三相誘導電動機の原理と構造【電験三種-機械】

機械

電験三種の機械で出題される三相誘導電動機の原理と構造について、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。また、電験三種の試験で、実際に出題された過去問も解説しています。

誘導電動機の回転の原理

図1(a)において、磁石を矢印の向きに動かすと、円板には、フレミングの右手の法則に従う向きに、渦電流が流れます。この電流は、磁極の真下すなわち、磁界の中を流れるので、円板はフレミングの左手の法則に従う向き、すなわち磁石の移動ど同じ向きに力を受けます。したがって、円板の軸は、磁石の移動する向きに回転します。

このことは、図(b)についてもいえます。磁石を回転させると、円筒には起電力が誘導され、渦電流が流れるので、この電流と磁束との間に力が働き、円筒の軸は磁石と同じ向きに回転します。これが誘導電動機の回転原理です。

実際には、磁石を回転させて動力を得るのでは意味がありませんので、電気的な方法で、磁石を回転させたのと同じ効果があるように工夫されています。

図1 誘導電動機の回転の原理

2極の回転磁界

三相交流の回転磁界をつくるには、図2に示すように、 aa′ ,bb′ ,cc’ の三つのコイルをたがいに$\displaystyle\frac{2π}{3}$[rad]ずつずらして配し、それぞれのコイルに図3に示す三相交流を流します。各時刻における合成磁束の向きは、図3に示すようになります。たとえば、時刻 $t_1$ において、コイル bb′ には、負の最大電流が、コイル aa’,cc′ には正の向きの電流が流れ、合成磁束は図3の $t=t_1$ 時の矢印の向きになります。したがって、時刻 $t_1$ から $t_7$ までの電流変化の1周期の間における合成磁束の矢印の向きは時計まわりに1回転して、時刻 $t_7$ では時刻 $t_1$ のときと同じ向きになります。

図2 回転磁界をつくる固定子巻線
図2 2極の回転磁界

つまり、電流が1周期流れる間に、合成磁束も1回転することになります。この場合、各時刻における、合成磁束の向きを示すN,Sを2極の回転磁界とよびます。また、この巻線の配置のしかたを採用している誘導電動機を、三相2極誘導電動機とよびます。したがって、$f$[Hz]の交流では、回転磁界は1秒間に $f$ 回転します。

多極の回転磁界

固定子鉄心にコイル$a_1a_1′,a_2a_2′$ (a相),コイル$b_1b_1,b_2b_2′ $(b相),コイル$c_1c_1′,c_2C_2′ $(C相)を図4のように配置すします。これらを三相結線し、図3に示す三相交流を流します。

図4 極巷巻線の配置と接続
図5 4極の回転磁界

いま、a相の電流 $i_a$ が正のとき、電流の向きを図に示すように A→$a_1$→$a_1’$→$a_2$→$a_2’$→$O$ の向きに定めれば、図3の時刻 $t_1$ では、$i_a$,$i_c$ が正、$i_b$ が負ですので、各巻線の電流の向きは、図4(b)および図5の①に示すようになり、N,Sの磁極が2組($N_1,S_1$ と $N_2,S_2$)できることがわかります。このようなコイルは4極巻とよばれ、時刻 $t_1$ から $t_7$ までの電流変化1周期の間に回転磁界は$\displaystyle\frac{1}{2}$回転します。一般に、$p$ 極の場合には、$\displaystyle\frac{2}{p}$ 回転することになりますので、交流の周波数を $f$[Hz]とすれば、回転磁界の回転速度 $n_s$[min$^{-1}$]は、次の式で表わすことができます。

$n_s=\displaystyle\frac{2f}{p}×60=\displaystyle\frac{120f}{p}$[min$^{-1}$]

このように、極数 $p$と周波数 $f$[Hz]で決まる回転速度 $n_s$[min$^{-1}$] を同期速度といいます。

三相誘導電動機の構造

三相誘導機の構造は、図6のように、回転磁界をつくる固定子、回転力を発生させる回転子などから構成されています。

図6 三相誘導機の構造

固定子

固定子は、固定子枠・鉄心・巻線の三つの部分からなりたっています。

鉄心

鉄心材料には、厚さ0.35mmまたは、0.5mmの電磁鋼板が用いられています。これを必要な枚数だけ積み重ねて積層鉄心としています。図7(a)は固定子用電磁鋼板で、巻線を収めるためのスロットが打ち抜いてあります。図(b)は、電磁鋼板を重ね合わせた鉄心、いわゆる積層鉄心であり、これを図(c)の固定子枠で保持します。

図7 誘導電動機の固定子

巻線

三相交流を流すためのコイルで、図8(a)に示すきっこう形にするのがふつうです。小電力用電動機の巻線には、ホルマール線やポリエステル線などの丸銅線が用いられ、大電力用ではガラス巻線の平角銅線が用いられます。なお、図8(a)の巻線は、図(b)に示すように、巻線絶縁を介してスロットの中に収められます。

スロットの中の巻線は、動かないようにくさびを入れて固定します。なお、スロットの形には、図8(c)に示す開放形と半閉形があります。

図8 巻線とスロット

回転子

回転子は、円筒状の銅筒でもよいと思われますが、大きな誘導電流が流れるようにするため、図9に示すかご形と巻線形とがあります。なお、かご形には図9の(a),(b)の二つがあります。

図9 回転子

図9(a)のかご形回転子は、積層鉄心のスロットに、絶縁しない棒状の導体を差し込み、その両端を太い銅環で短絡してつくられます。この短絡用の銅環を端絡環といいます。図9(b)のかご形アルミダイカスト回転子は、15kW以下の誘導電動機に用いられ、高い純度のアルミニウムを、スロットに加圧鋳入したものです。図9(b)に示すように、端絡環・通風翼が一体となっています。

これらの回転子が用いられる三相誘導電動機は、三相かご形誘導電動機とよばれ、小容量の電動機に多く用いられています。

巻線形回転子は、固定子と同じように、積層鉄心に絶縁電線を用いて三相巻線を施したものです。この回転子巻線の端子はs図9(c)に示すように、スリップリングという環状の導体に接続されており、さらにブラシを通して外部の可変抵抗器に接続することにより、始動特性を改善したり、速度制御をすることができます。このような三相誘導電動機は、三相巻線形誘導電動機とよばれ、比較的大容量の電動機に用いられています。

誘導電動機の特徴

誘導電動機は、直流電動機に比べて次のような特徴があります。

  1. 整流子がいらないので、構造が簡単である。
  2. かご形誘導電動機は、回転子に棒状の導体を用いているので、過酷な使用に耐えられる。

このようなことから、誘導電動機は、ポンプ・巻上機・工作機械などに広く使われています。

電験三種-機械(誘導機)過去問

2004年(平成16年)問3

かご形三相誘導電動機のかご形回転子は、棒状の導体の両端を( ア )に溶接又はろう付けした構造になっている。小容量と中容量の誘導電動機では、導体と( ア )と通風翼が純度の高い( イ )の加圧鋳造で造られた一体構造となっている。一方、巻線形三相誘導電動機の巻線形回転子では、全スロットに絶縁電線を均等に分布させて挿入した巻線の端子は、軸上に設けられた3個の( ウ )に接続され、ブラシを経て( エ )に接続できるようになっている。
上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に記入する語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)均圧環遠心力スイッチコンデンサ
(2)端絡環アルミニウムスリップリング外部抵抗
(3)端絡環スリップリングコンデンサ
(4)均圧環アルミニウムスリップリングコンデンサ
(5)端絡環遠心力スイッチ外部抵抗

2004年(平成16年)問3 過去問解説

かご形三相誘導電動機のかご形回転子は、棒状の導体の両端を( 端絡環 )に溶接又はろう付けした構造になっている。小容量と中容量の誘導電動機では、導体と( 端絡環 )と通風翼が純度の高い( アルミニウム )の加圧鋳造で造られた一体構造となっている。一方、巻線形三相誘導電動機の巻線形回転子では、全スロットに絶縁電線を均等に分布させて挿入した巻線の端子は、軸上に設けられた3個の( スリップリング )に接続され、ブラシを経て( 外部抵抗 )に接続できるようになっている。

答え(2)

2007年(平成19年)問3

三相巻線形誘導電動機は、( ア )を作る固定子と回転する部分の巻線形回転子で構成される。
固定子は、( イ )を円形又は扇形にスロットとともに打ち抜いて、必要な枚数積み重ねて積層鉄心を構成し、その内側に設けられたスロットに巻線を納め、結線して三相巻線とすることにより作られる。
一方、巻線形回転子は、積層鉄心を構成し、その外側に設けられたスロットに絶縁電線を挿入し、結線して三相巻線とすることにより作られる。絶縁電線には、小出力用では、ホルマール線や( ウ )などの丸線が、大出力用では、( エ )の平角銅線が用いられる。三相巻線は、軸上に絶縁して設けた 3 個のスリップリングに接続し、ブラシを通して外部(静止部)の端子に接続されている。この端子に可変抵抗器を接続することにより、( オ )を改善したり、速度制御したりすることができる。
上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

(ア)(イ)(ウ)(エ)(オ)
(1)回転磁界高張力鋼板ビニル線ガラス巻線効 率
(2)回転磁界けい素鋼板ポリエステル線ガラス巻線始動特性
(3)電磁力けい素鋼板ビニル線エナメル線効 率
(4)電磁力高張力鋼板ポリエステル線エナメル線効 率
(5)回転磁界けい素鋼板ポリエステル線エナメル線始動特性

2007年(平成19年)問3 過去問解説

三相巻線形誘導電動機は、( 回転磁界 )を作る固定子と回転する部分の巻線形回転子で構成される。
固定子は、( けい素鋼板 )を円形又は扇形にスロットとともに打ち抜いて、必要な枚数積み重ねて積層鉄心を構成し、その内側に設けられたスロットに巻線を納め、結線して三相巻線とすることにより作られる。
一方、巻線形回転子は、積層鉄心を構成し、その外側に設けられたスロットに絶縁電線を挿入し、結線して三相巻線とすることにより作られる。絶縁電線には、小出力用では、ホルマール線や( ポリエステル線 )などの丸線が、大出力用では、( ガラス巻線 )の平角銅線が用いられる。三相巻線は、軸上に絶縁して設けた 3 個のスリップリングに接続し、ブラシを通して外部(静止部)の端子に接続されている。この端子に可変抵抗器を接続することにより、( 始動特性 )を改善したり、速度制御したりすることができる。

答え(2)

2009年(平成21年)問3

三相誘導電動機は、( ア )磁界を作る固定子及び回転する回転子からなる。
回転子は、( イ )回転子と( ウ )回転子との 2 種類に分類される( イ )回転子では、回転子溝に導体を納めてその両端が( エ )で接続される。
( ウ )回転子では、回転子導体が( オ )、ブラシを通じて外部回路の接続される。
上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

(ア)(イ)(ウ)(エ)(オ)
(1)回 転円筒型巻線形スリップリング整流子
(2)固 定かご形円筒型端絡環スリップリング
(3)回 転巻線形かご形スリップリング整流子
(4)回 転かご形巻線形端絡環スリップリング
(5)固 定巻線形かご形スリップリング整流子

2009年(平成21年)問3 過去問解説

三相誘導電動機は、( 回転 )磁界を作る固定子及び回転する回転子からなる。
回転子は、( かご形 )回転子と( 巻線形 )回転子との 2 種類に分類される( かご形 )回転子では、回転子溝に導体を納めてその両端が( 端絡環 )で接続される。
( 巻線形 )回転子では、回転子導体が( スリップリング )、ブラシを通じて外部回路の接続される。

答え(4)

2013年(平成25年)問3

三相誘導電動機の回転磁界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) 三相誘導電動機の一次巻線による励磁と、三相同期電動機の電機子反作用とは、それぞれの機種固有の表現になっているが、三相巻線に電流が流れて生じる回転磁界という点では同じ現象である。
(2)  3組のコイルを互いに電気角で 120 [°] ずらして配置し、三相電源から三相交流を流せば回転磁界ができる。磁界の回転方向を逆転させるには、三相電源の3線のうち、いずれかの2線を入れ換える。
(3) 交番磁界は正転と逆転の回転磁界を合成したものである。三相電源の3線のうち1線が断線した三相誘導電動機の回転磁界は単相の交番磁界であるが、正転の回転磁界が残っているので、静止時に負荷が軽い場合は正回転を始める。
(4) 回転磁界の隣り合う磁極間(N極とS極間)の幾何学的角度は、2極機は 180 [°]、4極機は 90 [°]、6極機は 60 [°]、8極機は 45 [°] であるが、電気角は全て 180 [°] である。
(5) 三相交流の1周期の間に、回転磁界は電気角で 360 [°] 回転する。幾何学的角度では、2極機は 360 [°]、4極機では 180 [°]、6極機では 120 [°]、8極機では 90 [°] 回転するので、極数を多くすると、回転速度を小さくすることができる。

2013年(平成25年)問3 過去問解説

(3)の記述で、単相の交番磁界は、正転と逆転の回転磁界の大きさは等しく向きは逆方向であるため、トルクは発生せず、静止時に回転を始めることはありません。。したがって、(3)の記述が誤りです。

答え(3)

2015年(平成27年)問3

誘導機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) 三相かご形誘導電動機の回転子は、積層鉄心のスロットに棒状の導体を差し込み、その両端を太い導体環で短絡して作られる。これらの導体に誘起される二次誘導起電力は、導体の本数に応じた多相交流である。
(2) 三相巻線形誘導電動機は、二次回路にスリップリングを通して接続した抵抗を加減し、トルクの比例推移を利用して滑りを変えることで速度制御ができる。
(3) 単相誘導電動機はそのままでは始動できないので、始動の仕組みの一つとして、固定子の主巻線とは別の始動巻線にコンデンサ等を直列に付加することによって回転磁界を作り、回転子を回転させる方法がある。
(4) 深溝かご形誘導電動機は、回転子の深いスロットに幅の狭い平たい導体を押し込んで作られる。このような構造とすることで、回転子導体の電流密度は定常時に比べて始動時は導体の外側(回転子表面側)と内側(回転子中心側)で不均一の度合いが増加し、等価的に二次導体のインピーダンスが増加することになり、始動トルクが増加する。
(5) 二重かご形誘導電動機は回転子に内外二重のスロットを設け、それぞれに導体を埋め込んだものである。内側(回転子中心側)の導体は外側(回転子表面側)の導体に比べて抵抗値を大きくすることで、大きな始動トルクを得られるようにしている。

2015年(平成27年)問3 過去問解説

(5)の記述で、内側(回転子中心側)の導体は外側(回転子表面側)の導体に比べて抵抗値を大きくしても、 電流が流れた際に損失が大きくなるだけですので、大きな始動トルクを得られるのと関係がありません。したがって、(5)の記述が誤りです。

答え(5)

機械電験3種
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