複巻機とは？和動複巻と差動複巻の違いをわかりやすく解説【電験三種 機械】

まず、複巻機の基本をしっかり押さえよか。

複巻機っていうのは、名前の通り「複数の巻線」を持つ直流機のことや。具体的には、分巻巻線（シャント巻線）と直巻巻線（シリーズ巻線）の両方を界磁に持ってるんやで。

前回学んだ分巻機は「分巻巻線だけ」、直巻機は「直巻巻線だけ」やったよな。複巻機はその両方を搭載してるから、それぞれの特性を組み合わせることができるんや。

ほな、複巻機の回路がどうなってるか見てみよか。

図を見てわかるように、複巻機には2つの界磁巻線があるんや。

分巻巻線（Rsh）は電機子と並列に接続されてて、細い線を多く巻いたもの。比較的安定した磁束を作る役割がある。

直巻巻線（Rse）は電機子と直列に接続されてて、太い線を少なく巻いたもの。負荷電流に応じて磁束が変わるのが特徴や。

この「2つの磁束をどう合わせるか」が、次のステップで学ぶ和動複巻と差動複巻の話につながるんや。

ほな、複巻機の最重要ポイント、和動複巻と差動複巻を説明するで。

複巻機には分巻巻線と直巻巻線の2つがあるって話やったな。この2つの巻線が作る磁束の「向き」がどうなるかで、大きく2種類に分かれるんや。

まず、分巻巻線が作る磁束を \( \Phi_{sh} \)、直巻巻線が作る磁束を \( \Phi_{se} \) としよか。

🔵 和動複巻（かどうふくまき）

和動複巻は、分巻巻線と直巻巻線が同じ向きの磁束を作る接続方法や。「和」っていう字が入ってるやろ？つまり、2つの磁束を足し合わせるんやで。

負荷が増えると電機子電流 \( I_a \) が増える。直巻巻線には \( I_a \) が流れるから、\( \Phi_{se} \) も増える。結果として、全体の磁束 \( \Phi \) が増加するんや。

🔴 差動複巻（さどうふくまき）

差動複巻は、分巻巻線と直巻巻線が逆向きの磁束を作る接続方法や。「差」っていう字の通り、2つの磁束を引き算する形になるで。

負荷が増えると \( \Phi_{se} \) が増えるけど、それが \( \Phi_{sh} \) を打ち消す方向に働くから、全体の磁束は減少するんや。

ここで大事なポイントを言うで。実際に使われる複巻機のほとんどが和動複巻なんや。差動複巻は負荷が増えると磁束が減って、電動機の場合は回転速度が暴走する危険があるから、実用的やないねん。

せやけど、電験では「差動複巻の特徴は？」みたいに聞いてくるから、両方の違いをしっかり理解しとくことが大事やで。

和動複巻がなんで実用的なんか、もう少し詳しく見ていこか。

前回学んだ分巻機と直巻機の特性を思い出してみ。分巻発電機は負荷が増えると端子電圧が下がるっていう弱点があったよな。なんでかっていうと、電機子の内部抵抗 \( R_a \) による電圧降下 \( I_a R_a \) と、電機子反作用による磁束の減少があるからや。

ここで和動複巻の出番や。和動複巻発電機は、負荷電流が増えると直巻巻線の磁束 \( \Phi_{se} \) も増えるやろ？この増加分が、電圧降下をちょうど補償してくれるんや。

これが和動複巻の最大のメリットや。負荷が変動しても電圧を安定させることができるんやで。

一方、差動複巻はどうなるか考えてみ。負荷が増えると \( \Phi_{se} \) が増えるけど、それは \( \Phi_{sh} \) を打ち消す方向に働く。つまり全体の磁束が減って、誘導起電力が下がる。さらに \( I_a R_a \) の電圧降下もあるから、端子電圧がどんどん下がっていくんや。

グラフを見てわかるように、和動複巻（過複巻・平複巻・不足複巻）は電圧変動が小さいのに対して、差動複巻は急激に電圧が下がっていくんや。

ほな、ここまでの理解を問題で確認してみよか！

和動複巻と差動複巻の基本をしっかり押さえてるか、確認するで。

ええぞ！和動と差動の違いはバッチリやな。

ほな、複巻機のもう1つの分類軸、長複巻と短複巻について説明するで。

さっきの和動・差動は「磁束の向き」の違いやったけど、長複巻・短複巻は「直巻巻線をどこに接続するか」の違いなんや。

複巻機には分巻巻線と直巻巻線があるよな。分巻巻線は電機子と並列に接続されてる。問題は、直巻巻線を分巻巻線の外側に置くか内側に置くかなんや。

📏 長複巻（ちょうふくまき）

長複巻は、直巻巻線が分巻巻線の外側（電源側）に接続される方式や。英語では「Long-shunt compound」って言うで。

この場合、直巻巻線には全負荷電流 I（= Ia + If）が流れるんや。なんでかっていうと、直巻巻線は分巻巻線の分岐点より外側にあるから、分巻巻線に分かれる前の電流が通るからや。

📐 短複巻（たんふくまき）

短複巻は、直巻巻線が分巻巻線の内側（電機子側）に接続される方式や。英語では「Short-shunt compound」やで。

この場合、直巻巻線には電機子電流 Ia のみが流れる。分巻巻線に分かれた後の電流やからな。

次のステップで、回路図を使ってもっと具体的に見てみよか。

ほな、長複巻と短複巻の回路図を並べて比較するで。ここが視覚的にわかるとめっちゃスッキリするんや。

この2つの回路図、しっかり見比べてみてな。

長複巻では、直巻巻線（Rse）が分岐点の外側にあるから、分巻巻線に分かれる前の電流、つまり全電流 \( I = I_a + I_f \) が流れる。「長い経路を通る」から長複巻って覚えるとええで。

短複巻では、直巻巻線（Rse）が分岐点の内側（電機子側）にあるから、電機子電流 \( I_a \) だけが流れる。分巻電流 \( I_f \) は直巻巻線を通らへんのや。

実際の差はどうかっていうと、分巻電流 \( I_f \) は電機子電流 \( I_a \) に比べて非常に小さいから（通常5%以下）、長複巻と短複巻の実用上の特性差はほとんどないんや。せやけど、電験の計算問題では \( I_f \) の扱いが変わるから、回路をちゃんと理解しとくことが大事やで。

長複巻と短複巻の違い、ちゃんと理解できてるか確認するで。

ここまでで複巻機の分類（和動/差動、長/短）は理解できたな。ほな、次はもう少し定量的な話に入っていくで。

複巻機の誘導起電力 \( E \) は、基本的に \( E = k\Phi n \) で表されるのは前の講座で学んだ通りや。複巻機の場合、この \( \Phi \) が2つの磁束の合成になるんやで。

ここで重要なのは、\( \Phi_{sh} \) と \( \Phi_{se} \) がそれぞれどう決まるかや。

\( \Phi_{sh} \) は分巻巻線の電流 \( I_f \) によって決まる。分巻巻線の電流は端子電圧を分巻巻線抵抗で割った値やから、\( I_f = \frac{V}{R_{sh}} \) で比較的安定してるんや。

一方、\( \Phi_{se} \) は直巻巻線の電流によって決まる。長複巻なら全電流 \( I \)、短複巻なら電機子電流 \( I_a \) やな。どっちにしても負荷に応じて変化するのがポイントや。

長複巻と短複巻で式が少し違うのは、直巻巻線 \( R_{se} \) に流れる電流が違うからや。長複巻では \( R_{se} \) に \( I \) が流れるから、電圧降下は \( I \cdot R_{se} \)。短複巻では \( I_a \) が流れるから、\( I_a \cdot R_{se} \) になるんやで。

複巻機の磁束と電圧の関係、式が増えてきたけど大丈夫やな？ほな、計算問題で確認するで。

計算問題もいけたな！ほな、ここからは複巻機の特性について深掘りしていくで。

まず複巻発電機の話からや。発電機で最も重要な特性は外部特性（負荷電流に対する端子電圧の変化）やったな。

分巻発電機やと、負荷電流が増えると端子電圧が下がるのが問題やった。電機子の内部抵抗による電圧降下と、電機子反作用による磁束減少が原因やったな。

和動複巻発電機では、直巻巻線がこの電圧降下を補償してくれる。ここで、補償の度合いによって3つに分類されるんや。

📊 和動複巻発電機の3つの分類

① 過複巻（かふくまき）

直巻巻線による磁束の増加が、電圧降下を上回る場合や。負荷が増えると端子電圧がむしろ上昇するんや。遠方の負荷に電力を送るとき（送電線の電圧降下を見越して）に使われることがある。

② 平複巻（へいふくまき）

直巻巻線による補償がちょうどぴったりの場合。負荷が変わっても端子電圧がほぼ一定に保たれる。最も理想的で、電圧安定化が求められる用途に最適やで。

③ 不足複巻（ふそくふくまき）

直巻巻線による補償が不十分な場合。電圧降下を完全には補えへんから、負荷が増えると端子電圧はやや下がる。でも分巻発電機よりは電圧変動が小さいんや。

発電機の次は、複巻電動機の特性を見ていくで。

複巻電動機も発電機と同じように和動複巻がメインや。和動複巻電動機の特性は、分巻電動機と直巻電動機の中間的な特性を持つのが大きなポイントやで。

分巻電動機は回転速度がほぼ一定（定速度特性）やけど、始動トルクが小さい。直巻電動機は始動トルクがめちゃ大きいけど、無負荷で回転速度が暴走する危険がある。

和動複巻電動機は、分巻巻線でベースの磁束を保ちつつ、直巻巻線で負荷に応じた磁束の増加が得られる。つまり、以下のような特性になるんや。

グラフを見たらわかるように、和動複巻電動機は分巻と直巻の間の特性カーブを描くんや。

この「いいとこ取り」の特性が活きる用途って何やと思う？たとえば、エレベーター、圧延機、大型ポンプなど、始動時に大きなトルクが必要やけど、通常運転時にはある程度安定した速度が求められる機器に最適なんや。

複巻機の特性についてしっかり理解できてるか確認するで！

ええ感じや！ほな、電動機の方も問題で確認しよか。

ここからは、和動複巻の過複巻・平複巻・不足複巻をもう少し詳しく見ていくで。電験ではこの3つの違いを正確に理解してるかが問われるんや。

まず、なぜこの3種類に分かれるのかっていう話をしよか。和動複巻では直巻巻線の磁束 \( \Phi_{se} \) が電圧降下を補償してくれるって話やったよな。この補償の「度合い」は、直巻巻線の巻数によって変わるんや。

巻数を多くすれば \( \Phi_{se} \) が大きくなって補償が強くなり、巻数を少なくすれば \( \Phi_{se} \) が小さくなって補償が弱くなる。この設計の違いが3分類を生むんやで。

📏 定格負荷時の端子電圧で分類

この3つの分類は、定格負荷時の端子電圧 \( V_n \) と無負荷時の端子電圧 \( V_0 \) の関係で定義されるんや。

ここで注意してほしいのは、電圧変動率との関係や。電圧変動率 \( \varepsilon \) は \( \varepsilon = \frac{V_0 - V_n}{V_n} \times 100 \) [%] で定義されるんやったな。

過複巻は電圧変動率が負（マイナス）になるのが特徴的やで。なんでかっていうと、\( V_0 - V_n \) がマイナスになるから。普通は電圧変動率って正の値やけど、過複巻だけはマイナスになるんや。これは電験で狙われやすいポイントやから覚えとけ！

ほな、ここで電験でよく出るパターンとよくある間違いを整理するで。これ知ってるだけで点数が変わるで！

🎯 電験での出題パターン

パターン1：用語の正確な理解

「和動複巻と差動複巻の違い」「長複巻と短複巻の違い」を正確に選ばせる問題。これは今回しっかり学んだから大丈夫やな。

パターン2：特性の比較

「分巻・直巻・和動複巻の速度-トルク特性の違い」を聞く問題。和動複巻が「中間的な特性」であることがポイントや。

パターン3：計算問題

長複巻と短複巻で電流の扱いが変わる計算問題。特に「直巻巻線に流れる電流は何か」を正しく判断できるかがカギや。

パターン4：用途の選択

「エレベーターに適した電動機は？」みたいに用途から逆算して電動機の種類を選ぶ問題やで。

⚠️ よくある間違い

この整理ができてたら、電験の複巻機の問題はほぼ対応できるで。ほな、残りの問題でしっかり仕上げていこか！

過複巻と電圧変動率の関係、ここが狙われやすいで！

よし、ここまで来たら複巻機の知識はかなり揃ってきたで。ほな、総合的な問題で力を試してみよか！

最後の問題や！複巻機の計算問題で仕上げるで。これが解けたら複巻機マスターや！

お疲れさん！第9講「複巻機の詳細」、よう頑張ったな！

今回は複巻機について徹底的に学んだで。ここで学んだことを最終まとめとして整理しとこか。

これで Part 2「界磁と励磁方式」が完了や！第6講〜第9講で学んだ界磁の役割から各種励磁方式、そして複巻機の詳細まで、しっかり基礎が固まったな。