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モーターに分巻という形式のものがあります。このモーターの界磁巻線の電流は回転数によって(または負荷の大小によって)変化するのでしょうか。
ローターの電流は回転数によって変化しますね。これは界磁によってローター巻線に電圧が発生するものの回転数によってその値が変わることで電流が変わると説明されています。
界磁巻線にはローターからの磁界も通っているのでこちらにも回転数に応じた電圧が発生、因って回転数が変わると界磁電流も変わる、と思えるのですがどうなんでしょう?
小生モーター関係には詳しくありません。netを検索したのですが解説は見つけられませんでした。
回転数が変わってもほぼ一定なのか、かなり大きく変化するのか、簡単な説明とともに教えていただければありがたいです。

同様のことが発電機でも言えると思います。こちらで説明していただいても構いません。
よろしくお願いします。

A 回答 (4件)

回答NO.3のお礼欄のコメントについて、



>電機子の磁気によって界磁巻線に生じる電圧は交流ですね。モーターの極数と回転速度で決まる交流です。
>界磁巻線に加えているのは直流ですからここを流れる電流は 直流+交流 になります。電流計は一般に交流には応答しないので界磁電流は一定のように見える、ということではないでしょうか。
>界磁電流を交直両用の実効値型計器で測れば増減がわかるかもしれません。

これは正確な話ではありませんね。電機子に流れる電流はブラシと整流子によってそれぞれの界磁N極とS極に対して電機子の回転を維持する方向の電流が電機子に流れるように動作します。例えば界磁のN極に対向してる電機子巻き線には回転を維持する方向の電流が常に流れます。それが+方向の電流ならばそのN極に対向してる電機子巻き線が反対側のS極まで回転するまではその電流の方向は変わりません。そしてその電機子巻き線が回転して界磁のS極の回転位置に到達した時にはブラシと整流子によって電機子の電流は今までと反対向きに変えられます。結局、回転してる電機子巻き線は界磁の特定の極(N極あるいはS極)に対向してる角度の間は同一方向の電流になるようにブラシと整流子で制御されているため、界磁のそれぞれの極において対応する電機子巻き線には常に同一方向の電流。即ちDC電流が流れてることになります。ですから、各界磁極に対して電機子の電流は交流にはなりません。界磁N極からS極を電機子の一回転としてみれば、電機子にはその一回転を一周期とする交流が流れてるという事にはなりますが。
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この回答へのお礼

たびたびありがとうございます。
貴兄の詳しいご説明は理解できます。
小生が言いたかったのは、電機子由来の磁気で界磁巻線に生じる電流のことです。念のため再度書いておきます。
電機子の電源は直流で考えていますから電機子が発生するのは直流磁界ですね。これが界磁鉄心に流れ込むのですが、電機子は回転しているのでその量は電機子の角度によって変化しています。界磁から見れば直流磁気、というより脈流磁気と言うべきでしょう。
ところで直流磁気は磁気誘導しません。ですが脈流磁気なら変化分だけは誘導しますね。誘導された電流は直流分が失われたものになります。正負で非対称な波形かもしれませんが、少なくとも直流分はありません。
因って界磁巻線に誘導されるのは交流電流だけと考えました。
周波数は、モーター1回転につき 極数 × 1サイクル になると思います。

お礼日時:2018/12/09 10:26

>電機子は界磁の影響を受けて回転力にしているなら、なぜ電機子から界磁巻線への影響はないのでしょうか?



当然、物理的に電機子を回転させる反力として界磁は力を受けてますが固定されてます。そうですね、ういう意味では影響は受けてますがね。
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この回答へのお礼

たびたびありがとうございます。
貴兄の「偏り」をヒントにずっと考えています。
以下、小生の愚考です。(話が面倒なので以下、直流の分巻型モーターとします)
電機子の磁気によって界磁巻線に生じる電圧は交流ですね。モーターの極数と回転速度で決まる交流です。
界磁巻線に加えているのは直流ですからここを流れる電流は 直流+交流 になります。電流計は一般に交流には応答しないので界磁電流は一定のように見える、ということではないでしょうか。
界磁電流を交直両用の実効値型計器で測れば増減がわかるかもしれません。
考えてみれば磁気誘導によって直流は発生しません。電機子の影響で界磁巻線に直流が生じることはあり得ません。これ迂闊でした。
もうひとつ界磁巻線は細い線がたくさん巻いてあります。電気抵抗は高く流れる電流は巻線の抵抗で決まり、回転数ではほぼ影響されないので誰も気にしないのでしょう。

一方、回転している電機子の側では、
界磁によって電機子に発生する電圧はモーターの極数と回転速度で決まる周波数の交流です。
電機子に加わる電源は整流子を通っているのでこれもモーターの極数と回転速度で決まる周波数の交流です。
この2つの交流は位相も同じなので単純に差をとったものが回転力になります。
つまり Ia=(Es-Ea)/Ra の式が適用できます。
界磁が直流と交流であることと根本的に違う所です。

考えがもう少しまとまればスッキリするのですが。
ご意見を頂ければありがたいです。

お礼日時:2018/12/04 23:13

界磁電流には変化は現れません。

ただし、界磁磁路に電機子に発生する回転磁界によって偏り(電機子反作用と呼ばれてます)は発生します。

そもそも、電機子電流が電機子の回転によって変化するのは電機子が界磁磁界の中を回転するときに電機子に発生する逆起電圧Eaによって電機子巻き線に加わる電圧が減少してしまう結果起こります。界磁は静止してるだけで回転もしないので電機子の回転で界磁磁界が変化するという事は起こりません。
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この回答へのお礼

返事をありがとうございます。
もうしわけありませんが、もう少しお教え願います。

電機子に発生する逆起電圧のことはわかります。回転数によってその値が変わり電機子電流が変わることもわかります。
ですが界磁電流は変化しない、というのはどうしてもわかりません。
モーターというのは 界磁の磁力 と 電機子の磁力 の相互作用で回っていますね。どっちが回っていようと相対的な位置関係で回転力になっていると思います。アウターローター型のモーターは外側の界磁側が回っています。
電機子は界磁の影響を受けて回転力にしているなら、なぜ電機子から界磁巻線への影響はないのでしょうか?

> 偏り(電機子反作用と呼ばれてます)は発生します。
「偏り」とは電機子の磁極の数や角度に対応して界磁電流が脈動する現象でしょうか? これは理解できます。
電機子の磁力が界磁巻線に電圧を発生させているからですね。ならば回転速度によって発生電圧、すなわち脈動の振幅が変わるという理解でよろしいでしょうか。

お礼日時:2018/12/02 23:34

>このモーターの界磁巻線の電流は回転数によって…



話は逆です。
回転数によって界磁電流が変わるのでなく、界磁電流を変えることによって回転数を変えているのです。
界磁電流を多くすれば回転数は落ち、界磁電流を少なくすれば回転数は上がるのです。

したがって、負荷の都合によって回転数が変わるような用途に分巻モーターは使用できません。
すなわち、0 から最高速度まで回転数を変わり、しかも 0 からの起動時に最大トルクを必要とする (昭和の) 電車には、直巻モーターが使われています。

>界磁巻線にはローターからの磁界も通っているので…

界磁巻線による磁束と、電機子巻線による磁束との、吸引・反発作用でモーターは回転するのです。
電機子磁束が界磁も通るという考え方ではありません。
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この回答へのお礼

回答をありがとうございます。

> 界磁電流を変えることによって回転数を変えているのです。
これは知っています。実験したこともあります。界磁電流(または電圧)を変えたらどうなるか、ではありません。
お尋ねしているのは モーターの回転速度が変わった時(その原因は機械的負荷の増減でしょう)に界磁巻線の電流は変わるのか、ということです。
実際に分巻モーターを使ったことはないので経験的な話ができませんが、無負荷と定格負荷では回転数は少なくとも10%程度は変わると思います。それによって界磁巻線の電流は変わるものなのですか?
ちなみにコンデンサ付のインダクションモーターでは負荷の増減で両巻線とも電流が変わります。これは調べたことがあります。だから分巻モーターでも変わるのではないかと思うのですが。

> 電機子磁束が界磁も通るという考え方ではありません。
界磁巻線で発生した磁気は電機子巻線で発生した磁気と影響しあって回転運動になっていると思います。では逆に電機子から生じた磁気も界磁巻線に影響しているはずですよね。影響しているなら回転数が変わると界磁電流は変わると思えるのですけど。

「測ってみたら増えていた」といった経験談でもありがたいです。教えてください。

お礼日時:2018/11/29 10:03

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「発電機の損傷」ではなく「発電所の損傷」でしょう。

発電用の蒸気タービンは、通常「発電機の負荷」を「供給蒸気」で回し、50Hz の電源周波数なら 3000 rpm (1分間に3000回転、つまり1秒間に50回転)あるいは 1500 rpm (1分間に1500回転、つまり1秒間に25回転)という高速回転しています。

蒸気タービンは、高圧の蒸気がタービンで仕事をするにしたがって低圧の蒸気になっていく各段階で効率よく利用するために、羽根の長さや構造・形状を段階的に変えたものが多段に渡って軸に取り付けられています。
このように、タービンは、大型の機器でありながら、その細部は「精密機器」のような精度で作られることになります。
↓ こんな図を参照
https://www.mhps.com/jp/products/steamturbines/lineup/thermal-power/2500/

従って、羽根の長さや構造によっていろいろな「共振振動数」が発生します。この「共振振動数」は、羽根の長さや構造がまちまちなので、広い回転範囲にわたって存在します。当たり前ですが、少なくとも「定格回転数」では共振点を外れるように設計されます。
このために、決められた定格回転数以外では、「高い側」(オーバースピード)にも「低い側」にも「局所的な振動」が発生する可能性があります。
そういった「局所振動」を設計の段階ですべて解析しておくことは困難なので、少なくとも「振動が起こらない」ことを確認した「定格回転数」周辺の運転範囲を逸脱したら「そこではタービンは運転しない」ということにしているのです。

送電線事故(送電線が切れるなど)が起これば、発電機の負荷が急にゼロに落ちますから、発電機は急に負荷が軽くなって回転数が急上昇します。ただでさえ高速回転しているものが、さらに「オーバースピード」になればタービンは壊れますので、この場合にはただちに蒸気を遮断してタービンを停止します。(オーバースピード側は、振動もありますが「羽根が抜ける危険性」の方が大きいかもしれません)

逆に、今回の北海道のように、どこかの発電相が故障で脱落すると、「発電機の負荷」が急に重くなります。脱落した発電所の分まで、残りの発電所の発電機の負荷にぶら下がってしまうからです。ということでタービンの回転数が落ちます。頑張って回そうにも蒸気量の上限は決まっています。通常は、多数の火力発電所がある程度の余裕をもって運転しているので、1基の発電所に事故があっても残りの発電所でカバーできますが、今回の北海道では1基の発電相が全負荷の50%近くを受け持つという「一極集中」状態で運転していたようです(通常はあり得ない運転かと思います)。
なので、1基の脱落で、他の発電所は「余裕」を全部出しきっても「重い負荷」を背負いきれずに回転数が落ちました。おそらく今回のケースでは 50Hz が 45Hz とか 40Hz 以下になる程度まで回転数が下がったのではないでしょうか。そのような回転数では、タービンの羽根のどこかが「共振振動」を起こす可能性があるので、各発電所とも「自分の発電所のタービンの振動からの保護」の観点で次々に運転を停止したのだと思います(そのように「自動インターロック」が組まれているので、次々に自動的に停止した)。

今回の北海道のケースでは、各発電所でそういった「タービン保護」の観点からの「正常な対応」がなされた結果の出来事であり、「発電機」のコイルが焼き切れるといった事象は全く関係ありません。

ただし、各発電所での「正常な対応」が行われた上で、電力系統全体で停電するという事態が起こったわけで、それは電力会社としての運用に大きな問題があったのが原因です。
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このように、発電所や負荷の運用で、北海道電力ではダブルのミスを犯したのではないかと思います。

「発電機の損傷」ではなく「発電所の損傷」でしょう。

発電用の蒸気タービンは、通常「発電機の負荷」を「供給蒸気」で回し、50Hz の電源周波数なら 3000 rpm (1分間に3000回転、つまり1秒間に50回転)あるいは 1500 rpm (1分間に1500回転、つまり1秒間に25回転)という高速回転しています。

蒸気タービンは、高圧の蒸気がタービンで仕事をするにしたがって低圧の蒸気になっていく各段階で効率よく利用するために、羽根の長さや構造・形状を段階的に変えたものが多段に渡って軸に取り付けられています。
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Q既存電力系統に発電設備を設置した場合の電圧

工場の電力系統に関する質問です。
電力会社からの買電だけの系統に、
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下さい。
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配電(送電)線が長く電圧降下が大きい系統であれば、発電機の稼働・停止によって大きく電圧は変動します。

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