自励式とは？分巻・直巻・複巻の回路をわかりやすく解説【電験三種 機械】

まず、自励式の基本をもう一度しっかり確認しとこか。

自励式っていうのは、自分自身が発生した電力で界磁（磁界）を作る方式のことや。発電機なら自分が発電した電力の一部を界磁巻線に流すし、電動機なら電源から供給された電力の一部を界磁巻線に回すんやな。

ここで大事なポイントがあるで。自励式は「界磁巻線をどこに接続するか」で3つに分かれるんや。

この3つの方式を、電気回路ではどう実現してるか。それが今回のテーマや。ポイントは界磁巻線を電機子に対して「並列」につなぐか「直列」につなぐか、それだけの違いやねん。

「分巻」は英語で shunt（シャント）、「直巻」は series（シリーズ）、「複巻」は compound（コンパウンド）とも呼ばれるで。電験の問題文でもこの英語名が出てくることがあるから、覚えとくとええな。

ほな、1つずつ詳しく見ていこか。まずは分巻からや！

まずは分巻機（ぶんまきき）から説明するで。

分巻機の最大の特徴は、界磁巻線が電機子と並列に接続されていることや。「分巻」の「分」は「分かれる」の意味で、電流が電機子と界磁巻線に分かれて流れるからこう呼ばれるんやな。

回路図を見てみよか。発電機の場合で説明するで。

この図を見てくれ。電機子から出てきた電流 \( I_a \) が、A点で2つに分かれてるのがわかるやろ？

一方は界磁巻線に流れる界磁電流 \( I_f \)、もう一方は負荷に流れる負荷電流 \( I_L \) や。これが「分巻」と呼ばれる理由やな。

ここで超重要なポイントがあるで。分巻機の界磁巻線は細い線をたくさん巻いてあるんや。なんでかわかるか？

界磁巻線は電機子と並列やから、両端にかかる電圧は端子電圧 \( V \) と同じになる。もし太い線で巻いたら抵抗が小さくなって、大量の電流が界磁巻線に流れ込んでしまう。それはエネルギーの無駄やろ？

せやから、細い線で巻数を多くして抵抗 \( R_f \) を大きくすることで、界磁電流 \( I_f \) を小さく抑えてるんや。

典型的には、界磁電流 \( I_f \) は電機子電流 \( I_a \) の数%程度しかないんやで。ほとんどの電流は負荷に流れるわけや。

分巻機のもうひとつの大事な特徴を説明するで。

分巻機は界磁巻線が電機子と並列やから、負荷が変わっても界磁電流がほぼ一定に保たれるんや。なんでかっていうと、端子電圧 \( V \) がそれほど大きく変化しないから、\( I_f = \frac{V}{R_f} \) も大きく変わらへんのやな。

これがどういう意味を持つかというと、界磁電流が一定ってことは磁束 \( \Phi \) もほぼ一定やということ。磁束が一定なら、電動機として使ったとき回転速度がほぼ一定になる。これが分巻電動機の「定速度特性」と呼ばれる特徴の根本的な理由なんや。

さらに、分巻機では界磁調整器（界磁抵抗器）を使って界磁電流を調整できるんや。界磁巻線に直列に可変抵抗を入れることで、\( I_f \) を加減できる。これは速度制御に使われる重要なテクニックで、第24講で詳しくやるで。

分巻機の特徴をしっかり押さえたな。ほな、ここで確認問題いってみよか！

分巻機の基本をしっかり理解できてるか確認するで！

次は直巻機（ちょくまきき）を見ていくで！

直巻機は分巻機とは正反対の接続方法や。界磁巻線が電機子と直列に接続されてるんやな。「直巻」の「直」は「直列」の意味やで。

直列接続ってことは、電機子に流れる電流がそのまま界磁巻線にも流れるということや。つまり、電機子電流 \( I_a \) と界磁電流 \( I_f \) と負荷電流 \( I_L \) がすべて同じ値になるんやで。

ここが分巻機との決定的な違いやで。分巻機では \( I_a = I_f + I_L \) やったけど、直巻機では \( I_a = I_f = I_L \) になる。電流が分かれへんのや。

そして、直巻機の界磁巻線は分巻機と真逆で、太い線で少ない巻数で巻かれてるんや。なんでか？直列接続やから、負荷電流がそのまま界磁巻線にも流れる。大きな電流が流れるから、太い線じゃないと発熱で焼けてしまうんやな。

巻数が少なくても、大電流が流れることで十分な起磁力（アンペアターン）を得られるから問題ないんやで。

直巻機にはもうひとつ、めちゃくちゃ重要な特徴があるんや。

それは、負荷によって磁束が大きく変化するということや。

分巻機の場合、界磁電流は端子電圧で決まるからほぼ一定やったな。でも直巻機は違う。界磁電流 = 負荷電流やから、負荷が増えると界磁電流も増えて、磁束 \( \Phi \) も増える。逆に、負荷が減ると磁束も減るんや。

これが直巻電動機の「変速度特性」の原因になるんやで。負荷が軽くなると磁束が減って、回転速度がどんどん上がってしまう。特に無負荷（負荷ゼロ）のときが危険や。負荷電流がほぼゼロになると、磁束もほぼゼロに近づいて、回転速度が理論上は無限大に向かってしまう。

せやから、直巻電動機は無負荷運転禁止なんや。これは電験三種でめちゃくちゃよく出るから、絶対に覚えとけよ！第21講で詳しくやるけど、今から頭に入れとこう。

分巻と直巻の違い、ここでしっかり頭に入れたな。ほな、問題で確認していこか！

直巻機の特徴をちゃんと理解できてるかチェックするで！

さて、3つ目の自励式、複巻機（ふくまきき）にいくで！

複巻機は、名前のとおり分巻巻線と直巻巻線の両方を持っている直流機や。つまり、分巻と直巻の「いいとこ取り」をしようとした方式やねん。

なんでわざわざ2つの巻線を組み合わせるんか？それは、分巻と直巻にはそれぞれ弱点があるからや。

分巻機は定速度特性があって安定してるけど、負荷が変化したときの電圧変動が大きいという弱点がある。一方、直巻機は大きなトルクを出せるけど、速度制御が難しい。

複巻機は、この2つの弱点を補い合うことで、負荷が変化しても電圧や速度をより安定させることができるんやで。

回路図を見てくれ。電機子から出た電流がまず直巻界磁巻線（Rs）を通って、その後で分岐して、分巻界磁巻線（Rf）と負荷に分かれるんやな。

この回路を見ると、電流の関係は分巻機と同じで \( I_a = I_f + I_L \) になるのがわかるやろ。直巻界磁巻線を通る電流は \( I_a \) そのものやで。

複巻機の詳しい話（和動複巻・差動複巻、長複巻・短複巻）は次の第9講でがっつりやるから、今は「分巻と直巻の両方の界磁巻線を持っている」ということだけしっかり覚えといてな。

複巻機の基本を確認するで！

ここまでで自励式の3種類を全部学んだな。ここで一回、3つを並べて比較しとこか。

電験の問題では「分巻・直巻・複巻の違いを答えよ」みたいな問題がよく出るから、ここで整理しとくのがめっちゃ大事やで。

この表の中で特に覚えてほしいのは、電流の関係式と界磁巻線の接続方法の2つや。この2つさえ覚えておけば、あとは論理的に導き出せるからな。

たとえば、「分巻は並列接続 → 端子電圧がかかる → 抵抗を大きくしないと大電流が流れる → 細い線で多巻数」という風に、接続方法から他の特徴を全部導けるんや。

3つの自励式の回路的な違いはわかったな。ほな、実際にどんな用途で使い分けるかも見とこか。これも電験で出ることがあるで。

まず分巻機。磁束が安定してるから、速度を一定に保ちたい用途に向いてる。具体的には、工作機械（旋盤やフライス盤）、コンベヤ、ポンプなんかやな。一定の速度で安定して回り続けてほしい機械に使われるんや。

次に直巻機。こいつは負荷が大きいときに大きなトルクを出せるのが特徴や。始動トルクが特に大きい。せやから、電車・電気機関車、クレーン、エレベーターみたいに、「重いものを動かし始める」場面で大活躍するんや。電車が発進するとき、めっちゃ力が要るやろ？そこで直巻電動機の出番や。

最後に複巻機。分巻と直巻のええとこを組み合わせてるから、電圧や速度の安定性が必要で、かつ負荷変動にも対応したい場面で使われる。発電機としてはバッテリーの充電用、電動機としてはプレス機械、圧延機なんかに使われるで。

特に「直巻電動機 = 電車」の組み合わせは、電験ではド定番の出題ポイントやから、絶対に覚えとけよ！

3つの自励式をちゃんと区別できるか、チェックするで！

次は回路の電流関係の問題や。これは計算問題の基礎になるから、しっかり解けるようになっとこう。

ここからは、自励式ならではの超重要な話題に入るで。

自励式って、「自分の出力で界磁を作る」方式やったな。でもな、ここでちょっと考えてみてくれ。最初は回転してないし、出力もゼロやろ？ほなら、一番最初の磁界はどこから来るんや？

これ、めっちゃいい質問やろ？実はここに自励式の面白い仕組みがあるんや。

答えは「残留磁気」や。鉄心（界磁鉄心）は、一度磁化されると電流を切っても少しだけ磁気が残るんや。これを残留磁気（残留磁束）というで。

自励発電機が起電力を発生させるメカニズムはこうや：

つまり、残留磁気が「タネ」になって、そこからどんどん電圧が育っていくイメージやな。これを「電圧の確立」と呼ぶで。

せやから、残留磁気がなくなってしまうと、自励発電機は電圧を発生できなくなるんや。これが自励式の弱点でもあるわけやな。残留磁気がなくなった場合は、外部から一時的に電流を流して鉄心を磁化し直す（「着磁」という）必要があるで。

自励発電機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。これを「自励条件」っていうで。

条件2がちょっとわかりにくいかもしれんな。説明するで。

残留磁気によって微小な起電力が発生するやろ。その起電力で界磁巻線に電流が流れるんやけど、この電流が作る磁束の方向が重要なんや。残留磁気と同じ方向の磁束を作らんとアカン。もし逆方向やったら、残留磁気を打ち消してしまって、電圧が確立できへんのや。

もし界磁巻線の接続方向を間違えてしまった場合は、界磁巻線の端子を入れ替えるか、回転方向を逆にすることで解決できるで。

条件3の「臨界抵抗」っていうのは、界磁回路の抵抗がある値を超えると、界磁電流が十分に流れなくなって電圧が確立できなくなる、っていう話や。界磁調整器で抵抗を上げすぎると、この問題が起きるから注意やで。

電験三種では、「自励発電機の電圧が確立しない原因」を問う問題がよく出るから、この4つの条件はしっかり覚えとこう。

自励条件に関する問題、電験ではめっちゃ出るで！

ここまでの知識を総合的に問う問題やで。自励式の全体像がつかめてるか確認しよか！

最後の問題や！この講座の総まとめとして、しっかり取り組んでくれ！

お疲れさまや！第8講、しっかり学んだな！

今回は自励式の3種類を徹底的にやったで。最後にもう一度、大事なポイントを整理しとこか。

この3つの区別は、これから先の講座でも何度も出てくるから、しっかり頭に入れといてな。特に電験三種の試験では、回路図を見て「これは何巻か」を即座に判断する力が求められるで。