直流機の原理と構造

機械-1　電気機器・パワーエレクトロニクス・応用・制御

電機子
界磁
整流子
ブラシ
誘導起電力
電機子反作用
補極

はじめに

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「モーターや発電機って、中で何が起きているのか想像がつかない……」

機械の科目を始めた人の多くが、最初にこう感じます。モーターは、電気を流すとくるくる回ります。発電機は、軸を回すと電気が出てきます。どちらも外から見ると、ただの金属の箱です。

例えば、模型やおもちゃに入っている小さなモーターは、乾電池の直流で回ります。ところが、コイルを磁石の中で回すと、理論の科目で学んだとおり、生まれる電気の向きは半回転ごとに入れかわります。つまり、そのままでは交流になってしまうはずです。

実は、回る部分の端に付いた小さな部品が、半回転ごとに電気の通り道を切りかえています。この切りかえのおかげで、回る機械から向きのそろった直流を取り出せるのです。

そこで登場するのが、今回の主役 直流機 です。直流の電気をつくる直流発電機と、直流で回る直流電動機をまとめた呼び名で、どちらもまったく同じ構造をしています。

今回の記事では、直流機の構造（界磁と電機子）、整流子とブラシ、誘導起電力の式、電機子反作用と補極について解説します。直流機は、電験三種の機械で学ぶ回転機の入り口で、理論で学んだ電磁誘導が実際の機械でどう使われるかが見える分野です。

直流機の構造：界磁と電機子

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はじめに、直流機の構造について紹介します。

直流機は、大きく分けると「止まっている部分」と「回る部分」でできています。止まっている部分が磁束をつくり、回る部分がその磁束の中で電気のはたらきをします。洗濯機のドラムが、外枠の中でくるくる回るようなイメージです。

止まっている側で磁束をつくる部分を界磁と呼びます。界磁は、鉄心でできた磁極に 界磁巻線 を巻き、そこに電流（界磁電流）を流して電磁石にしたものです。小さなモーターでは、永久磁石を使うこともあります。

磁極の外側をぐるりと囲む鉄の外枠は継鉄と呼ばれます。継鉄は機械の外箱であると同時に、N極から出た磁束がS極へ戻ってくるための通り道でもあります。

一方、回る側の部分を 電機子 と呼びます。電機子は、円筒形の電機子鉄心と、その表面のみぞ（スロット）に納めた電機子巻線でできています。発電機では、電機子の導体が磁束を横切って起電力を生みます。電動機では、電機子の導体に流れる電流が磁界から力を受けて回ります。

電機子鉄心は、一枚の鉄のかたまりではなく、薄いけい素鋼板を何枚も重ねてつくります。電機子は磁束の中で回るので、鉄心の中に渦電流が流れて熱になってしまいます。薄い板を絶縁して重ねると、渦電流の通り道が細切れになり、損失を小さくできるのです。

【直流機のおもな部分】

界磁：磁束をつくる止まった部分（磁極と界磁巻線）
継鉄：外枠で、磁束の通り道
電機子：磁束の中で回り、起電力や力を生む部分
整流子とブラシ：電機子と外の回路をつなぐ部分（次の節で学びます）

ここで1つ大切なことがあります。直流機は、軸を外から回せば発電機になり、電機子に電流を流せば電動機になります。同じ1台の機械が、使い方しだいでどちらにもなるのです。

このように、直流機は、止まっている界磁がつくる磁束の中で、電機子が回るというのが骨組みです。

以上が、直流機の構造についてです。

整流子とブラシ：交流を直流に変えるしくみ

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次に、整流子とブラシについて紹介します。

1. コイルを回すと交流が生まれる

N極とS極の間で、1巻きのコイルを回してみます。理論の科目で学んだ フレミングの右手の法則 によると、磁束を横切る導体には起電力が生じます。向きは、親指を導体の動く向き、人差し指を磁界の向きに合わせたときの、中指の向きです。

コイルの片側の導体は、半回転のあいだN極の前を通り、次の半回転ではS極の前を通ります。磁界の向きが逆になるので、起電力の向きも半回転ごとに入れかわります。つまり、コイルの中に生まれるのは交流です。

水にたとえると、ポンプが水を右へ押したり左へ押したりして、管の中の水が行ったり来たりしている状態です。このままでは、外の回路に一方向の流れを送れません。

2. 整流子とブラシのはたらき

そこで登場するのが、整流子 と ブラシ です。

整流子は、銅でできた細長い 整流子片 を円筒の形に並べたもので、電機子の軸に取り付けられています。整流子片どうしは、マイカ（雲母）などで絶縁されています。それぞれの整流子片にはコイルの端がつながっていて、電機子と一緒に回ります。

ブラシは、止まっている側にある炭素（黒鉛）の小さなかたまりです。ばねで整流子に押しつけられていて、回る整流子をこすりながら、外の回路と電気的につないでいます。

1巻きのコイルで考えると、しくみはこうです。コイルの両端は、2つの整流子片につながっています。半回転すると、コイルの起電力の向きが逆になります。ところが、ちょうどそのとき、ブラシが触れる整流子片も入れかわります。コイルの向きと、外とのつなぎ方が同時にひっくり返るので、外の回路から見ると、電流はいつも同じ向きに流れます。

水のたとえで言うと、整流子とブラシは「半回転ごとに管のつなぎ方を入れかえる切りかえ弁」です。ポンプが押す向きが変わるたびに弁を切りかえるので、外の管にはいつも一方向に水が流れます。

なお、コイルの電流の向きを、ブラシの下で切りかえることを整流と呼びます。整流子は、交流を直流に変える「機械じかけの整流器」なのです。

3. コイルを増やして平らな直流にする

ただし、コイルが1つだけだと、取り出した電圧は 0 から最大まで大きく波打ちます。向きはそろっていますが、大きさが脈打つので、これを脈流と呼びます。

実際の直流機では、少しずつ向きをずらしたコイルをたくさん巻き、整流子片も数十個に増やします。ずれた波を重ねると、山と谷が埋め合わされて、ほとんど平らな直流になります。

例えば、電動工具などのモーターにも、整流子とブラシを使うものがあります。ブラシはこすれて少しずつすり減るので、定期的に交換する部品です。

試験のポイント：整流子は回る側（電機子と一緒に回る）、ブラシは止まっている側です。「整流子はコイルに生じる交流を直流に変えて取り出す」という役割の正誤がよく問われます。

このように、整流子とブラシは、半回転ごとに外とのつなぎ方を切りかえて、コイルに生じる交流を直流にして取り出す部品です。

以上が、整流子とブラシについてです。

誘導起電力：磁束と回転速度に比例する

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続いて、直流機の誘導起電力について紹介します。

1. 導体1本の起電力

まず、導体1本から考えます。理論で学んだとおり、磁束密度 $B$ ［T］の中を、長さ $\ell$ ［m］の導体が速さ $v$ ［m/s］で横切ると、次の起電力が生じます。

e = B \ell v

例えば、磁束密度 0.8T の中を、長さ 0.3m の導体が 20m/s で横切ると、 $e = 0.8 \times 0.3 \times 20 = 4.8$ V です。1本では数ボルトにしかなりません。

2. 直流機全体の誘導起電力

直流機では、たくさんの導体を直列につないで、大きな電圧をつくります。乾電池を何本も直列につなぐと電圧が足し算になるのと同じです。直流機全体の 誘導起電力 は、次の式で表されます。

E = \frac{pZ}{60a} \Phi N

記号の意味は次のとおりです。

【誘導起電力の式の記号】

$E$ ：誘導起電力［V］
$p$ ：磁極の数（極数）
$Z$ ：電機子の導体の総数
$a$ ：電機子巻線の並列回路の数
$\Phi$ ： 1極あたりの磁束［Wb］
$N$ ：回転速度［min⁻¹］（1分間あたりの回転数）

式の意味を、言葉でほぐしてみましょう。導体1本は、1回転するあいだに $p$ 個の磁極の前を通るので、合わせて $p\Phi$ の磁束を横切ります。1秒間の回転数は $N/60$ なので、導体1本の平均の起電力は $p\Phi N/60$ です。

電機子巻線は、 $a$ 組の並列の回路に分かれています。1組の回路には $Z/a$ 本の導体が直列に並ぶので、全体の起電力は「導体1本の起電力 × $Z/a$ 」になります。これがさきほどの式です。

並列回路の数 $a$ は、巻線の巻き方で決まります。

【巻き方と並列回路の数】

重ね巻： $a = p$ （極数と同じ）。電流を多くの回路に分けるので、低電圧・大電流向き
波巻： $a = 2$ （極数によらず2）。直列の導体が多いので、高電圧・小電流向き

3. 起電力は磁束と回転速度に比例する

1台の直流機では、 $p$ ・ $Z$ ・ $a$ は作ったときに決まっていて変わりません。そこで、 $K = pZ/(60a)$ とまとめると、次のように書けます。

E = K \Phi N

言葉で言うと、「誘導起電力は、磁束と回転速度の積に比例する」です。磁束を強くするか、速く回せば、電圧は大きくなります。自転車のライトの発電機が、速くこぐほど明るく光るのと同じ理屈です。

例題：誘導起電力を求める

極数 4、電機子の導体の総数 480、1極あたりの磁束 0.025Wb の直流発電機を、1500min⁻¹ で回しました。電機子巻線が重ね巻のとき、誘導起電力は何Vでしょうか？また、波巻ならどうなるでしょうか？

【解き方】

重ね巻なので、並列回路の数は $a = p = 4$
導体1本の平均の起電力を求める： $4 \times 0.025 \times 1500 \div 60 = 2.5$ V
直列の導体の数を求める： $480 \div 4 = 120$ 本
誘導起電力を求める： $2.5 \times 120 = 300$ V

答えは300Vです。波巻なら $a = 2$ なので、直列の導体は 240 本になり、起電力は2倍の 600V です。

例題：回転速度と磁束を変えたとき

ある直流発電機を 1200min⁻¹ で回すと、誘導起電力は 220V でした。回転速度を 1500min⁻¹ に上げ、同時に界磁電流を調整して磁束を 10% 減らすと、誘導起電力は何Vになるでしょうか？

【解き方】

$E = K\Phi N$ なので、起電力は磁束と回転速度に比例する
回転速度の倍率： $1500 \div 1200 = 1.25$ 倍
磁束の倍率： 10% 減るので $1 - 0.1 = 0.9$ 倍
起電力を求める： $220 \times 1.25 \times 0.9 = 247.5$ V

答えは247.5Vです。 $K$ の値を知らなくても、比を使えば解けるのがポイントです。

試験のポイント：重ね巻は $a = p$ 、波巻は $a = 2$ です。また、回転速度は［min⁻¹］で与えられることが多いので、式の 60 で割るのを忘れないようにしましょう。

このように、直流機の誘導起電力は $E = \dfrac{pZ}{60a}\Phi N$ で求まり、1台の機械では磁束と回転速度に比例します。

以上が、誘導起電力についてです。

電機子反作用と補極：負荷電流が磁束を乱す

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最後に、電機子反作用と補極について紹介します。

1. 電機子反作用とは

発電機に負荷をつなぐと、電機子巻線に電流が流れます。電流が流れると、そのまわりには磁界ができます。つまり、電機子も一種の電磁石になって、自分の磁界をつくるのです。

この電機子電流の磁界が、界磁のつくる磁束に影響することを 電機子反作用 と呼びます。まっすぐ流れていた川に、横から別の流れが入り込むと、川の流れが片側に寄ってしまいます。電機子反作用は、ちょうどそのような現象です。

2. 電機子反作用で起きること

電機子反作用が起きると、おもに次の3つの困ったことが起こります。

【電機子反作用の影響】

磁束の分布が片寄る：磁極の片側では磁束が強まり、反対側では弱まります（偏磁作用、交差磁化作用ともいいます）
主磁束が減る：強まった側の鉄心が磁気飽和して、増えるぶんより減るぶんが大きくなり、全体の磁束が少し減ります（減磁作用）。発電機では誘導起電力が下がります
中性軸が動いて整流が悪くなる：ブラシと整流子の間に火花が出やすくなり、整流子やブラシが傷みます

3つ目について、少し詳しく見ていきましょう。電機子の導体が磁束を横切らず、起電力が 0 になる位置を 中性軸 と呼びます。ブラシは、この中性軸の位置でコイルの電流を切りかえるように置かれています。ところが、電機子反作用で磁束が片寄ると、中性軸の位置もずれてしまいます。ずれる向きは、発電機では回転の向き、電動機では回転と反対の向きです。

すると、ブラシで切りかえる瞬間にもコイルに起電力が残り、火花が飛ぶのです。