巻線形誘導電動機の構造とスリップリングの仕組み【電験三種 機械】

まず、巻線形回転子の全体像を掴もか。

前回のかご形回転子は、鉄心のスロット（溝）に導体棒を差し込んで、両端を端絡環（エンドリング）で短絡した構造やったな。導体棒と端絡環で「鳥かご」みたいな形を作ってるから「かご形」って呼ぶんやった。

一方、巻線形回転子は全く違うアプローチをとってるんや。巻線形の回転子では、鉄心のスロットに導体棒の代わりにコイル（巻線）を巻いてある。しかも、ただ巻いてあるだけやなくて、固定子と同じように三相巻線になってるんやで。

つまり、固定子にも三相巻線があって、回転子にも三相巻線があるっていう構造なんや。これが「巻線形」って呼ばれる理由やで。回転子に「巻線（コイル）」が巻いてあるから巻線形。名前そのまんまやな。

ここで一番大事なポイントを言うで。かご形と巻線形の最大の違いは何かっていうと、回転子の回路を外部に取り出せるかどうかや。

かご形は導体棒が両端で短絡されてて、回転子の回路は完全に閉じてる。外から何かをつなぐことはできへん。一方、巻線形は三相巻線の端をスリップリングを通じて外部に取り出せるんや。外部に取り出せるということは、そこに外部抵抗をつないだり、いろんな制御ができるっていうことやで。

ほな、次は巻線形回転子の構造をもっと詳しく見ていこか。

ほな、巻線形回転子の構造を詳しく見ていくで。

巻線形回転子は、大きく分けて4つの部品で構成されてるんや。

まず1つ目は回転子鉄心や。これはかご形と同じで、薄い珪素鋼板を積み重ねた円筒形の鉄心やで。電磁誘導で発生する渦電流による損失（渦電流損）を減らすために、薄い板を積層してるんや。鉄心にはスロット（溝）が切ってあって、ここにコイルを入れるんやで。

2つ目が三相巻線（コイル）や。鉄心のスロットに、固定子と同じように三相のコイルを巻いてある。U相、V相、W相の3つの巻線が120度ずつずらして配置されてるんや。かご形では導体棒が入ってた場所に、巻線形ではこのコイルが入ってるわけや。この三相巻線は通常Y結線（スター結線）されてて、中性点は回転子の中で接続されてるんやで。

3つ目がスリップリングや。三相巻線の各端（U、V、Wの3本）は、回転軸に取り付けられた3個のスリップリングに接続されてるんや。スリップリングは回転軸と一緒に回転する金属のリング（輪っか）やで。つまり、回転子が回っても、コイルの端はこのリングの表面に常につながってるっていうことや。

4つ目がブラシや。スリップリングの表面に押し付けるように、固定されたブラシが接触してるんや。ブラシは通常カーボン（炭素）でできてて、回転するスリップリングに対してスルスルと滑りながら電気的な接続を維持するんやで。

この図のポイントを押さえてな。回転子の三相巻線（U・V・W）から出た3本の線が、それぞれスリップリングにつながってる。そしてスリップリングにブラシが接触することで、回転する回転子の巻線と静止した外部の回路を電気的につなげてるんやで。

ここで「なんで回転してる部品と固定されてる部品をつなぐ必要があるの？」って思うかもしれん。回転子は高速で回転してるから、普通の電線でつなぐわけにはいかへんやろ？電線がねじれて切れてまう。そこでスリップリングとブラシっていう「回転しながら電気的接触を保つ仕組み」が必要になるんや。

次は、スリップリングとブラシの仕組みをもっと詳しく見ていくで！

ほな、スリップリングとブラシの仕組みをもうちょっと詳しく見ていくで。

スリップリングっていうのは、回転軸に固定された金属の輪っかやで。材質は銅や銅合金が多いんや。回転子の三相巻線の3つの端が、それぞれ別々のスリップリングにつながってるから、3個のスリップリングが回転軸上に並んでるんや。3つのリングは互いに絶縁されてて、ショートせえへんようになってるで。

そして各スリップリングの表面に、ブラシがバネの力で押し付けられてるんや。ブラシはカーボン（炭素）でできてて、自身が少しずつ摩耗しながらスリップリングとの電気的接触を保ってるんやで。

ここで大事なのは、スリップリングとブラシの「仕事」を理解することや。この2つの部品が組み合わさることで、「回転している回転子の巻線」と「静止している外部の回路」を電気的に接続してるんや。回転子がどんなに速く回っても、ブラシはリングの上を滑るだけやから、電気的な接続は維持されるんやで。

この図をよく見てな。赤い境界線の上側が回転する部分（スリップリングは軸と一緒に回る）で、下側が固定された部分（ブラシは回転しない）や。ブラシとスリップリングの接触面が、「回転の世界」と「静止の世界」の橋渡しをしてるわけやな。

ちなみに、ブラシはカーボンでできてるって言うたけど、これには理由があるんやで。カーボンは適度に柔らかいから、スリップリングの表面を傷つけにくいんや。しかも自己潤滑性っていう性質があって、ブラシが摩耗するとその粉が潤滑剤の役割を果たしてくれるんやで。ただし、摩耗するということは定期的に交換が必要っていうことでもある。これが巻線形のデメリットのひとつなんや。

さて、ここまでの内容を確認してみよか！

ほな、第1問いくで！巻線形回転子の基本構造を確認しよう。

ここで、めっちゃ重要なポイントを押さえとくで。

「スリップリングとブラシ」って聞いて、直流電動機で出てきた「整流子とブラシ」を思い出した人もおるんちゃうかな。実際、電験三種の問題でもここはよく引っかけ問題に出るところやで。

まず結論から言うとな、スリップリングと整流子は全くの別物や。形は似てるけど、役割が根本的に違うんやで。

整流子は何をしてたか覚えてるか？直流電動機では、コイルが半回転するたびに電流の向きが変わってしまう。そのままやとトルクの方向が反転してうまく回れへん。そこで整流子が「電流の向きを半回転ごとに切り替える」ことで、常に同じ方向にトルクが発生するようにしてたんや。つまり、整流子の役割は「交流を直流に変換する（整流する）」ことやで。

一方、スリップリングは何をしてるかっていうと、ただ単に「回転する部分と外部を電気的につなぐ」だけや。電流の向きを切り替えたりはせえへん。回転子に流れてる交流をそのまま外部に取り出すだけの、いわば「回転するコネクタ」なんや。

この違いを整理すると、構造的にも大きな違いがあるんや。

整流子は、リングが細かく分割されてて、隣り合うセグメントは絶縁されてるんや。ブラシがセグメントからセグメントへ移るたびに、接続されるコイルが切り替わる。これで電流の方向が制御されるわけやな。

スリップリングは、逆に分割されてない完全なリングやで。1本の巻線につき1個の連続したリングがあるだけ。切り替えも何もない。ただ繋がってるだけや。

ほな、次はいよいよ巻線形の最大の武器、「外部抵抗の接続」について見ていくで！

さて、ここからが巻線形誘導電動機の真骨頂やで。

前のステップで、巻線形の回転子巻線はスリップリングとブラシを通じて外部に取り出せるって学んだな。ほな、外部に取り出して何をするんかっていうと、そこに外部抵抗（二次抵抗）を接続するんや。

「なんで抵抗をつなぐん？」って思うやろ。これにはちゃんとした理由があるんやで。

まず、誘導電動機の始動時の問題を思い出してくれ。かご形誘導電動機は、電源を投入した瞬間に非常に大きな始動電流が流れるんや。定格電流の5〜7倍もの電流が流れることもあるんやで。この大電流は電動機自身にも電源側にも負担がかかって、場合によっては他の機器に影響を与えることもあるんや。

ここで巻線形の出番や。回転子の巻線に外部抵抗を接続すると、回転子回路全体の抵抗値が増えるやろ？抵抗が増えると、始動時に流れる電流を抑制できるんや。しかも、それだけやなくて始動トルクを大きくすることもできるんやで。

なんで抵抗を増やすと始動トルクが大きくなるんか？これはちょっと直感に反するかもしれんけど、誘導電動機の特性として、二次抵抗の値を変えるとトルク特性曲線が変化するんや。適切な抵抗値にすると、始動時のすべり（s=1のとき）でのトルクを最大に近づけることができるんやで。この詳しいメカニズムは後の講座（比例推移）で学ぶから、今は「外部抵抗を入れると始動電流を抑えつつ、始動トルクを大きくできる」っていうことを覚えといてくれ。

この図のポイントを見てくれ。巻線形の運転は3段階になるんや。

まず始動時は外部抵抗 R を最大にして、始動電流を抑えながら始動トルクを確保する。次に加速中は抵抗を徐々に減らしていく（段階的に短絡していく）。そして定格運転時には外部抵抗をゼロ（完全短絡）にするんや。外部抵抗がゼロっていうことは、回転子巻線の端が直接短絡されてる状態や。これは実質的にかご形と同じような状態になるんやで。

つまり巻線形は、「始動のときだけ特別扱い」して、普段の運転はかご形と同じようにできる、っていういいとこ取りの構造なんや。

ここまでの内容をもう一問で確認してみよか！

ほな、第2問や！スリップリングと整流子の違い、しっかり理解できてるか確認するで。

ほな、外部抵抗による始動特性の改善についてもうちょっと詳しく見ていくで。

さっき「外部抵抗を入れると始動電流が下がって、始動トルクが上がる」って言うたけど、「なんでそうなるん？」っていう理由をもう少し掘り下げるで。

まず始動電流が下がる理由は直感的にわかりやすいな。回転子の回路に抵抗が追加されるんやから、オームの法則（\( I = \frac{V}{Z} \)）で考えたら、インピーダンス Z が大きくなって電流 I は小さくなる。これはシンプルやな。

問題は「始動トルクが大きくなる」方やで。抵抗を入れたら電流は減るのに、なんでトルクは増えるんか？

これには力率（cos φ）が関係してるんや。トルクは電流だけで決まるんやなくて、電流と力率の両方で決まる。外部抵抗を入れると、回転子回路のインピーダンスの中で抵抗成分の割合が増えるやろ？これにより二次側の力率が改善（cos φ₂ が大きくなる）するんや。

電流は少し減るけど、力率が大きく改善されるから、トータルのトルクは増えるっていう仕組みや。これは後の講座で公式を使って詳しくやるから、今は「力率改善の効果が電流減少の効果を上回る」っていうイメージで理解しといてくれ。

ただし注意点もあるで。外部抵抗を入れるのは始動時だけや。定格運転中は外部抵抗をゼロにしないと、抵抗で余計な電力が消費されて効率が悪くなるんや。外部抵抗での消費電力は熱に変わるから、エネルギーの無駄やし、抵抗器も発熱してしまうしな。

ほな、ここまでの内容を問題で確認するで！

第3問や！外部抵抗の使い方を確認するで。

ここで、かご形と巻線形の総合比較をしておこか。電験三種では「両方の違いを問う問題」がよく出るから、ここは超重要やで。

まず構造面から比較するで。かご形は導体棒と端絡環だけのシンプルな構造。部品点数が少ないから製造コストが安い。巻線形は三相巻線にスリップリングとブラシが追加されるから、構造が複雑でコストも高いんや。

次にメンテナンス面。かご形はブラシが不要やから、基本的にはメンテナンスフリーに近い。軸受けの交換くらいや。一方、巻線形はブラシが摩耗するから定期的にブラシを交換する必要があるんや。スリップリングの表面の手入れも必要になる。せやから、保守の手間とコストは巻線形の方がかかるんやで。

始動特性はどうか。かご形は始動時に大きな電流が流れるのを制御しにくい。始動電流を減らそうとすると始動トルクも下がってしまう（Y-Δ始動法など）。巻線形は外部抵抗で始動電流を抑えながら始動トルクを大きくできるから、始動特性は圧倒的に巻線形が有利やで。

速度制御についても触れとこか。かご形は元々速度制御が苦手で、インバータがないと速度を変えられへん。巻線形は外部抵抗を変えることで、ある程度の速度制御が可能なんや。ただし、抵抗による速度制御は効率が悪いっていうデメリットもあるで。

この比較表を見てもらうとわかるけど、普段使いではかご形が圧倒的に有利なんや。安くて壊れにくくてメンテナンスも楽。せやから世の中の誘導電動機のほとんどがかご形なんやで。

巻線形は「始動特性が重要な場面」でしか出番がないんやけど、その場面では巻線形にしかできないことがあるんや。次のステップでは、巻線形が具体的にどこで使われてるかを見ていくで。

ほな、巻線形誘導電動機が実際に使われてる場面を見ていこか。

巻線形はかご形に比べてコストもメンテナンスも大変やから、「どうしても巻線形じゃないとあかん」っていう場面でしか使われへんのや。その場面っていうのは、主に「大型で、始動が難しい用途」やで。

具体的に言うと、まずクレーンや。工場や港湾で使われる大型クレーンは、重い荷物を持ち上げるために大きな始動トルクが必要なんや。しかも、荷物の重さに応じて速度を変えたいっていう要求もある。巻線形なら外部抵抗で始動トルクを確保しつつ、速度制御もできるんやで。

次に巻き上げ機（ホイスト）。エレベーターの巻き上げ装置や、鉱山の巻き上げ機なんかも巻線形が使われることが多いんや。これも大きな始動トルクと速度制御が必要な用途やからやな。

他にも、大型のポンプやコンプレッサーの中には巻線形を使うものがあるで。始動時に配管の中の水や空気の抵抗が大きくて、大きなトルクが必要な場合や。それからセメントミル（粉砕機）のような大型の産業機械にも使われることがあるんや。

ほな、ここまでの理解度を確認するで！

第4問や！かご形と巻線形の比較を確認するで。

続けて第5問や！巻線形の特徴をもう少し深掘りするで。

ここからは、巻線形誘導電動機の実際の運転に関わる大事な仕組みについて説明するで。

さっき「定格運転時には外部抵抗をゼロ（短絡）にする」って言うたな。ほな、外部抵抗をゼロにした後、ブラシはスリップリングに触れたままでいいんやろか？

答えは「できれば離した方がええ」や。理由は簡単で、ブラシがスリップリングに接触してる限り摩耗が続くし、接触部分で電気的な損失（接触抵抗による損失）も発生するんや。定格運転中は外部抵抗がゼロやから、わざわざブラシを接触させとく理由がないんやで。

そこで使われるのが短絡ブラシ引き上げ装置っていう仕組みや。これは、定格運転時にスリップリング上で三相巻線の端を直接短絡してから、ブラシをスリップリングから持ち上げて離す装置なんや。

動作の順番はこうやで。まず始動時は外部抵抗をつないで始動する。加速が終わって定格速度に達したら、外部抵抗を完全に短絡する。ここまでは前に説明した通りや。その後、短絡リング（3つのスリップリングを電気的につなぐリング）を押し当てて巻線端を短絡し、ブラシをスリップリングから持ち上げるんや。

こうすることで、ブラシの摩耗を防ぎ、ブラシの寿命を大幅に延ばすことができるんやで。また、ブラシとスリップリングの接触抵抗による電力損失もなくなるから、効率も少し向上するんや。

次は、電験三種の試験対策として押さえておくべきポイントをまとめるで！

ほな、ここで電験三種でよく出るポイントをまとめるで。巻線形に関する問題はパターンが決まってるから、ここを押さえれば得点源にできるで。

パターン1：「スリップリングの個数」を問う問題。これは三相やから3個。シンプルやけど、「2個」とか「6個」の選択肢に引っかからんようにな。

パターン2：「スリップリングと整流子の違い」を問う問題。スリップリングは連続リングで整流作用なし（巻線形誘導電動機に使用）、整流子は分割されたリングで整流作用あり（直流電動機に使用）。ここは超頻出やで。

パターン3：「外部抵抗の効果」を問う問題。外部抵抗を入れると始動電流が減少し、同時に始動トルクが増大する。「電流が減るのにトルクが増える」っていうのが引っかけポイントやで。力率の改善が効いてるんやったな。

パターン4：「定格運転時の外部抵抗」を問う問題。定格運転時は外部抵抗を短絡（ゼロに）する。入れっぱなしにすると効率が悪くなるんやったな。

パターン5：「かご形と巻線形の比較」を問う問題。かご形は「安い、丈夫、メンテナンス楽」、巻線形は「始動特性が良い、速度制御可能、でも高い・メンテナンス大変」。ここを混同させる選択肢が出るから注意やで。

ほな、ここから総仕上げの問題に入っていくで！

第6問や！短絡運転について確認するで。

第7問は総合問題や！今回学んだ内容を幅広く確認するで。

ラスト！第8問、最終問題や！今回の講座の総まとめ的な問題やで。

お疲れさん！第5講、巻線形回転子の構造について、一通り学びきったで！

今回は前回のかご形に続いて、誘導電動機の「もうひとつの顔」である巻線形について詳しく学んだな。かご形が「安くてシンプルで頑丈な普段使いのモーター」やとしたら、巻線形は「始動が難しい大型設備に対応できるスペシャリスト」っていう位置づけやで。

ここで今回の要点を最終確認しとこか。

この第5講で、Part 1「誘導機の基礎」が完結やで！第1講から第5講まで、誘導機の全体像から原理、構造、かご形、巻線形と、基礎をしっかり積み上げてきたな。