同期機の構造と種類

同期機は、固定子の回転磁界と回転子の界磁が同じ速度で回転する交流機であり、発電機としても電動機としても用いられる。同期機の構造は、界磁を作る部分と電機子巻線を持つ部分の配置によって決まるため、本節ではまず回転子と固定子の役割を整理する。そのうえで、回転界磁形と回転電機子形の区別、回転子の形状による突極形と円筒形の区別、同期速度の求め方、制動巻線と冷却方式を順に述べる。

固定子と回転子の役割

同期機は、電機子巻線を持つ固定子と、界磁巻線を持つ回転子から構成される。電機子巻線は三相交流の起電力を生じさせる巻線であり、発電機では発生した電力を外部へ送り出す端子に接続される。界磁巻線には直流を流して主磁束を作り、この磁束を回転子とともに回転させる。固定子鉄心は、回転する磁束を通す磁路であるとともに、電機子巻線を収める溝を持つ。

同期機の電機子と界磁のどちらを回転子に配置するかによって、回転界磁形と回転電機子形の二つの形式が区別される。回転界磁形は界磁を回転子に、電機子を固定子に置く形式であり、大容量の機械ではこの形式が用いられる。回転電機子形は電機子を回転子に置く形式であり、回転子の電機子巻線から電力を取り出すためにブラシと滑りリングが必要となる。回転界磁形では、電力を取り出す巻線が固定子にあるため、滑りリングを介さずに大きな電力を外部へ送ることができる。一方、回転子に流す界磁電流は比較的小さい直流で足りるため、界磁側にだけ滑りリングを設ける構成で済む。

突極形と円筒形

回転子の形状は、突極形と円筒形に分けられる。突極形は、磁極が回転子の表面から外側へ突き出している形式であり、磁極の間にできる空隙の大きさが円周方向で一定にならない。突極形は磁極数が多く、回転速度を低く抑える必要がある機械に適するため、水車発電機やディーゼル発電機の回転子に用いられる。

円筒形は、回転子が円筒状の鉄心で構成され、磁極が表面から突き出ない形式である。円筒形は磁極数が少なく、回転速度が高い機械に適するため、蒸気タービンで駆動されるタービン発電機の回転子に用いられる。回転子が高速で回転すると大きな遠心力が生じるため、円筒形は機械的な強度を確保しやすい形状として選ばれる。