機械
電験三種 令和7年度下期 機械 問1
問題・正答・学習用解説
問題
直流電動機などの原動機では，負荷の増減によって，回転速度やトルクが変化する。直流分巻電動機の速度特性とトルク特性を示す正しい図に最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし，図の負荷電流は電機子電流と界磁電流の和であり， は無負荷電流の値である。端子電圧と界磁調整器の抵抗値は一定であるとする。
選択肢
正答と解説
正答：（5）
正答の考え方
正解は(5)です。直流分巻電動機は界磁巻線を電機子と並列に電源へつなぐため，界磁（分巻では端子電圧 V と等しい）と界磁回路抵抗 （界磁巻線＋界磁調整器）が一定なら，界磁 も一定で，界磁磁束 φ がほぼ一定に保たれます。回転速度は で表され，分子の （電機子抵抗による電圧降下）が負荷電流の増加とともに少しずつ増えるため，n は無負荷時からゆるやかに右下がりに低下します（ただし電機子反作用が無視できれば低下はわずか）。一方，電機子で発生するトルクは で，φ 一定なら電機子電流に比例します（とは，速度式とトルク式で区別した比例定数です）。図のTは軸から取り出すトルクなので，発生トルクから無負荷損を補うトルクを差し引きます。無負荷の電機子電流をとし，無負荷損に相当するトルクをほぼ一定とみなすと，となります。問題文の負荷電流には一定の界磁電流も含まれるため，Tは負荷電流がのとき0となり，そこから負荷電流に対してほぼ直線的に増加します。よって「n がほぼ水平で緩やかに右下がり」「T が 付近から右上がりの直線」という組合せの(5)が最も近い図です。
各選択肢の解説
選択肢1
(1)は負荷電流が増すとトルクTが低下し、回転速度nが増加する図です。端子電圧と界磁抵抗が一定の分巻電動機では、磁束はほぼ一定なので負荷電流の増加に伴い電機子電流とトルクが増え、抵抗降下により速度はわずかに低下します。両特性の向きが逆です。
選択肢2
(2)は回転速度 n が負荷とともに大きく低下し，トルク T が飽和曲線を描いています。速度が大きく垂れ下がるのは磁束が電流で増える直巻系の挙動に近く，磁束一定で速度変化の小さい分巻の特性とは一致しません。
選択肢3
(3)は回転速度 n が無負荷付近から急激に低下し，T が指数的（二乗的）に急増しています。これは界磁電流＝電機子電流で ，軽負荷で高速になる直巻電動機の典型特性であり，分巻電動機の図ではありません。
選択肢4
(4)は T がほぼ一定で n が右上がりに直線増加しており，速度とトルクの振る舞いが入れ替わっています。分巻では負荷増で速度は上がらず（むしろ微減），トルクが増えるのが正しいので，役割が逆で誤りです。
周辺知識
直流電動機は界磁の接続方式で特性が大きく変わり，分巻・直巻・複巻（和動／差動）に分類されます。分巻は界磁が端子電圧に支配されて磁束一定となるため，負荷が変わっても速度変化が小さい「定速度電動機」で，送風機・ポンプ・工作機械の主軸など一定速度が欲しい用途に向きます。これに対し直巻は界磁電流＝電機子電流なので軽負荷で磁束が小さく速度が跳ね上がり（無負荷では危険なほど高速になる），トルクは で立ち上がりが鋭く，電車・クレーン・始動トルクが要る用途に使われます。覚え方として『分巻＝速度ほぼ一定・トルク比例の直線』『直巻＝速度急低下・トルクは二乗で急増する曲線』と対で押さえると図問題に強くなります。実際には分巻でも負荷増で電機子反作用が起き，磁束がわずかに弱まって速度が逆に少し上がる（不安定化する）こともあり，これを打ち消すため補償巻線や安定巻線（弱い直巻界磁）を付けることがあります。速度制御は界磁制御（界磁調整器で磁束を変える＝定出力領域）と電機子電圧制御（定トルク領域）が基本です。図の選択肢では n と T のどちらが直線でどちらが曲線か，原点を通るか から始まるかが識別ポイントになります。