界磁は永久磁石なので、磁束 Φ は一定です。このため逆起電力 E は回転数 N に比例します(E = kΦN、kΦ は一定)。
令和7年度 下期 第三種電気主任技術者 機械 問2
界磁に永久磁石を用いた小形直流電動機がある。この電動機の電機子に 12 V の電圧を加えたところ,無負荷の状態で 3 000 min⁻¹ で回転した。この電圧を維持したまま負荷を与えて,2 A の電機子電流を流したところ,損失が 3 W 発生した。このときの回転数[min⁻¹]として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
ただし,ブラシによる電圧降下及び電機子反作用は無視できるものとし,損失は電機子巻線の銅損しか存在しないものとする。
選択肢
解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
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解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
詳細Layer 2展開閉じる
【無負荷時】損失は電機子巻線の銅損だけで、機械損(摩擦損・風損)も鉄損もありません。そのため無負荷では、損失を補うためのトルクが要りません。発生トルクは T = kΦIa なので、トルクが 0 なら電機子電流も Ia = 0 です。電流が流れないので電機子抵抗での電圧降下も 0 になり、逆起電力は電源電圧と等しく E₀ = 12 V です。このときの回転数は N₀ = 3 000 min⁻¹ です。
補足Layer 3展開閉じる
【負荷時】電機子電流は Ia = 2 A、銅損は Ia²·Ra = 3 W です。
電機子抵抗:Ra = 3 ÷ 2² = 0.75 Ω
電機子抵抗での電圧降下:Ia·Ra = 2 × 0.75 = 1.5 V
逆起電力:E = V − Ia·Ra = 12 − 1.5 = 10.5 V
【回転数】E ∝ N なので
N = N₀ × E ÷ E₀ = 3 000 × 10.5 ÷ 12 = 2 625 min⁻¹
よって正答は (4) です。
各選択肢の解説
- (1)
3 429
誤り。3 429 ≒ 3 000 × 12 ÷ 10.5 で、逆起電力の比を逆向きに掛けた値です。磁束が一定の直流電動機に負荷をかけると、電機子抵抗での電圧降下で逆起電力が下がるため、回転数も下がります。電源電圧が一定なら、無負荷時の 3 000 min⁻¹ を上回ることはありません。
- (2)
3 000
誤り。無負荷時の回転数そのものです。負荷時は 2 A の電機子電流が流れ、1.5 V の電圧降下が生じます。逆起電力が 10.5 V に下がるので、回転数は 3 000 min⁻¹ を下回ります。
- (3)
2 813
誤り。2 813 ≒ 3 000 × 11.25 ÷ 12 で、電圧降下を 0.75 V(逆起電力 11.25 V)とした値です。これは電機子抵抗 Ra = 0.75 Ω の数値を、そのまま電圧降下とした場合に相当します。実際の電圧降下は Ia·Ra = 2 × 0.75 = 1.5 V です。
- (4)
2 625
正しい。Ra = 3 ÷ 2² = 0.75 Ω なので、逆起電力は E = 12 − 2 × 0.75 = 10.5 V です。回転数は N = 3 000 × 10.5 ÷ 12 = 2 625 min⁻¹ となります。
- (5)
2 250
誤り。2 250 = 3 000 × 9 ÷ 12 で、電圧降下を 3 V(逆起電力 9 V)とした値です。これは正しい電圧降下 1.5 V の 2 倍で、条件と合いません。
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- 何が問われるか
- 本問の分野で問われる代表的な知識・用語の整理。
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