《機械》〈回転機〉[R2:問6]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,交流整流子モータの特徴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。

交流整流子モータは,一般に始動トルクが\( \ \fbox {  (イ)  } \ \),回転速度が\( \ \fbox {  (ウ)  } \ \)なので,電気ドリル,電気掃除機,小型ミキサー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。

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

【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。

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。\( \ E \ \)は逆起電力,\( \ V \ \)は端子電圧,\( \ I_{\mathrm {a}} \ \)は電機子電流,\( \ I_{\mathrm {f}} \ \)は界磁電流,\( \ R_{\mathrm {a}} \ \)は電機子抵抗,\( \ R_{\mathrm {f}} \ \)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\( \ \phi \ \),回転速度を\( \ N \ \)とすると,\( \ \phi ∝ I_{\mathrm {f}}=I_{\mathrm {a}} \ \)となるので,逆起電力\( \ E \ \)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\( \ T \ \)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。

【解答】

解答:(5)
(ア)
図2及び図3の通り,電圧の極性を逆にすると,界磁電流と電機子電流の向きが共に逆になり,磁束と界磁電流は比例するので,磁束も電機子電流も逆になり,トルクの向きが変わらなくなります。

(イ)
交流整流子モータは,始動トルクが大きいという特徴があります。これは覚えておくしかありませんが,電気ドリルや小型ミキサなどの始動時をイメージすればトルクが大きいか小さいかが想像がつくと思います。

(ウ)
交流整流子モータは,回転速度が高速という特徴があります。(イ)同様,運転中の電気ドリル,電気掃除機,小型ミキサの状態がヒントになっています。

(エ)
交流整流子モータは,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,ユニバーサルモータとも呼ばれます。(基本的に使用するのは交流が一般的です。)
近年は受験種別を問わずブラシレスDCモータに関する出題が増えてきている印象がありますので,チェックしておいて下さい。