〔機械011〕発電機と電動機の仕組みとは

〔機械011〕発電機と電動機の仕組みとは

発電機には、直流発電機と交流発電機(単相、三相)があり、電動機にも同じく直流と交流があります。これらの理解には、必ず界磁巻線と電機子巻線について学習することが必要です。あとは等価回路図を描くことができるようになると、オームの法則で解くことができます。

1. 直流発電機について

界磁巻線に直流を加え、回転子である電機子巻線を原動機(水力、蒸気力、エンジン等)で回転すれば、起電力〔V〕が発生します。その方向はフレミングの右手の法則で決まります。フレミングの右手の法則は、親指が回転方向、人差し指が界磁磁束方向(N→S極)、中指が起電力の方向となります。
直流発電機には自励式(直巻方式、分巻方式)と他励式があり、これらを組み合わせた複巻式があります。
発電機の中に電機子巻線がありますが、等価回路においてはこれを外に出して考えています。なお、量記号と単位は以下の通りで、ブラシの電圧降下は無視しています。
\displaystyle r_a〔Ω〕:電機子巻線抵抗、\displaystyle r_f〔Ω〕:界磁巻線抵抗、\displaystyle E〔V〕:起電力、\displaystyle V〔V〕:端子電圧(負荷電圧)、\displaystyle I_a〔A〕:電機子電流、\displaystyle I_f〔A〕:界磁電流、\displaystyle I〔A〕:負荷電流、\displaystyle N\displaystyle \rm min^{-1}〕:回転数

(a)直巻発電機

各値は次のように表されます。
・端子電圧 \displaystyle V = E-\left(r_a+r_f \right)I〔V〕
・出力電力 \displaystyle P = VI = I^2R〔W〕
・銅損 \displaystyle P_c = I^2r_a〔W〕
・鉄損 \displaystyle P_f = I^2r_f〔W〕
・発生電力 \displaystyle P_o = EI〔W〕

(b)分巻発電機

各値は次のように表されます。
・端子電圧 \displaystyle V = E-r_aI_a〔V〕
・出力電力 \displaystyle P = VI = I^2R〔W〕
・銅損 \displaystyle P_c = I^2r_a〔W〕
・鉄損 \displaystyle P_f = I_f^2r_f = \frac {V^2}{r_f}〔W〕
・発生電力 \displaystyle P_o = EI_a〔W〕

(c)他励発電機

各値は次のように表されます。
・端子電圧 \displaystyle V = E-r_aI〔V〕
・出力電力 \displaystyle P = VI = I^2R〔W〕
・銅損 \displaystyle P_c = I^2r_a〔W〕
・鉄損 \displaystyle P_f = I_f^2r_f〔W〕
・発生電力 \displaystyle P_o = EI〔W〕

2. 直流電動機について

界磁巻線と回転子である電機子巻線に直流を加えると、電磁力で電機子が回転子し電動機となります。その回転方向はフレミングの左手の法則で決まります。人差し指は界磁磁束の方向、中指は電機子電流の方向、親指が回転方向となります。なお、逆起電力はフレミングの右手の法則となります。
直流整流子電動機には、直巻、分巻、複巻などの種類があり、それぞれの特徴により用途が分かれています。

(a)直巻電動機

各値は次のように表されます。
・逆起電力 \displaystyle E = V-\left(r_a+r_f \right)I〔V〕
・出力電力 \displaystyle P = EI〔W〕
・銅損 \displaystyle P_c = I^2r_a〔W〕
・鉄損 \displaystyle P_f = I^2r_f〔W〕
・供給電力 \displaystyle P_i = VI〔W〕

(b)分巻発電機

各値は次のように表されます。
・逆起電力 \displaystyle E = V-r_aI_a〔V〕
・出力電力 \displaystyle P = EI_a〔W〕
・銅損 \displaystyle P_c = I_a^2r_a〔W〕
・鉄損 \displaystyle P_f = I_f^2r_f = \frac {V^2}{r_f}〔W〕
・供給電力 \displaystyle P_i = VI〔W〕

(c)他励発電機

各値は次のように表されます。
・逆起電力 \displaystyle E = V-r_aI〔V〕
・出力電力 \displaystyle P = EI〔W〕
・銅損 \displaystyle P_c = I^2r_a〔W〕
・鉄損 \displaystyle P_f = I_f^2r_f〔W〕
・供給電力 \displaystyle P_i = VI〔W〕

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