かご形回転子の構造とは？導体棒と端絡環をわかりやすく解説【電験三種 機械】

まず、かご形回転子の全体像を見てみよか。

かご形回転子は、大きく分けて3つの部品でできてるんや。①回転子鉄心、②導体棒（バー）、③端絡環（エンドリング）の3つやで。この3つが組み合わさって、あの有名な「かご」の形になるんや。

「かご形」って名前の由来は、導体棒と端絡環だけを取り出してみると、ペットのリスが走り回る「回し車のかご」にそっくりやからなんや。英語では "squirrel cage"（スクイレルケージ＝リスのかご）って呼ぶんやで。海外の教科書を読むときに出てくるから覚えとくとええで。

この図をよく見てな。灰色の円筒が回転子鉄心（ケイ素鋼板の積層体）、青い縦棒が導体棒（アルミや銅の棒）、そしてオレンジのリングが端絡環（導体棒の両端をつなぐリング）や。

ポイントは、導体棒と端絡環が電気的に「短絡」されているっていうことや。「短絡」っていうのは、導線の両端が直接つながっている状態のことやで。かご形回転子では、すべての導体棒が端絡環で短絡されてるから、回転子に外部から電気を供給する必要がないんや。これが「ブラシもスリップリングも不要」っていう最大のメリットにつながるんやで。

ほな、次はこの3つの部品をひとつずつ詳しく見ていくで。まずは「導体棒」からや！

さて、まずは導体棒（コンダクターバー）について詳しく見ていこか。

導体棒は、かご形回転子の中で誘導電流が流れる部分や。回転子鉄心の外周にある「スロット」と呼ばれる溝の中に、軸方向に沿って配置されてるんやで。

ここでめっちゃ大事なことを確認しとこう。そもそも誘導電動機はどうやってトルク（回転力）を生み出すんやった？覚えてるか？

そう、回転磁界が導体棒を横切る → ファラデーの法則で誘導起電力が生じる → 導体棒に電流が流れる → フレミング左手の法則で力が生まれる、この流れやったな。つまり、導体棒は「誘導電流を流す」という誘導電動機の根幹を担う部品なんや。導体棒がなかったら誘導電動機は回らへんのやで。

ほな、導体棒の材料は何を使ってるんか。主に2種類あるで。

アルミニウムは軽くて安いから、一般的なかご形誘導電動機のほとんどで使われてるんや。特に「ダイキャスト」という製法（後で詳しく説明するで）との相性が抜群でな、溶かしたアルミを鋳型に流し込むだけで導体棒と端絡環が一体成形できるんや。めっちゃ効率的やろ？

一方、銅はアルミより導電率が約1.6倍高い。つまり同じ太さの棒なら、銅の方が電気の流れがスムーズってことや。せやから高効率が求められるプレミアムモーターや、省エネ規制が厳しい用途では銅の導体棒が使われることもあるんやで。ただし重くて高いから、コストとのバランスが大事やな。

ちなみに、導体棒の本数は機種によって違うけど、だいたい20〜60本くらいが一般的や。回転子鉄心の外周に等間隔で配置されてるんやで。

次は、導体棒の両端をつなぐ「端絡環」について見ていくで！

さて、お次は端絡環（たんらくかん）やで。英語では "End Ring"（エンドリング）とも呼ばれるんや。

端絡環は、導体棒の両端をすべてつなぐリング状の導体や。つまり、回転子の上端と下端にそれぞれ1つずつ、合計2つの端絡環があるんやで。

「なんでこんなリングが必要なん？」って思うやろ？ここがめっちゃ大事なポイントやで。

導体棒に誘導電流が流れるためには、電流の通り道（回路）が閉じている必要があるんや。電気の基本やけど、回路が途中で切れてたら電流は流れへん。もし導体棒だけがあって端絡環がなかったら、電流の行き場がなくなって、誘導電流は流れへんのやで。

図の左側を見てくれ。導体棒だけがあっても、電流は棒を流れ下った後に帰る道がない。回路が開いたままやから、電流はゼロや。これじゃトルクも生まれへん。

右側が端絡環ありの場合。端絡環が上下にあることで、ある導体棒を流れ下った電流が端絡環を通って隣の導体棒に移り、その棒を上に流れてまた端絡環を通って...という具合に回路が閉じるんや。これで初めて誘導電流がちゃんと流れるようになるんやで。

せやから端絡環は、言い換えれば「導体棒に流れる電流の帰り道を作る部品」なんや。地味やけどめっちゃ重要な役割を果たしてるんやで。

端絡環の材料は導体棒と同じで、アルミニウムか銅が使われる。ダイキャスト製法の場合は、導体棒と端絡環が一体で作られるから、接触抵抗がゼロで電流がスムーズに流れるんや。

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！かご形回転子の基本構造を確認しよう。

ええ感じやな！ここからは、導体棒と端絡環を支えてる回転子鉄心とスロットについて詳しく見ていくで。

回転子鉄心は、薄いケイ素鋼板（けいそこうはん）を何百枚も重ねて作る「積層鉄心」なんや。「なんで一枚の分厚い鉄の塊じゃあかんの？」って思うやろ。これにはちゃんとした理由があるで。

それはうず電流損（渦電流損失）を減らすためや。モーターが回ってる間、鉄心の中を磁束がビュンビュン変化しながら通るわけやけど、鉄の塊だとその磁束変化でうず電流（渦電流）っていう無駄な電流がグルグル流れてしまうんや。この電流が熱になって、エネルギーの無駄遣い（損失）になるんやで。

ところが、鉄心を薄い板に分割して積層すると、うず電流の流れる範囲が各板の中だけに限定されるから、うず電流が大幅に減るんや。しかもケイ素鋼板は普通の鉄より電気抵抗が高いから、さらにうず電流が流れにくいんやで。

この断面図を見てな。灰色の部分が回転子鉄心で、外周に等間隔で並んでる青い部分がスロット（溝）や。このスロットの中に導体棒が入ってるんやで。

スロットは回転子の外周に近い位置にあるのがポイントや。なんでかっていうと、固定子からの磁束が最も強く作用する場所が外周に近い部分やからやで。磁束の変化を最大限に受け取れる位置に導体棒を置くことで、効率よく誘導電流を発生させてるんやな。

ちなみに、回転子の外周と固定子の内周の間にはわずかな隙間があるんや。これをエアギャップ（空隙）っていうんやけど、これについては後のステップで詳しく説明するで。

次のステップでは、エアギャップについてもう少し詳しく見ていくで！

さて、ここでエアギャップ（空隙）について話しとこか。これ、地味な話に聞こえるかもしれんけど、誘導電動機の性能を左右するめっちゃ重要な要素なんやで。

エアギャップっていうのは、固定子（ステーター）の内面と回転子（ローター）の外面の間のわずかな隙間のことや。回転子は固定子の中で回転するわけやから、当然この隙間が必要やわな。くっついてたら回れへんからな。

でもここで大事なのは、エアギャップはできるだけ小さい方がいいっていうことなんや。なんでかっていうと、空気は鉄に比べて磁気抵抗がめっちゃ大きいんや。磁気抵抗っていうのは「磁束の通りにくさ」のことやで。

たとえば鉄の磁気抵抗を「1」とすると、空気の磁気抵抗はだいたい「数千倍」にもなるんや。つまりエアギャップが大きいと、固定子から回転子への磁束が大幅に減ってしまうんやで。磁束が減るということは、誘導起電力が減って、トルクも効率も下がるということや。

実際のかご形誘導電動機のエアギャップは、わずか0.3mm〜2mm程度しかないんや。小型機なら0.3mm、大型機でも2mm程度。もう「紙一枚の隙間」みたいなもんやで。

ただし、エアギャップが小さすぎると問題もある。製造時の精度が求められるし、回転中に回転子が振動してエアギャップが不均一になると、磁気的なアンバランスが生じて騒音や振動の原因になるんや。せやから、適切なエアギャップを確保しつつ、できるだけ小さくすることが設計上のポイントなんやで。

ちなみにこれは同期電動機と比較するとおもしろいで。同期電動機のエアギャップは誘導電動機よりずっと大きいんや。これは同期電動機の回転子には永久磁石や電磁石があって強力な磁束を自力で作れるからや。一方、誘導電動機は固定子からの磁束に頼ってるから、エアギャップを極力小さくして磁束を効率よく伝える必要があるんやで。

ここまでで、かご形回転子の部品と基本構造をしっかり押さえたな。次からは、この「かご」がどうやって作られるのかっていう製造方法の話に入るで！

さて、ここからはかご形回転子の製造方法について見ていくで。これがまた面白いんや。

かご形回転子の導体棒と端絡環は、一般的にアルミダイキャスト（ダイカスト）という方法で一体成形されるんや。「ダイキャスト」って聞いたことあるか？自動車のエンジンブロックやおもちゃの模型を作るときにも使われてる製法やで。

ダイキャストの手順はこうや。まず、ケイ素鋼板を何百枚も重ねて回転子鉄心を作る。この時点でスロット（溝）はもう開いてる状態やで。次に、この鉄心を金型にセットして、溶かしたアルミニウム（約700℃の溶湯）を高圧で一気に流し込むんや。すると、アルミがスロットの中を通って両端のリング部分まで充填される。冷えて固まれば、導体棒と端絡環が一体になったかご形回転子の完成やで。

このダイキャスト製法のすごいところは、たった1工程で導体棒と端絡環が一体になるっていうことや。もし導体棒を1本ずつスロットに差し込んで、端絡環を別に作ってロウ付けして...なんてやってたら、めっちゃ手間がかかるし、接続部分の接触抵抗も問題になるやろ？

ダイキャストなら溶かしたアルミが一体で固まるから、接触抵抗ゼロやし、大量生産に最適やし、コストも安い。これがかご形誘導電動機が安く大量に作られる秘密のひとつやで。

ちなみにダイキャストで作られるとき、端絡環の部分に「ファン（送風羽根）」も一体で成形されることが多いんや。モーターが回転すると、このファンが風を起こして回転子自体を冷却してくれるんやで。一石二鳥ならぬ一石三鳥やな。

ほな、製造方法について理解できたか確認してみよか！

第2問やで！ダイキャスト製法について問うで。

ここからは、かご形回転子の中で電流がどのように流れるかを見ていくで。これ、ちょっとイメージしにくいかもしれんけど、とても大事な話やからしっかり付いてきてな。

固定子に三相交流を流すと、回転磁界が発生するんやったな。この回転磁界が回転子の導体棒を横切ると、ファラデーの電磁誘導の法則によって導体棒に誘導起電力が生じて、電流が流れるんや。

ここで面白いのは、すべての導体棒に同時に同じ大きさの電流が流れるわけではないってことや。回転磁界は円周方向に回ってるから、ある瞬間に磁束変化が最大の位置にある導体棒には大きな電流が流れて、磁束変化が小さい位置にある導体棒にはあまり電流が流れへんのや。

電流の流れ方を簡単に説明すると、こうなるで。ある導体棒を下向きに流れた電流は、下の端絡環を通って反対側の導体棒に移り、その棒を上向きに流れて、上の端絡環を通ってまた戻ってくる。つまり、導体棒→端絡環→隣の導体棒→端絡環→...という閉回路を電流がぐるぐる流れてるんや。

この展開図を見てくれ。かごを切り開いて平らにした図やで。赤い矢印が電流の流れを示してる。棒2を下に流れた電流が、下の端絡環を通って棒4に移り、棒4を上に流れて、上の端絡環を通ってまた棒2に戻るっていうループを描いてるんや。

実際には、こういうループが何組も同時に発生してて、回転磁界と一緒にぐるぐる回転するんや。この電流と回転磁界の相互作用でトルク（回転力）が生まれるんやで。

ここで重要なのは、この電流は外部から供給されたものではなく、電磁誘導によって自然に発生したものやということや。これが「誘導」電動機の名前の由来やったな。外部配線なしで回転子に電流が流れるから、ブラシもスリップリングも不要なんやで。

ほな、ここで問題や！

第3問やで！電流の流れに関する問題や。

ここからは、導体棒が入るスロット（溝）の形状について見ていくで。実はこのスロットの形が、かご形誘導電動機の特性に大きく影響するんや。

一般的なかご形回転子のスロットには、大きく分けて丸形（円形）スロットと台形スロットの2種類があるんやけど、ここで特に知っといてほしいのは、スロットの形状によって始動特性が変わるっていうことや。

なんでスロットの形で始動特性が変わるんか？それは「表皮効果」が関係してるんや。

表皮効果っていうのは、交流電流が導体の表面付近に集中して流れる現象のことや。周波数が高いほどこの効果が強くなるんやで。

ここで思い出してほしいんやけど、始動時（回転子が停止している状態）のすべりは \( s = 1 \) やろ？このとき回転子に誘導される電流の周波数は \( f_2 = sf = f \) で、電源周波数そのもの（50Hzや60Hz）になるんや。つまり始動時は周波数が高いから、表皮効果がめっちゃ強く出るんやで。

表皮効果で電流が導体棒の外周側（スロットの開口部側）に集中すると、実効的な導体の断面積が減る。断面積が減るということは抵抗が大きくなるということや。抵抗が大きくなると始動電流が抑えられて、しかも始動トルクは増加するんやで。

一方、定常運転時はすべりが小さい（たとえば \( s = 0.03 \) 程度）から、回転子の電流周波数は \( f_2 = 0.03 \times 50 = 1.5 \) Hz 程度。こんな低い周波数では表皮効果はほとんど起こらへん。電流は導体棒の全断面を均等に流れるから、抵抗が小さくなって効率がよいんや。

この表皮効果をもっと積極的に利用したのが、「深溝かご形」や「二重かご形」と呼ばれる特殊なかご形回転子なんや。これは第24講で詳しくやるけど、ここで名前だけ覚えといてな。

ほな、第4問や！表皮効果とスロットの関係を確認するで。

さて、ここまでかご形回転子の構造をがっつり学んできたな。ここで一度、かご形と巻線形の違いをもう少し掘り下げて比較してみよか。第1講でもざっくり比較したけど、構造を学んだ今ならもっと深く理解できるはずや。

この比較表を見ると、かご形が圧倒的に有利な項目が多いのが分かるやろ？構造がシンプル、安い、保守が楽、ダイキャストで大量生産できる...。ほとんどの項目でかご形が勝ってるんや。

巻線形が唯一勝ってるのは「始動特性の調整ができる」っていう点やで。巻線形は回転子のコイルがスリップリングで外部に引き出されてるから、外部抵抗を挿入して始動電流を抑えたり始動トルクを増やしたりできるんや。これが必要な用途（大きなクレーンや巻上機など、重い負荷を始動時から動かす必要がある場合）では巻線形が使われるんやで。

ただし最近は、インバータ（周波数変換器）の発達によって、かご形でも始動特性の問題が解決できるようになってきた。せやから巻線形のシェアは年々減ってきてるのが現状やで。

ほな、比較問題にチャレンジしてみよか！

第5問やで！かご形と巻線形の比較問題や。

ここで固定子（ステーター）側の構造も確認しとこか。かご形回転子のことばかり話してきたけど、固定子のことも知っとかんと全体像が掴めへんからな。

固定子は、固定子鉄心（ケイ素鋼板の積層体）の内側のスロットに三相巻線（コイル）が巻かれた構造をしてるんや。この三相巻線に三相交流を流すと、回転磁界が発生するわけやな。

重要なのは、かご形も巻線形も固定子の構造は同じっていうことや。違うのは回転子だけ。ほな、第6問で確認してみよか！

さて、ここまで各部品の構造を個別に見てきたな。ここで実際のかご形誘導電動機を分解したときの全体像を確認しとこか。

実際のモーターには、これまで学んだ固定子や回転子以外にも、回転を支える軸受（ベアリング）、本体を覆うフレーム（枠）、回転子の回転を外部に伝える回転軸（シャフト）、そして冷却用のファンとファンカバーなどがあるんや。

軸受（ベアリング）は回転軸を支える部品やで。回転子がスムーズに回転できるように、摩擦を最小限に抑えてるんや。かご形誘導電動機は構造がシンプルで壊れにくいんやけど、唯一定期交換が必要な部品があるとすれば、この軸受やで。

冷却ファンは、さっきも出てきたけど、回転軸に取り付けられてて、モーターが回転すると一緒に回って風を送るんや。モーターは電流が流れることで発熱するから、この冷却ファンで放熱することが重要なんやで。ダイキャスト製法で端絡環と一体成形されることも多いんや。

さあ、総合問題にチャレンジする準備はできたか？

第7問や！今回の総合問題やで。

よっしゃ！ここまで来たらもう大詰めや。今回学んだ内容を総まとめしよか。

第4講では、かご形回転子の構造を徹底的に学んだな。振り返ってみよう。

かご形回転子は構造こそシンプルやけど、その中に電磁気学の原理がぎっしり詰まってるんや。導体棒で電磁誘導を利用し、端絡環で電流の回路を作り、表皮効果で始動特性を改善し...。シンプルな構造の中に、巧妙な工夫が隠されている。それがかご形誘導電動機の真の魅力やで。

ほな、最終問題にいくで！

最終問題や！今回の講座で学んだことを総動員して解いてみてな。

お疲れさま！第4講「かご形回転子の構造」、完走やで！

今回で、かご形回転子の構造については一通り理解できたはずや。導体棒と端絡環っていうシンプルな部品が、電磁誘導の原理を巧みに利用して、ブラシもスリップリングもなしでトルクを生み出してるっていう仕組みが分かったやろ？

次回の第5講では、もうひとつの回転子タイプ「巻線形回転子」について詳しく学ぶで。スリップリングとブラシの仕組み、外部抵抗による始動特性の調整がどうやってできるのかを深掘りしていくで。かご形との違いをしっかり理解して、電験三種の問題に対応できる力をつけていこう！