直流機の構造と原理 ミニテスト【第3回】

正解：（2）半分になる
起電力は E＝pZφN／(60a) で、並列回路数 a に反比例します。波巻は a＝2、重ね巻は極数と同じ a＝4 です。a が2倍になるので、起電力は半分です。導体1本の起電力はそのままで、直列に並ぶ本数が Z／2 から Z／4 に減った、と見ても同じです。
（1）8極の機械なら、a が2から8になるので4分の1です。この問題は4極です。（3）変わらないのは、導体1本の起電力と、起電力×取り出せる電流です。（4）向きが逆です。重ね巻を波巻に変えたときの値です。（5）8極で、重ね巻を波巻に変えたときの値です（第1回の第3問の表）。
重ね巻にすると、並列の列が2から4に増えるので、取り出せる電流は2倍になります。電圧が半分で電流が2倍なので、変換できる電力は同じです（解説記事の「重ね巻と波巻」）。並列回路数そのものは、第2回の第1問で確かめられます。

正解：（2）変わらない
起電力は E＝pZφN／(60a) です。巻線を変えなければ p・Z・a は同じなので、E は φ×N に比例します。1.5×(2/3)＝1。磁束が増えた分を、速さが下がった分がちょうど打ち消します。
（1）速さの変化だけを見た値です。磁束を1.5倍にしたことが抜けています。（3）磁束の変化だけを見た値です。速さを下げたことが抜けています。（4）掛けるところを割っています。1.5÷(2/3)＝2.25。起電力は、速さにも比例します。（5）磁束で割っています。(2/3)÷1.5＝4/9。起電力は、磁束にも比例します。
この式に、電機子電流は入っていません。起電力を動かせるのは、磁束（界磁電流で変える）と回転速度の2つだけです。電動機の逆起電力も同じ式で決まり、端子電圧に近い値でつり合います。だから、端子電圧を変えずに磁束を弱めると、回転速度は上がります。速さの変え方は直流機の特性と計算で扱います。

正解：（2）固定子＝界磁、回転子＝電機子
磁束をつくるのが界磁、その磁束を横切って起電力を生み、負荷の電流を流すのが電機子です。この機械では、界磁は動かない側（固定子）に、電機子は整流子と一緒に回る側（回転子）にあります。整流子は、電機子巻線と一緒に回りながら、止まっているブラシに触れる片を入れかえます。そのため、電機子を回る側に置きます。
（1）同期機でふつうの配置です。日本電気技術者協会の講座は、同期発電機について、一般には回転子の界磁巻線に直流を流し、固定子の電機子巻線に起電力を生む、と説明しています。（3）磁束をつくる側がなくなります。（4）起電力の生まれる巻線がなくなります。（5）役目は、はっきり分かれています。固定子には界磁と継鉄とブラシが、回転子には電機子鉄心・電機子巻線・整流子があります。
部品ごとの役目は、第1回の第1問と第2問の表、解説記事の「直流機のつくり」で確かめられます。

正解：（2）P＝ωT
回っているものの動力は、角速度とトルクの積です。単位を見ると、N·m×rad/s＝J/s＝W になります。回転速度 N［min⁻¹］で書くなら、ω＝2πN／60 を入れて P＝2πNT／60 です。
（1）（4）割り算では、単位が W になりません。（1）だと、速く回すほど出力が小さくなってしまいます。（3）トルクを2乗にする理由がなく、単位も合いません。（5）単位の違う量どうしは、足せません。
電機子の中でも、同じ形の式が成り立ちます。起電力×電機子電流（E×I_a）が、角速度×トルクに変わります（第1回の第4問）。軸の出力は、そこから鉄損と機械損を引いたものです。この式は、直流機にかぎらず、回る機械ならどれにも使えます。数値を入れた計算は第2回の第5問です。

正解：（3）90
発電機の式は V＝E−R_aI_a です。
・抵抗で落ちる電圧：0.5×20＝10 V
・端子電圧：100−10＝90 V
（5）足しています。110 V は、この機械を電動機にして20 A を流し込むときに、電源に要る電圧です。（1）（2）（4）は、起電力が同じで、電流だけが違うときの値です。
・（1）80：電流が40 A のとき
・（2）85：電流が30 A のとき
・（4）95：電流が10 A のとき
電流が増えるほど、端子電圧は下がります。電流が0（無負荷）なら、端子電圧は起電力と同じ100 V です（第1回の第3問）。
20 A のときの電力は、次のように分かれます。
・起電力×電流：100×20＝2,000 W
・抵抗で熱になる：10×20＝200 W
・端子へ出る：90×20＝1,800 W
式の符号は、第2回の第2問で確かめられます。