励磁方式とは？他励式と自励式の違いをわかりやすく解説【電験三種 機械】

まず「励磁（れいじ）」って何やねん？ってところからしっかり説明するで。

直流機が動くためには、磁界（磁束）が必要やったな。第6講で学んだとおり、主磁極の界磁巻線に電流を流すことで強い磁界を作るんや。この「界磁巻線に電流を流して磁束を作る操作」のことを励磁と呼ぶんや。

英語では "excitation"（エキサイテーション）って言うんやけど、まさに「磁石を興奮させる」みたいなイメージやな。電流を流してやることで、鉄心が磁化されて強力な磁石になるわけや。

ここで大事なんは、磁束 \( \Phi \) の大きさは界磁電流 \( I_f \) に比例するということや（飽和しない範囲ではな）。

せやから、界磁電流 \( I_f \) をどうやって供給するか、つまり励磁方式を変えることで、磁束 \( \Phi \) の振る舞いが変わり、結果として直流機全体の特性が変わるんや。

ほな次のステップで、励磁方式の全体像を見てみよか。

さあ、ここが今日の核心や。励磁方式の全体分類を見てみよう。

直流機の励磁方式は、大きく2つに分かれるんや。ポイントは「界磁電流をどこから持ってくるか」やで。

名前を見たらわかるやろ？「他」の電源で「励」磁するから「他励式」、「自」分で「励」磁するから「自励式」や。漢字そのまんまやな。

ほんで、自励式はさらに3種類に分かれるんや。界磁巻線と電機子の接続方法の違いでな。

この分類図、電験三種では必ず頭に入れとかなアカンで。特に「自励式には分巻・直巻・複巻の3種類がある」ってのは超頻出や。

ほな、まずは他励式から詳しく見ていこか。他励式は一番シンプルやから、ここから理解するのがコツやで。

まず他励式（たれいしき）から見ていくで。

他励式は、名前のとおり「他の電源」で界磁を励磁する方式や。つまり、界磁巻線に流す電流は、直流機自身の出力からではなく、まったく別の外部電源から供給するんや。

イメージとしては、直流機本体と界磁の電源が完全に独立してる状態やな。電機子回路と界磁回路が電気的につながってないから、界磁電流 \( I_f \) を自由にコントロールできるのが最大の特徴や。

上の図を見てみ。左側が電機子回路、右側が界磁回路や。真ん中の破線で分かれてるやろ？この2つの回路が完全に独立してるのが他励式の特徴なんや。

他励式のメリットとデメリットを整理しとくで。

他励式は「手間はかかるけど、コントロールしやすい」方式や。精密な速度制御が必要な用途、例えば工作機械やエレベーターなんかで使われるで。

界磁電流 \( I_f \) は外部電源の電圧 \( V_f \) と界磁抵抗 \( R_f \) で決まるから、めっちゃシンプルや。

電機子の負荷がどれだけ変わっても、界磁回路は別電源やから \( I_f \) は変わらへん。これが他励式の最大の強みやな。

ほな、ここまでの理解度を確認してみよか！

ほな、第1問いくで！励磁方式の基本を確認しよう。

ほな次は、自励式（じれいしき）について見ていくで。

自励式は、直流機自身の電機子から界磁電流を供給する方式や。他励式みたいに外部電源がいらんから、設備がシンプルになるのが大きなメリットやな。

でもな、ここでひとつ疑問が湧かへんか？

「最初、電機子がまだ回ってないとき、起電力はゼロやろ？ほんなら界磁電流も流れへんから、磁束もゼロ。磁束がゼロなら起電力も発生せえへん...これ、永遠に動き出せへんのちゃうか？」

めっちゃ良い疑問や！実はこれ、「残留磁気」のおかげで解決するんやけど、それは後で詳しく説明するから、今はまず自励式の3種類を見ていこか。

「並列か直列か、それとも両方か」という接続方法の違いで3つに分かれるんやな。この接続の違いが、直流機の特性に大きな影響を与えるんや。

ほな次のステップで、まずは分巻方式から詳しく見ていくで。

まずは分巻（ぶんまき）方式から見ていくで。英語では "shunt"（シャント）って言うんや。

分巻方式は、界磁巻線を電機子に並列（パラレル）に接続する方式や。電機子の端子電圧がそのまま界磁巻線にもかかるんやな。

上の回路図を見てみ。電機子（E + Ra）から出た電流 \( I_a \) が、分岐点で2つに分かれてるのがわかるやろ？

界磁巻線 \( R_f \) に流れる分が界磁電流 \( I_f \)、負荷 \( R_L \) に流れる分が負荷電流 \( I_L \)や。これが「分巻」の名前の由来やな。電流を「分けて巻く」わけや。

ここで大事なポイントがあるで。分巻の界磁巻線は細い線をたくさん巻いてあるんや。なんでかっていうと、界磁巻線は電機子と並列に接続されてるから、端子電圧がそのままかかる。もし太い線やったら大電流が流れてしまって、エネルギーの無駄遣いになるやろ？

せやから界磁巻線の抵抗 \( R_f \) は比較的大きくして、界磁電流 \( I_f \) は電機子電流 \( I_a \) に比べてかなり小さくなるようにしてるんや。だいたい \( I_f \) は \( I_a \) の数%程度やで。

分巻方式は、電圧が安定しているため発電機では定電圧特性、電動機では定速度特性を示すのが大きな特徴や。工場の一般的な動力源としてよく使われるで。

次のステップで、他励式と自励式の違いをしっかり確認する問題を出すから、準備しといてな！

ここまで他励式と自励式（分巻）を学んだな。ほな、その違いを確認する問題や！

分巻方式の次は、直巻（ちょっかん）方式を見ていくで。英語では "series"（シリーズ）や。

直巻方式は分巻とは正反対で、界磁巻線を電機子と直列に接続する方式なんや。つまり、電機子を流れる電流がそのまま界磁巻線も通るってことやで。

回路図を見てみ。電源V → 直巻界磁Rs → 電機子抵抗Ra → 逆起電力E と、全部が一列に並んでるやろ？これが直巻方式の最大の特徴や。

分巻との決定的な違いは、界磁電流 \( I_f \) = 電機子電流 \( I_a \) = 負荷電流 \( I_L \) ということや。全部同じ電流が流れるんやで。

これがどういう意味を持つか、考えてみよか。

負荷が重くなると電流 \( I_a \) が増えるよな。直巻方式では \( I_f = I_a \) やから、負荷が重くなると界磁電流も増える。界磁電流が増えると磁束 \( \Phi \) も増える。磁束が増えるとトルクが増える。

つまり、「重い荷物を持つときほど、パワーが出る」という特性になるんや！これは電車やクレーンのような、始動時に大きなトルクが必要な用途にピッタリやな。

逆に、負荷が軽くなると電流が減って、磁束も減る。磁束が減ると回転速度が上がる（\( n \propto \frac{1}{\Phi} \) やからな）。もし無負荷（負荷ゼロ）にしたら、理論上は回転速度が無限大に...つまり暴走する危険があるんや！

分巻が「細い線で高抵抗」やったのに対して、直巻は「太い線で低抵抗」っていうのも覚えとくとええで。直列につながってるから、全部の電流が通るんやからな。太い線やないとダメなんや。

分巻と直巻の違いが分かってきたかな？ほな確認や！

さあ、自励式の最後、複巻（ふくまき）方式や。英語では "compound"（コンパウンド）って言うで。

複巻方式は、名前のとおり分巻巻線と直巻巻線の両方を持っている方式や。つまり、分巻と直巻のいいとこ取りを狙ったハイブリッド方式なんやな。

なんでそんなことをするかっていうと、分巻にも直巻にもそれぞれ弱点があるからや。分巻は速度は安定するけど、始動トルクはそこそこ。直巻は始動トルクは強いけど、速度が安定しない。「両方の長所を合わせたい」っていう発想から生まれたのが複巻方式なんやで。

回路図を見ると、電機子から出た電流がまず直巻界磁Rsを通って（直列部分）、その後で分巻界磁Rfと負荷RLに分岐してる（並列部分）のがわかるやろ？

複巻方式には、直巻界磁と分巻界磁の磁束が同じ向きか逆向きかで2種類あるんや。

実用上は和動複巻がほとんどや。差動複巻は特性が不安定になりやすいから、あまり使われへん。でも電験では両方とも出るから、違いは押さえとくんやで。

複巻方式の詳しい特性は第9講で学ぶから、今は「分巻と直巻の両方の要素を持っている」ってことを覚えとけば十分や。

ここまでで4つの励磁方式を学んだな。ここで一回、全体を比較して整理しとこか。これ、電験の選択問題でめっちゃ使える知識やで。

この表をじっくり見てほしいんやけど、大事なのは「なぜそうなるか」を理解することや。

例えば、分巻が「定速度」なのはなぜか？それは、界磁巻線が並列に接続されてるから、端子電圧が一定であれば界磁電流 \( I_f \) も一定。\( I_f \) が一定なら磁束 \( \Phi \) も一定。磁束が一定なら、\( n \propto \frac{V - I_a R_a}{\Phi} \) の式で \( \Phi \) が変わらんから、回転速度 n もほぼ一定になるんや。

直巻が「変速度」なのは、\( I_f = I_a \) やから負荷電流が変わると磁束も変わって、回転速度が大きく変化するからやな。

ほな、ここまでの知識を総合的に確認する問題にいくで！

4つの励磁方式の特徴を比較する問題や！

どんどんいくで！次は励磁方式と用途の関係や。

さて、ここからは自励式ならではの重要テーマに踏み込むで。

Step6で「自励式は自分自身の出力で界磁を励磁する」って説明したよな。そのときにこんな疑問を出したのを覚えてるか？

「最初は起電力ゼロやのに、どうやって磁束を作り出すねん？」

これ、実はめっちゃ大事な問題なんや。ここで登場するのが「残留磁気（ざんりゅうじき）」やで。

鉄心には面白い性質があってな。一度磁化されると、電流を切ってもわずかに磁気が残るんや。これを残留磁気って言うんやで。磁石を鉄にくっつけて離しても、しばらく鉄が磁石みたいになってるのと同じ原理や。

自励式発電機が電圧を作り出す仕組みはこうや：

これは「雪だるま」みたいなもんや。最初はちっさい雪の塊（残留磁気）やけど、転がすうちにどんどん大きくなる。最初の「タネ」がないと始まらへんのがポイントやで。

ほんで、自励式が正常に電圧を確立するためには、いくつかの条件を満たす必要があるんや。

もし残留磁気がなくなってしまったら？そのときは外部から一時的に電流を流して鉄心を磁化する必要があるんや。これを「着磁（ちゃくじ）」って言うで。

接続方向が逆やったらどうなるか？残留磁気を打ち消す方向に電流が流れてしまって、磁束がどんどん弱くなる。つまり電圧が確立しないんや。この場合は界磁巻線の接続を逆にすれば解決するで。

ここで、電験三種でよく出るパターンとよくある間違いを整理しとくで。これ知ってるだけで得点力がグンと上がるからな。

🎯 パターン1：励磁方式の分類を問う問題

「次のうち、自励式に分類されないものはどれか」みたいな問題が出るんや。他励式と自励式の区別、自励式の3種類（分巻・直巻・複巻）をしっかり押さえとけばOKや。

🎯 パターン2：各方式の電流の関係を問う問題

分巻の \( I_a = I_f + I_L \) と直巻の \( I_a = I_f = I_L \) は超頻出や。特に分巻発電機で「電機子電流と負荷電流は同じか？」って引っかけが多いで。答えは「同じやない。界磁電流の分だけ電機子電流が大きい」やで。

🎯 パターン3：各方式の特徴・用途を問う問題

「直巻電動機の特徴として正しいものはどれか」みたいな問題。始動トルクが大きい、無負荷運転が危険、変速度特性、電車やクレーンに使われる...このあたりがキーワードや。

あと、「他励式は分巻と同じ特性」っていう点も覚えとくとええで。他励式は界磁電流が一定やから、磁束が一定。分巻も端子電圧が一定なら界磁電流がほぼ一定やから、磁束がほぼ一定。せやから特性が似てくるんやな。ただし他励式の方が制御性は高いで。

ほな、ここからは残りの問題でガッツリ知識を固めていこか！

残留磁気と自励条件の問題や！これも電験で出るで。

よっしゃ、ここからは総合力を試す問題や！今日学んだことを全部使って考えてみ。

ラスト問題や！今日の総仕上げ、しっかりいくで！

お疲れさま！第7講「励磁方式の分類」、最後のまとめや！

今回は直流機の「性格」を決める励磁方式について学んだな。界磁電流をどこから持ってくるかで、直流機の特性がガラリと変わるんやった。

次回の第8講では、自励式の3種類（分巻・直巻・複巻）をさらに深掘りして、それぞれの回路構成と等価回路を詳しく見ていくで。今回学んだ基礎があれば、スムーズに理解できるはずや！

ほな、結果を確認しよか！