《機械》〈直流機〉[R08上:問7]交流整流子モータの特徴に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

次の文章は，交流整流子モータに関する記述である。

交流整流子モータは，直流直巻電動機に類似した構造となっている。直流直巻電動機では，加える直流電圧の極性を逆にしても，磁束と電機子電流の向きが共に\( \ \fbox {　（ア）　} \ \)ので，トルクの向きは変わらない。交流整流子モータは，この原理に基づき回転力を得ている。

構造上の特徴として，交流整流子モータでは，磁気回路の磁束が交番するので，界磁鉄心および継鉄を\( \ \fbox {　（イ）　} \ \)としていることが挙げられる。

交流整流子モータは，一般に始動トルクが大きく，回転速度が\( \ \fbox {　（ウ）　} \ \)なので，電気ドリル，電気掃除機，小型ミキサなどのモータとして用いられている。なお，小容量のものでは，交流と直流の両方に使用できるものもあり，\( \ \fbox {　（エ）　} \ \)と呼ばれる。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(エ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

\[
\begin{array}{ccccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） \\
\hline
(1) & 　逆になる　 & 　塊状鉄心　 & 　高速　 & 　ユニバーサルモータ　 \\
\hline
(2) & 　逆になる　 & 　積層鉄心　 & 　高速　 & 　ユニバーサルモータ　 \\
\hline
(3) & 　変わらない　 & 　積層鉄心　 & 　低速　 & 　ブラシレス\mathrm {DC}モータ　 \\
\hline
(4) & 　変わらない　 & 　塊状鉄心　 & 　低速　 & 　ユニバーサルモータ　 \\
\hline
(5) & 　変わらない　 & 　積層鉄心　 & 　高速　 & 　ブラシレス\mathrm {DC}モータ　 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

交流整流子モータに関する問題ですが，実質は直巻電動機の特性をきちんと理解しているかを問う問題となっています。
問題文をよく読んで，特に（ウ）等は冷静に考えれば正答は導き出せますので，基本を大事に勉強を続けて下さい。
本問は令和2年問6の（イ）の空欄のみ変更した問題です。

1.直巻電動機の等価回路と特性
直巻電動機の等価回路を図1に示します。\( \ E \ \mathrm {[V]} \ \)は逆起電力，\( \ V \ \mathrm {[V]} \ \)は端子電圧，\( \ I_{\mathrm {a}} \ \mathrm {[A]} \ \)は電機子電流，\( \ I_{\mathrm {f}} \ \mathrm {[A]} \ \)は界磁電流，\( \ R_{\mathrm {a}} \ \mathrm {[\Omega ]} \ \)は電機子抵抗，\( \ R_{\mathrm {f}} \ \mathrm {[\Omega ]} \ \)は界磁抵抗です。
直巻電動機の特徴は電機子回路と界磁回路が直列であるということであり，磁束を\( \ \phi \ \mathrm {[Wb]} \ \)，回転速度を\( \ N \ \mathrm {[{min}^{-1}]} \ \)とすると，\( \ \phi ∝ I_{\mathrm {f}}=I_{\mathrm {a}} \ \)となるので，逆起電力\( \ E \ \mathrm {[V]} \ \)は，
\[
\begin{eqnarray}
E &=&k_{\mathrm {e}}\phi N \\[ 5pt ] &=&k_{\mathrm {e}}^{\prime } I_{\mathrm {f}} N \\[ 5pt ] &=&k_{\mathrm {e}}^{\prime } I_{\mathrm {a}} N \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となります。またトルク\( \ T \ \mathrm {[N\cdot m]} \ \)は，
\[
\begin{eqnarray}
T &=&k_{\mathrm {f}}\phi I_{\mathrm {a}} \\[ 5pt ] &=&k_{\mathrm {f}}^{\prime } I_{\mathrm {a}}^{2} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となり，トルクが電機子電流の\( \ 2 \ \)乗に比例します。