《機械》〈回転機〉[H29:問2]界磁に永久磁石を用いた直流機の回生制動に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

界磁に永久磁石を用いた磁束一定の直流機で走行する車があり，上り坂では電動機運転を，下り坂では常に回生制動(直流機が発電機としてブレーキをかける運転)を行い，一定の速度(直流機が一定の回転速度)を保って走行している。
この車の駆動システムでは，直流機の電機子銅損以外の損失は小さく無視できる。電源の正極側電流，直流機内の誘導起電力などに関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

(1)　上り坂における正極側の電流は，電源から直流機に向かって流れている。

(2)　上り坂から下り坂に変わるとき，誘導起電力の方向が反転する。

(3)　上り坂から下り坂に変わるとき，直流機が発生するトルクの方向が反転する。

(4)　上り坂から下り坂に変わるとき，電源電圧を下げる制御が行われる。

(5)　下り坂における正極側の電流は，直流機から電源に向かって流れている。

【ワンポイント解説】

図1の直流機の等価回路において，\( \ V ＞ E \ \)の時，直流電動機となり，\( \ I_{a} \ \)は図の左方向に流れます。一方，\( \ V ＜ E \ \)の時，直流発電機となり，電機子電流\( \ I_{\mathrm {a}} \ \)は図の右方向に流れます。

1.直流機のトルク\( \ T \ \)
極数\( \ p \ \)，全電機子導体数\( \ Z \ \)，磁束\( \ \phi \ \)，電機子巻線並列回路数\( \ a \ \)，電機子電流\( \ I_{a} \ \)とすると，
\[
\begin{eqnarray}
T&=&\frac {pZ}{2\pi a}\phi I_{\mathrm {a}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] で表され，\( \ p \ \)，\( \ Z \ \)，\( \ a \ \)は一定であるから，
\[
\begin{eqnarray}
T&=&k\phi I_{\mathrm {a}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となり，トルクは磁束と電機子電流の積に比例します。

【解答】

解答：(2)
(1)正しい
問題文の通り，上り坂においては，直流機は電動機として働くことになるので，電流は電源から直流機に向かって流れます。

(2)誤り
図1の通り，上り坂から下り坂に変わると，電機子電流\( \ I_{\mathrm {a}} \ \)が反転しますが，電圧は\( \ V ＞ E \ \)の関係が\( \ V ＜ E \ \)となるだけであり，誘導起電力\( \ \underline E \ \)の方向は同方向となります。

(3)正しい
直流機が発生するトルクの方向は，ワンポイント解説「1.直流機のトルク\( \ T \ \)」の通り電機子電流\( \ I_{\mathrm {a}} \ \)の向きと同方向となります。したがって，トルクの方向は反転します。

(4)正しい
問題文の通り，上り坂から下り坂に変わるときは，電源電圧\( \ V \ \)を下げ，\( \ V ＜ E \ \)となるように制御が行われます。

(5)正しい
問題文の通り，下り坂においては，直流機は発電機として働くことになるので，電流は直流機から電源に向かって流れます。