界磁とは？主磁極・補極・磁気回路をわかりやすく解説【電験三種 機械】

まずは「界磁」っていう言葉の意味から押さえよか。

界磁（かいじ）っていうのは、文字どおり「磁界（じかい）をつくるもの」や。 漢字をひっくり返しただけやな。「磁」の「界」＝磁界、それをつくる装置やから「界磁」って呼ぶわけや。

直流機では、固定子（ステータ）側に界磁が取り付けられてるんや。 具体的には「界磁巻線」っていうコイルに電流を流すことで、強力な磁界を発生させる。 この界磁巻線に流れる電流のことを「界磁電流 \( I_f \)」って呼ぶで。

ここで大事なんは、界磁の強さ（磁束Φ）を変えると、直流機の特性が大きく変わるっていうことや。

誘導起電力の式を思い出してみ。\( E = k \Phi n \) やったな。 磁束 \( \Phi \) は式の中に直接入ってるやろ？ つまり、界磁の強さを調整すれば、起電力も、トルクも、回転速度もコントロールできるっちゅうことや。 これが後で学ぶ「励磁方式」や「速度制御」に直結してくるから、しっかり覚えといてな。

界磁の全体像がわかったところで、次は界磁の中心部品である「主磁極（しゅじきょく）」について詳しく見ていくで。

主磁極は、文字どおり「メインの磁極」や。 直流機の中で最も強い磁界をつくる部品で、固定子（ヨーク）の内側にN極とS極が交互に配置されとる。

主磁極は大きく分けて2つの部分で構成されとるんや。

1つ目は「磁極鉄心（じきょくてっしん）」。 これは薄いけい素鋼板を積み重ねてつくった鉄心で、磁束の通り道になる部分や。 なんで積層構造にするかっていうと、渦電流損（うずでんりゅうそん）を減らすためやな。 これは変圧器の鉄心と同じ考え方やで。

2つ目は「界磁巻線（かいじまきせん）」。 磁極鉄心にグルグル巻きつけたコイルや。 このコイルに電流（界磁電流 \( I_f \)）を流すと、電磁石の原理で強力な磁界が発生する。 永久磁石を使う場合もあるけど、電験三種で出題されるのはほとんど電磁石タイプやで。

ほんで、主磁極の先端部分（電機子に面した部分）を「磁極片（じきょくへん）」または「ポールシュー」って呼ぶんや。 この部分は幅が広くなってて、磁束を電機子の広い範囲に均一に分布させる役割がある。 イメージとしては、シャワーヘッドみたいなもんやな。水（磁束）を広い範囲にまんべんなく届けるための工夫や。

上の図を見てくれ。N極とS極が向かい合って配置されとるやろ？ 磁束 \( \Phi \) はN極から出発して、エアギャップ（空隙）を通って電機子を横切り、S極に入る。 そしてヨーク（継鉄）を通ってまたN極に戻ってくる。これが磁束の一周ルートや。

さて、Step 3で主磁極から磁束が出て、電機子を通ってぐるっと一周するって話をしたな。

ここで「エアギャップ（空隙）」について、もうちょっと詳しく話しとこか。 これ、電験でもよく出るポイントやからな。

エアギャップっていうのは、磁極片と電機子の間にあるわずかな隙間（空気層）のことや。 回転子（電機子）は回転するわけやから、固定子（磁極片）とくっついてたら回れへんやろ？ せやから、数mm程度の隙間が必要なんや。

でもな、ここが厄介なポイントなんや。

磁束にとって、空気は鉄に比べてめちゃくちゃ通りにくいんや。 具体的に言うと、鉄の透磁率（磁束の通りやすさ）は空気の数千倍もあるねん。 つまり、エアギャップはわずか数mmしかないのに、磁気回路全体の中で最も大きな「磁気抵抗」を持ってるんや。

せやから、直流機の設計ではエアギャップをできるだけ小さくするのが基本やねん。 でも小さくしすぎると電機子が回転時にぶつかる危険があるし、製造精度の問題もある。 このバランスが設計のキモやな。

もう1つ大事な話がある。磁束がエアギャップを通るとき、まっすぐ進むだけやなくて、 横に広がってしまう（漏れ磁束）んや。 主磁極から出た磁束のうち、電機子を通らずにヨークに直接漏れてしまう分がある。 この漏れ磁束は仕事に貢献せえへんから、効率を下げる原因になるんやで。

ほな、ここまでの内容をチェックしてみよか！ 界磁の基本と主磁極の構造、エアギャップについて理解できてるか確認するで。

ここからはめっちゃ大事な考え方を紹介するで。それが「磁気回路」や。

「磁気回路」って聞くと難しそうやけど、実は電気回路と同じ考え方で理解できるんや。 これを知っとくと、磁束の計算がめちゃくちゃスッキリするで。

電気回路では「電圧（起電力）」が「電流」を「抵抗」を通して流すやろ？ オームの法則 \( V = IR \) やな。

磁気回路でも全く同じ構造があるんや。

電気回路の「電圧V」に対応するのが「起磁力 \( F \)」や。 起磁力は界磁巻線の巻数 \( N \) と界磁電流 \( I_f \) の積で表されるんや。

次に、電気回路の「電流I」に対応するのが「磁束 \( \Phi \)」や。 電流が回路を流れるように、磁束も磁気回路の中をぐるっと一周するんやな。

そして、電気回路の「抵抗R」に対応するのが「磁気抵抗 \( R_m \)」や。 磁束の通りにくさを表す値で、エアギャップの部分が特に大きいっていうのはStep 4で学んだとおりや。

ほんで、これらを組み合わせると、磁気回路のオームの法則が出てくるんや。

この式が意味するのは、起磁力（NI_f）が大きいほど磁束は増え、磁気抵抗（R_m）が大きいほど磁束は減るってことや。 電気回路で「電圧を上げれば電流が増え、抵抗を上げれば電流が減る」のと全く同じやな。

Step 6の内容を表で整理しとこか。電気回路と磁気回路の対応は、電験三種で本当によく出る内容やから、しっかり頭に入れといてな。

この対応表、めっちゃキレイに対応してるやろ？

ここで特に覚えてほしいのが「透磁率 μ（みゅー）」の意味や。 透磁率は「磁束の通しやすさ」を表す値で、電気回路の導電率σに対応してる。 鉄は透磁率が高い（磁束を通しやすい）から、磁気抵抗が小さい。 空気は透磁率が低い（磁束を通しにくい）から、磁気抵抗が大きい。 せやから、さっき学んだエアギャップの磁気抵抗が大きいっていう話と辻褄が合うわけやな。

もう1つ補足しとくと、磁気回路にもキルヒホッフの法則に対応する法則があるんや。

キルヒホッフの第二法則（閉回路の電圧則）に対応するのが「アンペアの周回積分の法則」で、 閉じた磁気回路に沿って起磁力を足し合わせると、その回路内の全起磁力に等しくなるんや。

つまり、磁気回路の各部分（鉄心、エアギャップ）での磁位降下（磁気回路版の電圧降下）を全部足すと、起磁力Fに等しくなる。

この対応関係がわかれば、磁気回路の計算問題も怖くないで！

磁気回路と電気回路の対応、しっかり覚えたか？ほな確認問題いくで！

さて、ここからは界磁のもう1つの重要パーツ、「補極（ほきょく）」について学ぶで。

「補極」っていう名前から想像できるように、これは「補助的な磁極」のことや。 主磁極がメインの磁界をつくるのに対して、補極はある特定の問題を解決するために追加された磁極なんや。

ほな、その「特定の問題」って何やねん？

それが「整流の改善」や。

第5講で整流子とブラシについて学んだの覚えてるか？ 電機子のコイルが整流子の位置を通過するとき、電流の向きが切り替わる（整流される）んやったな。 この切り替わりの瞬間に、コイルには自己誘導によって起電力が発生して、 ブラシと整流子の間で火花（スパーク）が飛ぶことがあるんや。

火花が飛ぶと、整流子やブラシの表面が焼けて損傷する。 これが繰り返されると、直流機の寿命が大幅に短くなってしまうんや。 せやから、この火花を抑えるために補極が必要なんやで。

補極は主磁極と主磁極の間（幾何学的中性軸上）に配置されるんや。 この位置がまさに整流が行われるポイントやから、ここに補助的な磁界をつくることで、 整流時に発生する起電力を打ち消して、火花の発生を抑制するっちゅう仕組みや。

最後のポイントが特に重要や。補極巻線は電機子巻線と直列に接続されるから、電機子電流 \( I_a \) と同じ電流が流れるんや。 なんでそうするかっていうと、負荷が増えて電機子電流が増えると整流も激しくなるから、 それに比例して補極の磁界も強くする必要があるためやで。直列接続なら自動的にそうなるわけやな。

補極の役割と仕組みを理解できたか確認するで！

ここからは、界磁を学ぶ上で避けて通れない重要テーマ、「電機子反作用（でんきしはんさよう）」について説明するで。

これ、名前だけ聞くとめっちゃ難しそうやけど、中身を理解すれば全然怖くないから安心してな。

まず、直流機の中には2種類の磁界が存在するんや。

1つ目は、さっきまで学んできた界磁がつくる磁界（主磁束）。 これはN極からS極に向かって、電機子を横切るように流れてる。

2つ目は、電機子電流がつくる磁界（電機子磁束）や。 電機子巻線にも電流が流れてるわけやから、当然その電流のまわりにも磁界が発生する。 これはアンペアの右ねじの法則どおりや。

問題は、この2つの磁界がお互いに干渉し合うことなんや。 電機子電流がつくる磁界が、界磁の主磁束の分布を歪めてしまう。 この現象を「電機子反作用」って呼ぶんやで。

上の図を見てくれ。①の主磁束だけなら均一にきれいに分布してるのに、②の電機子磁束が加わると、③のように磁束の分布が歪んでしまうんや。

具体的にどうなるかっていうと、磁極の一方の端（回転方向の先端側）では磁束が強くなり、 反対側の端（回転方向の後端側）では磁束が弱くなる。 これによって「磁気的中性軸」の位置がずれるんや。

電機子反作用が起こると、具体的にどんな悪影響があるんか見ていこか。

影響① 磁気的中性軸のずれ

磁気的中性軸というのは、磁束密度がゼロになる位置のことや。 本来は幾何学的中性軸（主磁極の中間地点）にあるんやけど、電機子反作用によってずれてしまう。 整流（電流の切り替え）はこの中性軸の位置で行われるから、 中性軸がずれると整流がうまくいかなくなって火花が発生するんや。

影響② 主磁束の減少（減磁作用）

これがちょっとわかりにくいポイントなんやけど、磁束分布が歪むと全体の磁束量が減る場合があるんや。 磁極の一方で磁束が増えて、反対側で減るわけやけど、 鉄心の磁気飽和（磁束がそれ以上増えなくなる現象）があるから、増加分と減少分が対称にならんのや。 結果として、全体としては磁束が減る方向に働く。 これを「減磁作用」って呼ぶんやで。

ほな、電機子反作用への対策はどうするんか？主な対策は3つある。

この中で、現代の直流機で最も一般的なのは補極の設置や。 Step 9で学んだ補極が、まさにこの電機子反作用への対策として使われてるんやで。

補償巻線は大型の直流機に使われることがあるけど、構造が複雑でコストが高いから、 すべての直流機に使われるわけやないんや。

ブラシの移動は昔の方法で、負荷が変わるたびにブラシ位置を調整せなあかんから、 現在ではほとんど使われてへんで。

電機子反作用について理解できたか確認するで。これ、電験でよく出るポイントやからな！

ここで磁気回路のオームの法則を使った計算問題に挑戦してみよか。 実際の電験三種でもこのタイプの問題が出るで！

さて、界磁の各部品をだいぶ学んできたな。ここで、まだ詳しく触れてなかった部品、「ヨーク（継鉄・けいてつ）」についても押さえとこか。

ヨークは直流機の外枠部分で、固定子の本体ともいえる部品や。 見た目は単なる鉄の筒みたいなもんやけど、磁気回路において非常に重要な役割を持ってるんや。

ヨークの役割は大きく2つある。

1つ目は磁束の通り道（磁路）になることや。 S極から出た磁束がN極に戻るとき、ヨークの中を通って帰っていくんやな。 つまり、ヨークは磁気回路を完成させるための「帰り道」を提供してるんや。

2つ目は機械的な支持体としての役割や。 ヨークに主磁極や補極がボルトで固定されとるし、直流機全体のフレームとしても機能してる。

ヨークの材料は、小型機では鋳鉄（鋳物の鉄）、大型機では鋼板が使われることが多い。 電機子鉄心と違って積層構造にしないのは、ヨーク内の磁束はほぼ一定で変動が少ないから、 渦電流損がそれほど大きな問題にならへんためやで。

ここで、電験三種で界磁関連の問題がどういう形で出るか、典型パターンと間違いやすいポイントを整理しとくで。

パターン① 界磁の部品と役割の対応

「主磁極の役割は？」「補極の目的は？」「ヨークの機能は？」っていう正誤問題がよく出るんや。 それぞれの部品の「何のためにあるのか」をしっかり答えられるようにしとこな。

パターン② 磁気回路と電気回路の対応

「磁気回路で電流に対応するのは何か」「磁気回路のオームの法則は」みたいな問題も頻出やで。 対応表をそのまま覚えるんやなくて、「なんでそう対応するのか」の理由まで理解しとくと、 ひっかけ問題にも対応できるようになるで。

パターン③ 電機子反作用の影響

「電機子反作用によって何が起こるか」「対策は何か」っていう問題や。 ここで間違えやすいのが以下のポイントやで。

特に「補極は電機子と直列」っていうのは、理由とセットで覚えとくと忘れへんで。 電機子電流が増える → 電機子反作用が大きくなる → 補極も強くしないといけない → 電機子と直列なら自動的に強くなる。 この因果関係がわかってれば、丸暗記せんでも答えられるやろ？

ほな、総合的な理解度チェックいくで！界磁関連の知識を組み合わせた問題や。

ここまで学んだ内容の公式と重要概念をまとめとくで。最後の問題に備えてしっかり確認しとこな！

ほな、これらの公式を使った実践問題いくで！

いよいよ最後の問題や！今回学んだ内容を総合的に問う問題やで。集中していこか！

お疲れさん！第6講「界磁の役割」、やりきったな！

今回はPart 2「界磁と励磁方式」の最初の講座として、界磁の全体像をガッツリ学んだで。 ここで学んだ内容を最終確認しとこか。

今回の内容は、次回以降の「励磁方式」「発電機の特性」「電動機の特性」すべてに関わってくる超重要テーマや。 特に磁気回路のオームの法則は計算問題の基礎になるから、しっかり定着させといてな！