について説明します。
どちらも下表の種類に分けられます。

それぞれの種類を回路図にして説明します。
図は全て発電機ですが、回路図の外部負荷が直流電源になれば電動機です。
ただし、電流の向きが逆になるので式の+(プラス)と-(マイナス)が逆になります。
(他励式のみ参考として電動機の図を記します)

他励式

この回路は外から界磁電流を取り込んで電機子電流が流れます。そうすると負荷にも同じ大きさの電流が流れるので以下の式が成り立ちます。

分巻式
電機子と界磁が並列に接続されています。

直巻式
電機子と界磁が直列に接続されています。

複巻式
図のように界磁が電機子に対して直列にも並列にも接続されています。
複巻式の場合、発電機と電動機の式は符号を入れ替えるだけではないので注意してください。

本項では直流機の基本的な構造と種類の説明をしました。
直流機を含む回転機は試験でも出題数が多いのでしっかり学んでおきましょう。



 

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