永久磁石界磁直流電動機

永久磁石界磁直流電動機は、界磁に永久磁石を用いる直流電動機であり、電機子の回転速度とトルクの関係を、界磁の磁束が一定であるという前提のもとで扱う機械である。界磁巻線に電流を流して磁束を作る分巻電動機や直巻電動機とは異なり、この電動機では磁束が永久磁石の構造によって定まる。この違いが、速度制御と始動の方法を決める出発点になる。

基本構成と磁束の扱い

永久磁石界磁直流電動機では、界磁が永久磁石であるため、界磁巻線に電流を流して磁束の大きさを調整する操作はできない。磁束 φ は運転中おおむね一定とみなされるので、回転速度とトルクを変える手段は、主として電機子側の電圧と電流に限られる。界磁電流を変えて速度を調整する分巻電動機の方式を、この電動機に当てはめてはならない。

電機子に電流が流れると、磁束との相互作用によって回転子にトルクが生じる。電機子の回路は、電機子巻線の抵抗と、ブラシを通じて電源に接続される部分から成ると考えて扱う。計算では、この電機子回路の電圧関係を基準にして各量を求める。

電圧方程式とトルク

電機子回路では、端子電圧 V、電機子電流 Ia、電機子抵抗 Ra、誘導起電力 E の間に次の関係が成り立つ。電動機では、端子電圧は誘導起電力と電機子抵抗による電圧降下の和に等しい。

V = E + Ra·Ia

誘導起電力 E は、磁束 φ と角速度 ω の積に比例する。比例定数を K とすると、次のように書ける。

E = K·φ·ω

トルク T は、磁束 φ と電機子電流 Ia の積に比例する。同じ比例定数 K を用いると、次のように書ける。

T = K·φ·Ia

磁束 φ が一定であるため、トルクは電機子電流に比例し、角速度は端子電圧から電機子の電圧降下を引いた値に比例する。角速度を式で表すと次のとおりである。

ω = (V − Ra·Ia) / (K·φ)

この式から、負荷が増えて電機子電流 Ia が大きくなるほど、電圧降下 Ra·Ia が増え、角速度が低下することが分かる。無負荷に近い状態では電機子電流が小さいため、角速度はほぼ端子電圧だけで決まる。

速度制御と始動

永久磁石界磁直流電動機の速度制御は、主として端子電圧 V を変える方法で行う。磁束 φ を変えられないため、界磁を弱めて速度を上げる方法は使えない。端子電圧を高くすれば角速度は上がり、低くすれば角速度は下がる。